THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN NHÀ TRỒNG HOA LAN SỬ DỤNG LORA

Bài luận văn đạt điểm 9.1710 trong kì báo cáo luận văn tốt nghiệp của trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh. Đề tài thiếu kế mô hình điều khiển nhà kính thông minh trồng hoa Lan, có sử dụng công nghệ Lora, IOT, Kết nối với Internet qua Blynk

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN

NHÀ TRỒNG HOA LAN SỬ DỤNG LORA

LỜI CẢM ƠN

Không có sự thành công nào mà không gắn liền với sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp từ người khác Trong suốt thời gian học tập tại giảng đường em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý thầy cô và bạn bè

Để thực hiện Luận văn tốt nghiệp này, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Trần Công Binh đã tận tình giúp đỡ tạo điều kiện, góp ý và chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu cho em thực hiện tốt đề tài

trường Đại học Bách Khoa TP.HCM nói chung- Điện tử nói chung đã tận tình dạy dỗ, chỉ bảo, cung cấp những kiến thức nền chuyên môn làm cơ sở cũng như tạo điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành đề tài

Trong quá trình hoàn thành Luận văn tốt nghiệp em đã học thêm được nhiều kiến thức giúp em có một cái nhìn sơ bộ và cũng là hành trang quan trọng cho em để chuẩn

bị cho chặng đường sắp tới

Mặc dù đã rất cố gắng trong quá trình thực hiện, tuy nhiên vẫn không thể tránh được những thiếu sót, vì vậy em rất mong nhận được sự góp ý từ các thầy cô để em có thể hoàn thiện tốt hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 1 năm 2021

Sinh viên

PHAN ĐĂNG HOÀNG

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Đề tài luận văn tập trung vào:

- Tìm hiểu về đặc tính của loài hoa Lan, tìm hiểu các thông số cần điều khiển để chăm sóc cho hoa Lan như: nhiệt độ, độ ẩm, độ ẩm đất, ánh sáng

- Thiết kế, xây dựng phương pháp đo lường các thông số độ ẩm, nhiệt độ, độ ẩm đất, ánh sáng

- Lựa chọn, thiết kế phương pháp truyền dữ liệu đo được về trung tâm điều khiển

và xử lý dữ liệu

- Thiết kế và thi công mạch điều khiển cho mô hình nhà trồng hoa Lan

- Thiết kế và thi công mô hình nhà kính, hệ thống điều khiển nhiệt độ, độ ẩm, dùng các thiết bị như quạt gió, phun sương,

- Lập trình giám sát và điều khiển mô hình nhà trồng hoa Lan

- Xây dựng kết nối với điện thoại di động qua Internet để giám sát và điều khiển

từ xa

- Thử nghiệm, hiệu chỉnh và báo cáo

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT LUẬN VĂN ii

DANH SÁCH HÌNH MINH HỌA v

DANH SÁCH BẢNG SỐ LIỆU ix

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1

1.1 Giới thiệu về IOT 1

1.2 Tổng quan đề tài 2

1.3 Nhiệm vụ đề tài 3

1.4 Nội dung nghiên cứu 4

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 Lý thuyết cơ bản về hoa Lan 5

2.2 Mô tả quy trình chăm sóc hoa Lan 7

CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN VÀ THIẾT KẾ VƯỜN LAN 8

3.1 Lựa chọn phương thức truyền dữ liệu 8

3.2 Lựa chọn Web Server và App 11

3.3 Thiết kế vườn hoa Lan thực tế 13

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ 18

4.1 Thiết kế sơ đồ khối của mô hình 18

4.2 Lựa chọn linh kiện 22

4.3 Các chuẩn truyền dữ liệu sử dụng trong đề tài 48

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN CỨNG 52

5.1 Tính toán thiết kế mạch điều khiển bằng phần mềm Proteus 52

5.1.2 Khối Gateway 55

5.2 Thi công mạch in 59

5.3 Thi công mô hình nhà trồng hoa Lan 63

CHƯƠNG 6: GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN CHO MÔ HÌNH 66

6.1 Lưu đồ giải thuật cho khối Lora Node 67

6.2 Lưu đồ giải thuật cho khối Gateway 69

6.3 Thiết kế App Blynk 76

CHƯƠNG 7: VẬN HÀNH THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ MÔ HÌNH 81

7.1 Tiến hành thử nghiệm 81

7.2 Nhận xét và đánh giá 81

7.3 Kết luận và hướng phát triển 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

PHỤ LỤC 84

DANH SÁCH HÌNH MINH HỌA

Hình 1 1 Internet Of Thing 1

Hình 2 1 Hoa Lan và cách chăm sóc hoa trong thực tế 5

Hình 3 1 Blynk 11

Hình 3 2 Phương thức hoạt động của Blynk 12

Hình 3 3 Thiết kế vườn hoa Lan bằng phần mềm SketchUp 13

Hình 3 4 Cách thức hoạt động của Lora 14

Hình 3 5 Sơ đồ khối NODE-GATEWAY 15

Hình 3 6 Mô hình 3D 1 NODE 15

Hình 3 7 Mô hình 3D NODE-GATEWAY 16

Hình 3 8 Mô hình 3D NODE-GATEWAY 17

Hình 4 1 Sơ đồ khối của khối Lora Node 18

Hình 4 2 Sơ đồ khối của khối Gateway 19

Hình 4 3 Sơ đồ khối của hệ thống 20

Hình 4 4 Sơ đồ chân và cấu tạo Kit TIVA Launchpad 23

Hình 4 5 Sơ đồ chân và cấu tạo Arduino Mega2560 24

Hình 4 6 Kit ESP32 25

Hình 4 7 Sơ đồ chân Board Arduino Uno 27

Hình 4 8 Sơ đồ chân NODEMCU esp8266 28

Hình 4 9 Module thu phát RF UART Lora SX1278 433Mhz 3000m 30

Hình 4 10 Module RF SPI Lora SX1278 433Mhz 30

Hình 4 11 Cảm biến AM2305 32

Hình 4 12 Cảm biến DHT21 33

Hình 4 13 Cảm biến DHT11 33

Hình 4 14 Cảm biến độ ẩm đất chống ăn mòn 34

Hình 4 15 Cảm biến độ ẩm đất điện dung 35

Hình 4 16 Cảm biến độ ẩm đất Soil Moisture Sensor 36

Hình 4 17 Cảm biến cường độ ánh sáng quang trở CDS Light Sensor 37

Hình 4 18 Relay tạo trễ bật/tắt 38

Hình 4 19 Relay 5V 10A 39

Hình 4 20 Màn hình Graphic LCD12864 Driver ST7920 xanh dương 39

Hình 4 21 Màn hình LCD TextLCD2004 xanh dương 40

Hình 4 22 LCD TextLCD1604 xanh dương 41

Hình 4 23 Module chuyển đổi I2C 42

Hình 4 24 Nguồn tổ ong 12V 5A 43

Hình 4 25 Nguồn Adapter 12V 5A 44

Hình 4 26 Pin Lithium 18650 45

Hình 4 27 Sơ đồ khối sau khi chọn linh kiện 47

Hình 4 28 Gói dữ liệu truyền của UART 48

Hình 4 29 Quá trình truyền nhận tập tin UART 49

Hình 4 30 Bus I2C và các thiết bị ngoại vi 49

Hình 4 31 Mô hình thiết bị chủ (Master) và tớ (Slave) 50

Hình 4 32 Trình tự truyền bit trên đường truyền 51

Hình 5 1 Sơ đồ chân Arduino Uno trong Proteus 52

Hình 5 2 Kết nối DHT11 với Arduino Uno 53

Hình 5 3 Kết nối cảm biến độ ẩm đất với Arduino Uno 53

Hình 5 4 Kết nối cảm biến ánh sáng với Arduino Uno 54

Hình 5 6 Sơ đồ chân ESP32 55

Hình 5 7 Sơ đồ kết nối Module Lora SX1278 và ESP32 55

Hình 5 8 Sơ đồ kết nối màn hình LCD và Module I2C với ESP32 56

Hình 5 9 Mạch điều khiển Relay và cách kết nối với Esp32 56

Hình 5 10 Khối nút nhấn 57

Hình 5 11 Sơ đồ nguyên lý khối Lora node 58

Hình 5 12 Sơ đồ nguyên lý khối Gateway 58

Hình 5 13 Mô phỏng mạch in khối Lora node 59

Hình 5 14 Mô phỏng 3D mạch in khối Lora Node 60

Hình 5 15 Mạch in khối Lora Node 60

Hình 5 16 Mô phỏng mạch in khối Gateway 61

Hình 5 17 Mô phỏng 3D mạch in khối Gateway 61

Hình 5 18 Mạch in khối Gateway 62

Hình 5 19 Cấu tạo bên trong của một Node 63

Hình 5 20 Node sau khi hoàn thiện 63

Hình 5 21 Cấu tạo phần điều khiển của Gateway 64

Hình 5 22 Mô hình của một Gateway sau khi hoàn thiện 64

Hình 5 23 Mô hình nhà kính 65

Hình 5 24 Mô hình nhà kính 65

Hình 6 1 Lưu đồ giải thuật cho khối Lora Node 67

Hình 6 2 Chương trình con gửi giữ liệu qua Lora 68

Hình 6 3 Lưu đồ giải thuật cho khối Gateway 69

Hình 6 4 Lưu đồ truyền nhận giữ liệu lên Server Blynk và App Blynk 70

Hình 6 5 Lưu đồ chế độ điều khiển từ App 71

Hình 6 6 Lưu đồ chế độ điều khiển tự động 74

Hình 6 7 Lưu đồ chế độ điều khiển bằng tay 75

Hình 6 8 Tạo Project App Blynk 76

Hình 6 9 Thêm giao diện hiện thị các thông số của App Blynk 77

Hình 6 10 Thêm Led trạng thái cho App Blynk 78

Hình 6 11 Thêm nút nhấn cho App Blynk 79

Hình 6 12 Màn hình App Blynk sau khi hoàn thành 80

DANH SÁCH BẢNG SỐ LIỆU

Bảng 3 1 So sánh các phương thức truyền dữ liệu 10

Bảng 3 2 Bảng chấm điểm của các phương án truyền dữ liệu 10

Bảng 4 1 Bảng chấm điểm của các phương án Gateway 26

Bảng 4 2 Bảng chấm điểm của các phương án Lora Node 29

Bảng 4 3 Bảng chấm điểm của các phương án Module Lora 31

Bảng 6 1 Các ký hiệu trong lưu đồ giải thuật 66

Bảng 6 2 Giải pháp điều khiển nhiệt độ và độ ẩm quá trình phát triển 73

Bảng 6 3 Giải pháp điều khiển độ ẩm đất quá trình phát triển 73

Bảng 6 4 Giải pháp điều khiển nhiệt độ và độ ẩm quá trình ra hoa 73

Bảng 6 5 Giải pháp điều khiển độ ẩm đất quá trình ra hoa 74

Bảng 6 6 Giải pháp điều khiển ánh sáng quá trình ra hoa 74

Bảng 7 1 Thực hiện thử nghiệm 81

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Giới thiệu về IOT

Mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc là mạng lưới thiết bị kết nối Internet viết tắt là IoT là một kịch bản của thế giới, khi mà mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet Nói đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện một công việc nào đó

Internet of Things – IoT được đưa ra bởi các nhà sáng lập của MIT Auto-ID Center đầu tiên, năm 1999 Kevin Ashton đã đưa ra cụm từ Internet of Things nhằm để chỉ các đối tượng có thể được nhận biết cũng như sự tồn tại của chúng Thuật ngữ Auto-

ID chỉ tới bất kỳ một lớp rộng của các kỹ thuật xác minh sử dụng trong công nghiệp để

tự động hóa, giảm các lỗi và tăng hiệu năng Các kỹ thuật đó bao gồm các mã vạch, thẻ thông minh, cảm biến, nhận dạng tiếng nói, và sinh trắc học Từ năm 2003 Kỹ thuật Auto-ID trong các hoạt động chính là Radio Frequency Identification – RFID

Hình 1 1 Internet Of Thing Ngày nay với khoảng 1,5 tỷ máy tính và trên 1 tỷ điện thoại có kết nối Internet

Sự hiện diện “Internet of PCs” sẽ được chuyển sang IoT trong đó 50-100 tỷ thiết bị kết

nối Internet trong năm 2020 Một vài nghiên cứu còn chỉ ra trong cùng năm đó, số lượng máy móc di động sẽ tăng gấp 30 lần so với hiện nay Nếu không chỉ xem xét các kết nối máy với máy mà là các kết nối giữa tất cả các vật thể thì số lượng kết nối có thể tăng lên tới 100.000 tỷ

Một số ứng dụng của IOT trong cuộc sống:

tòa nhà, cầu và công trình lịch sử

khu trung tâm theo thời gian thực

việc lái xe và đi lại

hệ thống đèn đường

đối với hệ động vật và tiêu chuẩn nước để sử dụng

trong các đường ống

thông điệp cảnh báo và các điều chỉnh theo điều kiện thời tiết và các sự kiện không mong muốn như tai nạn, tắc đường

thiết bị hóa học để đảm bảo cho công nhân và hàng hóa an toàn

hóa nhạy cảm

1.2 Tổng quan đề tài

Cuộc sống ngày càng phát triển nhanh chóng và hiện đai hơn, những công nghệ mới ngày cảng được phát minh và phát triển để đưa vào phục vụ cuộc sống hàng ngày của con người Những ứng dụng của IOT được sử dụng ngày càng rộng rãi và trong rất nhiều lĩnh vực từ đời sống đến sản xuất Với một đất nước vẫn còn 50% dân số làm các

ngành nghề liên quan đến nông nghiệp như nước ta, việc nhanh chóng ứng dụng IOT vào nông nghiệp đang là một nhu cầu bức thiết hiện nay của xã hội

Điều khiển và giám sát thông minh, là tích hợp các hệ thống như điều khiển và giám sát nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, cường độ gió…thành một hệ thống thống nhất Mỗi chức năng của điều khiển và giám sát thông minh đều có khả năng tự vận hành hoặc dưới sự điều khiển của người dùng Người dùng có thể truy cập từ xa để kiểm tra, điều khiển hệ thống hoạt động theo yêu cầu của mình

Điều khiển và giám sát thông minh là một trong những đề tài công nghệ ứng dụng được ứng dụng trong rất nhiều dự án Không chỉ hạn chế với những tính năng nêu trên, ngày càng có nhiều nghiên cứu đề xuất phát triển hệ thống điều khiển và giám sát

để theo kịp sự phát triển của công nghệ, tối ưu hóa hiệu năng sử dụng cũng như giá cả hợp lý

Cùng với sự ngày càng phổ bến của mạng không dây, việc kết nối thông tin ngày càng trở nên tiện lợi và nhanh chóng với giá thành ngày càng thấp Do đó, em quyết định chọn đề tài: “ THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN NHÀ TRỒNG HOA LAN”

 Thiết kế được mô hình chăm sóc hoa Lan thông qua việc giám sát các thông số nhiệt độ, độ ẩm , độ ẩm đất, ánh sáng Từ đó mô hình sẽ tự động đưa ra các điều chỉnh để chăm sóc hoa Lan tốt nhất Ngoài ra, mô hình còn có chế độ điều khiển bằng tay, để người chăm sóc có thể điều khiển theo ý muốn

 Thiết kế được điều khiển và giám sát mô hình qua Internet

1.4 Nội dung nghiên cứu

 Nội dung 1: Tìm hiểu và lựa chọn các giải pháp thiết kế

 Nội dung 2: Thu nhập tài liệu về các linh kiện, phần mềm thiết kế sử dụng

 Nội dung 3: Thiết kế phần cứng của hệ thống

 Nội dung 4: Lập trình cho hệ thống, phần mềm giúp giao tiếp với người dùng qua internet

 Nội dung 5: Thử nghiệm thực tế hệ thống, đánh giá kết quả thực hiện

 Nội dung 6: Viết báo cáo

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lý thuyết cơ bản về hoa Lan

Họ Lan (danh pháp khoa học: Orchidaceae) là một họ thực vật có hoa, thuộc bộ Măng tây, lớp thực vật một lá mầm Là một trong những họ lớn nhất của thực vật, và chúng phân bổ nhiều nơi trên thế giới Đây là một loại thực vật có hoa và là một trong những họ thực vật lớn nhất trong tất cả các họ thực vật

2.1.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự phát triển hoa Lan

Nhiệt độ tác động ở cây lan thông qua con đường quang hợp Thông qua cường

đôi Chính vì vậy nhiệt độ cao làm tăng sự phát triển dinh dưỡng ở cây lan, do vậy trong mùa nắng cần tăng lượng phân bón để đáp ứng nhu cầu dinh dưỡng gia tăng

Hình 2 1 Hoa Lan và cách chăm sóc hoa trong thực tế Căn cứ vào nhu cầu nhiệt độ của từng loài lan mà người ta chia ra làm 3 nhóm:

ôn đới và các khu vực núi cao vùng nhiệt đới: Ví dụ lan: Lycaste, Cymbidium

vùng nhiệt đới Đa số lan Dendrobium sp Hiện trồng ở thành phố Hồ Chí Minh đều

2.1.2 Ảnh hưởng của ánh sáng đến sự phát triển hoa Lan

Ánh sáng rất cần thiết cho sự sinh trưởng, phát triển của cây lan Ánh sáng đem lại năng lượng cần thiết cho phản ứng quang tổng hợp

Ánh sáng thường tăng dần từ 7 giờ sáng, đạt cực đại vào buổi trưa và giảm dần vào buổi chiều trong ngày Khi cây lan tiếp xúc với ánh sáng trực xạ vào buổi trưa thường bị cháy lá do vậy phải làm giàn che

Dựa vào nhu cầu ánh sáng của từng loài lan, người ta chia làm 3 nhóm:

loài của Van đa lá hình trụ, Renanthera

50-80% như các loài của Cattleya, Dendrobium

như các loài của Phalaenopsis, Paphiopedilum

Như vậy, tùy theo từng loài lan cụ thể mà có cách thức làm giàn che phù hợp để đáp ứng nhu cầu ánh áng của chúng

2.1.3 Ảnh hưởng của độ ẩm đến sự phát triển hoa Lan

Độ ẩm cũng là yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến sinh trưởng, phát triển của các loài lan Các loài lan sống trong tự nhiên nhờ vào nước mưa, hơi nước trong không khí Vì vậy, lan trồng phải thường xuyên tưới nước cho cây, nếu thiếu nước quá trình quang hợp và hô hấp ngừng trệ

2.1.4 Ảnh hưởng của độ thông thoáng đến sự phát triển hoa Lan

Độ thông thoáng cũng là yếu tố rất cần thiết giúp cho cây lan sinh trưởng Không khí vườn lan cần luôn được thay đổi để làm mát cây và thay đổi lượng CO2 cung cấp cho sự quang hợp của cây lan Lượng CO2 trong không khí khoảng 0,03%, trên mặt lá

liên tục thay đổi để cân bằng lượng CO2 ở trên mặt lá Nếu vườn lan không được thoáng nhất là khi độ ẩm tăng, nhiệt độ cũng làm cho lan dễ bị bệnh

2.2 Mô tả quy trình chăm sóc hoa Lan

Áp dụng quy trình với các giá trị đã được cài đặt trước như:

 Nhiệt độ trên – nhiệt độ dưới, đảm bảo biên độ nhiệt cho hoa Lan phát triển tốt

 Độ ẩm không khí trên – độ ẩm không khí dưới, đảm bảo sự thông thoáng và nhiệt độ cho hoa Lan quang hợp

 Độ ẩm đất trên - độ ẩm đất dưới, cung nước cho hoa Lan sinh trưởng tốt và

ra cây con

 Đồng thời chế độ điều khiển cho phép trực tiếp tác động đến quá trình chăm sóc Lan thông qua việc bật tắt các thiết bị như: bật đèn chiếu sáng khi cần thiết

 Người trồng Lan có thể trực tiếp giám sát các thông số và điều khiển các thiết bị qua ứng dụng trên Android, điều khiển các thiết bị bằng nút nhất thủ công ở chế độ điều khiển bằng tay

CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN VÀ THIẾT KẾ VƯỜN LAN 3.1 Lựa chọn phương thức truyền dữ liệu

Nói tới IoT là nói tới truyền dữ liệu không dây Do đó để lựa chọn cách thức hợp

lý phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như khoảng cách địa lý, nguồn năng lượng cần để nuôi thiết bị hay nguồn lực tài chính,…Một số phương án truyền dữ liệu thường dùng trong IOT

3.1.1 Zigbee

Zigbee là một loại truyền thông trong khoảng cách ngắn, hiện được sử dụng với

số lượng lớn và thường được sử dụng trong công nghiệp Điển hình, Zigbee Pro và Zigbee remote control (RF4CE) được thiết kế trên nền tảng giao thức IEEE802.15.4 –

là một chuẩn giao thức truyền thông vật lý trong công nghiệp hoạt động ở 2.4Ghz thường được sử dụng trong các ứng dụng khoảng cách ngắn và dữ liệu truyền tin ít nhưng thường xuyên

Zigbee / RF4CE có một lợi thế đáng kể trong các hệ thống phức tạp cần các điều kiện: tiêu thụ công suất thấp, tính bảo mật cao, khả năng mở rộng số lượng các node cao…ví dụ như yêu cầu của các ứng dụng M2M và IoT là điển hình Phiên bản mới nhất của Zigbee là 3.0, trong đó điểm nổi bật là sự hợp nhất của các tiêu chuẩn Zigbee khác nhau thành một tiêu chuẩn duy nhất

Thông số kỹ thuật cơ bản:

 Standard: ZigBee 3.0 based on IEEE802.15.4

dụng với các loại PIN di động.Zwave hoạt động ở tần số thấp hơn so với Zigbee/wifi, dao động trong các dải tần của 900Mhz, tùy theo quy định ở từng khu vực khác nhau

Ưu điểm của Z-Wave là tiêu thụ năng lượng cực ít và độ mở ( open platform) cực cao Hiện nay, Z-Wave được ứng dụng chủ yếu trong ứng dụng smarthome Thông số kỹ thuật cơ bản:

 Standard: Z-Wave Alliance ZAD12837 / ITU-T G.9959

 Frequency: 900MHz (ISM)

 Range: 30m

 Data Rates: 9.6/40/100kbit/s

3.1.3 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 Với công nghệ này, chúng ta

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

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)

 So sánh các phương thức truyền dữ liệu

Bảng 3 1 So sánh các phương thức truyền dữ liệu

Bảng 3 2 Bảng chấm điểm của các phương án truyền dữ liệu

 Các yêu cầu chọn phương thức truyền dữ liệu của vườn Lan

- Đảm bảo đường truyền ổn định, không nhiễu khi có vật cản

- Tối ưu về kinh tế so với phương án đi dây truyền thống

- Phù hợp với khản năng và phổ biến trên thị trường

=> Từ kết quả chấm điểm trên và trên với các yêu cầu của một vườn hoa Lan trên, em

quyết định chọn Lora làm phương thức truyền dữ liệu trong đề tài này, vì Lora là phương

án có nhiều tài liệu hơn và dễ tiếp cận hơn so với Zigbee và Z-wave

3.2 Lựa chọn Web Server và App

Hiện nay có rất nhiều phương án Server và App để thực hiện các đề tài về IOT Sau khi tìm hiểu thì em lựa chọn phương án sử dụng Server Blynk và App Blynk vì nó hiện nay khá phổ biến và dễ dàng sử dụng

Blynk là một phần mềm mã nguồn mở được thiết kế cho các ứng dụng IoT(Internet of Things) Ứng dụng giúp người dùng điều khiển phần cứng từ xa , có thể hiển thị dữ liệu cảm biến , lưu trữ dữ liệu , biến đổi dữ liệu hoặc làm nhiều việc khác Hãy thử tưởng tượng khi bạn ấn vào một nút nhấn trên phần mềm lập tức bóng đèn sáng lên và ngược lại !

Hình 3 1 Blynk Nền tảng Blynk có ba phần chính:

giản cho cả IOS và Android

thân thiện, chỉ việc kéo thả đối tượng và sử dụng nó

Android cũng như IOS thì Blynk là một ứng dụng tuyệt vời để giúp khám phá thế giới IOTs

- Điều khiển, giám sát thiết bị ở bất kì đâu thông qua internet với khả năng đồng

bộ hóa trạng thái và thiết bị

Hình 3 2 Phương thức hoạt động của Blynk Blynk Server - chịu trách nhiệm xử lý dữ liệu trung tâm giữa điện thoại, máy tính bảng và phần cứng Có thể sử dụng Blynk Cloud của Blynk cung cấp hoặc tự tạo máy chủ Blynk riêng Vì đây là mã nguồn mở, nên có thể dễ dàng intergrate vào các thiết bị như ESP8266, ESP32 …

Để dùng được Blynk, người dùng không nhất thiết là lập trình viên Blynk không đòi hỏi phải có kiến thức về lập trình Thay vì viết các câu lệnh, có thể thiết kế bộ mặt ứng dụng theo ý một cách trực quan và lắp ráp các thẻ lệnh để diễn đạt chức năng của phần mềm

ảo được tích hợp trên Blynk app

3.3 Thiết kế vườn hoa Lan thực tế

Sau khi khảo sát một số vườn Lan, em chọn phương án thiết kế một vườn Lan có diện tích vừa phải với kích thước 150m x 60m x3.5m

Hình 3 3 Thiết kế vườn hoa Lan bằng phần mềm SketchUp

 Phương pháp thiết kế vườn hoa Lan

Các thiết bị LoRa có thể kết nối với nhau theo mô hình Star trong đó các thiết bị node sẽ gửi dữ liệu đến các thiết bị Gateway để từ đó sẽ gửi lên server và thực hiện xử

lý dữ liệu trên server

Do đó trong 1 mạng LoRaWan sẽ có 2 loại thiết bị:

trí làm việc ở xa để lấy và gửi dữ liệu về các thiết bị trung tâm

gửi lên 1 server trung tâm để xử lý dữ liệu Các thiết bị Gateway thường sẽ được đặt tại 1 vị trí có nguồn cung cấp và có các kết nối network như Wifi, LAN để

có thể gửi dữ liệu lên server

Hình 3 4 Cách thức hoạt động của Lora

 Ta có thể thiết kế nhà kính trồng hoa Lan theo phương pháp chia ra thành nhiều NODE như trên

nhà kính ra nhiều khối (NODE) riêng biệt để đo

môi trường tại khu vực đó qua các cảm biến và gửi về trung tâm xử lý, các thông

số này sẽ được trung tâm xử lý đưa lên Gateway bằng mạng LoRa

- Cụ thể trong nhà kính trên, ta chia khu nhà ra 6 Node, mỗi khối có kích thước 50m*20m, đây là kích thước tiêu chuẩn, làm giảm sự sai lệch kết quả giữa các

vị trí đo so với thực tế

Hình 3 5 Sơ đồ khối NODE-GATEWAY Sau khi đã thiết lập được sơ đồ khối NODE-GATEWAY, để tăng tính trực quan cho đề tài, dưới đây là mô hình của nhà kính được mô phỏng bằng phần mềm Sketchup

Hình 3 6 Mô hình 3D 1 NODE

GATEWAY

Hình 3 7 Mô hình 3D NODE-GATEWAY

wifi và gửi dữ liệu lên server thông qua mạng internet

và đưa ra con số chính xác nhất, giảm sự sai lệch tối đa của các thông số nhiệt

độ, độ ẩm trong nhà kính

Hình 3 8 Mô hình 3D NODE-GATEWAY

Khi tiến hành làm mô hình thực tế cho đề tài, em chỉ thiết kế 1 Node, các Node

khác cũng thiết kế tương tự

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ

4.1 Thiết kế sơ đồ khối của mô hình

 Yêu cầu của mô hình

- Relay điều khiển đèn chiếu sáng, máy bơm, máy phun sương, quạt gió,

- Hiển thi thông số cảm biến đo được lên LCD

- Kết nối với Web server và ứng dụng trên điện thoại

Phương thức truyền dữ liệu: Lora

Kết nối: Giao tiếp với người dùng từ xa qua Internet

 Thiết kế sơ đồ khối

Từ các yêu cầu trên, ta thiết kế được sơ đồ khối như sau:

 Sơ đồ khối của khối Lora Node

Hình 4 1 Sơ đồ khối của khối Lora Node

KHỐI CẢM BIẾN

KHỐI

XỬ LÝ

KHỐI GIAO TIẾP LORA

GATEWAY

 Sơ đồ khối của khối Gateway

 Từ hai sơ đồ khối của Khối xử lý phụ (NODE) và Khối xử lý trung tâm

(GATEWAY), ta lập được sơ đồ khối của toàn bộ hệ thống như sau:

KHỐI NGUỒN

Hình 4 3 Sơ đồ khối của hệ thống

BLYNK SERVER APP BLYNK

KHỐI ĐIỀU KHIỂN BẰNG TAY

KHỐI GATEWAY

KHỐI HIỆN THỊ LCD

KHỐI RELAY ĐIỀU KHIỂN

 Chức năng của từng khối

 Khối Gateway

 Nhận dữ liệu từ khối cảm biến thông qua Lora, nút nhấn

 Điều khiển các thiết bị bằng Lelay

 Hiện thị thông tin ra màn hình LCD

 Truyền dữ liệu cho Module kết nối Wifi, truyền dữ liệu lên Web

server và ứng dụng trên điện thoại

 Khối Lora Node

 Nhận tín hiệu thu được từ các khối cảm biến

 Truyền dữ liệu đến khối xử lý chính qua Module Lora

 Khối cảm biến nhiệt độ

 Đo nhiệt độ, từ đó điều khiển hệ thống đèn sưởi phù hợp

 Hiện thị các thông số đo được lên màn hình, để giám sát các thông số

hiện tại của vườn Hoa

 Khối Relay điều khiển

 Để điều khiển các thiết bị như: đèn chiếu sáng, đèn sưởi, bơm nước,

bơm phun sương,

 Khối điều khiển bằng tay

 Sử dụng công tắc để điều khiển các thiết bị cách thủ công

 Khối nguồn

 Cung cấp nguồn cho tất cả thiết bị hoạt động

 Blynk Server

 Khối này có chức năng lưu trữ và quản lý dữ liệu từ khối module Wifi gửi lên và từ ứng dụng từ điện thoại của người sử dụng

 App Blynk

 Có khả năng giám sát và điều khiển các thiết bị từ xa

4.2 Lựa chọn linh kiện

 Phương án 1: Kit TIVA Launchpad

Kit Tiva Lauchapad là một trong những kit được sử dụng nhiều nhất hiện nay để tiếp cận vi điều khiển ARM, kit sử dụng vi điều khiển ARM cortex M4 TM4C123 từ Texas Intrument( TI ), có tích hợp sẵn mạch nạp, giao tiếp UART và Debugger trên một thiết kế nhỏ gọn , dễ sử dụng , ngoài ra kit có chuẩn chân cắm đực cái rất dễ kết nối và làm các shield ghép tầng

Thông tin kỹ thuật:

- 8 UART, 6 I2C, 4 SPI

Hình 4 4 Sơ đồ chân và cấu tạo Kit TIVA Launchpad

Ưu điểm: Có khả năng tích hợp nhiều cảm biến, hệ thống có khả năng xử lý thông tin lớn do đó có thể cài đặt nhiều yêu cầu tự động hơn, khả năng mở rộng sau này dễ dàng Khuyết điểm: Cần nhiều thơi gian tìm hiểu và xây dung giải thuật

 Phương án 2: Arduino Mega2560

Arduino Mega2560 là một vi điều khiển bằng cách sử dụng ATmega2560 Arduino Mega2560 khác với tất cả các vi xử lý trước giờ vì không sử dụng FTDI chip điều khiển chuyển tín hiệu từ USB để xử lý Thay vào đó, nó sử dụng ATmega16U2

cơ bản vẫn giống Arduino Uno R3, chỉ khác số lượng chân và nhiều tính năng mạnh mẽ hơn, nên vẫn có thể lập trình cho con vi điều khiển này bằng chương trình lập trình cho Arduino Uno R3

Hình 4 5 Sơ đồ chân và cấu tạo Arduino Mega2560

Thông số kỹ thuật:

- Vi điều khiển chính: ATmega2560

- IC nạp và giao tiếp UART: ATmega16U2

- Nguồn nuôi mạch: 5VDC từ cổng USB hoặc nguồn ngoài

- Số chân Digital : 54 (có 15 chân PWM)

- Số chân Analog: 16

- Giao tiếp UART: 4 bộ UART

- Giao tiếp SPI: 1 bộ (chân 50 đến 53) dùng với thư viện SPI của Arduino

- Giao tiếp I2C: 1 bộ

- Ngắt ngoài: 6 chân

- Bộ nhớ Flash: 256 KB, 8KB sử dụng cho Bootloader

- SRAM: 8 KB

- EEPROM: 4 KB

- Xung clock: 16 MHz

 Phương án 3: Kit ESP 32

ESP32-WROOM-32 là mô đun MCU đa dụng, mạnh mẽ và được sử dụng rộng rãi trong thiết kế mạch PCB Wifi- Bluetooth, BLE được ứng dụng rất phổ biến cho nhiều ứng dụng về IoT hiện nay Phạm vi ứng dụng từ mạng sensor tiết kiệm năng lượng đến những ứng dụng với tác vụ phức tạp nhất, như mã hóa âm thanh, âm nhạc trực tuyến đến giải mã MP3

Hình 4 6 Kit ESP32 Thông số kỹ thuật:

- CPU: Xtensa Dual-Core LX6 microprocessor

- Chạy hệ 32 bit

- Tốc độ xử lý 160MHZ up to 240 MHz

- Tốc độ xung nhịp đọc flash chip 40mhz > 80mhz (tùy chỉnh khi lập trình)

- RAM: 520 KByte SRAM, 520 KB SRAM liền chip –(trong đó 8 KB RAM

- Hỗ trợ 2 giao tiếp không dây

- Wi-Fi: 802.11 b/g/n/e/i

- Bluetooth: v4.2 BR/EDR and BLE

Bảng 4 1 Bảng chấm điểm của các phương án Gateway

Kết luận: Vì vi xử lý ESP32 có sẵn chip Wifi, có thể kết nối trực tiếp với Internet mà

không cần phải gắn thêm Module ngoài Nên lựa chọn vi xử lý ESP32 là lựa chọn tối

ưu nhất trong trường hợp này

2 Khối Lora Node

Yêu cầu:

 Có thể đọc và xử lý các dữ liệu từ các cảm biến gửi về

 Truyền các dữ liệu đó đến Module Lora

 Phương án 1: Arduino Nano

Arduino Uno là một bảng mạch vi điều khiển nguồn mở dựa trên vi điều khiển Microchip ATmega328 được phát triển bởi Arduino.cc Bảng mạch được trang bị các

bộ chân đầu vào/ đầu ra Digital và Analog có thể giao tiếp với các bảng mạch mở rộng khác nhau Mạch Arduino Uno thích hợp cho những bạn mới tiếp cận và đam mê về điện tử, lập trình

Hình 4 7 Sơ đồ chân Board Arduino Uno

Thông số kỹ thuật:

 Phương án 2: NODEMCU esp8266

Ngoài khả năng kết nối Wifi để truyền dữ liệu qua Internet, Nodemcu Esp8266 còn

có khản năng đọc tốt các thông số của các cảm biến và xử lý chúng

NodeMCU được phát triển dựa trên Chip WiFi ESP8266EX bên trong Module 12E dễ dàng kết nối WiFi với một vài thao tác Board còn tích hợp IC CP2102, giúp dễ dàng giao tiếp với máy tính thông qua Micro USB để thao tác với board, và có sẳn nút nhấn, led để tiện qua quá trình học, nghiên cứu

ESP-Hình 4 8 Sơ đồ chân NODEMCU esp8266

Bảng 4 2 Bảng chấm điểm của các phương án Lora Node

3 Module Lora

Yêu cầu:

 Có thể thu phát các dữ liệu từ khối xử lý phụ đến khối xử lý trung tâm

 Đảm bảo kết nối ổn định trong khu vực trang trại

 Phương án 1: Module Lora E32 – TTL – 100

Module thu phát RF UART Lora SX1278 433Mhz 3000m (E32-TTL-100) 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

Module 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

Hình 4 9 Module thu phát RF UART Lora SX1278 433Mhz 3000m

Thông số kỹ thuật:

- Model: E32-TTL-100 RF

- Nhà sản xuất EBYTE

- IC chính: SX1278 từ SEMTECH

- Điện áp hoạt đông: 2.3 - 5.5 VDC

- Điện áp giao tiếp: TTL-3.3V

- Giao tiếp UART Data bits 8, Stop bits 1, Parity none, tốc độ từ 1200 – 115200 baud

 Phương án 2: RS SPI Lora SX1278 433Mhz

Hình 4 10 Module RF SPI Lora SX1278 433Mhz