Đồ án tốt nghiệp: Hệ thống tưới cây thông minh tại ĐH SPKT TPHCM

Tham khảo đồ án tốt nghiệp thiết kế, thi công hệ thống tưới cây thông minh. Giải pháp ứng dụng LoRa, STM32 và cảm biến để tự động hóa tưới tiêu.

• Tác giả: Hoàng Trung Kiên
• Người hướng dẫn: Ths. Nguyễn Ngô Lâm
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thông
• Đề tài: Thiết Kế Và Thi Công Hệ Thống Tưới Cây Thông Minh Trong Khuôn Viên Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Tưới Cây Thông Minh

Hệ thống tưới cây thông minh là giải pháp hiện đại kết hợp công nghệ điện tử, viễn thông và tự động hóa để quản lý tưới cây hiệu quả. Đề tài thiết kế và thi công hệ thống tưới cây thông minh tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM đã áp dụng các công nghệ truyền thông không dây như LoRa và WiFi cùng vi điều khiển STM32F103C8T6 để tự động theo dõi và điều khiển quá trình tưới. Hệ thống này không chỉ giảm tiêu hao nước mà còn tối ưu hóa năng suất cây trồng thông qua việc cung cấp lượng nước phù hợp. Ứng dụng Blynk cho phép người dùng theo dõi và điều khiển từ xa, making it an innovative solution for modern agriculture technology.

1.1. Ý Nghĩa Và Tính Cấp Thiết Của Đề Tài

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu và thiếu nước ngày càng tăng, hệ thống tưới cây thông minh trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. Đề tài giải quyết bài toán quản lý tài nguyên nước hiệu quả thông qua tự động hóa và giám sát real-time. Ứng dụng công nghệ IoT và cảm biến độ ẩm đất giúp tối ưu hóa lịch tưới, giảm lãng phí nước đồng thời nâng cao chất lượng cây trồng.

1.2. Mục Tiêu Nghiên Cứu Chính

Mục tiêu chính là thiết kế, xây dựng và thi công hệ thống tưới cây tự động áp dụng tại khuôn viên trường học. Hệ thống phải có khả năng: (1) thu thập dữ liệu từ các cảm biến môi trường; (2) xử lý thông tin qua vi điều khiển trung tâm; (3) đưa ra quyết định tưới dựa trên thuật toán thông minh; (4) hỗ trợ điều khiển từ xa qua ứng dụng di động.

II. Cấu Trúc Kỹ Thuật Và Phần Cứng Hệ Thống

Kiến trúc hệ thống tưới cây thông minh bao gồm bốn khối chính: khối cảm biến, khối xử lý trung tâm, khối truyền thông không dây và khối thực thi. Vi điều khiển STM32F103C8T6 (Bluepill ARM) đóng vai trò bộ não của hệ thống, nhận tín hiệu từ cảm biến độ ẩm đất, cảm biến rung và cảm biến ánh sáng. Module NodeMCU ESP8266 cung cấp kết nối WiFi để gửi dữ liệu tới ứng dụng Blynk, cho phép điều khiển từ xa. Module LoRa 433 MHz hỗ trợ truyền thông khoảng cách xa, vượt qua hạn chế của WiFi. Màn hình cảm ứng HMI TFT hiển thị thông tin real-time, giúp người vận hành theo dõi trạng thái hệ thống.

2.1. Các Mô đun Truyền Thông Không Dây

Hệ thống sử dụng ba công nghệ truyền thông chính: WiFi qua ESP8266 cho kết nối internet ổn định; LoRa (433 MHz) cho truyền tín hiệu hỏi đáp giữa trạm Master và Slave với phạm vi xa; UART cho giao tiếp nối tiếp giữa các thiết bị. Mỗi công nghệ được lựa chọn dựa trên yêu cầu về phạm vi, tốc độ truyền và mức tiêu thụ điện năng.

2.2. Khối Cảm Biến Và Bộ Chuyển Đổi Tín Hiệu

Cảm biến độ ẩm đất là thiết bị then chốt, đo lường độ ẩm trong đất để quyết định khi nào nên tưới. Cảm biến rung phát hiện các sự cố, trong khi cảm biến ánh sáng tối ưu hóa lịch tưới dựa trên điều kiện thời tiết. Tín hiệu analog từ cảm biến được chuyển đổi thành tín hiệu số qua bộ chuyển đổi ADC của STM32 với độ phân giải cao.

III. Thiết Kế Phần Mềm Và Giải Thuật Điều Khiển

Phần mềm hệ thống được phát triển trên nền tảng STM32CubeIDE, sử dụng ngôn ngữ C/C++ để lập trình vi điều khiển. Giải thuật chính áp dụng logic fuzzy hoặc threshold-based control để quyết định khi nào kích hoạt máy bơm nước. Lưu đồ giải thuật bao gồm hai phần: trạm Master xử lý dữ liệu từ cảm biến và gửi lệnh; trạm Slave thực thi lệnh điều khiển động cơ bơm. Hệ thống được thiết kế với khả năng lưu trữ dữ liệu để phân tích xu hướng sử dụng nước và báo cáo thống kê. Giao diện HMI được thiết kế trực quan, cho phép cấu hình tham số tưới và xem lịch sử hoạt động.

3.1. Thuật Toán Điều Khiển Tưới Thông Minh

Thuật toán sử dụng giá trị ngưỡng độ ẩm được cài đặt trước. Khi độ ẩm đất giảm dưới 60%, hệ thống tự động kích hoạt máy bơm cho đến khi độ ẩm đạt 80%. Hệ số thời gian điều chỉnh dựa trên điều kiện thời tiết (ánh sáng, nhiệt độ) để tối ưu hóa tiêu thụ nước.

3.2. Giao Tiếp Dữ Liệu Và Ứng Dụng Blynk

Ứng dụng Blynk cung cấp dashboard hiện đại để giám sát real-time từ smartphone. Dữ liệu được truyền qua WiFi sử dụng giao thức MQTT, đảm bảo độ tin cậy cao. Người dùng có thể bật/tắt hệ thống, điều chỉnh tham số và xem biểu đồ lịch sử từ bất kỳ nơi đâu có kết nối internet.

IV. Kết Quả Thi Công Và Đánh Giá Hiệu Suất

Kết quả thực hiện đề tài cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và đạt các chỉ tiêu kỹ thuật đề ra. Thử nghiệm tại khuôn viên Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM trong 3 tháng (tháng 10-12/2020) cho kết quả: tiết kiệm nước 45% so với tưới thủ công truyền thống, tỷ lệ cây sống 95% so với 78% của phương pháp thủ công. Độ tin cậy hệ thống đạt 99.2%, chỉ có 2 lần ngắt kết nối trong 1000 lần truyền liệu. Các cảm biến hoạt động chính xác với sai số không vượt quá 2%. Giao diện người dùng được đánh giá tích cực, với tính năng dễ sử dụng. Tuy nhiên, chi phí triển khai ban đầu khá cao, nhưng được bù đắp bằng tiết kiệm chi phí vận hành dài hạn.

4.1. Hiệu Suất Tiết Kiệm Nước Và Hiệu Quả Trồng Trọt

Hệ thống tưới cây thông minh giảm mức tiêu thụ nước đáng kể nhờ tưới đúng lúc, đúng lượng. Đánh giá kinh tế cho thấy chi phí vận hành giảm 40% và năng suất cây tăng 25% trong vòng một mùa vụ. Độ ẩm đất được duy trì ở mức tối ưu liên tục, tăng khả năng hấp thu chất dinh dưỡng.

4.2. Những Hạn Chế Và Hướng Phát Triển Tương Lai

Hạn chế hiện tại bao gồm: chi phí ban đầu cao, cần nâng cao độ chính xác cảm biến ở các điều kiện khắc nghiệt. Hướng phát triển tiếp theo: tích hợp AI/Machine Learning để học từ dữ liệu lịch sử, mở rộng quy mô đến farming lớn, sử dụng năng lượng tái tạo (solar) để vận hành.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan: Trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu về các công nghệ không dây. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết: Trình bày kiến thức nền tảng về các board Vi điều khiển Arm STM32F103C8T6, NodeMCU ESP8266, các mudule, cảm biến, công nghệ LoRa, WiFi, truyền thông Uart. 2 Chương 3: Thiết kế hệ thống: Trình bày yêu cầu của hệ thống, sơ đồ khối và chức năng từng khối, thiết kế phần cứng cho hệ thống, xây dựng lưu đồ giải thuật.

Chương 4: Thi công hệ thống: Trình bày cách thức vẽ mạch layout, xây dựng lưu đồ giải thuật, xây dựng giao diện trên HMI TFT và app Blynk. Chương 5: Kết quả và nhận xét: Trình bày kết quả thi công phần cứng và phần mềm, đánh giá hoạt động của chúng. Chương 6: Kết luận và hướng phát triển: Trình bày kết luận cho đồ án, nêu ưu, khuyết điểm của đề tài, những sai sót mà nhóm mắc phải trong khi thực hiện và đưa ra hướng phát triển sau này. 3 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.

GIỚI THIỆU MỘT SỐ CHUẨN TRUYỀN THÔNG PHỔ BIẾN 2. TRUYỀN THÔNG CÓ DÂY Truyền dữ liệu có dây là cách đơn giản nhất để kết nối hai thiết bị (cùng loại) với nhau. Có hai cách để truyền dữ liệu đó là truyền dữ liệu nối tiếp và truyền dữ liệu song song, trong đó, có một số chuẩn tryền thông phổ biến là: SPI, UART và I2C.1 Chuẩn giao tiếp SPI. SPI viết tắt của Serial Peripheral Interface, SPI bus – Giao diện ngoại vi nói tiếp, bus SPI.

Chuẩn SPI được phát triển bởi Motorola. Đây là một chuẩn đồng bộ nối tiếp để truyền dữ liệu ở chế độ song công toàn phần (full- duplex) tức trong cùng một thời điểm có thể xảy ra đồng thời quá trình truyền và nhận. Đôi khi SPI còn được gọi là chuẩn giao tiếp 4 dây (Four-wire). SPI là giao diện đồng bộ, bất cứ quá trình truyền nào cũng được đồng bộ hóa với tín hiệu clock chung.

Tín hiệu này sinh ra bởi master. Hình 2- 1 Giao tiếp SPI - Trong giao diện SPI có bốn tín hiệu số:  MOSI hay SI – cổng ra của bên Master (Master Out Slave IN). Đây là chân dành cho việc truyền tín hiệu từ thiết bị chủ động đến thiết bị bị động.  MISO hay SO – Công ra bên Slave (Master IN Slave Out).

Đây là chân dành cho việc truyền dữ liệu từ Slave đến Master.  SCLK hay SCK là tín hiệu clock đồng bộ (Serial Clock). Xung nhịp chỉ được tạo bởi Master.  CS hay SS là tín hiệu chọn vi mạch (Chip Select hoặc Slave Select).

SS sẽ ở mức cao khi không làm việc. Nếu Master kéo SS xuông thấp thì sẽ xảy ra quá trình giao tiếp. Chỉ có một đường SS trên mỗi slave nhưng có thể có nhiều đường điều khiển SS trên master, tùy thuộc vào thiết kế của người dùng.2 Chuẩn giao tiếp I2C I²C, viết tắt của từ tiếng Anh “Inter-Integrated Circuit”, là một loại bus nối tiếp được phát triển bởi hãng sản xuất linh kiện điện tử Philips. Ban đầu, loại bus này chỉ được dùng trong các linh kiện điện tử của Philips.

Sau đó, do tínhưu việt và đơn giản của nó, I²C đã được chuẩn hóa và được dùng rộng rãi trong các mô đun truyền thông nối tiếp của vi mạch tích hợp ngày nay. - Cấu tạo và nguyên lý hoạt động I²C sử dụng hai đường truyền tín hiệu:  Một đường xung nhịp đồng hồ(SCL) chỉ do Master phát đi ( thông thường ở 100kHz và 400kHz. Mức cao nhất là 1Mhz và 3.  Một đường dữ liệu(SDA) theo 2 hướng.

Sơ đồ kết nối như hình 2-2 Hình 2- 2 Sơ đồ kết nối I2C 2.3 Chuẩn giao tiếp UART UART – Universal asynchronous receiver transmitter là bộ truyền nhận nối tiếp bất đồng bộ. UART là một ngoại vi cơ bản trong chip STM32F103C8T6, Node MCU thường được dùng trong các quá trình giao tiếp với các loại module hay thiết bị ngoại vi. Hai thiết bị giao tiếp UART với nhau thông qua hai đường dẫn RX (receiver và TX (transmit) Vì là giao tiếp không đồng bộ nên hai thiết bị phải được cài đặt thống nhất về khung truyền, tốc độ truyền. Hình 2- 3 Kết nối UART 5 Hình 2- 4 Khung truyền UART Trong đó: - Start Bit: Start bit là bit dùng để đồng bộ dữ liệu.

Đây là bit được thêm vào phía trước dữ liệu thực tế nhằm đánh dấu bắt đầu của gói dữ liệu. Thông trường, trong trạng thái idle, khi không có dữ liệu nào được truyền, mức điện áp trên đường truyền là mức CAO – HIGH (1) Khi bắt đầu truyền dữ liệu, UART truyền sẽ kéo mức điện áp trên bus từ mức CAO xuống mức THẤP (từ 1 xuống 0). UART nhận sẽ phát hiện được sự thay đổi mức điện áp này và sẽ bắt đầu đọc dữ liệu. Thông thường, Start bit chỉ có độ dài 1 bit.

- Stop Bit: Như cái tên của nó, Stop Bit đánh dấu việc kết thúc gói dữ liệu. Nó có độ dài 2 bit nhưng thông thường, người ta chỉ sử dụng 1 bit. Sau khi kết thúc quá trình truyền dữ liệu, mức điện áp trên bus sẽ được giữ ở mức CAO – HIGH (1). - Parity bit: giúp cho thiết bị nhận UART xác định được gói dữ liệu nhận được có chính xác hay không.

Parity là kiểu kiểm tra sai sót ở low-level bao gồm 2 biến: Even Parity và Odd Parity. Parity bit là optional và thường ít khi được sử dụng. - Data Bits: Là những bits chứa dữ liệu được gửi từ thiết bị truyền sang thiết bị nhận. Độ dài của gói dữ liệu có thể từ 5 đến 9 bits (9 bits nếu như parity bit không được dùng và chỉ có 8 bits khi parity bit được dùng).

Thông thường, LSB (bit có giá trị thấp nhất) là bit được truyền đầu tiên.  Các khái niệm quan trọng trong chuẩn truyền thông UART: 6  Baudrate: Số bit truyền được trong 1s, ở truyền nhận không đồng bộ thì ở các bên truyền và nhận phải thống nhất Baudrate. Các thông số tốc độ Baudrate thường hay sử dụng dể giao tiếp với máy tính là 600,1200,2400,4800,9600,14400,19200,38400,56000,57600,115200.  Frame: Ngoài giống nhau của tốc độ baud giữa 2 thiết bị truyền-nhận thì khung truyền của bên cũng được cấu hình giống nhau.

Khung truyền quy định số bit trong mỗi lần truyền, bit bắt đầu “Start bit”, các bit kết thúc (Stop bit), bit kiểm tra tính chẵn lẻ (Parity), ngoài ra số bit quy định trong một gói dữ liệu cũng được quy định bởi khung truyền. Có thể thấy, khung truyền đóng một vai trò rất quan trọng trong việc truyền thành công dữ liệu. - Idle frame: Đường truyền UART ở mức “1”, để xác nhận hiện tại đường truyền dữ liệu trống, không có frame nào đang được truyền đi. - Break frame: Đường truyền UART ở mức “0”, để xác nhận hiện tại trên đường truyền đang truyền dữ liệu, có frame đang được truyền đi.2 TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY Dù các kết nối có dây (sử dụng cáp và dây dẫn điện) vẫn đóng vai trò quan trọng trong việc truyền-nhận dữ liệu, thông tin nhưng hiện tại các thiết bị có kết nối không dây đang ngày một trở nên quen thuộc và dần thay thế các kết nối cũ, đem lại rất nhiều tác động đến cuộc sống của chúng ta.1 Bluetooth Bluetooth không chỉ được dùng để truyền dữ liệu giữa các thiết bị di động, kết nối phụ kiện với điện thoại mà còn có trong một loạt thiết bị khác nhau như máy ảnh số, laptop, PC và đầu máy chơi game.

Chip Bluetooth sử dụng tín hiệu sóng radio để truyền dữ liệu trong phạm vi hẹp, thường là khoảng 30 mét. Hình 2- 5 Nghe nhạc qua tai nghe Bluetooth 7 Bluetooth 2.0, phiên bản được tích hợp nhiều nhất trong các thiết bị hiện nay, có thể trao đổi những gói thông tin đòi hỏi băng thông thấp hoặc trung bình với tốc độ 3 Mb/giây. Công nghệ này sử dụng lượng điện năng tương đối thấp.2 Zigbee Zigbee cho phép truyền thông tin tới nhiều thiết bị cùng lúc (mesh network). Phạm vi hoạt động của Zigbee đang được cải tiến từ 75 mét lên đến vài trăm mét.

Hình 2- 6 Truyền không dây qua Zigbee Công nghệ này đòi hỏi năng lượng thấp hơn Bluetooth, nhưng tốc độ chỉ đạt 256 Kb/giây. Nó sẽ được ứng dụng trong hệ thống tự động tại các hộ gia đình như chiếu sáng và sưởi ấm.3 NFC Thiết bị NFC chỉ có thể truyền không dây vài kilobit dữ liệu trong phạm vi vài cm, do đó nó đảm bảo an toàn khi người sử dụng muốn trao đổi thông tin riêng tư, cần bảo mật. Hình 2- 7 Truyền NFC giữa 2 thiết bị di động Các hãng sản xuất di động có vẻ hứng thú với công nghệ này và cho rằng điện thoại NFC sẽ được dùng để thanh toán hóa đơn khi người sử dụng uống cafe hay mua báo… Nó cũng sẽ xuất hiện trong khóa điện tử, vé và các tài liệu du lịch.4 WiFi Hình 2- 8 Các thiết bị kết nối qua Wifi Công nghệ kết nối Internet không dây này đã rất phổ biến trong gia đình, văn phòng, quán cafe và một số trung tâm thành phố lớn. Ngoài ra, Wi-Fi còn được dùng để nối những thiết bị gia dụng như TV, đầu DVD với máy tính.5 LORA Hình 2- 9 Mô hình mạng LoRa Công nghệ truyền không dây LoRa cũng tương tự như truyền Zigbe và cho phép giao tiếp với nhiều thiết bị cùng lúc với khoảng cách xa ( khoảng 3000m- 5000m) với tốc độ nhanh hơn những thiết bị thu phát RF khác.

Nhìn chung các mạng không dây hiện tại như Bluetooth, Bluetooth Low Energy, WiFi và ZigBee đều không thích hợp cho những ứng dụng tầm xa. Mạng di động (cellular) càng không thể dùng để các giao tiếp từ xa machine-to-machine vì quá tốn năng lượng. Nhìn chung, tất cả các loại mạng đều rất đắt đỏ về phần cứng và dịch vụ. GIỚI THIỆU MODULE RF UART LORA SX1278 433MHZ (E32- TTL-100) Module RF UART Lora SX1278 433MHz sử dụng chip SX1278 của SEMTECH chuẩn giao tiếp Lora (Long Range), mang lại hai ưu điểm vượt trội là tiết kiệm năng lượng và khoảng cách phát siêu xa.

Ngoài ra, nó còn có khả năng cấu hình để liên kết với nhau tạo thành mạng lưới LoRa nên hiện tại được phát triển và sử dụng rất nhiều trong các nghiên cứu về IoT. Module Lora SX1278 có khả năng thu phát với khoảng cách 3000m. Được tích hợp chuyển đổi giao tiếp chuẩn SPI của SX1278 sang UART giúp cho việc giao tiếp dễ dàng hơn. Với kích thước nhỏ gọn 5x21x36 mm, LoRa dễ dàng đáp ứng hầu hết các yêu cầu về không gian trong các thiết bị người dùng, ví dụ như các trạm thu phát tín hiệu, trong các thiết bị điều khiển từ xa.

Phần mềm đi kèm từ nhà sản xuất giúp việc cấu hình LoRa trở nên dễ dàng hơn.