Đồ án HCMUTE: Hệ thống giám sát nông nghiệp bằng công nghệ IoT

Đồ án kỹ thuật nghiên cứu hcmute hệ thống giám sát nông nghiệp bằng công nghệ iot, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá tính khả thi dự án.

• Tác giả: Nguyễn Quốc Thành
• Người hướng dẫn: Ths. Trần Thanh Mai
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử - Truyền Thông
• Đề tài: Hệ thống giám sát nông nghiệp bằng công nghệ IOT
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.2. MỤC TIÊU
• 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 1.4. GIỚI HẠN
• 1.5. BỐ CỤC
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. ỨNG DỤNG IOT TRONG NÔNG NGHIỆP
• 2.2. CÁC CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU, CHUẨN KẾT NỐI
• 2.2.1. Chuẩn giao tiếp UART
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Giám sát nông nghiệp thông minh

Nông nghiệp thông minh đang trở thành xu hướng tất yếu trong bối cảnh phát triển công nghệ hiện đại. Giám sát nông nghiệp thông minh với IoT tại HCMUTE không chỉ giúp nâng cao năng suất mà còn tối ưu hóa quy trình sản xuất. Việc áp dụng công nghệ IoT trong nông nghiệp cho phép thu thập và phân tích dữ liệu một cách hiệu quả, từ đó đưa ra các quyết định kịp thời nhằm cải thiện chất lượng sản phẩm. Hệ thống giám sát này sử dụng các cảm biến để theo dõi các yếu tố như độ ẩm, nhiệt độ và ánh sáng, giúp người nông dân có thể quản lý cây trồng một cách chính xác và hiệu quả hơn. Theo một nghiên cứu gần đây, việc áp dụng nông nghiệp 4.0 đã giúp tăng năng suất lên đến 30% so với phương pháp truyền thống.

1.1. Tầm quan trọng của IoT trong nông nghiệp

Sự phát triển của công nghệ IoT đã mở ra nhiều cơ hội cho ngành nông nghiệp. Giám sát nông nghiệp thông minh không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất. Các thiết bị cảm biến được kết nối với nhau qua mạng Internet, cho phép người nông dân theo dõi tình trạng cây trồng từ xa. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh biến đổi khí hậu, khi mà thời tiết ngày càng trở nên khó lường. Việc sử dụng cảm biến IoT giúp nông dân có thể dự đoán và ứng phó kịp thời với các hiện tượng thời tiết cực đoan, từ đó bảo vệ mùa màng và tăng cường an ninh lương thực.

II. Cấu trúc hệ thống giám sát nông nghiệp

Hệ thống giám sát nông nghiệp thông minh được xây dựng dựa trên các thành phần chính như cảm biến, bộ điều khiển và giao diện người dùng. Hệ thống giám sát này sử dụng Adruino Mega 2560 làm trung tâm điều khiển, kết nối với các module cảm biến như cảm biến độ ẩm đất, cảm biến nhiệt độ và cảm biến ánh sáng. Dữ liệu thu thập từ các cảm biến sẽ được gửi về bộ điều khiển để xử lý và hiển thị trên LCD 16x2. Hệ thống cũng cho phép người dùng điều khiển từ xa thông qua ứng dụng trên điện thoại hoặc giao diện web. Việc thiết kế hệ thống này không chỉ đảm bảo tính hiệu quả mà còn dễ dàng mở rộng trong tương lai.

2.1. Các thành phần chính của hệ thống

Hệ thống giám sát nông nghiệp bao gồm nhiều thành phần quan trọng. Đầu tiên là cảm biến IoT, giúp thu thập dữ liệu về môi trường canh tác. Tiếp theo là bộ điều khiển như Adruino Mega 2560, nơi xử lý và phân tích dữ liệu. Cuối cùng, giao diện người dùng cho phép người nông dân theo dõi và điều khiển hệ thống từ xa. Các thành phần này kết hợp với nhau tạo thành một hệ thống giám sát hoàn chỉnh, giúp nâng cao hiệu quả sản xuất nông nghiệp.

III. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống

Hệ thống giám sát nông nghiệp thông minh với IoT tại HCMUTE đã được triển khai thử nghiệm và cho thấy nhiều kết quả khả quan. Việc sử dụng dữ liệu nông nghiệp để phân tích và đưa ra quyết định đã giúp nông dân cải thiện năng suất và chất lượng sản phẩm. Hệ thống cho phép tự động hóa quy trình tưới tiêu, điều chỉnh ánh sáng và nhiệt độ, từ đó tiết kiệm nước và năng lượng. Theo một báo cáo, các nông trại áp dụng công nghệ này đã giảm được 20% chi phí sản xuất và tăng năng suất lên đến 25%. Điều này chứng tỏ rằng giải pháp nông nghiệp thông minh không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

3.1. Lợi ích kinh tế và môi trường

Việc áp dụng công nghệ IoT trong nông nghiệp không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn có tác động tích cực đến môi trường. Hệ thống giám sát giúp giảm thiểu lượng nước sử dụng, đồng thời tối ưu hóa việc sử dụng phân bón và thuốc trừ sâu. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn bảo vệ sức khỏe người tiêu dùng và môi trường sống. Nghiên cứu cho thấy, các nông trại sử dụng công nghệ này đã giảm được 30% lượng hóa chất sử dụng, từ đó giảm thiểu ô nhiễm đất và nước.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh nền kinh tế Việt Nam, nông nghiệp đóng vai trò trọng yếu trong việc bảo đảm an ninh lương thực quốc gia, với hơn 75% dân số sống tại khu vực nông thôn, lao động nông nghiệp chiếm trên 80% lực lượng lao động nông thôn và trên 70% tổng lao động xã hội. Quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước mang lại sự phát triển kinh tế nhưng đồng thời cũng gây ra nhiều hệ lụy, đặc biệt là ô nhiễm môi trường và sự suy giảm nguồn nhân lực trực tiếp trong ngành nông nghiệp do xu hướng dịch chuyển lao động sang các khối ngành công nghiệp và dịch vụ. Bên cạnh đó, diễn biến phức tạp của các hiện tượng thời tiết cực đoan bắt nguồn từ biến đổi khí hậu toàn cầu đã và đang ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất, phẩm chất cây trồng. Thực trạng này đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc ứng dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật, tự động hóa quy trình chăm sóc nhằm giải phóng sức lao động, giảm thiểu rủi ro thiên tai và nâng cao hiệu quả kinh tế trên diện tích canh tác.

Xuất phát từ thực tiễn trên, đề tài "Hệ thống giám sát nông nghiệp bằng công nghệ IoT" được nhóm tác giả Nguyễn Quốc Thành và Võ Đình Khải thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. GVC Trần Thanh Mai tại Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (bảo vệ tháng 07/2018).

Mục tiêu cốt lõi của đề tài là xây dựng hoàn chỉnh một hệ thống ứng dụng Internet of Things (IoT) phục vụ giám sát các thông số môi trường vi khí hậu (nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất, ánh sáng) và tự động ổn định điều kiện sinh trưởng thông qua việc kích hoạt các cơ cấu chấp hành (máy bơm nước, máy phun sương, quạt tản nhiệt, hệ thống chiếu sáng). Đồng thời, hệ thống cho phép người dùng theo dõi và điều khiển đa phương thức qua hai nền tảng: trang web trên máy tính/thiết bị di động thông qua mạng WiFi và ứng dụng di động Android kết nối sóng Bluetooth.

Để hiện thực hóa mục tiêu trên, đề tài xác định 9 nội dung nghiên cứu cụ thể theo văn bản:

1. Giao tiếp giữa Arduino với các cảm biến, điều khiển các thiết bị ngoại vi, hiển thị giá trị cảm biến và trạng thái thiết bị lên màn hình LCD 16x2.
2. Thiết kế website dựa trên nền tảng Node.js và HTML để thực hiện quá trình truyền – nhận dữ liệu cho hệ thống thông qua module thu – phát WiFi ESP8266 NodeMCU.
3. Thiết kế ứng dụng chạy trên điện thoại có hệ điều hành Android, truyền nhận giá trị cảm biến và trạng thái các ngõ ra thông qua module Bluetooth HC-05.
4. Liên kết và đồng bộ hóa dữ liệu hoạt động giữa ứng dụng Android và website.
5. Thiết kế tính năng cài đặt loại cây trồng trên giao diện website, cập nhật các ngưỡng thông số giới hạn để vận hành hệ thống ở hai chế độ: tự động (Auto) và bằng tay (Manual).
6. Thiết kế và thi công mạch điều khiển phần cứng của hệ thống.
7. Thiết kế và thi công khung mô hình vật lý phục vụ trồng rau nông nghiệp.
8. Vận hành thử nghiệm, nhận xét, đánh giá kết quả thực hiện và hiệu chỉnh hoàn thiện mô hình.
9. Tổng hợp dữ liệu và hoàn thành quyển báo cáo luận văn tốt nghiệp.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là mô hình giám sát vi khí hậu nông nghiệp khép kín phục vụ trồng rau. Phạm vi không gian nghiên cứu được giới hạn trong một mô hình thực nghiệm có kết cấu khung sắt và mica với kích thước 90 cm x 60 cm x 50 cm (theo bảng nhiệm vụ đồ án) và giới hạn kích thước thi công mô hình 90 cm (chiều dài) x 50 cm (chiều cao) x 40 cm (chiều rộng). Phạm vi thời gian thực hiện kéo dài trong 13 tuần, từ ngày giao nhiệm vụ 23/03/2018 đến ngày hoàn thành nghiệm thu 02/07/2018.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về cơ sở lý thuyết, công trình tiếp cận kiến trúc IoT tiêu chuẩn bao gồm 4 tầng thành phần cơ bản:

• Tầng vạn vật (Things): Tập hợp các cảm biến thu thập thông số môi trường canh tác và các cơ cấu truyền động ngoại vi.
• Trạm kết nối (Gateways): Điểm trung gian kết nối các phần cứng thu thập với hạ tầng mạng và điện toán đám mây.
• Hạ tầng mạng (Internet): Hệ thống định tuyến, truyền dẫn dữ liệu qua giao thức IP.
• Lớp dịch vụ (Service): Các ứng dụng web và di động cho phép người dùng cuối tương tác, theo dõi dữ liệu và can thiệp điều khiển.

Văn bản khảo sát và ứng dụng hệ thống chuẩn giao tiếp, giao thức mạng và lý thuyết điều khiển chuyên ngành:

• Chuẩn giao tiếp nối tiếp bất đồng bộ UART: Cơ chế truyền nhận không đồng bộ qua 2 đường phát (Tx) và nhận (Rx), sử dụng các mức tốc độ baud (9600 và 38400 bit/giây), khung truyền quy định bit Start, chuỗi 8 bit dữ liệu, bit kiểm tra Parity và bit Stop.
• Chuẩn giao tiếp I2C (Inter-Integrated Circuit): Cơ chế bus 2 dây gồm đường xung nhịp SCL (tần số chuẩn 100 kHz, 400 kHz) và đường dữ liệu hai chiều SDA, định địa chỉ 7-bit cho phép liên kết tối đa 112 thiết bị tớ trên cùng một đường bus.
• Chuẩn kết nối không dây tầm ngắn Bluetooth: Chuẩn kết nối tần số 2.4 GHz, hoạt động theo mô hình Master/Slave thông qua tập lệnh AT.
• Giao thức MQTT (Message Queuing Telemetry Transport): Khái niệm giao thức truyền thông điệp theo mô hình Publish/Subscribe qua Broker trung gian dành cho các thiết bị IoT băng thông thấp.
• Lý thuyết Logic mờ (Fuzzy Logic): Cơ sở toán học xử lý các biến số mờ do GS. Lotfi Zadeh đề xuất năm 1965, làm nền tảng lý luận cho việc mô hình hóa các quy tắc điều khiển nhiệt độ, độ ẩm tiệm cận thực tế sinh trưởng cây trồng.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai bao gồm:

• Phương pháp thiết kế và tích hợp phần cứng: Tính toán thông số kỹ thuật điện áp, dòng điện định mức của các linh kiện; thiết kế sơ đồ nguyên lý và vẽ mạch in (PCB) phân khối chức năng.
• Phương pháp thi công cơ điện và mô hình hóa thực nghiệm: Lắp ráp cơ khí khung sắt và mica bảo vệ; kết nối dây dẫn, đóng gói hộp điều khiển trung tâm và đấu nối tải công suất.
• Phương pháp lập trình điều khiển nhúng và phát triển phần mềm: Biên dịch mã nguồn nhúng C/C++ trên nền tảng Arduino IDE; phát triển web server trên Visual Studio Code sử dụng Node.js kết hợp giao diện HTML; lập trình ứng dụng Android theo phương pháp kéo thả khối lệnh (Block/Design).
• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu số đo thời gian thực được thu thập trực tiếp từ các cảm biến DHT11, cảm biến quang trở LM393, cảm biến độ ẩm đất LM393 cắm trong giá thể mô hình; kết hợp cùng hệ thống dữ liệu thông số kỹ thuật (datasheet) chính thức của nhà sản xuất các vi mạch bán dẫn ATmega2560, ESP8266, L298N, LM393 và HD44780.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc khối chức năng tập trung, phân định rõ ràng giữa mạch xử lý logic, mạch đo lường, mạch điều khiển công suất và các giao diện người dùng.

Kiến trúc phần cứng và thiết bị ngoại vi

Trung tâm xử lý của mô hình là bo mạch Arduino Mega 2560 tích hợp vi điều khiển ATmega2560 kiến trúc RISC. Bộ điều khiển tiếp nhận tín hiệu từ 3 khối cảm biến môi trường, so sánh với ngưỡng cài đặt để xuất lệnh đóng/ngắt các thiết bị ngoại vi thông qua mạch cầu H L298N, đồng thời gửi dữ liệu lên màn hình hiển thị tại chỗ và các module truyền thông không dây.

Tên thiết bị / Module	Thông số kỹ thuật ghi nhận trong văn bản	Chức năng trong hệ thống
Arduino Mega 2560	Vi điều khiển ATmega2560, 54 chân Digital I/O (15 chân PWM), 16 chân Analog ADC 10-bit, Flash 256 kB, SRAM 8 kB, EEPROM 4 kB, xung nhịp 16 MHz, điện áp cấp 5 VDC (nguồn khuyên dùng 7 - 12 VDC).	Bộ điều khiển trung tâm; đọc cảm biến, thực thi logic điều khiển ngoại vi và truyền thông.
Module ESP8266 NodeMCU	Vi mạch Wi-Fi chuẩn IEEE 802.11 b/g/n, băng tần 2.4 GHz, hỗ trợ giao tiếp nối tiếp UART, nạp code trực tiếp từ Arduino IDE.	Gateway truyền nhận dữ liệu giữa Arduino Mega 2560 và máy chủ web qua mạng không dây.
Module Bluetooth HC-05	Chuẩn Bluetooth 2.4 GHz, hỗ trợ hai chế độ Master/Slave, cấu hình tập lệnh AT ở baud rate 38400, truyền dữ liệu ngầm định ở baud rate 9600, mã PIN ghép nối 1234.	Cầu nối giao tiếp không dây tầm gần giữa Arduino Mega 2560 và ứng dụng Android.
Module LCD 16x2 & Module I2C	Màn hình ký tự LCD 16 cột 2 dòng tích hợp vi điều khiển HD44780, module I2C chuyển đổi giao tiếp 2 dây (SDA, SCL), tích hợp biến trở chỉnh tương phản.	Hiển thị tại chỗ giá trị nhiệt độ, độ ẩm đất, độ ẩm không khí và trạng thái các thiết bị.
Mạch cầu H L298N	Tích hợp 2 mạch cầu H, điện áp động cơ 5 - 12 VDC, dòng tải tối đa 2 A/cầu, điện áp logic điều khiển 5 - 7 VDC (dòng điều khiển 0 - 36 mA), công suất tiêu hao 20 W ở 75°C.	Mạch kích điều khiển đóng/ngắt và cấp nguồn cho các thiết bị chấp hành 12 VDC.
Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11	Nguồn cấp 3 - 5 VDC, chuẩn giao tiếp số 1-wire, dải đo độ ẩm 20 - 80%RH (sai số ±5%), dải đo nhiệt độ 0 - 50°C (sai số ±2°C), tần số lấy mẫu 1 Hz.	Thu thập nhiệt độ và độ ẩm của không khí trong khu vực nuôi trồng.
Cảm biến độ ẩm đất	Điện áp 3.3 - 5 VDC, gồm đầu dò cắm đất và mạch so sánh áp dùng IC LM393, hỗ trợ ngõ ra số DO (0/1) và ngõ ra tương tự AO (0 - 5 VDC).	Đo lường độ ẩm của đất canh tác, phát hiện ngưỡng khô thông qua điều chỉnh biến trở so sánh.
Cảm biến ánh sáng	Điện áp 3.3 - 5 VDC, tích hợp IC so sánh LM393, hỗ trợ ngõ ra Analog AO (tỉ lệ thuận cường độ sáng) và ngõ ra số DO (TTL tích cực mức thấp).	Giám sát cường độ chiếu sáng trong mô hình nông nghiệp.
Cơ cấu chấp hành 12 VDC	Motor bơm nước 12 VDC, motor tạo ẩm phun sương 12 VDC, quạt hút tản nhiệt 12 VDC, đèn tuýp LED 12 VDC.	Tác động trực tiếp làm thay đổi môi trường vi khí hậu (tưới nước, giảm nhiệt, tăng ẩm, chiếu sáng).

Kiến trúc phần mềm và giải thuật truyền thông

Hệ thống triển khai luồng dữ liệu 2 chiều giữa phần cứng và phần mềm qua hai nhánh độc lập:

• Nhánh giám sát qua Internet: Arduino Mega 2560 gửi chuỗi dữ liệu trạng thái cảm biến qua cổng nối tiếp (UART) sang module WiFi ESP8266 NodeMCU. ESP8266 phát gói tin lên trang web viết bằng Node.js và HTML. Khi người dùng thao tác điều khiển thiết bị hoặc cấu hình ngưỡng cây trồng trên web, lệnh điều khiển sẽ được truyền ngược từ web về ESP8266 và nạp vào Arduino Mega 2560 để thay đổi trạng thái chân kích cầu H L298N.
• Nhánh giám sát qua ứng dụng di động: Module Bluetooth HC-05 kết nối trực tiếp với chân UART của Arduino. Dữ liệu cảm biến được truyền tuần tự không dây về smartphone Android thông qua ứng dụng được thiết kế trên môi trường lập trình khối (Design & Block). Người dùng gửi lệnh bật/tắt thiết bị ngoại vi ngay trên màn hình cảm ứng điện thoại trong phạm vi phủ sóng của Bluetooth.
• Cơ chế điều khiển: Hệ thống hỗ trợ 2 chế độ vận hành:
  • Chế độ tự động (Auto): Vi điều khiển tự động so sánh thông số môi trường đo được với ngưỡng giới hạn định trước của từng loại cây trồng (cài đặt trên giao diện). Khi độ ẩm đất xuống thấp, máy bơm được kích hoạt; khi nhiệt độ vượt ngưỡng hoặc độ ẩm không khí giảm sâu, quạt tản nhiệt và máy phun sương hoạt động; khi thiếu sáng, đèn LED tuýp bật sáng.
  • Chế độ bằng tay (Manual): Người dùng có thể can thiệp trực tiếp để bật hoặc tắt độc lập từng thiết bị (bơm nước, phun sương, quạt, đèn) từ website hoặc app Android, bỏ qua các ngưỡng so sánh tự động.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày lý do chọn đề tài dựa trên phân tích thực trạng kinh tế nông nghiệp Việt Nam, sự suy giảm lực lượng lao động nông thôn và các thách thức từ biến đổi khí hậu. Tác giả xác định mục tiêu xây dựng hệ thống IoT giám sát môi trường trồng rau và ổn định vi khí hậu thông qua các cơ cấu chấp hành. Văn bản xác lập 9 nội dung nghiên cứu chi tiết, giới hạn không gian mô hình (dài 90 cm, cao 50 cm, rộng 40 cm; kết cấu sắt và mica) và quy định bố cục toàn văn gồm các chương nghiên cứu kế tiếp.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 tập trung hệ thống hóa nền tảng lý thuyết công nghệ IoT và cấu trúc 4 tầng chuẩn (Things, Gateways, Internet, Service). Tác giả phân tích chi tiết các chuẩn truyền thông công nghiệp và giao thức mạng gồm: UART (khung truyền, tốc độ baud, bit chẵn lẻ), I2C (giao tiếp 2 dây SCL/SDA, phân bổ 112 địa chỉ thiết bị trên dải 7-bit), Bluetooth (chuẩn 2.4 GHz, chế độ Master/Slave, tập lệnh AT), MQTT (mô hình Broker và Clients xuất bản/đăng ký thông điệp) và lý thuyết Logic mờ của Lotfi Zadeh (1965). Đồng thời, chương này thuyết minh thông số kỹ thuật chi tiết của các phần cứng sử dụng: bo mạch Arduino Mega 2560 (chip ATmega2560 16 MHz, 54 I/O), màn hình LCD 16x2 và tập lệnh điều khiển vi mạch HD44780, module WiFi ESP8266 NodeMCU chuẩn 802.11n, module driver mạch cầu H L298N (2 A/kênh, công suất 20 W), module LCD I2C, module Bluetooth HC-05, module cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11, module cảm biến ánh sáng và module cảm biến độ ẩm đất tích hợp IC so sánh LM393.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 trình bày quy trình tính toán và thiết kế kỹ thuật đáp ứng các yêu cầu vận hành mô hình thực nghiệm: hiển thị đa thông số, hỗ trợ hai chế độ điều khiển tự động và bằng tay, vận hành ổn định và chi phí phù hợp. Nội dung chương bao gồm: xây dựng sơ đồ khối tổng thể của hệ thống; phân tích và tính toán mạch chức năng cho từng khối (khối điều khiển trung tâm Arduino Mega 2560, khối hiển thị LCD 16x2 qua giao tiếp I2C, khối mạch nguồn cấp điện cho bo mạch điều khiển và tải ngoại vi, giao diện điều khiển Web, khối công suất L298N giao tiếp với động cơ bơm nước 12 VDC, động cơ phun sương 12 VDC, quạt tản nhiệt 12 VDC và đèn LED tuýp 12 VDC); thiết lập bản vẽ sơ đồ nguyên lý toàn mạch hoàn chỉnh.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 ghi lại quá trình chế tạo phần cứng và phát triển phần mềm cho hệ thống. Nhóm tác giả thực hiện thiết kế sơ đồ mạch in (PCB), sơ đồ bố trí linh kiện khối nguồn và khối điều khiển, tiến hành gia công mạch, hàn linh kiện và kiểm tra thông mạch. Khung mô hình được gia công cơ khí bằng vật liệu sắt kết hợp mica định hình không gian trồng rau, gắn màn hình LCD 16x2 trên mặt cửa tủ điều khiển. Về phần mềm, chương mô tả quy trình cài đặt và cấu hình môi trường lập trình Arduino IDE (chọn board, chọn cổng COM), xây dựng mã nguồn nhúng C/C++, phát triển giao diện trang web trên Visual Studio Code sử dụng Node.js và HTML, thiết kế giao diện đồ họa (Design) và xây dựng logic kéo thả khối (Block) cho ứng dụng di động Android.

Chương 5: Kết quả, nhận xét, đánh giá

Chương 5 công bố kết quả vận hành thực tế của mô hình sau thi công. Văn bản trình bày hình ảnh giao diện điều khiển thực tế trên Web và ứng dụng di động Android; minh họa quy trình truyền dữ liệu từ các cảm biến lên hệ thống máy chủ web và app điện thoại; quy trình phản hồi truyền lệnh điều khiển từ web/app ngược trở lại các thiết bị ngoại vi. Nhóm nghiên cứu đưa ra các nhận xét thực nghiệm về tốc độ đáp ứng, tính ổn định của mạch điều khiển phần cứng và độ tin cậy của dữ liệu môi trường thu thập được trong quá trình chạy thử nghiệm.

Chương 6 (theo phần bố cục) / Mục 5.2: Kết luận và hướng phát triển

Phần này đối chiếu các kết quả đạt được trên mô hình thực tế với hệ thống mục tiêu ban đầu đề ra, đánh giá mức độ hoàn thiện về cả phần cứng, phần mềm và tính an toàn thẩm mỹ của mô hình canh tác nông nghiệp IoT. Đồng thời, tác giả đề xuất các hướng mở rộng kỹ thuật nhằm nâng cấp hệ thống trong các giai đoạn nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính kèm số liệu thực nghiệm

Đề tài đã hoàn thành việc chế tạo mô hình thực nghiệm hệ thống giám sát nông nghiệp với các kết quả cụ thể:

• Chế tạo hoàn chỉnh mô hình cơ khí khung sắt và mica kích thước thực tế (90 cm x 60 cm x 50 cm / 90 cm x 50 cm x 40 cm), tích hợp hộp điều khiển an toàn, gắn màn hình LCD 16x2 tại cửa tủ cho phép hiển thị các chỉ số vi khí hậu tại chỗ.
• Vận hành thành công bo mạch vi điều khiển Arduino Mega 2560 thu thập chính xác tín hiệu từ 3 khối cảm biến: nhiệt độ (dải đo 0 - 50°C, sai số ±2°C) và độ ẩm không khí (20 - 80%RH, sai số ±5%) từ DHT11 với tần số lấy mẫu 1 Hz; tín hiệu tương tự và số của độ ẩm đất và cường độ ánh sáng qua mạch so sánh LM393.
• Điều khiển đóng/ngắt độc lập và an toàn 4 tải chấp hành nguồn 12 VDC (motor bơm nước, motor phun sương, quạt tản nhiệt, đèn LED tuýp) qua mạch cầu H L298N (chịu dòng tối đa 2 A mỗi kênh).
• Triển khai thành công 2 kênh truyền thông không dây song song: kênh truyền qua WiFi sử dụng ESP8266 NodeMCU đồng bộ dữ liệu lên website viết bằng Node.js/HTML; kênh truyền Bluetooth qua module HC-05 (baud rate 9600, ghép nối mã PIN 1234) kết nối với ứng dụng Android.
• Hiện thực hóa thành công hai chế độ vận hành: chế độ tự động điều tiết thiết bị theo ngưỡng cài đặt của từng loại cây trồng và chế độ điều khiển cưỡng bức bằng tay trên giao diện web/app.

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

Tác giả đề xuất mô hình kiến trúc điều khiển nông nghiệp kết hợp: điều khiển hiển thị tại trạm cục bộ (LCD 16x2), điều khiển tầm gần không phụ thuộc internet qua sóng Bluetooth (HC-05 trên smartphone) và giám sát diện rộng qua mạng không dây WiFi/Web Server. Giải pháp này giúp đảm bảo tính linh hoạt cho người làm nông nghiệp, có thể giám sát liên tục từ xa hoặc can thiệp trực tiếp ngay tại vườn canh tác.

Đóng góp của đề tài

Đồ án đã hiện thực hóa thành công một mô hình thực nghiệm khép kín từ khâu thiết kế mạch in, thi công cơ khí đến xây dựng phần mềm điều khiển nhúng và giao diện giám sát đa nền tảng (Web + App). Công trình chứng minh tính khả thi của việc ứng dụng các module phần cứng điện tử phổ thông, giá thành thấp (Arduino Mega 2560, ESP8266, DHT11, L298N) trong việc tự động hóa giám sát và điều hòa môi trường sinh trưởng cho cây trồng nông nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của hệ thống

• Giới hạn của thiết bị cảm biến: Cảm biến DHT11 có dải đo hẹp (0 - 50°C, 20 - 80%RH) và độ trễ lấy mẫu 1 giây, độ chính xác ở mức phổ thông (sai số nhiệt độ ±2°C, độ ẩm ±5%), khó đáp ứng môi trường ngoài trời khắc nghiệt trong thời gian dài.
• Quy mô thực nghiệm: Hệ thống chỉ mới dừng lại ở quy mô mô hình trồng rau thử nghiệm nhỏ (kích thước khung sắt mica tối đa 90 cm x 60 cm x 50 cm), chưa triển khai đo đạc trên diện tích canh tác thực địa quy mô lớn.
• Hạn chế truyền thông: Module Bluetooth HC-05 chỉ đáp ứng điều khiển ở cự ly gần; kênh truyền WiFi qua ESP8266 phụ thuộc vào chất lượng sóng mạng cục bộ tại trạm phát; hệ thống chưa tích hợp đầy đủ giao thức MQTT đồng bộ lên đám mây diện rộng như phần cơ sở lý thuyết đã đề cập.

Hướng nghiên cứu tiếp

• Ứng dụng giải thuật Logic mờ (Fuzzy Logic) vào chương trình điều khiển trung tâm để tối ưu hóa thời gian tưới, lượng sương và tốc độ quạt dựa trên sự phối hợp đồng thời của nhiều thông số môi trường thay vì chỉ dùng ngưỡng so sánh nhị phân đơn thuần.
• Nâng cấp các cảm biến công nghiệp chuyên dụng có độ bền cao, sai số thấp và dải đo rộng hơn để ứng dụng trong các nhà màng, nhà kính quy mô lớn.
• Hoàn thiện việc ứng dụng giao thức MQTT kết nối với các hệ thống Cloud Server để mở rộng phạm vi điều khiển không giới hạn và phân tích dữ liệu canh tác lâu dài.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp này là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử Truyền thông, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Điện tử Công nghiệp, Kỹ thuật Máy tính và Công nghệ Nông nghiệp Công nghệ cao.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên môn cao bao gồm:

• Thiết kế sơ đồ nguyên lý và mạch in tích hợp vi điều khiển ATmega2560 với nhiều khối ngoại vi (cảm biến tương tự, cảm biến số 1-wire, mạch công suất cầu H L298N, module I2C và module WiFi/Bluetooth).
• Kỹ thuật lập trình truyền nhận dữ liệu qua giao tiếp UART đa cổng trên Arduino Mega 2560, cơ chế phân tách và đóng gói khung truyền dữ liệu giữa vi điều khiển và module truyền thông ESP8266/HC-05.
• Cấu trúc tích hợp hệ thống điều khiển kết hợp đa nền tảng (mạch nhúng - trang web Node.js - ứng dụng di động Android).

Câu hỏi thường gặp

1. Vi điều khiển trung tâm được sử dụng trong đồ án là loại nào và có thông số phần cứng cơ bản ra sao? Vi điều khiển trung tâm là ATmega2560 được tích hợp trên bo mạch Arduino Mega 2560. Vi điều khiển này hoạt động ở điện áp 5 VDC, tần số xung nhịp 16 MHz, bộ nhớ Flash 256 kB (trong đó 8 kB dùng cho bộ nạp khởi động bootloader), SRAM 8 kB, EEPROM 4 kB, cung cấp 54 chân xuất nhập số Digital I/O (với 15 chân hỗ trợ điều chế độ rộng xung PWM) và 16 kênh chuyển đổi tương tự - số ADC 10-bit.

2. Hệ thống thu thập các thông số vi khí hậu nào và sử dụng những cảm biến gì? Hệ thống giám sát 4 thông số môi trường thông qua 3 module cảm biến:

• Nhiệt độ không khí (dải đo 0 - 50°C, sai số ±2°C) và độ ẩm không khí (dải đo 20 - 80%RH, sai số ±5%) sử dụng cảm biến DHT11 giao tiếp số chuẩn 1-wire.
• Cường độ ánh sáng sử dụng module cảm biến quang trở tích hợp IC so sánh LM393 (ngõ ra Analog 0 - 5 VDC và ngõ ra số TTL).
• Độ ẩm đất sử dụng module cảm biến độ ẩm đất gồm đầu dò cắm đất và mạch chuyển đổi so sánh LM393 (hỗ trợ cả ngõ ra DO và AO).

3. Mạch công suất nào được dùng để kích hoạt các thiết bị chấp hành và điều khiển những thiết bị cụ thể nào? Hệ thống sử dụng module điều khiển động cơ L298N tích hợp 2 mạch cầu H, cấp điện áp hoạt động từ 5 - 12 VDC với dòng tải định mức tối đa 2 A cho mỗi cầu, công suất hao phí 20 W ở 75°C. Mạch cầu H này nhận tín hiệu mức logic (5 - 7 VDC, dòng 0 - 36 mA) từ Arduino Mega 2560 để điều khiển đóng/ngắt 4 thiết bị ngoại vi sử dụng nguồn 12 VDC gồm: motor bơm nước, motor phun sương tạo ẩm, quạt hút tản nhiệt và đèn LED tuýp chiếu sáng.

4. Dữ liệu từ hệ thống được truyền tải và hiển thị qua những kênh thông tin nào? Dữ liệu được hiển thị và quản lý qua 3 phương thức:

• Hiển thị trực tiếp tại chỗ trên màn hình LCD 16x2 thông qua module chuyển đổi bus I2C (2 dây tín hiệu SDA và SCL).
• Truyền tải không dây phạm vi gần qua sóng Bluetooth (băng tần 2.4 GHz) sử dụng module HC-05 kết nối cổng UART của Arduino tới ứng dụng di động Android.
• Truyền tải qua mạng không dây WiFi sử dụng module ESP8266 NodeMCU (chuẩn IEEE 802.11 b/g/n) đồng bộ lên website viết bằng Node.js và HTML.

5. Hệ thống hoạt động theo những chế độ điều khiển nào? Hệ thống vận hành ở 2 chế độ:

• Chế độ tự động (Auto): Vi điều khiển tự động so sánh giá trị đọc về từ các cảm biến với ngưỡng giới hạn được thiết lập cho từng loại cây trồng (cài đặt trên website) để kích hoạt bơm nước khi đất khô, bật quạt và phun sương khi trời nóng ẩm thấp, hoặc bật đèn khi thiếu sáng.
• Chế độ bằng tay (Manual): Người vận hành có thể trực tiếp can thiệp bật hoặc tắt độc lập từng thiết bị chấp hành (bơm, phun sương, quạt, đèn) thông qua các nút nhấn điều khiển trên giao diện website hoặc ứng dụng điện thoại Android.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Hệ thống giám sát nông nghiệp bằng công nghệ IoT" của nhóm tác giả Nguyễn Quốc Thành và Võ Đình Khải đã thiết kế và thi công thành công một mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh phục vụ tự động hóa vi khí hậu trồng rau. Công trình tích hợp hiệu quả vi điều khiển Arduino Mega 2560 với hệ thống cảm biến môi trường, mạch công suất L298N cùng hai kênh truyền thông không dây WiFi (ESP8266) và Bluetooth (HC-05). Kết quả nghiên cứu chứng minh tính khả thi của giải pháp điều khiển linh hoạt hai chế độ tự động và bằng tay trên cả nền tảng Web lẫn ứng dụng di động Android, đóng góp một mô hình tham khảo hữu ích cho việc nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật điện tử trong nông nghiệp thông minh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề dẫn nhập lí do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án.  Chƣơng 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Trình bày các lý thuyết liên quan đến vấn đề mà đề tài sẽ dùng để thực hiện thiết kế, thi công cho đề tài.  Chƣơng 3: Thiết Kế và Tính Tóan Trình bày tổng quan các yêu cầu của để tài về thiết kế và các tính toán hệ thống bao gồm sơ đồ nguyên lý toàn mạch và của từng phần của hệ thống.

 Chƣơng 4: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá Trình bày kết quả thi công phần cứng và kết quả hình ảnh trên màn hình hay mô phỏng tín hiệu, kết quả thống kê.  Chƣơng 5: Kết Luận và Hướng Phát Triển Trình bày kết quả của cả quá trình nghiên cứu làm đề tài bao gồm thời gian nghiên cứu, kết quả đạt được, nhận xét, đánh giá về đề tài và tính ứng dụng của đề tài trong thực tiễn.  Chƣơng 6: Kết luận và hướng phát triển BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 do an CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN Trình bày kết quả đạt được so với mục tiêu đề ra ban đầu, nhận xét và đánh giá kết quả đạt được của đề tài nghiên cứu.

Hướng phát triển của đề tài sau này trong quá trình nghiên cứu. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 do an CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chƣơng 2.1 ỨNG DỤNG IOT TRONG NÔNG NGHIỆP 2.1 Giới thiệu Từ khi lần đầu được giới thiệu cách đây gần 20 năm, cho tới hiện nay các ứng dụng IOT là một trong những mảng công nghệ phát triển nhất trong cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, nó xuất hiện và tác động tích cực tới từng ngành, từng lĩnh vực trong đó có ngành nông nghiệp.Ứng dụng IOT trong nông nghiệp góp phần tạo nên một môi trường sản xuất năng động, khoa học và giải phóng sức lao động, tăng năng suất, mang lại hiệu quả kinh tế cao, giúp nâng cao tính chuyên nghiệp và cải thiện bộ mặt cho cho nền nông nghiệp trong tương lai gần.1 Minh họa về ứng dụng IOT trong nông nghiệp.2 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống ứng dụng công nghệ IOT Kiến trúc của IOT gồm bốn thành phần cơ bản chính gồm: Vạn vật (Things), Trạm kết nối (Gateways), Hạ tầng mạng (Internet) và cuối cùng là lớp dịch vụ (Service). [1] BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 do an CHƢƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT  Vạn vật (Things): Ngày nay có vô vàn vật dụng đang hiện hữu trong cuộc sống, ở trên các khu canh tác, ở trong nhà hoặc trên chính các thiết bị lưu động của người dùng. Giải pháp IoT giúp các thiết bị thông minh được sàng lọc, kết nối và quản lý dữ liệu của đối tượng nông nghiệp một cách cục bộ, còn các thiết bị chưa thông minh thì có thể kết nối được thông qua các trạm kết nối. Từ đó, các thiết bị, vật dụng sẽ có thể thực hiện nhiệm vụ của mình đối với đối tượng nông nghiệp cần quản lý.  Trạm kết nối (Gateways): Các trạm kết nối sẽ đóng vai trò là một vùng trung gian trực tiếp, cho phép các vật dụng có sẵn này kết nối với điện toán đám mây một cách bảo mật và dễ dàng quản lý.

Gateways có thể là một thiết bị vật lý hoặc là một phần mềm được dùng để kết nối giữa Cloud (điện toán đám mây) và bộ điều khiển, các cảm biến, các thiết bị thông minh.  Hạ tầng mạng (Internet): Internet là một hệ thống toàn cầu của nhiều mạng IP được kết nối với nhau và liên kết với hệ thống máy tính. Cơ sở hạ tầng mạng này bao gồm thiết bị định tuyến, trạm kết nối, thiết bị tổng hợp, thiếp bị lặp và nhiều thiết bị khác có thể kiểm soát lưu lượng dữ liệu lưu thông và cũng được kết nối đến mạng lưới viễn thông và cáp - được triển khai bởi các nhà cung cấp dịch vụ.  Lớp dịch vụ (Service): Là các ứng dụng được các hãng công nghệ, hoặc thậm chí người dùng tạo ra để dễ dàng sử dụng các sản phẩm IOT một cách hiệu quả và tận dụng được hết giá trị của sản phẩm.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 do an CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.2 Bốn cấu phần cơ bản của một hệ thống IOT 2.2 CÁC CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU, CHUẨN KẾT NỐI 2.1 Chuẩn giao tiếp UART UART là viết tắt của Universal Asynchronous Receiver – Transmitter có nghĩa là truyền dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ. Truyền dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ có một đường phát dữ liệu và một đường nhận dữ liệu, không có tín hiệu xung clock nên gọi là bất đồng bộ. Để truyền được dữ liệu thì cả bên phát và bên nhận phải tự tạo xung clock có cùng tần số và thường được gọi là tốc độ baud, ví dụ như 2400 baud, 4800 baud, 9600 baud … [2] Hình 2.3 Hệ thống truyền dữ liệu bất đồng bộ Giao tiếp UART chế độ bất đồng bộ sử dụng một dây kết nối cho mỗi chiều truyền dữ liệu do đó để quá trình truyền nhận dữ liệu thành công thì việc tuân thủ các tiêu chuẩn truyền là hết sức quan trọng.

Sau đây là các khái niệm quan trọng trong chếđộ truyền thông này BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 do an CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Baud rate (tốc độ Baud): Để việc truyền và nhận bất đồng bộ xảy ra thành công thì các thiết bị tham gia phải thống nhất với nhau về khoảng thời gian dành cho 1 bit truyền, hay nói cách khác tốc độ truyền phải được cài đặt như nhau trước khi truyền nhận, tốc độ này gọi là tốc độ Baud. Tốc độ Baud là số bit truyền trong một giây. Ví dụ, nếu tốc độ Baud được đặt là 9600 bit/giây thì thời gian dành cho một bit truyền là 1/9600~104.

Frame (khung truyền): Do truyền thông nối tiếp mà nhất là nối tiếp bất đồng bộ rất dễ mất hoặc sai lệch dữ liệu, quá trình truyền thông theo kiểu này phải tuân theo một số quy cách nhất định. Bên cạnh tốc độ Baud, khung truyền là một yếu tố quan trọng tạo nên sự thành công khi truyền và nhận. Khung truyền bao gồm các quy định về số bit trong mỗi lần truyền, các bit báo hiệu như bit Start và bit Stop, các bit kiểm tra như Parity, ngoài ra số lượng các bit dữ liệu trong mỗi lần truyền cũng được quy định bởi khung truyền Để bắt đầu cho việc truyền dữ liệu bằng UART, một START bit được gửi đi, sauđó là các bit dữ liệu và kết thúc quá trình truyền là STOP bit Hình 2.4 Khung truyền dữ liệu trong chế độ bất đồng bộ Start bit: Là bit đầu tiên được truyền trong một khung truyền, bit này có chức năng báo cho thiết bị nhận biết rằng có một gói dữ liệu sắp được truyền tới. Start bit là bit bắt buộc phải có trong khung truyền.

Data: Data hay dữ liệu cần truyền là thông tin chính mà chúng ta cần gửi và nhận. Dữ liệu cần truyền không nhất thiết phải là gói 8 bit, có thể quy định số lượng bit của dữ liệu là 5, 6, 7, 8 hoặc 9. Trong truyền thông nối tiếp USART, bit có ảnh hưởng nhỏ nhất của dữ liệu sẽ được truyền trước và cuối cùng là bit có ảnh hưởng lớn nhất. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 do an CHƢƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Parity bit: Là bit dùng kiểm tra dữ liệu truyền đúng không (một cách tương đối). Có 2 loại parity là parity chẵn và parity lẻ. Parity chẵn nghĩa là số lượng bit 1 trong dữ liệu bao gồm bit parity luôn là số chẵn. Ngược lại, tổng số lượng các bit 1 trong parity lẻ luôn là lẻ.

Ví dụ, nếu dữ liệu của bạn là 10111011 nhị phân, có tất cả 6 bit 1 trong dữ liệu này, nếu parity chẵn được dùng, bit parity sẽ mang giá trị 0 để đảm bảo tổng các bit 1 là số chẵn (6 bit 1). Nếu parity lẻ được yêu cầu thì giá trị của parity bit là 1. Parity bit không phải là bit bắt buộc và vì thế chúng ta có thể loại bit này khỏi khungtruyền. Stop bits: Là một hoặc các bit báo cho thiết bị nhận rằng một gói dữ liệu đã được gửi xong.

Sau khi nhận được stop bits, thiết bị nhận sẽ tiến hành kiểm tra khung truyền để đảm bảo tính chính xác của dữ liệu. Stop bits là các bit bắt buộc xuất hiện trong khung truyền. Khung truyền phổ biến nhất là (Start bit + 8 bit dữ liệu + stop bit).2 Chuẩn giao tiếp I2C a. Khái niệm I2C là tên viết tắt của cụm từ Inter-Intergrated Circuit.

Đây là đường Bus giao tiếp giữa các IC với nhau. I2C mặc dù được phát triển bới Philips [3] Nhưng nó đã được rất nhiều nhà sản xuất IC trên thế giới sử dụng. I2C trở thành một chuẩn công nghiệp cho các giao tiếp điều khiển, có thể kể ra đây một vài tên tuổi ngoài Philips như: Texas Intrument(TI), MaximDallas, analog Device, National Semiconductor. Bus I2C được sử dụng làm bus giao tiếp ngoại vi cho rất nhiều loại IC khác nhau như các loại Vi điều khiển 8051, PIC, AVR, ARM.

chip nhớ như: RAM tĩnh (Static Ram), EEPROM, bộ chuyển đổi tương tự số (ADC), số tương tự(DAC), IC điểu khiển LCD, LED. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 9 do an CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.5 Sơ đồ giao tiếp theo chuẩn I2C b. Đặc điểm 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. Có rất nhiều thiết bị có thể cùng được kết nối vào một bus I2C, tuy nhiên sẽ không xảy ra chuyện nhầm lẫn giữa các thiết bị, bởi mỗi thiết bị sẽ được nhận ra bởi một địa chỉ duy nhất với một quan hệ chủ - tớ tồn tại trong suốt thời gian kết nối. Mỗi thiết bị có thể hoạt động như là thiết bị nhận hoặc truyền dữ liệu hay có thể vừa truyền vừa nhận.

Hoạt động truyền hay nhận còn tùy thuộc vào việc thiết bị đó là chủ (master) hãy tớ (slave). Một thiết bị hay một IC khi kết nối với bus I2C, ngoài một địa chỉ (duy nhất) để phân biệt, nó còn được cấu hình là thiết bị chủ hay tớ. Đó là vì trên một bus I2C thì quyền điều khiển thuộc về thiết bị chủ.