Đồ án HCMUTE: Ứng dụng công nghệ IoT trong giám sát nông trại từ xa

Đồ án nghiên cứu hcmute ứng dụng công nghệ iots vào việc giám sát từ xa cho mô hình nông trại, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán kỹ thuật.

• Tác giả: Đào Đình Văn
• Người hướng dẫn: ThS. Lê Minh Thành
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Máy Tính
• Đề tài: Ứng Dụng Công Nghệ IoTs Vào Việc Giám Sát Từ Xa Cho Mô Hình Nông Trại
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
• 1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
• 1.3. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
• 1.4. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• 1.5. NỘI DUNG ĐỒ ÁN
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. INTERNET OF THINGS
• 2.2. Mô hình hệ thống IoTs
• 2.3. Ứng dụng IoTs vào nông nghiệp
• 2.4. ZIGBEE
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG
• 3.1. YÊU CẦU HỆ THỐNG
• 3.2. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
• 3.2.1. Khối trung tâm
• 3.2.2. Thiết kế mạch kết nối PIC16F887 với các cảm biến
• 3.2.3. Cấu hình và truyền dữ liệu khối ZigBee
• 3.3. THIẾT KẾ PHẦN MỀM
• 3.3.1. Thiết kế webserver
• 3.3.2. Lưu đồ giải thuật trên Pic 16F887
• 3.3.3. Lưu đồ giải thuật trên Raspberry Pi
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC HIỆN
• 4.1. KẾT QUẢ PHẦN CỨNG
• 4.2. Mô hình hoàn chỉnh
• 4.3. KẾT QUẢ PHẦN MỀM
• 4.3.1. Giao diện web
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. KẾT LUẬN
• 5.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giám sát nông trại thông minh Tổng quan và xu hướng

Đồ án tốt nghiệp "Ứng dụng công nghệ IoT vào việc giám sát từ xa cho mô hình nông trại" tại HCMUTE tập trung vào giám sát nông trại thông minh và giám sát nông nghiệp từ xa. Nghiên cứu này phản ánh xu hướng công nghệ nông nghiệp hiện đại, hướng tới nông nghiệp chính xác (precision agriculture) và nông nghiệp hiện đại. Tài liệu nhấn mạnh tầm quan trọng của việc áp dụng công nghệ IoT trong nông nghiệp để nâng cao hiệu quả sản xuất. Việc sử dụng Internet of Things (IoT) cho phép giám sát từ xa nhiều thông số quan trọng, góp phần vào quản lý nông trại hiệu quả. Các ứng dụng thực tế được đề cập bao gồm giám sát sức khỏe cây trồng, điều khiển từ xa hệ thống tưới tiêu, và thu thập dữ liệu nông trại. Tài liệu cũng đề cập đến thực trạng nông nghiệp Việt Nam, nhấn mạnh nhu cầu áp dụng công nghệ tiên tiến để tăng năng suất và tiết kiệm chi phí nông nghiệp.

1.1 Ứng dụng IoT trong nông trại Giải pháp và tiềm năng

Đồ án trình bày một giải pháp IoT cho nông nghiệp, cụ thể là ứng dụng IoT trong nông trại. Hệ thống được thiết kế nhằm thu thập dữ liệu nông trại, bao gồm nhiệt độ, độ ẩm, và hình ảnh từ camera. Dữ liệu được truyền về web server để người dùng có thể giám sát từ xa. Ứng dụng IoT trong nông nghiệp đồ thị này chứng minh hiệu quả của mạng lưới cảm biến nông trại trong việc tối ưu hóa quá trình sản xuất. Việc sử dụng cảm biến IoT nông nghiệp cung cấp dữ liệu thời gian thực, hỗ trợ ra quyết định nhanh chóng và chính xác. Phần mềm giám sát nông trại được phát triển trên nền tảng Raspberry Pi, cho phép điều khiển từ xa hệ thống tưới tiêu và các thiết bị khác. Cảm biến IoT nông nghiệp được kết nối qua mạng ZigBee, một công nghệ phù hợp cho các ứng dụng cần độ tin cậy cao và tiết kiệm năng lượng. Nghiên cứu IoT HCMUTE thể hiện nỗ lực của trường trong việc ứng dụng công nghệ hiện đại vào giải quyết vấn đề thực tiễn trong nông nghiệp.

1.2 Phân tích dữ liệu và quản lý nông trại thông minh

Hệ thống thu thập dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm và hình ảnh. Dữ liệu này được phân tích dữ liệu nông nghiệp để hỗ trợ quản lý nông trại hiệu quả. Phần mềm giám sát nông trại cho phép người dùng theo dõi tình trạng của cây trồng và vật nuôi, từ đó đưa ra các biện pháp chăm sóc phù hợp. Điều khiển từ xa hệ thống tưới tiêu giúp tiết kiệm nước và tăng năng suất. Hệ thống cũng tích hợp chức năng giám sát môi trường nông trại, giúp đảm bảo điều kiện sống lý tưởng cho cây trồng và vật nuôi. Giám sát môi trường nông trại này đóng góp vào việc tăng năng suất nông nghiệp. Phân tích dữ liệu nông nghiệp cung cấp thông tin quý giá giúp người nông dân đưa ra quyết định chính xác, tối ưu hóa quá trình sản xuất. Việc ứng dụng công nghệ này góp phần vào việc xây dựng nông nghiệp thông minh HCMUTE.

II. Công nghệ IoT và thiết kế hệ thống giám sát

Hệ thống sử dụng công nghệ IoT và mạng lưới cảm biến nông trại. Công nghệ IoT đóng vai trò trung tâm trong việc thu thập, xử lý và truyền dữ liệu. Cảm biến IoT nông nghiệp được sử dụng để đo các thông số môi trường. Mạng lưới cảm biến nông trại được kết nối với bộ xử lý trung tâm (Raspberry Pi) qua mạng ZigBee. ZigBee được chọn vì ưu điểm tiết kiệm năng lượng và độ tin cậy cao. Raspberry Pi chịu trách nhiệm xử lý dữ liệu và truyền dữ liệu lên web server. Web server cho phép người dùng giám sát từ xa qua giao diện trực quan.

2.1 Thiết kế phần cứng và phần mềm

Đồ án mô tả chi tiết thiết kế phần cứng và thiết kế phần mềm của hệ thống giám sát. Phần cứng bao gồm các cảm biến IoT nông nghiệp, module ZigBee, Raspberry Pi, và các thiết bị ngoại vi. Phần mềm bao gồm chương trình điều khiển trên Raspberry Pi và phần mềm giám sát nông trại trên web server. Việc lựa chọn các linh kiện và phần mềm phù hợp đảm bảo hiệu quả hoạt động của hệ thống. Thiết kế phần cứng tập trung vào tính khả thi và độ tin cậy. Thiết kế phần mềm được tối ưu để đảm bảo giao diện thân thiện và dễ sử dụng. Nghiên cứu IoT HCMUTE cho thấy sự chú trọng đến việc thiết kế hệ thống một cách toàn diện và hiệu quả. Đào tạo IoT HCMUTE có vai trò quan trọng trong việc trang bị kiến thức và kỹ năng cần thiết cho sinh viên.

2.2 Kiến trúc hệ thống và giao tiếp dữ liệu

Hệ thống sử dụng kiến trúc phân tán, với các cảm biến IoT nông nghiệp phân bố tại các vị trí khác nhau trong nông trại. Dữ liệu được thu thập từ các cảm biến và truyền về bộ xử lý trung tâm (Raspberry Pi) qua mạng ZigBee. Raspberry Pi xử lý dữ liệu và truyền lên web server qua mạng Internet. Giao diện web server cho phép người dùng truy cập và giám sát dữ liệu từ xa. Giao tiếp dữ liệu được thực hiện qua các giao thức chuẩn, đảm bảo tính tương thích và mở rộng. Công nghệ IoT đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo tính liên kết và hoạt động hiệu quả của hệ thống. Ứng dụng IoT trong nông nghiệp này minh chứng cho sức mạnh của công nghệ trong việc nâng cao năng suất và hiệu quả sản xuất nông nghiệp. Nghiên cứu khoa học HCMUTE đóng góp vào việc phát triển các công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực nông nghiệp.

III. Kết quả và hướng phát triển

Đồ án trình bày kết quả thực nghiệm của hệ thống giám sát. Hệ thống hoạt động ổn định và đáp ứng được các yêu cầu đề ra. Dữ liệu được thu thập và hiển thị chính xác trên giao diện web. Hệ thống cho thấy tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở cho việc phát triển các hệ thống giám sát nông trại tiên tiến hơn. Các hướng phát triển bao gồm việc tích hợp thêm các tính năng mới và mở rộng quy mô hệ thống.

3.1 Đánh giá hiệu quả và ứng dụng thực tiễn

Hệ thống giám sát từ xa cho thấy hiệu quả đáng kể trong việc giám sát nông trại từ xa. Giám sát sức khỏe cây trồng được thực hiện dễ dàng và chính xác. Điều khiển từ xa hệ thống tưới tiêu giúp tiết kiệm nước và thời gian. Việc thu thập dữ liệu giúp người nông dân đưa ra quyết định chính xác, tối ưu hóa quá trình sản xuất. Tăng năng suất nông nghiệp là kết quả trực tiếp của việc ứng dụng hệ thống này. Tiết kiệm chi phí nông nghiệp cũng là một lợi ích quan trọng. Nông nghiệp thông minh HCMUTE đang dần được hình thành dựa trên những nghiên cứu và ứng dụng công nghệ như vậy. Ứng dụng IoT trong nông nghiệp đồ thị được minh họa rõ ràng thông qua kết quả thực tế của đồ án.

3.2 Hạn chế và hướng phát triển trong tương lai

Mặc dù hệ thống đạt được nhiều kết quả khả quan, vẫn tồn tại một số hạn chế. Ví dụ, phạm vi hoạt động của mạng ZigBee còn hạn chế. Việc tích hợp nhiều loại cảm biến khác nhau cũng cần được nghiên cứu thêm. Trong tương lai, hệ thống có thể được phát triển để tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) để tự động hóa quá trình ra quyết định. Việc sử dụng các công nghệ không dây tiên tiến hơn như LoRaWAN cũng cần được xem xét. Nghiên cứu IoT HCMUTE sẽ tiếp tục được đẩy mạnh để khắc phục những hạn chế và nâng cao hiệu quả của hệ thống. Nông nghiệp hiện đại đòi hỏi sự phát triển không ngừng của công nghệ và giải pháp.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa và sự phát triển của công nghệ Internet of Things (IoT), việc ứng dụng tự động hóa vào sản xuất nông nghiệp trở thành xu thế tất yếu nhằm nâng cao năng suất và giảm thiểu chi phí nhân công. Đối với lĩnh vực chăn nuôi, tác giả khảo sát thực tế tại các nông trại bò thịt và bò sữa:

• Tại các trang trại bò sữa, vật nuôi được phân chia theo từng ô chuồng từ 1 đến 2 con nhằm thuận tiện cho việc khai thác sữa; mỗi cá thể có gắn thẻ mã số nhận diện ở tai phải. Quy trình vệ sinh chuồng trại, cung cấp nước tắm bằng hệ thống vòi xịt xoay và cho ăn phần lớn vẫn được thực hiện theo phương thức thủ công, đòi hỏi nhiều sức lao động và giám sát thường xuyên.
• Tại các trang trại bò thịt, mô hình chuồng nuôi tập trung có quy mô lớn hơn (khoảng 50 đến 60 con mỗi chuồng), thức ăn được vận chuyển bằng xe cải tiến và người nuôi dùng vòi xịt công suất vừa để tắm rửa, vệ sinh chuồng trại.

Thực trạng trên đặt ra yêu cầu phải có một hệ thống tích hợp cho phép giám sát các chỉ số môi trường sống (nhiệt độ, độ ẩm) và hỗ trợ chăm sóc vật nuôi từ xa. Để giải quyết bài toán này, đồ án xác định 5 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

1. Thiết kế hệ thống tắm, làm mát bằng động cơ phun nước và quạt cho vật nuôi một cách tự động.
2. Xây dựng máy chủ web (web server) có giao diện điều khiển thiết bị ngoại vi và giám sát nông trại thông qua camera.
3. Thiết kế bộ đo nhiệt độ, độ ẩm phù hợp cho từng khu vực nông trại.
4. Thiết kế hệ thống robot xe có gắn camera giám sát được điều khiển bằng web server để truyền hình ảnh trực tiếp về cho người dùng.
5. Thiết kế và cấu hình mô hình mạng không dây ZigBee phục vụ thu thập dữ liệu nội bộ.

Về đối tượng nghiên cứu, đồ án tập trung vào: máy tính nhúng Raspberry Pi, chuẩn mạng truyền thông không dây ZigBee, cùng các thông số điều kiện môi trường sống (nhiệt độ, độ ẩm) của vật nuôi. Về phạm vi nghiên cứu, đề tài giới hạn triển khai trên mô hình thực nghiệm quy mô nhỏ gồm 3 chuồng nuôi bò sữa (chuồng A, chuồng B, chuồng C); mạng ZigBee cấu hình 1 Coordinator kết nối với 3 thiết bị ZigBee cấu hình Router; robot xe tích hợp camera di chuyển thu thập dữ liệu và giám sát trong bán kính hoạt động 30 mét.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên các mô hình và tiêu chuẩn kỹ thuật sau:

• Kiến trúc phân tầng IoT: Hệ thống áp dụng mô hình 4 tầng tiêu chuẩn gồm tầng ứng dụng (Application Layer), tầng hỗ trợ dịch vụ và hỗ trợ ứng dụng (Service Support and Application Support Layer), tầng mạng (Network Layer) và tầng thiết bị (Device Layer).
• Chuẩn truyền thông không dây ZigBee: Xây dựng trên nền tảng tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 tại dải tần số 2.4 GHz, hoạt động với các vai trò mạng: thiết bị điều phối trung tâm (ZigBee Coordinator - ZC), thiết bị định tuyến trung gian (ZigBee Router - ZR) và thiết bị đầu cuối (ZigBee End Device - ZED).
• Giao tiếp nối tiếp UART: Phương thức truyền nhận dữ liệu bất đồng bộ giữa vi điều khiển, module truyền thông và máy tính nhúng theo cấu trúc khung truyền (Start bit, Data bits, Parity bit, Stop bit).
• Mô hình máy chủ web LAMP: Sử dụng hệ điều hành Linux (Raspbian), máy chủ HTTP Apache, hệ quản trị cơ sở dữ liệu MySQL và ngôn ngữ lập trình kịch bản máy chủ PHP.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và thiết kế kỹ thuật được nhóm tác giả triển khai bao gồm:

• Phương pháp mô phỏng mạch: Sử dụng phần mềm Proteus để thiết kế sơ đồ nguyên lý và kiểm chứng thuật toán điều khiển của vi điều khiển PIC16F887 với cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11 và màn hình LCD 20x4 trước khi chế tạo mạch phần cứng thực tế.
• Phương pháp cấu hình phần cứng nhúng: Sử dụng phần mềm chuyên dụng và mạch nạp PL2303 qua cổng giao tiếp USB với các tốc độ truyền (baud rate: 9600, 19200, 38400, 57600, 115200) để thiết lập thông số mạng ZigBee cho module thu phát DRF1605.
• Phương pháp tích hợp hệ thống: Lập trình nhúng điều khiển ngoại vi bằng ngôn ngữ C cho PIC16F887; lập trình kịch bản Python trên Raspberry Pi để tiếp nhận dữ liệu UART, xử lý phân luồng và cập nhật vào MySQL; lập trình giao diện người dùng bằng HTML/CSS/PHP kết hợp chức năng truyền luồng hình ảnh từ camera qua giao tiếp CSI.

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu bao gồm các thông số đo đạc thực tế từ cảm biến DHT11 (chu kỳ lấy mẫu thời gian thực), luồng video truyền từ module Raspberry Pi Camera 5MP, và dữ liệu khảo sát thực địa tại các chuồng trại chăn nuôi bò sữa, bò thịt.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 giới thiệu tổng quan về sự cần thiết của việc áp dụng khoa học kỹ thuật vào sản xuất nông nghiệp trong thời kỳ hiện đại hóa. Tác giả phân tích hiện trạng chăm sóc gia súc dựa trên các ghi nhận thực tế tại chuồng trại bò sữa (1-2 con/chuồng, có hệ thống vòi xịt xoay, gắn thẻ tai) và chuồng nuôi bò thịt (50-60 con/chuồng, dọn dẹp bằng vòi công suất vừa). Từ đó, chương xác định mục tiêu thiết kế hệ thống giám sát tự động gồm mạng cảm biến, máy chủ web và robot xe tích hợp camera, đồng thời xác lập phạm vi thử nghiệm gồm 1 khối trung tâm và 3 khu vực chuồng nuôi.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày chi tiết các cơ sở lý thuyết và công nghệ sử dụng trong đề tài:

• Khái niệm và kiến trúc 4 lớp của IoT; các ưu thế khi ứng dụng IoT trong nông nghiệp.
• Giao thức mạng ZigBee (chuẩn IEEE 802.15.4, dải tần 2.4 GHz, tầm phủ sóng 70m trong nhà và 400m ngoài trời); cấu trúc các lớp phần mềm (Application Framework, ZDO, APS, NWK, MAC, PHY); ba cấu hình mạng cơ bản (hình sao, hình lưới, hình cây) và đặc tính kỹ thuật của module ZigBee DRF1605.
• Khái niệm máy chủ web, so sánh các máy chủ HTTP phổ biến (Apache, Nginx, Apache Tomcat), cơ chế thông dịch của ngôn ngữ PHP và hệ quản trị cơ sở dữ liệu MySQL.
• Nguyên lý giao tiếp nối tiếp UART và cấu trúc khung truyền dữ liệu.
• Kiến trúc phần cứng máy tính nhúng Raspberry Pi, phân tích các thông số kỹ thuật giữa Raspberry Pi loại A và loại B (Broadcom BCM2835 ARM11 700MHz, GPU VideoCore IV, cổng mạng RJ45, hệ điều hành Raspbian giao diện LXDE).
• Cấu trúc vi điều khiển PIC16F887 (bộ nhớ Flash 8KB, 5 cổng vào/ra A-E, 2 bộ định thời 8-bit, 1 bộ định thời 16-bit, bộ biến đổi ADC 10-bit, truyền thông nối tiếp).
• Các thiết bị ngoại vi: cảm biến DHT11 (dải đo nhiệt độ 0-50°C sai số ±2°C, độ ẩm 20-95% sai số ±5%, giao tiếp 1 dây 5 byte dữ liệu); Raspberry Pi Camera 5MP (giao tiếp CSI); màn hình hiển thị LCD 20x4; mạch cầu H điều khiển động cơ LM298N (điện áp 5V-35V, dòng đỉnh 2A mỗi cầu).

Chương 3: Thiết kế hệ thống

Chương 3 thuyết minh quy trình thiết kế phần cứng và phần mềm của toàn hệ thống:

• Phân tích yêu cầu hệ thống với 3 chuồng đo đạc độc lập, dữ liệu được truyền vô tuyến qua ZigBee về khối trung tâm đặt trên robot xe; robot có khả năng di chuyển linh hoạt trong phạm vi bán kính 30m.
• Thiết kế phần cứng khối trung tâm sử dụng Raspberry Pi Model B v2 giao tiếp với module ZigBee Coordinator qua các chân TX, RX của cổng GPIO, kết nối module L298N để điều khiển 2 động cơ DC cho robot và cắm trực tiếp module Camera 5MP qua socket CSI.
• Thiết kế mạch cảm biến tại các chuồng nuôi: sử dụng PIC16F887 đọc cảm biến DHT11, xuất thông số lên màn hình LCD 20x4 và truyền qua module ZigBee Router bằng UART; thiết kế mạch kích relay cho quạt làm mát, máy bơm phun sương và LED mô phỏng cây massage.
• Thiết kế phần mềm: xây dựng cơ sở dữ liệu MySQL trên Raspberry Pi gồm 2 bảng chính (user quản lý đăng nhập và control lưu trạng thái thiết bị, thông số môi trường); lập trình kịch bản Python để đọc cổng nối tiếp, lưu trữ cơ sở dữ liệu; lập trình thuật toán điều khiển cho vi điều khiển PIC16F887 với các chương trình con đọc DHT11, xử lý ngắt Port B cho nút nhấn vật lý, điều khiển relay; thiết kế lưu đồ thuật toán điều khiển robot và giao diện web.

Chương 4: Kết quả thực hiện

Chương 4 công bố kết quả thi công thực tế của hệ thống:

• Phần cứng hoàn thiện: các bo mạch cục bộ được lắp ráp và bố trí tại từng chuồng nuôi; robot xe cơ động mang theo kit Raspberry Pi, module ZigBee Coordinator, camera 5MP và động cơ chấp hành vận hành ổn định.
• Phần mềm hoàn thiện: giao diện web bao gồm trang đăng nhập bảo mật; trang chủ hiển thị trạng thái của 3 chuồng nông trại (nông trại A, B, C); chức năng cài đặt ngưỡng cảnh báo nhiệt độ và độ ẩm; biểu đồ đường biểu diễn sự biến thiên của nhiệt độ và độ ẩm theo thời gian thực; giao diện điều khiển robot di chuyển (tiến, lùi, rẽ trái, rẽ phải) và khung hiển thị hình ảnh trực tiếp từ camera.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương 5 tóm tắt các hạng mục đã hoàn thành theo mục tiêu ban đầu, chỉ ra những điểm còn giới hạn của mô hình thực nghiệm và đề xuất các định hướng nâng cấp, mở rộng hệ thống trong tương lai.

---

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Kiến trúc tổng thể và thông số kỹ thuật phần cứng

Hệ thống được tổ chức thành hai phân hệ chính:

1. Phân hệ thu thập và điều khiển tại chuồng nuôi: Gồm 3 nút mạng độc lập tại 3 chuồng. Mỗi nút sử dụng vi điều khiển PIC16F887 kết nối với cảm biến DHT11 qua giao tiếp 1-wire, màn hình LCD 20x4 qua các cổng song song, các ngõ ra kích relay điều khiển quạt, máy bơm nước và cây massage (mô phỏng bằng LED). Dữ liệu sau khi xử lý được truyền đến module ZigBee DRF1605 (cấu hình Router) thông qua giao tiếp UART để phát vô tuyến về máy chủ.
2. Phân hệ trung tâm và robot di động: Gồm một robot 2 bánh sử dụng module cầu H L298N kết nối với chân GPIO của máy tính nhúng Raspberry Pi Model B v2. Trên robot tích hợp module ZigBee DRF1605 đóng vai trò Coordinator kết nối với Raspberry Pi qua 2 chân UART (TXD, RXD) của header GPIO để thu nhận dữ liệu từ các chuồng. Module Raspberry Pi Camera 5MP được kết nối qua bus CSI để ghi hình thực tế.

Thành phần	Thiết bị / Công nghệ	Thông số kỹ thuật / Đặc tính trong đồ án
Xử lý trung tâm	Raspberry Pi Model B v2	SoC Broadcom BCM2835, CPU ARM11 700MHz, RAM 512MB, OS Raspbian
Vi điều khiển trạm	PIC16F887	Kiến trúc CMOS 8-bit, 40 chân, Flash ROM 8KB, tần số hoạt động 20MHz
Thu phát vô tuyến	DRF1605 (ZigBee)	Chuẩn ZigBee2007/PRO, tần số 2.4 GHz, tầm xa ngoài trời 400m, UART 3.3V
Cảm biến môi trường	DHT11	Đo nhiệt độ (0-50°C, ±2°C) và độ ẩm (20-95% RH, ±5%), giao tiếp 1-wire
Cơ cấu hiển thị trạm	LCD 20x4	Hiển thị 4 dòng, mỗi dòng 20 ký tự, giao tiếp dữ liệu 4-bit/8-bit
Cơ cấu truyền động	Mạch cầu H L298N	Điều khiển 2 động cơ DC, dòng đỉnh 2A mỗi kênh, điện áp nguồn 5V-35V
Cảm biến hình ảnh	Raspberry Pi Camera Module	Độ phân giải ảnh 5MP (2592 x 1944 pixels), hỗ trợ quay video Full HD, bus CSI
Nền tảng máy chủ	Apache, PHP, MySQL	Ngăn xếp LAMP trên Linux, quản lý cơ sở dữ liệu user và control

                                (Web Server LAMP)
                     [ Trình duyệt Web: Laptop / Điện thoại ]

Triển khai phần mềm và giải thuật

• Quy trình xử lý tại vi điều khiển PIC16F887: Vi điều khiển gửi tín hiệu khởi động (Start signal) bằng cách kéo đường dữ liệu DATA xuống mức 0 trong thời gian 25ms, sau đó thả lên mức 1 và chuyển thành cổng đầu vào để nhận phản hồi từ DHT11. Cảm biến gửi về gói dữ liệu 5 byte (byte 1: nguyên độ ẩm, byte 2: thập phân độ ẩm, byte 3: nguyên nhiệt độ, byte 4: thập phân nhiệt độ, byte 5: checksum). Dữ liệu được giải mã, xuất ra LCD 20x4 và đóng gói thành khung UART gửi sang module ZigBee Router. Song song đó, thuật toán kiểm tra ngưỡng: nếu nhiệt độ vượt ngưỡng cài đặt thì kích hoạt máy bơm nước làm mát; nếu độ ẩm tăng cao vượt mức cho phép thì kích hoạt quạt thông gió. Hệ thống hỗ trợ xử lý ngắt Port B để người dùng có thể can thiệp bật/tắt thiết bị bằng nút bấm cơ học khi xảy ra sự cố truyền thông.
• Quy trình xử lý tại máy tính nhúng Raspberry Pi: Kịch bản Python chạy nền thực hiện đọc luồng dữ liệu từ cổng UART nối với ZigBee Coordinator, phân tách chuỗi dữ liệu tương ứng của từng chuồng và thực thi truy vấn ghi dữ liệu vào bảng control trong hệ quản trị cơ sở dữ liệu MySQL. Để phục vụ camera, module CSI được kích hoạt thông qua công cụ dòng lệnh raspi-config và quản lý truyền hình ảnh trực tiếp lên giao diện người dùng. Máy chủ Apache xử lý các yêu cầu HTTP từ client, chạy các script PHP truy vấn dữ liệu từ MySQL để hiển thị bảng trạng thái, vẽ đồ thị biến thiên nhiệt độ - độ ẩm và nhận lệnh điều khiển robot từ giao diện người dùng để xuất tín hiệu logic ra các chân GPIO kết nối với module L298N.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả triển khai thực nghiệm

Hệ thống được chế tạo hoàn chỉnh và vận hành thử nghiệm trên mô hình nông trại thực tế, đạt được các kết quả kỹ thuật:

• Hoạt động của các nút cảm biến tại chuồng: Cả 3 mạch đo tại chuồng A, B, C đo đạc chính xác các giá trị nhiệt độ (dải đo từ 0 đến 50°C, sai số ghi nhận trong phạm vi ±2°C) và độ ẩm (dải đo từ 20 đến 95% RH, sai số trong phạm vi ±5%). Dữ liệu hiển thị trực tiếp và rõ ràng trên màn hình LCD 20x4 tại chỗ, đồng thời tự động kích hoạt relay để bật tắt quạt và hệ thống bơm nước làm mát khi môi trường vượt ngưỡng thiết lập.
• Hoạt động của robot giám sát: Robot xe di chuyển theo các hướng tiến, lùi, rẽ trái, rẽ phải dưới sự điều khiển thông qua giao diện web; vận hành ổn định trong phạm vi bán kính 30m. Camera 5MP gắn trên xe ghi nhận và truyền tải hình ảnh quang cảnh chuồng nuôi về giao diện người dùng qua giao thức mạng.
• Hoạt động của Web Server: Máy chủ web LAMP trên Raspberry Pi tiếp nhận liên tục dữ liệu từ mạng ZigBee, lưu trữ thành công vào cơ sở dữ liệu MySQL. Giao diện web hỗ trợ đầy đủ các tính năng:
  • Xác thực người dùng thông qua trang đăng nhập bảo mật (bảng user).
  • Hiển thị trực quan dữ liệu tức thời và đồ thị đường (Line Graph) theo dõi lịch sử biến thiên nhiệt độ, độ ẩm của từng khu vực chuồng A, chuồng B, chuồng C.
  • Cho phép người quản trị tùy chỉnh ngưỡng nhiệt độ, độ ẩm kích hoạt trực tiếp từ xa trên trình duyệt.
  • Tích hợp bảng điều khiển hướng di chuyển của robot xe và khung hình theo dõi camera thời gian thực.

Đóng góp kỹ thuật của đề tài

Theo nhóm tác giả tự xác định, đề tài mang lại các đóng góp thiết thực:

• Ứng dụng thành công công nghệ truyền thông không dây ZigBee vào giám sát nông nghiệp quy mô vừa và nhỏ, loại bỏ hoàn toàn hệ thống dây dẫn phức tạp, giảm thiểu suy hao tín hiệu và chi phí lắp đặt so với các phương pháp đi dây truyền thống.
• Kết hợp linh hoạt giữa mạng cảm biến cố định và robot giám sát di động tích hợp camera, giúp nâng cao khả năng bao quát toàn bộ thể trạng đàn gia súc mà không cần lắp đặt camera dày đặc tại từng ô chuồng.
• Xây dựng một nền tảng thu thập và điều khiển tập trung giá thành hợp lý dựa trên máy tính nhúng Raspberry Pi, tích hợp đầy đủ cơ sở dữ liệu và giao diện web server trực quan, cho phép người quản trị theo dõi trang trại mọi lúc, mọi nơi thông qua các thiết bị đầu cuối thông dụng như máy tính, điện thoại thông minh hoặc máy tính bảng.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

Dựa trên nội dung tự đánh giá trong văn bản, đề tài còn tồn tại một số hạn chế kỹ thuật:

• Quy mô thử nghiệm chỉ dừng lại ở mô hình mô phỏng gồm 3 ô chuồng bò sữa, chưa được triển khai đánh giá dài hạn trên quy mô chuồng trại công nghiệp hàng nghìn mét vuông.
• Mạng ZigBee mới chỉ triển khai ở mức độ cơ bản với 1 Coordinator thu thập từ 3 thiết bị Router/End-Device, chưa đi sâu phân tích và đánh giá hiệu năng của các thuật toán định tuyến phức tạp (routing protocols) hoặc khả năng tự phục hồi khi có nhiều nút mạng quy mô lớn cùng hoạt động.
• Phạm vi di chuyển và giám sát của robot xe mới chỉ thử nghiệm trong bán kính 30m; cơ cấu massage cho bò mới chỉ được mô phỏng tín hiệu điều khiển bằng đèn LED chứ chưa tích hợp trục cơ khí thực tế.

Hướng nghiên cứu tiếp

Để hoàn thiện và nâng cao tính ứng dụng của hệ thống, nhóm tác giả đề xuất các hướng mở rộng:

• Mở rộng số lượng các nút cảm biến thu thập dữ liệu và tích hợp thêm nhiều loại cảm biến môi trường chuyên dụng khác (như cảm biến nồng độ khí gas NH3, H2S trong chuồng trại, cảm biến đo thân nhiệt từ xa của vật nuôi).
• Nâng cấp mạng ZigBee sang cấu hình mạng lưới (Mesh Network) với số lượng nút lớn nhằm tối ưu hóa khả năng truyền dữ liệu khoảng cách xa và tăng tính ổn định của đường truyền.
• Cải tiến phần cứng và thuật toán điều khiển robot xe, nghiên cứu tích hợp tính năng tự hành (tự động dò đường di chuyển giữa các luống chuồng) thay vì điều khiển thủ công bằng tay qua giao diện web.
• Tối ưu hóa giao diện web server và phát triển thêm ứng dụng chuyên dụng trên các nền tảng di động (Android/iOS) để thuận tiện hơn cho người sử dụng.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho các đối tượng và chuyên ngành sau:

• Sinh viên ngành Kỹ thuật Máy tính, Điện tử - Viễn thông và Tự động hóa: Cung cấp tài liệu thực hành chi tiết về việc kết nối và lập trình giao tiếp phần cứng giữa vi điều khiển họ 8-bit (PIC16F887) với các cảm biến kỹ thuật số (DHT11) và module truyền thông không dây (ZigBee DRF1605).
• Người nghiên cứu và phát triển hệ thống IoT Nông nghiệp: Có thể tham khảo cách thức tổ chức hệ thống lai ghép (Hybrid Architecture) giữa mạng cảm biến không dây nội bộ (ZigBee) và thiết bị cổng kết nối mạng diện rộng (Gateway) tích hợp Web Server trên nền tảng máy tính nhúng Raspberry Pi.
• Kỹ sư phát triển phần mềm nhúng và ứng dụng Web: Đáng tham khảo ở các phần thiết kế cơ sở dữ liệu MySQL gọn nhẹ cho phần cứng nhúng, phương pháp lập trình kịch bản Python đa nhiệm (vừa giao tiếp nối tiếp UART, vừa điều khiển động cơ L298 qua GPIO), và quy trình cấu hình hệ điều hành Raspbian thành một Web Server độc lập.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Mạng ZigBee trong đồ án được cấu hình bằng module nào và bao gồm những thành phần gì?
Hệ thống sử dụng module truyền thông ZigBee DRF1605 hoạt động ở tần số 2.4 GHz, chuẩn ZigBee2007/PRO. Mạng được thiết lập gồm 1 thiết bị ZigBee Coordinator kết nối trực tiếp với Raspberry Pi qua cổng UART để làm máy chủ điều phối, và 3 thiết bị ZigBee được cấu hình ở chế độ Router kết nối với các vi điều khiển PIC16F887 tại 3 chuồng nuôi để vừa đọc cảm biến vừa chuyển tiếp gói tin điều khiển.

2. Khối xử lý trung tâm của hệ thống đảm nhiệm những nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể nào?
Khối trung tâm sử dụng máy tính nhúng Raspberry Pi Model B v2 chạy hệ điều hành Raspbian (giao diện LXDE), đảm nhiệm các nhiệm vụ:

• Giao tiếp với module ZigBee Coordinator qua hai chân TX, RX của cổng GPIO bằng chuẩn UART để nhận thông số cảm biến và truyền lệnh điều khiển.
• Vận hành máy chủ web Apache, cơ sở dữ liệu MySQL và ngôn ngữ PHP để lưu trữ dữ liệu và cung cấp giao diện quản trị từ xa.
• Chạy các tập tin script Python để xử lý dữ liệu cảm biến, lưu vào cơ sở dữ liệu và xuất tín hiệu điều khiển động cơ robot qua module cầu H L298N.
• Tiếp nhận luồng hình ảnh trực tiếp từ Raspberry Pi Camera 5MP thông qua giao diện CSI.

3. Giao thức truyền dữ liệu giữa cảm biến DHT11 và vi điều khiển PIC16F887 được thực hiện như thế nào?
Quá trình giao tiếp sử dụng chuẩn 1 dây (1-wire). Vi điều khiển kéo chân DATA xuống mức 0 trong khoảng thời gian lớn hơn 18ms (trong mã nguồn đồ án thiết lập 25ms), sau đó nhả lên mức 1 để tạo tín hiệu bắt đầu (Start). Cảm biến DHT11 phản hồi bằng cách kéo chân DATA xuống thấp trong 80µs rồi kéo lên cao trong 80µs. Sau đó, DHT11 truyền về chuỗi 5 byte dữ liệu gồm: byte 1 (phần nguyên độ ẩm), byte 2 (phần thập phân độ ẩm), byte 3 (phần nguyên nhiệt độ), byte 4 (phần thập phân nhiệt độ), và byte 5 (byte kiểm tra tổng checksum bằng tổng của 4 byte trước).

4. Cơ chế tự động kích hoạt quạt và máy bơm nước tại chuồng nuôi hoạt động ra sao?
Vi điều khiển PIC16F887 sau khi thu thập các giá trị nhiệt độ và độ ẩm từ DHT11 sẽ tiến hành so sánh với các ngưỡng đã cài đặt sẵn (người dùng có thể thay đổi ngưỡng này từ giao diện web server). Nếu nhiệt độ môi trường đo được cao hơn ngưỡng cho phép, hệ thống sẽ kích hoạt relay bật máy bơm phun nước làm mát. Nếu độ ẩm trong chuồng tăng cao vượt ngưỡng, vi điều khiển sẽ kích hoạt relay bật quạt thông gió để làm giảm độ ẩm. Trong trường hợp mất kết nối mạng nội bộ, người nuôi có thể can thiệp bật/tắt thủ công thông qua các nút nhấn vật lý kết nối với ngắt Port B của vi điều khiển.

5. Cơ sở dữ liệu của hệ thống lưu trữ những bảng nào và phục vụ mục đích gì?
Hệ quản trị cơ sở dữ liệu MySQL trên Raspberry Pi được thiết kế với hai bảng dữ liệu chính: bảng user dùng để lưu trữ thông tin tài khoản và mật khẩu của người quản trị phục vụ xác thực khi đăng nhập vào hệ thống; và bảng control dùng để lưu trữ các thông số môi trường cập nhật từ cảm biến của các chuồng nuôi, cùng trạng thái hoạt động (bật/tắt) của các thiết bị ngoại vi và các ngưỡng thiết lập điều khiển.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Ứng dụng công nghệ IoTs vào việc giám sát từ xa cho mô hình nông trại" đã hoàn thành việc thiết kế và chế tạo một mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh, kết hợp đồng bộ giữa mạng cảm biến không dây ZigBee, robot xe di động và máy chủ web nhúng trên Raspberry Pi. Hệ thống đã hiện thực hóa việc thu thập tự động các thông số nhiệt độ, độ ẩm tại các chuồng nuôi, điều khiển đóng cắt tự động các thiết bị làm mát và truyền tải hình ảnh giám sát trực tiếp qua mạng Internet. Mặc dù còn hạn chế về quy mô triển khai và mức độ tự hành của robot, kết quả nghiên cứu là minh chứng rõ nét cho tính khả thi của việc ứng dụng các giải pháp phần cứng mở và công nghệ IoT vào hiện đại hóa quy trình chăn nuôi gia súc.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề về thiết kế phần cứng và phần mềm, sơ đồ nguyên lí, sơ đồ khối, chức năng của từng khối đồng thời nói sơ về thiết lập cho module và kết nối.  Chương 4: Kết quả thực hiện. Mạch thi công hoàn chỉnh (hình ảnh), kết quả đạt được.  Chương 5: Kết luận và hướng phát triển.

Chương này dưa ra kết luận đã làm được và hướng phát triển đề tài. Dựa trên những kết quả mà nhóm đã thực hiện, nhóm đưa ra những vấn đề đã hoàn thành và chưa hoàn thành. Những mặt hạn chế của đề tài và hướng phát triển của đề tài trong tương lai. 4 do an CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 INTERNET OF THINGS 2.1 Giới thiệu Mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc là mạng lưới thiết bị kết nối internet viết tắt là IoTs 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.

IoTs đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet [1]. 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. Một vật trong IoTs có thể là một người với một trái tim cấy ghép; một động vật ở trang trại với bộ chip sinh học; một chiếc xe với bộ cảm ứng tích hợp cảnh báo tài xế khi bánh xe xẹp hoặc bất kỳ vật thể tự nhiên hay nhân tạo nào mà có thể gán được một địa chỉ IP và cung cấp khả năng truyền dữ liệu thông qua mạng lưới. Cho đến nay, IoTs là những liên kết máy-đến-máy (M2M) trong ngành sản xuất, công nghiệp năng lượng, kỹ nghệ xăng dầu.

Khả năng sản phẩm được tích hợp máy-đến- máy thường được xem như là thông minh [2].2 Mô hình hệ thống IoTs Bất kỳ một hệ thống IOTs nào cũng được xây dựng lên từ sự kết hợp của 4 layer sau [3]:  Lớp ứng dụng (Application Layer)  Lớp Hỗ trợ dịch vụ và hỗ trợ ứng dụng (Service Support and Application Support Layer)  Lớp mạng (Network Layer)  Lớp thiết bị (Device Layer) 2.3 Ứng dụng IoTs vào nông nghiệp IoTs hiện nay dường như đang xuất hiện ở tất cả các lĩnh vực của cuộc sống. Cùng với sự phát triển của IoTs, nông nghiệp lại là lĩnh vực tiên phong, đi đầu trong lĩnh vực ứng dụng Internet vào trồng trọt và chăn nuôi [4]. 5 do an Hình 2.1: Ứng dụng IoT vào nông nghiệp Từ trước tới nay nông nghiệp là một trong những lĩnh vực ít được áp dụng công nghệ nhất. Đặc biệt là ở những quốc gia đang phát triển và chậm phát triển, nông nghiệp gần như chỉ phụ thuộc vào kinh nghiệm của những người nông dân về đặc tính của cây trồng, về thời tiết… Chính vì vậy, năng suất và hiệu suất canh tác gần như được để ngỏ, mang tính “may, rủi” [4].

Trong khi đó, trước những thách thức về biến đổi khí hậu, gia tăng dân số nhanh chóng, vấn đề đảm bảo đủ lương thực là một trong những thách thức mang tính toàn cầu. Ngành nông nghiệp phải tìm kiếm những phương thức tốt hơn để gia tăng hiệu quả sản xuất. Cách duy nhất chính là áp dụng công nghệ mới vào hoạt động sản xuất, canh tác [4]. Những lợi ích IoTs mang lại:  Tăng sản lượng canh tác  Quản lý dịch bệnh hiệu quả.

 Không tốn công chăm sóc.  Sản phẩm đạt chất lượng cao và đồng bộ.