Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển kinh tế - xã hội hiện đại, nền nông nghiệp thông minh và nông nghiệp công nghệ cao đang nhận được sự quan tâm lớn nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất, bảo đảm môi trường sống tối ưu cho cây trồng và duy trì chất lượng hệ sinh thái. Các yếu tố môi trường đất như nhiệt độ và độ ẩm đóng vai trò quyết định trực tiếp đến đặc tính sinh học, sự sinh trưởng cũng như năng suất cây trồng. Trong phương thức canh tác truyền thống, việc giám sát, thu thập thông số môi trường và triển khai các công việc như tưới tiêu, chăm sóc thường được thực hiện thủ công theo lịch trình định trước. Phương thức này đòi hỏi chi phí nhân công lớn, gặp hạn chế nghiêm trọng về tần suất đo lường cũng như khả năng tiếp cận các khu vực nông trại có quy mô rộng lớn.

Nhằm giải quyết bất cập trên, việc ứng dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật — đặc biệt là sự kết hợp giữa kỹ thuật vi điều khiển, cảm biến và mạng thông tin di động có kết nối Internet — mở ra giải pháp quan trắc thời gian thực từ xa mà không yêu cầu kỹ sư hay nhà quản lý phải trực tiếp đến từng hiện trường. Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn đó, tác giả Hoàng Huy Huỳnh đã thực hiện đề tài đồ án tốt nghiệp: "Nghiên cứu thiết kế hệ thống giám sát nhiệt độ, độ ẩm trong đất từ xa thông qua mạng thông tin di động ứng dụng trong nông nghiệp".

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể theo các nội dung chính:

  1. Nghiên cứu tổng quan về tầm quan trọng, các tiêu chí yêu cầu và các sản phẩm, hệ thống giám sát môi trường nông nghiệp tiêu biểu trên thế giới và tại Việt Nam.
  2. Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM, kiến trúc và nguyên lý truyền dữ liệu gói qua mạng di động GPRS, cùng bộ giao thức liên mạng TCP/IP.
  3. Phân tích yêu cầu, thiết kế sơ đồ khối và thiết kế phần cứng chi tiết của hệ thống giám sát bao gồm: khối vi điều khiển trung tâm PIC16F887, module truyền thông SIM900A, khối cảm biến nhiệt độ LM35, module cảm biến độ ẩm đất và khối hiển thị LCD 16x02.
  4. Xây dựng thuật toán điều khiển, lập trình vi điều khiển, thi công chế tạo mạch in và tiến hành thử nghiệm hệ thống truyền dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm đất lên Web Server thông qua mạng dữ liệu di động GPRS.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống phần cứng và phần mềm nhúng phục vụ thu thập, xử lý và truyền dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm đất từ xa qua hạ tầng mạng di động. Phạm vi nghiên cứu về không gian và thời gian được thực hiện tại Viện Kỹ thuật và Công nghệ, Trường Đại học Vinh, hoàn thành vào tháng 05 năm 2017.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài được xây dựng trên nền tảng lý thuyết truyền thông vô tuyến, mạng dữ liệu di động và kỹ thuật vi điều khiển nhúng:

  • Kiến trúc mạng thông tin di động GSM và mạng dữ liệu gói GPRS: Hệ thống dựa trên các tiêu chuẩn của Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu (ETSI), ứng dụng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) và phân chia theo tần số (FDMA). Mạng GPRS (thế hệ 2.5G) cho phép truyền tải dữ liệu theo phương thức chuyển mạch gói qua các kênh vô tuyến, duy trì trạng thái kết nối thường trực ("always-on") và tính cước dựa trên lưu lượng truyền/nhận thực tế thay vì thời gian chiếm dụng kênh.
  • Bộ giao thức liên mạng TCP/IP: Khung kiến trúc 4 tầng (Tầng liên kết dữ liệu, Tầng Internet/IP, Tầng giao vận/TCP-UDP và Tầng ứng dụng). Trong đó, giao thức IP chịu trách nhiệm định tuyến các gói tin dựa trên cấu trúc địa chỉ 32-bit (chia các lớp A, B, C, D, E) kết hợp với các giao thức phụ trợ như ARP, RARP, ICMP, IGMP; giao thức TCP đảm bảo việc truyền dữ liệu tin cậy, hướng liên kết (connection-oriented) thông qua cơ chế quản lý cổng (port), bắt tay thiết lập liên kết và kiểm soát luồng dữ liệu segment.
  • Kiến trúc vi điều khiển 8-bit PIC16F887: Sử dụng cấu trúc phần cứng của hãng Microchip với tập lệnh RISC, tích hợp sẵn các bộ định thời (Timer0, Timer1, Timer2), bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số ADC 10-bit đa kênh, bộ nhớ EEPROM nội 256 byte và module truyền thông nối tiếp bất đồng bộ USART.
  • Tập lệnh điều khiển AT (AT Commands): Bộ tập lệnh tiêu chuẩn hóa dùng để giao tiếp, thiết lập cấu hình và điều khiển module modem GSM/GPRS SIM900A thực hiện các thủ tục kết nối mạng, khởi tạo phiên truyền dữ liệu TCP/IP và gửi dữ liệu lên Web Server.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thiết kế thực nghiệm:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Nghiên cứu các tài liệu kỹ thuật, đặc tả tiêu chuẩn GSM/GPRS của ETSI, tài liệu kiến trúc giao thức TCP/IP và datasheet của các linh kiện bán dẫn (PIC16F887, SIM900A, LM35).
  • Phương pháp thiết kế kỹ thuật và mô hình hóa: Phân tích yêu cầu chức năng, thiết kế sơ đồ nguyên lý từng khối chức năng, tính toán phối ghép cổng I/O và bus giao tiếp nối tiếp giữa vi điều khiển và module truyền thông.
  • Phương pháp thực nghiệm và chế tạo: Thiết kế mạch in (PCB), hàn lắp ráp linh kiện phần cứng, lập trình điều khiển vi điều khiển chuyển đổi ADC và truyền thông dữ liệu, sau đó chạy thử nghiệm đo đạc thực tế thông số nhiệt độ, độ ẩm của đất để kiểm chứng độ chính xác và khả năng truyền tin qua GPRS lên giao diện Web.

Nguồn dữ liệu sử dụng trong nghiên cứu bao gồm: dữ liệu điện áp tương tự thu nhận trực tiếp từ cảm biến nhiệt độ LM35 và cảm biến độ ẩm đất; các thông số kỹ thuật từ nhà sản xuất chip vi điều khiển Microchip, nhà sản xuất module Simcom và các tài liệu chuẩn hóa viễn thông quốc tế.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống giám sát được thiết kế dưới dạng một thiết bị nhúng tích hợp khép kín với sơ đồ khối tổng quan gồm các thành phần chức năng:

Khối chức năng Phần cứng / Linh kiện sử dụng Vai trò và nhiệm vụ kỹ thuật trong hệ thống
Khối cảm biến Cảm biến LM35 & Cảm biến độ ẩm đất Thu nhận thông số nhiệt độ môi trường đất (điện áp biến thiên tuyến tính $10\text{ mV}/^\circ\text{C}$) và độ ẩm đất, chuyển đổi thành tín hiệu điện áp tương tự (Analog).
Khối vi điều khiển trung tâm Vi điều khiển PIC16F887 (40 chân) Tiếp nhận tín hiệu analog tại các ngõ vào của PORTA/PORTE; thực hiện chuyển đổi ADC 10-bit; xử lý, tính toán giá trị vật lý; xuất dữ liệu lên LCD và điều khiển module SIM900A.
Khối truyền thông vô tuyến Module SIM900A (GSM/GPRS) Hoạt động ở các băng tần GSM 850/EGSM 900/DCS 1800/PCS 1900 MHz, nhận lệnh điều khiển AT qua giao diện USART từ PIC16F887 để thiết lập kết nối mạng GPRS và gửi dữ liệu lên Internet.
Khối hiển thị tại chỗ Màn hình Text LCD 16x02 Giao tiếp song song với vi điều khiển, hiển thị trực tiếp giá trị nhiệt độ, độ ẩm đất đo được tại hiện trường và trạng thái hoạt động của hệ thống.
Khối nguồn nuôi Mạch ổn áp nguồn Cung cấp nguồn điện áp $5\text{V}$ ổn định cho vi điều khiển, cảm biến, LCD và nguồn dòng phù hợp ($3{,}4\text{V} - 4{,}5\text{V}$) cho module SIM900A.
Hệ thống giám sát từ xa Web Server Tiếp nhận gói tin dữ liệu truyền qua môi trường Internet, lưu trữ và hiển thị các thông số giám sát nhiệt độ, độ ẩm trên giao diện trang web trực quan.

Quy trình cấu hình và xử lý chuyển đổi tương tự sang số (ADC) trên vi điều khiển PIC16F887 được thiết lập theo trình tự chặt chẽ:

  1. Cấu hình cổng ngõ vào tương tự trên các thanh ghi PORTA hoặc PORTE (không định cấu hình ở chế độ xuất dữ liệu số).
  2. Cấu hình module ADC: Chọn nguồn xung clock chuyển đổi, thiết lập điện áp chuẩn tham chiếu ($V_{ref}$), chọn kênh ngõ vào analog tương ứng với chân cảm biến LM35 và cảm biến độ ẩm, chọn định dạng lưu kết quả căn lề cho cặp thanh ghi 8-bit ADRESH:ADRESL, sau đó bật nguồn khối ADC.
  3. Thiết lập cấu hình ngắt hoặc quét vòng (polling): Xóa cờ báo ngắt ADIF, bật các bit cho phép ngắt ngoại vi và ngắt toàn cục (ADIE, PEIE, GIE) khi sử dụng chế độ ngắt.
  4. Chờ hết thời gian ổn định nạp tụ lấy mẫu theo yêu cầu phần cứng.
  5. Kích hoạt quá trình chuyển đổi bằng cách đặt bit điều khiển GO/DONE lên mức 1.
  6. Kiểm tra trạng thái kết thúc chuyển đổi khi bit GO/DONE tự động xóa về mức 0 (hoặc khi ngắt ADC xảy ra), sau đó đọc dữ liệu từ cặp thanh ghi ADRESH:ADRESL để tính toán ra giá trị nhiệt độ và độ ẩm thực tế.

Cơ chế truyền thông mạng được thực hiện thông qua việc vi điều khiển gửi chuỗi tập lệnh AT qua giao diện nối tiếp USART để khởi tạo module SIM900A, kích hoạt ngữ cảnh kết nối không dây GPRS, mở socket TCP kết nối tới địa chỉ IP/tên miền của Web Server và đẩy các tham số môi trường lên hệ thống giám sát.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG TRONG NÔNG NGHIỆP

Chương 1 làm rõ bối cảnh và sự cần thiết của việc áp dụng khoa học kỹ thuật vào sản xuất nông nghiệp:

  • Tầm quan trọng: Việc thu thập dữ liệu thời gian thực về đất, thời tiết và không khí giúp theo dõi chính xác quá trình sinh trưởng của cây trồng, nâng cao năng suất, tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên, giảm thiểu khí thải nhà kính và tối ưu hóa thời điểm thu hoạch mà không phụ thuộc vào phương thức cảm quan truyền thống.
  • Yêu cầu hệ thống: Đòi hỏi phải đo lường liên tục tại nhiều vị trí với độ tin cậy cao, duy trì độ ẩm và nhiệt độ phù hợp cho từng giai đoạn sinh trưởng của từng loại cây trồng.
  • Khảo cứu các sản phẩm thực tế:
    • Hệ thống kiểm soát nhiệt độ nhà kính: Ứng dụng từ năm 1985 trên thế giới, cho phép lập trình điều khiển tự động hoặc từ xa qua Internet, kết hợp xử lý nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ $\text{CO}_2$, quạt thông gió và hệ thống tưới.
    • Hệ thống giám sát và cảnh báo thảm họa tại Nhật Bản: Sử dụng mạng lưới cảm biến đo đạc độ ẩm, nhiệt độ, mực nước đặt tại các vị trí trọng yếu (rừng, đồi núi, đường ray) truyền tin về cơ quan khí tượng để phát cảnh báo qua SMS miễn phí, loa phóng thanh và truyền hình.
    • Mạng cảm biến nông nghiệp quốc tế: Các nước như Nhật Bản, Australia, Israel đẩy mạnh nghiên cứu hệ thống ICT sensor và mạng cảm biến không dây (WSN) để giám sát điều kiện vi khí hậu trên các nông trại diện tích lớn.
    • Các giải pháp tại Việt Nam: Hệ thống giám sát môi trường tích hợp định vị GPS (đo $\text{CO}$, $\text{CH}_4$, nhiệt độ, độ ẩm, truyền qua GPRS lên bản đồ số GIS) và Hệ thống AGRASYS thuộc đề tài cấp Nhà nước do Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội chủ trì (hỗ trợ thu thập số liệu đa cảm biến, hiển thị qua web/màn hình chuyên dụng, điều khiển tưới phun/tưới nhỏ giọt tại Vườn thực nghiệm Viện Nghiên cứu rau quả và Vườn lan Trường Đại học Nông nghiệp I).

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ MẠNG DỮ LIỆU DI ĐỘNG GPRS

Chương 2 cung cấp toàn bộ cơ sở lý thuyết viễn thông và truyền thông dữ liệu:

  • Lịch sử phát triển và kiến trúc mạng GSM: Chuẩn kỹ thuật số GSM được CEPT khởi xướng từ năm 1982 tại băng tần $900\text{ MHz}$, sử dụng kết hợp kỹ thuật đa truy nhập TDMA và FDMA (1986). Bản ghi nhớ MoU được ký kết giữa các quốc gia Châu Âu và mở rộng toàn cầu; năm 1991 công bố chuẩn GSM 1800, năm 1995 phát triển bản đặc tả PCS 1900 tại Mỹ. Đến tháng 6/2002, Hiệp hội GSM đạt 79 triệu thuê bao, chiếm 71% thị trường di động số tại 173 quốc gia. Cấu trúc mạng GSM gồm Hệ thống chuyển mạch (SS) và Hệ thống trạm gốc (BSS), phân chia vùng địa lý thành Ô (Cell/CGI), Vùng định vị (Location Area - LA/LAI), Vùng phục vụ MSC và vùng dịch vụ GSM. Các thủ tục mạng bao gồm đăng nhập mạng, chuyển vùng (roaming) và điều khiển cuộc gọi cố định - di động.
  • Mạng dữ liệu di động GPRS (2.5G): Được ETSI tiêu chuẩn hóa từ năm 1993, sử dụng nguyên lý chuyển mạch gói trên nền tảng GSM. Tốc độ truyền dữ liệu lý thuyết tối đa đạt tới $171{,}2\text{ kbit/s}$ khi sử dụng 8 khe thời gian (nhanh gấp gần 12 lần so với tốc độ $9{,}6\text{ kbit/s}$ của GSM truyền thống), thực tế đạt mức $30 - 40\text{ kbit/s}$ hoặc giới hạn $115\text{ kbit/s}$. Tốc độ kênh truyền phụ thuộc vào 4 lược đồ mã hóa kênh:
Lược đồ mã hóa Tỷ lệ mã Tốc độ trên 1 khe thời gian (kbit/s) Tốc độ trên 8 khe thời gian (kbit/s)
CS-1 1/2 9,05 72,4
CS-2 2/3 13,4 107,2
CS-3 3/4 15,6 124,8
CS-4 1 21,4 171,2

Văn bản tổng hợp các mức tốc độ kênh truyền tương ứng với các ứng dụng dữ liệu trong mạng:

Ứng dụng số liệu Tốc độ (kb/s) Ứng dụng số liệu Tốc độ (kb/s)
Telemetry 2,4 Database Access 28,8
Service Engineering 9,6 Internet Browsing 28,8
Fleet Management 9,6 E-Commerce (Banking) 14,4
Fax – Group 3 14,4 Data Transfer (UDI) 64
Email 28,8 Multi – User games 64
Electronic Newspapers 28,8 Slow Video 19,2
Video Conference 28,8 Audio Visual (MPEG-4) 64

Kiến trúc mạng GPRS bao gồm: Trạm di động MS (phân loại thành 3 cấp: Cấp A làm việc đồng thời thoại và dữ liệu; Cấp B làm việc cả hai dịch vụ nhưng không đồng thời; Cấp C chỉ làm việc ở chế độ GPRS), Trạm gốc BSS (bổ sung khối điều khiển gói PCU), Nút hỗ trợ dịch vụ SGSN, Nút định tuyến cổng GGSN kết nối Internet qua giao thức GTP (GPRS Tunnel Protocol), cùng các cơ sở dữ liệu HLR, VLR, EIR.

  • Bộ giao thức TCP/IP: Khái quát nguồn gốc từ công trình DARPA (Kahn và Vinton Cerf từ những năm 1970, thử nghiệm ARPANET chuyển đổi chính thức ngày 01/01/1983). Phân tích cấu trúc địa chỉ IP 32-bit gồm netid và hostid, phân lớp mạng (Lớp A: 126 mạng/16 triệu host; Lớp B: 16.384 mạng/65.534 host; Lớp C: 2 triệu mạng/254 host; Lớp D dành cho Multicasting; Lớp E dự phòng). Phân tích giao thức TCP hướng liên kết với cấu trúc segment chứa các trường điều khiển (Source/Destination Port 16-bit, Sequence Number 32-bit, Acknowledgment Number 32-bit, các cờ URG, ACK, PSH, RST, SYN, FIN, Window, Checksum) và các thủ tục hàm Open (chủ động/bị động), Send, Receive, Close, Abort.

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM MÔI TRƯỜNG ĐẤT TỪ XA THÔNG QUA MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG ỨNG DỤNG TRONG NÔNG NGHIỆP

Chương 3 trình bày toàn bộ quá trình thiết kế, hiện thực hóa phần cứng và thử nghiệm:

  • Phân tích yêu cầu: Thiết kế thiết bị phần cứng sử dụng vi điều khiển PIC giao tiếp với cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm đất; hiển thị thông số và trạng thái tại chỗ qua Text LCD 16x02; điều khiển module SIM900/SIM900A thông qua tập lệnh AT để gửi dữ liệu lên Web Server qua kết nối GPRS.
  • Thiết kế phần cứng chi tiết:
    • Vi điều khiển PIC16F887: Khảo sát cấu trúc 40 chân, khối xử lý ALU, bộ định thời (Timer0, Timer1 xung $32\text{ kHz}$), khối dao động nội/ngoại, 2 bộ so sánh, bộ nhớ EEPROM 256 byte (EEADDR, EEDATA) và các thanh ghi SFR điều khiển cổng xuất nhập (PORTA/TRISA, PORTB/TRISB, PORTC/TRISC, PORTD/TRISD, PORTE/TRISE).
    • Module SIM900A: Sử dụng modem GSM/GPRS hoạt động với điện áp cấp $3{,}4\text{V} - 4{,}5\text{V}$, hỗ trợ tập lệnh AT chuẩn để truyền nhận dữ liệu gói.
    • Khối cảm biến: Cảm biến nhiệt độ LM35 và mạch cảm biến đo độ ẩm đất kết nối với các kênh analog của PIC16F887.
    • Màn hình LCD 16x02: Kết nối chân dữ liệu và chân điều khiển với vi điều khiển để cập nhật trạng thái hoạt động.
  • Xây dựng thuật toán và chế tạo: Xây dựng lưu đồ thuật toán khởi tạo hệ thống, thiết lập giao tiếp SIM900A, đọc chu kỳ tín hiệu ADC từ cảm biến, tính toán giá trị vật lý, cập nhật màn hình LCD và gửi chuỗi dữ liệu lên máy chủ web. Chế tạo mạch in (PCB), hàn nối linh kiện và tiến hành thử nghiệm thực tế.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành các mục tiêu đề ra với những kết quả thực nghiệm cụ thể:

  • Chế tạo thành công phần cứng: Thi công hoàn chỉnh bo mạch in tích hợp vi điều khiển PIC16F887, module truyền thông không dây SIM900A, cổng giao tiếp màn hình LCD 16x02 và các khối kết nối cảm biến đo nhiệt độ LM35, cảm biến độ ẩm đất.
  • Hiện thực hóa giải pháp thu thập dữ liệu: Lập trình cấu hình chính xác khối ADC 10-bit trên PIC16F887, thu nhận và chuyển đổi tín hiệu tương tự từ cảm biến môi trường đất với độ ổn định cao.
  • Thiết lập kênh truyền không dây qua GPRS: Điều khiển thành công module SIM900A bằng tập lệnh AT để kết nối mạng thông tin di động, đóng gói dữ liệu theo giao thức TCP/IP và gửi thông số môi trường đất lên Web Server theo thời gian thực.
  • Hiển thị thông tin đa kênh: Kết quả đo đạc được hiển thị trực tiếp tại chỗ qua màn hình LCD 16x02 (phục vụ người vận hành tại hiện trường) và hiển thị trực quan trên giao diện trang web giám sát từ xa (phục vụ kỹ sư nông nghiệp và nhà quản lý theo dõi, ra quyết định tưới tiêu).

Về mặt đóng góp, đề tài đã chứng minh tính khả thi của việc ứng dụng công nghệ viễn thông di động (GSM/GPRS) vào giải quyết bài toán quan trắc nông nghiệp tại Việt Nam, mang lại phương án kỹ thuật chi phí hợp lý, khắc phục triệt để rào cản về khoảng cách địa lý của các nông trại lớn so với phương thức giám sát thủ công.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên phạm vi và các điều kiện thực hiện được tác giả đề cập trong văn bản:

  • Hạn chế:
    • Do giới hạn về thời gian và điều kiện làm việc thực tế, hệ thống mới được thiết kế, chế tạo và thử nghiệm ở quy mô mô hình một điểm đo (nút đơn lẻ), chưa triển khai mạng lưới nhiều điểm đo phân tán diện rộng.
    • Hệ thống tập trung chủ yếu vào chức năng thu thập, truyền tải và giám sát dữ liệu môi trường đất, chưa tích hợp vòng lặp điều khiển tự động phản hồi để kích hoạt các cơ cấu chấp hành tại chỗ (như rơ-le điều khiển máy bơm nước, van tưới tự động).
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Mở rộng hệ thống thành mạng cảm biến không dây đa điểm (kết hợp các nút cảm biến thu thập cục bộ truyền về một trạm Gateway GSM/GPRS trung tâm).
    • Tích hợp thêm các cảm biến đo lường chỉ tiêu môi trường nông nghiệp khác như độ pH của đất, hàm lượng dinh dưỡng, cường độ ánh sáng và nồng độ $\text{CO}_2$.
    • Bổ sung khối điều khiển chấp hành tự động hoặc nhận lệnh điều khiển tưới tiêu từ xa qua giao diện trang web để hoàn thiện mô hình nông nghiệp thông minh khép kín.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị học thuật và thực tiễn chuyên sâu cho các đối tượng:

  • Sinh viên và giảng viên ngành Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Công nghệ Thông tin: Tài liệu là nguồn tham khảo hệ thống về cấu trúc mạng thông tin di động GSM, mạng dữ liệu gói GPRS và bộ giao thức TCP/IP; cung cấp hướng dẫn chi tiết về phương pháp ghép nối vi điều khiển với module modem viễn thông.
  • Người nghiên cứu và phát triển các hệ thống IoT/M2M trong nông nghiệp: Phần thiết kế phần cứng trong Chương 3 cung cấp quy trình cấu hình các thanh ghi vi điều khiển PIC16F887, thuật toán chuyển đổi ADC đa kênh và kỹ thuật giao tiếp tập lệnh AT với module SIM900A, có thể tái sử dụng trực tiếp cho các đề tài đo lường, giám sát môi trường hoặc truyền số liệu từ xa qua mạng di động.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống sử dụng vi điều khiển và module truyền thông nào để thu thập và gửi dữ liệu từ xa?
Hệ thống sử dụng vi điều khiển 8-bit PIC16F887 (40 chân, hãng Microchip) làm khối xử lý trung tâm và module SIM900A (hỗ trợ các băng tần GSM 850, EGSM 900, DCS 1800, PCS 1900 MHz) để truyền dữ liệu không dây qua mạng dữ liệu gói GPRS lên Web Server bằng tập lệnh AT.

2. Các thông số môi trường đất nào được đo đạc và sử dụng cảm biến gì?
Hệ thống đo đạc hai thông số môi trường đất thiết yếu: nhiệt độ đất (sử dụng cảm biến nhiệt độ LM35 với ngõ ra điện áp tuyến tính $10\text{ mV}/^\circ\text{C}$) và độ ẩm đất (sử dụng mạch cảm biến đo độ ẩm đất chuyên dụng xuất tín hiệu tương tự).

3. Mạng GPRS hỗ trợ các lược đồ mã hóa kênh nào và tốc độ truyền dữ liệu tối đa là bao nhiêu?
GPRS sử dụng 4 lược đồ mã hóa kênh gồm CS-1 ($9{,}05\text{ kbit/s}$/khe), CS-2 ($13{,}4\text{ kbit/s}$/khe), CS-3 ($15{,}6\text{ kbit/s}$/khe) và CS-4 ($21{,}4\text{ kbit/s}$/khe). Khi kết hợp tối đa 8 khe thời gian trên một khung TDMA, tốc độ lý thuyết đạt tối đa $171{,}2\text{ kbit/s}$ (trên thực tế do mã hóa và phân phối khe thời gian nên giới hạn thường ở mức $115\text{ kbit/s}$, tốc độ ứng dụng phổ biến từ $30 - 40\text{ kbit/s}$).

4. Trạm di động (MS) trong mạng GPRS được chia thành những cấp (class) hoạt động nào?
Trạm di động trong GPRS được phân thành 3 cấp:

  • Cấp A: Hỗ trợ đồng thời cả dịch vụ thoại GSM và truyền dữ liệu gói GPRS.
  • Cấp B: Hỗ trợ cả thoại và dữ liệu GPRS nhưng thực hiện ở các thời điểm khác nhau (không đồng thời).
  • Cấp C: Chỉ hỗ trợ làm việc ở một chế độ (chủ yếu là chế độ dữ liệu GPRS) hoặc đăng nhập không đồng thời.

5. Người dùng có thể theo dõi số liệu nhiệt độ và độ ẩm đất qua những phương thức nào?
Số liệu được hiển thị song song qua hai kênh: trực tiếp tại hiện trường thông qua màn hình Text LCD 16x02 kết nối với vi điều khiển, và theo dõi từ xa qua mạng Internet thông qua giao diện trang web giám sát (Web Server).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu thiết kế hệ thống giám sát nhiệt độ, độ ẩm trong đất từ xa thông qua mạng thông tin di động ứng dụng trong nông nghiệp" của tác giả Hoàng Huy Huỳnh đã hoàn thành việc nghiên cứu lý thuyết viễn thông GPRS, giao thức TCP/IP và hiện thực hóa thành công mô hình phần cứng giám sát môi trường đất. Bằng sự kết hợp giữa vi điều khiển PIC16F887, module SIM900A, các cảm biến LM35, cảm biến độ ẩm đất và LCD 16x02, hệ thống đã thực hiện tốt chức năng đo đạc và truyền dữ liệu trực tuyến lên trang web giám sát. Kết quả thử nghiệm của đồ án cung cấp một giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng thực tế cao, đóng góp tài liệu tham khảo giá trị cho việc phát triển các hệ thống quan trắc nông nghiệp thông minh dựa trên hạ tầng mạng di động.