Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển của khoa học kỹ thuật và quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa, tự động hóa đóng vai trò then chốt trong việc thay thế các hoạt động thủ công của con người bằng máy móc nhằm tối ưu hóa năng suất và tiết kiệm thời gian. Trong lĩnh vực nông nghiệp và chăm sóc cây trồng, nhịp sống hiện đại khiến con người không có đủ thời gian theo dõi, chăm sóc cây thường xuyên. Nhu cầu đặt ra là xây dựng một hệ thống tưới tiêu và điều hòa môi trường tự động, có khả năng giám sát và điều khiển từ xa một cách linh hoạt.

Tại thời điểm nghiên cứu (năm 2015), mạng viễn thông di động GSM và mạng Internet phát triển mạnh mẽ tại Việt Nam, mở ra tiềm năng lớn trong việc ứng dụng vào điều khiển và giám sát thiết bị từ xa. Khảo sát các đề tài trước đây cho thấy các mô hình điều khiển thông minh qua module SIM hoặc Web server chủ yếu sử dụng vi điều khiển PIC hoặc bộ điều khiển lập trình PLC. Việc ứng dụng nền tảng nguồn mở Arduino để kết hợp đồng thời cả giao tiếp Web Server và module Sim900 trên cùng một hệ thống tưới cây tự động vẫn chưa được triển khai phổ biến.

Mục tiêu nghiên cứu: Thiết kế và thi công mô hình hệ thống tưới cây thông minh có khả năng thu thập, đo đạc và hiển thị các thông số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất, mực nước bồn chứa), hỗ trợ hai chế độ vận hành (tự động và thủ công), cho phép điều khiển trực tiếp tại chỗ hoặc gián tiếp từ xa thông qua tin nhắn SMS (module Sim900) và giao diện Web Server; qua đó điều khiển các thiết bị ngoại vi như máy bơm tưới cây, quạt làm mát, máy bơm cấp nước cho bồn.

Nhiệm vụ nghiên cứu:

  1. Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển trên máy tính thông qua Web Server.
  2. Thiết kế và thực hiện điều khiển hệ thống qua mạng di động bằng tin nhắn SMS sử dụng module Sim900 Shield.
  3. Thiết kế, thi công mạch và lập trình khối đo đạc thông số: nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất và mực nước bồn chứa.
  4. Thiết kế mạch công suất điều khiển thiết bị chấp hành: máy bơm nước bồn chứa, quạt làm mát, máy bơm tưới cây.
  5. Lắp ráp hoàn thiện các khối chức năng và vận hành thử nghiệm trên mô hình vườn cây thực tế.
  6. Lập báo cáo tổng kết đồ án tốt nghiệp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống phần cứng điều khiển vi xử lý Arduino Uno R3, các module mở rộng (Sim900 Shield, Ethernet Shield W5100, APC220-43), các cảm biến môi trường (DHT22, cảm biến độ ẩm đất LM393, cảm biến siêu âm HC-SR04), hệ thống phần mềm quản trị máy chủ web và tập lệnh AT.
  • Phạm vi nghiên cứu: Mô hình vườn cây thực nghiệm thu nhỏ; phạm vi thu thập dữ liệu không dây qua sóng RF tần số 433 MHz; phạm vi điều khiển từ xa qua mạng Internet (giao diện web lưu trữ trên máy chủ ảo VPS) và mạng thông tin di động GSM (sóng vô tuyến 2G).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài thuộc nhóm nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật và thiết kế - thi công hệ thống nhúng (Embedded Systems). Tác giả đã kết hợp lý thuyết phần cứng điện tử, công nghệ truyền thông không dây và lập trình mạng để xây dựng hệ thống hoàn chỉnh.

Khung lý thuyết và công nghệ sử dụng

  • Nền tảng vi điều khiển: Nền tảng phần cứng mã nguồn mở Arduino Uno R3 dựa trên vi điều khiển 8-bit ATmega328 của Atmel. Môi trường phát triển tích hợp Arduino IDE dựa trên ngôn ngữ lập trình C/C++ và thư viện Wiring, sử dụng trình biên dịch GNU toolchain/AVR libc và công cụ nạp avrdude.
  • Lý thuyết mạng và truyền thông vô tuyến:
    • Giao thức mạng TCP/IP và chuẩn giao tiếp ngoại vi SPI điều khiển chip Ethernet Wiznet W5100 trên Arduino Ethernet Shield.
    • Chuẩn truyền thông di động toàn cầu GSM/GPRS thế hệ 2G (băng tần 850/900/1800/1900 MHz), cấu trúc giao thức tin nhắn SMS (chuẩn PDU/Text mode, dung lượng 140 bytes) và tập lệnh chuẩn AT (Attention command) điều khiển modem SIM900 qua chuẩn UART.
    • Kỹ thuật truyền thông không dây RF bán song công (Half-duplex) tần số 433 MHz (điều chế GFSK) của module APC220-43 sử dụng mã hóa Interleaving chống nhiễu.
  • Công nghệ phần mềm máy chủ: Kiến trúc máy chủ Web LAMP/WAMP thông qua gói phần mềm mã nguồn mở XAMPP (gồm máy chủ HTTP Apache, hệ quản trị cơ sở dữ liệu MySQL, ngôn ngữ xử lý kịch bản PHP) được triển khai trên nền tảng máy chủ ảo VPS (Virtual Private Server) của nhà cung cấp Vultr.
  • Cơ chế đo lường cảm biến: Giao tiếp 1-Wire số truyền khung dữ liệu 40-bit của cảm biến DHT22; nguyên lý so sánh điện áp tương tự qua IC LM393 của cảm biến độ ẩm đất; nguyên lý phản xạ sóng âm xác định khoảng cách $D = \frac{T \times V}{2}$ của cảm biến siêu âm HC-SR04 ($V = 344\text{ m/s}$).

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp tham khảo tài liệu: Thu thập, phân tích tài liệu kỹ thuật (datasheet) của các linh kiện điện tử, vi điều khiển, tài liệu đồ án chuyên ngành và tài liệu phát triển mã nguồn mở từ Internet.
  • Phương pháp quan sát và khảo sát thực tế: Khảo sát các module phần cứng, mạch điện thực tế trên thị trường để lựa chọn linh kiện tương thích với điện áp và chuẩn giao tiếp của Arduino.
  • Phương pháp thực nghiệm kỹ thuật: Thiết kế sơ đồ nguyên lý, vẽ và thi công mạch in (PCB), lắp ráp phần cứng phân tán (Master - Slave), lập trình nhúng cho vi điều khiển, xây dựng cơ sở dữ liệu web, kiểm tra truyền nhận dữ liệu qua RF/SMS/Ethernet và hiệu chỉnh thuật toán điều khiển trên mô hình thực tế.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống được thiết kế theo kiến trúc phân tán gồm hai khối xử lý chính: Khối thu thập dữ liệu (Slave) và Khối xử lý trung tâm (Master).

[Khối Cảm Biến: DHT22, Độ ẩm đất, HC-SR04] 
          [Khối Slave]
          [Khối Master (Arduino Uno R3)]

1. Đặc tính kỹ thuật của các khối phần cứng

Khối chức năng / Module Thông số kỹ thuật chi tiết Vai trò trong hệ thống
Arduino Uno R3 Chip ATmega328; Xung nhịp 16MHz; Flash 32KB; SRAM 2KB; EEPROM 1KB; 14 chân Digital I/O (6 chân PWM); 6 chân Analog; Điện áp hoạt động 5V DC. Khối vi xử lý trung tâm điều khiển và giải mã lệnh.
SIM900 GSM/GPRS Shield Băng tần Quad-Band 850/900/1800/1900 MHz; Điều khiển bằng lệnh AT; Giao tiếp UART; Dòng tiêu thụ ở chế độ nghỉ 1.5mA. Gửi và nhận tin nhắn SMS để điều khiển, báo cáo trạng thái qua mạng di động.
Ethernet Shield Chip xử lý Wiznet W5100; Buffer nội 16KB; Tốc độ 10/100 Mbps; Kết nối giao thức SPI (chân 10 chọn W5100, chân 4 chọn SD card). Kết nối vi điều khiển với mạng Internet để đồng bộ dữ liệu với Web Server.
Module RF APC220-43 Tần số 418–455 MHz; Công suất phát 20mW; Khoảng cách truyền 1000m (tại tốc độ baud 2400bps); Điều chế GFSK; Giao diện UART/TTL; Đệm dữ liệu >256 bytes. Cầu nối không dây truyền dữ liệu từ trạm đo Slave về trạm Master.
Cảm biến DHT22 Đo độ ẩm 0–100% RH (sai số 2–5%); Đo nhiệt độ -40 đến 80°C (sai số ±0.5°C); Giao tiếp Digital 1-Wire; Tần số lấy mẫu 0.5Hz. Thu thập nhiệt độ và độ ẩm không khí tại khu vườn.
Cảm biến độ ẩm đất Đầu dò tiếp xúc kết hợp mạch so sánh IC LM393; Ngõ ra kép DO (Digital) và AO (Analog); Điện áp hoạt động 3.3V–5V DC. Cắm trực tiếp dưới nền đất để phát hiện mức độ khô/ẩm của đất trồng.
Cảm biến siêu âm HC-SR04 Tần số siêu âm 40kHz; Giới hạn khoảng cách đo 2cm – 400cm; Sai số ±3mm; Góc quét 15°; Xung Trigger kích hoạt 10µs. Lắp tại nắp bồn chứa nước để đo khoảng cách mực nước còn lại.
Màn hình LCD 16x2 Kết hợp mạch giải mã PCF8574 chuẩn I2C (2 dây tín hiệu SDA/SCL); Điện áp 5V. Hiển thị thông số môi trường tại tủ điều khiển cục bộ.
Khối Công suất Relay Gồm 4 Relay cách ly quang, điều khiển đóng ngắt nguồn AC/DC. Đóng ngắt nguồn cho quạt làm mát, máy bơm tưới đất và máy bơm cấp bồn.

2. Thiết kế phần mềm và cấu trúc điều khiển

  • Xây dựng máy chủ Web: Cài đặt phần mềm XAMPP trên hệ điều hành của máy chủ ảo VPS Vultr. Cơ sở dữ liệu MySQL lưu trữ bảng dữ liệu cảm biến và bảng trạng thái các nút điều khiển. Mã nguồn PHP xử lý giao tiếp trung gian (API HTTP GET/POST) tiếp nhận dữ liệu từ Arduino Ethernet Shield và phản hồi trạng thái điều khiển cho giao diện người dùng.
  • Xử lý tín hiệu cảm biến DHT22: Vi điều khiển phát tín hiệu Start (kéo chân DATA xuống mức 0 từ 1–10ms, sau đó kéo lên mức 1 chờ 20–40µs). Cảm biến DHT22 phản hồi bằng cách phát xung mức thấp 80µs rồi mức cao 80µs, sau đó truyền liên tục 40 bit dữ liệu (16 bit độ ẩm + 16 bit nhiệt độ + 8 bit Checksum). Vi điều khiển kiểm tra tổng Checksum = Byte1 + Byte2 + Byte3 + Byte4 để xác thực tính toàn vẹn của dữ liệu.
  • Thuật toán điều khiển hệ thống:
    • Chế độ Tự động (Auto): Vi điều khiển Master liên tục nhận dữ liệu từ Slave qua RF. Nếu độ ẩm đất thấp hơn ngưỡng cài đặt, Master kích hoạt Relay bật máy bơm tưới; khi độ ẩm đất đủ, tự động ngắt bơm. Nếu nhiệt độ không khí vượt ngưỡng cho phép, kích hoạt Relay bật quạt làm mát. Nếu mực nước bồn chứa tụt xuống dưới ngưỡng an toàn (đo bởi HC-SR04), hệ thống bật bơm cấp nước vào bồn và cảnh báo không cho bơm tưới hoạt động nếu cạn nước.
    • Chế độ Thủ công (Manual) qua Web / SMS / Nút nhấn: Người dùng có thể trực tiếp can thiệp bật/tắt từng tải (bơm 1, bơm 2, quạt) độc lập thông qua nút bấm trên giao diện Web, cú pháp tin nhắn SMS gửi tới SIM900, hoặc nhấn các nút cứng gắn trực tiếp trên tủ điều khiển Master.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương 1 thiết lập cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài. Tác giả trình bày tổng quan về nhu cầu tự động hóa trong đời sống, phân tích thực trạng các hệ thống điều khiển tưới tiêu trước đó thường dùng PLC hoặc vi điều khiển PIC với chi phí cao hoặc độ linh hoạt hạn chế. Từ đó, tác giả nêu bật tính cấp thiết của việc xây dựng hệ thống tưới cây tự động kết hợp nền tảng Arduino Uno R3 với SIM900 Shield và Web Server. Chương này xác định rõ mục tiêu, 6 nhiệm vụ cụ thể, đối tượng, phạm vi nghiên cứu và cấu trúc bố cục gồm 6 chương của toàn bộ khóa luận.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHẦN CỨNG

Chương 2 cung cấp toàn bộ cơ sở lý thuyết phần cứng và chi tiết kỹ thuật của các linh kiện sử dụng trong đồ án:

  • Phân tích cấu trúc vi điều khiển ATmega328 trên mạch Arduino Uno R3, các thông số về bộ nhớ Flash (32KB), SRAM (2KB), EEPROM (1KB), tần số xung nhịp 16MHz và chức năng các chân I/O, chân PWM, chân Analog.
  • Trình bày nguyên lý hoạt động của Arduino SIM900 Shield, các tập lệnh AT, sơ đồ phân bổ chân nối tiếp cứng (D0/D1), nối tiếp mềm (D7/D8) và chân điều khiển nguồn phần mềm (D9).
  • Giới thiệu cấu trúc Arduino Ethernet Shield dựa trên chip Wiznet W5100, chuẩn giao tiếp SPI và phân bổ chân tín hiệu (chân 10 cho W5100, chân 4 cho thẻ nhớ SD).
  • Chi tiết đặc tính kỹ thuật, giản đồ xung truyền nhận 40 bit của cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT22; nguyên lý làm việc của cảm biến độ ẩm đất dùng IC so sánh LM393; cơ chế phát xung 10µs và tính toán khoảng cách của cảm biến siêu âm HC-SR04; thông số bộ thu phát vô tuyến APC220-43 (tần số 433MHz, công suất 20mW, truyền xa 1000m) và màn hình LCD 16x2 ghép nối qua module I2C.

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHẦN MỀM

Chương 3 tập trung vào lý thuyết xây dựng ứng dụng web và truyền thông di động:

  • Khái niệm máy chủ Web, kiến trúc máy chủ ảo VPS (Virtual Private Server) với môi trường cấp phát tài nguyên độc lập (CPU, RAM, HDD, IP riêng) và bảng giá/hệ điều hành của nhà cung cấp Vultr.
  • Cấu hình gói phần mềm XAMPP bao gồm máy chủ web Apache, bộ thông dịch PHP và hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ MySQL sử dụng truy vấn SQL để xử lý dữ liệu cảm biến.
  • Lý thuyết mạng thông tin di động GSM (Global System for Mobile communication) thế hệ 2G, dịch vụ tin nhắn ngắn SMS với giới hạn độ dài 140 bytes (tương đương 160 ký tự chuẩn 7-bit hoặc 70 ký tự chuẩn 16-bit UCS2), phân tích 5 thành phần cấu trúc của một bản tin SMS.
  • Khảo sát các tập lệnh AT mở rộng phục vụ việc khởi tạo, đọc tin nhắn, gửi tin nhắn văn bản và cấu hình chế độ kết nối dữ liệu của module SIM900.

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG

Chương 4 trình bày quy trình tính toán, thiết kế sơ đồ nguyên lý, thiết kế mạch in và thuật toán điều khiển:

  • Xây dựng sơ đồ khối toàn hệ thống, xác định nguyên lý vận hành đồng bộ giữa khối Master và khối Slave.
  • Tính toán công thức chuyển đổi thời gian phản hồi của cảm biến siêu âm HC-SR04 sang khoảng cách mực nước thực tế trong bồn chứa.
  • Thiết kế sơ đồ nguyên lý và mạch in PCB cho khối cấp nguồn (hạ áp cấp cho vi điều khiển và rơ le), khối nút nhấn điều khiển cục bộ và hệ thống LED hiển thị trạng thái ngõ ra.
  • Xây dựng 3 lưu đồ thuật toán chính: lưu đồ chế độ điều khiển tự động dựa trên ngưỡng cảm biến, lưu đồ xử lý ngắt và giải mã tin nhắn SMS qua SIM900, và lưu đồ quét phím bấm điều khiển thủ công tại chỗ.

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THI CÔNG

Chương 5 báo cáo các sản phẩm phần cứng và phần mềm thực tế đã chế tạo thành công:

  • Giao diện Web Server hoàn chỉnh chạy 24/24 trên VPS Vultr gồm: trang đăng nhập bảo mật, trang hiển thị biểu đồ thông số môi trường thời gian thực, và bảng nút điều khiển bật/tắt thiết bị ở cả 2 chế độ tự động và thủ công.
  • Phần cứng hoàn thiện của khối Slave (thu thập dữ liệu cảm biến đất, DHT22, HC-SR04 và phát sóng RF), khối Master (xử lý trung tâm, tích hợp SIM900 Shield, Ethernet Shield, LCD 16x2), khối công suất 4 Relay điều khiển động cơ máy bơm và quạt.
  • Mô hình toàn diện hệ thống khu vườn thực nghiệm với bố trí đầy đủ đường ống tưới, cảm biến cắm đất, quạt thông gió, bồn chứa nước và các khối điều khiển hoạt động ổn định.

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Chương 6 tổng kết các kết quả đạt được, phân tích ưu điểm, hạn chế của hệ thống và đề xuất các định hướng nâng cấp trong tương lai nhằm đưa mô hình vào ứng dụng thực tế trên diện rộng.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Thi công hoàn chỉnh phần cứng phân tán: Chế tạo thành công khối đo đạc ngoại vi (Slave) và khối điều khiển trung tâm (Master) giao tiếp không dây qua sóng RF 433 MHz (module APC220-43), đảm bảo khoảng cách truyền nhận dữ liệu thông suốt giữa vườn cây và tủ điều khiển.
  • Tích hợp cảm biến chính xác: Đo đạc và truyền tải thành công các thông số: nhiệt độ và độ ẩm không khí từ DHT22 (chuẩn 1-Wire), độ ẩm đất từ mạch so sánh LM393, và mực nước bồn chứa từ cảm biến siêu âm HC-SR04 (tính toán dựa trên xung phản xạ theo công thức $D = \frac{T \times 344}{2}$).
  • Đa dạng hóa phương thức điều khiển:
    • Điều khiển tự động theo ngưỡng cài đặt của các cảm biến.
    • Điều khiển từ xa qua mạng Internet thông qua giao diện Web (PHP/MySQL) chạy trên VPS Vultr với độ ổn định cao.
    • Điều khiển từ xa qua mạng viễn thông bằng tin nhắn SMS sử dụng SIM900 Shield với tập lệnh AT.
    • Điều khiển thủ công trực tiếp tại tủ mạch bằng hệ thống nút nhấn cứng và theo dõi qua màn hình LCD 16x2 giao tiếp I2C.
  • Điều khiển tải công suất: Đóng ngắt an toàn cho 4 ngõ ra rơ le cách ly gồm quạt làm mát, máy bơm tưới nước cho đất và máy bơm cấp nước cho bồn chứa.

2. Đóng góp của đề tài

  • Khắc phục các nhược điểm về giá thành và độ phức tạp phần cứng của các hệ thống cũ dùng PLC hoặc chip PIC đơn lẻ bằng cách ứng dụng nền tảng mở Arduino Uno R3 kết hợp các shield mở rộng tiêu chuẩn.
  • Đưa ra giải pháp kết hợp linh hoạt giữa mạng không dây nội bộ công suất thấp (RF 433 MHz) với mạng diện rộng (Internet qua Ethernet Shield và di động qua SIM900 Shield), giúp mở rộng bán kính giám sát mà không cần kéo dây cáp phức tạp từ khu vườn về trung tâm điều khiển.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

1. Hạn chế của hệ thống

  • Hệ thống xây dựng trên nền tảng vi điều khiển 8-bit Arduino Uno R3 (chip ATmega328) có dung lượng bộ nhớ tĩnh (SRAM chỉ 2KB, Flash 32KB) và số lượng chân I/O hạn chế, gây áp lực tài nguyên khi phải quản lý đồng thời cả giao tiếp mạng SPI (Ethernet), giao tiếp nối tiếp UART (Sim900), giao tiếp I2C (LCD) và sóng RF.
  • Hoạt động điều khiển qua mạng Internet phụ thuộc hoàn toàn vào đường truyền mạng vật lý kết nối với Ethernet Shield; nếu mất mạng LAN, việc giám sát qua Web Server sẽ bị gián đoạn (chỉ còn kênh SMS dự phòng).
  • Mô hình hệ thống mới dừng lại ở quy mô thực nghiệm phòng thí nghiệm với khu vườn mô phỏng đơn giản, chưa đánh giá độ bền của cảm biến độ ẩm đất khi cắm liên tục trong môi trường ẩm ướt ngoài trời trong thời gian dài.

2. Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp

  • Nâng cấp khối xử lý trung tâm lên các dòng vi điều khiển hoặc vi xử lý có cấu hình mạnh hơn (như Arduino Mega 2560 hoặc ARM/ESP) để tăng dung lượng bộ nhớ, tăng tốc độ phản hồi và mở rộng thêm các kênh I/O.
  • Tích hợp thêm các loại cảm biến nông nghiệp chuyên dụng khác như cảm biến cường độ ánh sáng, cảm biến đo nồng độ pH của đất và cảm biến đo độ dẫn điện (EC) để quản lý dinh dưỡng cây trồng.
  • Tối ưu hóa thuật toán tiết kiệm năng lượng cho khối trạm đo Slave, kết hợp nguồn cấp từ pin năng lượng mặt trời để tăng tính độc lập khi triển khai tại các nông trại quy mô lớn.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận này mang lại giá trị tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Công nghệ Thông tin, Kỹ thuật Máy tính: Nguồn tài liệu học tập thực tế về thiết kế hệ thống nhúng, kỹ thuật giao tiếp phần cứng với vi điều khiển AVR/Arduino, và cách thức lập trình giao tiếp các module viễn thông (SIM900, Ethernet W5100, RF APC220).
  • Người làm đề tài nghiên cứu về Nông nghiệp thông minh (Smart Agriculture / IoT): Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về sơ đồ nguyên lý mạch nguồn, mạch đệm rơ le, cách đọc và giải mã cảm biến môi trường (DHT22, siêu âm, độ ẩm đất), cũng như quy trình triển khai máy chủ Web trên VPS để giám sát dữ liệu từ xa.

Câu hỏi thường gặp

1. Khối thu thập dữ liệu (Slave) và khối xử lý chính (Master) truyền dữ liệu cho nhau bằng công nghệ gì?
Hai khối truyền nhận dữ liệu không dây với nhau thông qua module RF APC220-43 hoạt động ở dải tần 433 MHz (bán song công, công suất phát 20mW, khoảng cách truyền lên đến 1000m tại tốc độ baud 2400bps) qua giao diện nối tiếp UART/TTL.

2. Giao tiếp giữa cảm biến DHT22 và vi điều khiển Arduino được thực hiện theo nguyên lý nào?
Giao tiếp diễn ra qua chuẩn 1-Wire số trên một chân tín hiệu duy nhất. Khi nhận tín hiệu Start từ vi điều khiển, DHT22 sẽ phản hồi và gửi liên tiếp một khung dữ liệu gồm 40 bit (gồm 16 bit độ ẩm, 16 bit nhiệt độ và 8 bit Checksum để kiểm tra tính chính xác của phép đo).

3. Làm thế nào để hệ thống đo được mức nước trong bồn chứa?
Hệ thống sử dụng cảm biến siêu âm HC-SR04 đặt tại nắp bồn chứa. Vi điều khiển phát một xung Trigger 10µs, cảm biến phát 8 xung siêu âm 40kHz và nhận lại sóng phản xạ ở chân Echo. Khoảng cách được tính toán theo công thức $D = \frac{T \times 344}{2}$, trong đó $T$ là thời gian tồn tại mức cao của chân Echo và vận tốc âm thanh là $344\text{ m/s}$.

4. Module SIM900 Shield giao tiếp với Arduino Uno R3 thông qua những chân tín hiệu nào?
Module SIM900 kết nối với Arduino thông qua cổng nối tiếp phần mềm (Software Serial) sử dụng chân D7 và D8 (hoặc cổng nối tiếp phần cứng D0/D1), đồng thời sử dụng chân D9 để điều khiển bật/tắt nguồn module bằng phần mềm.

5. Hệ thống Web Server giám sát được triển khai trên nền tảng phần mềm nào?
Web Server được xây dựng bằng gói phần mềm XAMPP (gồm máy chủ Apache, hệ quản trị cơ sở dữ liệu MySQL và ngôn ngữ PHP), được lưu trữ và vận hành liên tục 24/24 trên nền tảng máy chủ ảo VPS của nhà cung cấp Vultr.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp "Hệ thống tưới cây thông minh giao tiếp web server và Sim900 dùng Arduino" của sinh viên Nguyễn Trọng Phi Hùng và Vòng Viễn Hùng (Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) đã thiết kế và thi công thành công một mô hình tự động hóa nông nghiệp hoàn chỉnh. Đề tài kết hợp hiệu quả nền tảng phần cứng Arduino Uno R3 với module Sim900, Ethernet Shield W5100, sóng vô tuyến RF APC220-43 và các cảm biến môi trường để thực hiện giám sát thông số thời gian thực và điều khiển tưới tiêu qua 4 phương thức: tự động, Web Server trên VPS, tin nhắn SMS và nút bấm trực tiếp. Đây là tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao, đóng góp giải pháp thiết kế hệ thống nhúng phân tán phục vụ cho các ứng dụng giám sát và điều khiển từ xa.