Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Tại Việt Nam, nông nghiệp đóng vai trò thiết yếu trong nền kinh tế quốc dân, với khoảng 70% dân số hoạt động trong lĩnh vực nông nghiệp và đóng góp xấp xỉ 20% tổng sản phẩm quốc nội (GDP). Trong bối cảnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa và biến đổi khí hậu diễn biến phức tạp, các phương thức canh tác truyền thống bộc lộ nhiều điểm hạn chế, đặc biệt là khi áp dụng trên các nông trường có diện tích lớn. Việc theo dõi các yếu tố vi khí hậu thủ công đòi hỏi chi phí nhân công cao, tiêu tốn thời gian và không đảm bảo khả năng xử lý biến động môi trường kịp thời.
Mặc dù các ứng dụng Internet vạn vật (IoT) đã từng bước được triển khai trong nông nghiệp, các hệ thống giám sát hiện hữu vẫn gặp nhiều rào cản kỹ thuật. Các mạng truyền thông tầm ngắn như Wi-Fi, Bluetooth hay ZigBee bị giới hạn về cự ly phủ sóng, trong khi mạng di động thương mại tiêu tốn công suất lớn và phát sinh chi phí duy trì dịch vụ định kỳ. Việc kết nối và quản lý tập trung hàng trăm đến hàng nghìn cảm biến phân tán trên diện tích canh tác rộng lớn đòi hỏi một giải pháp mạng công suất thấp, tầm xa, chi phí triển khai tối ưu và vận hành ổn định.
Để giải quyết các thách thức trên, đề tài "Thiết kế và thi công mô hình quản lý nông nghiệp ứng dụng công nghệ LoRaWAN" được thực hiện với các mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể sau:
- Thiết kế và thi công mô hình quản lý, giám sát các thông số môi trường và điều khiển động cơ máy bơm tưới nước từ xa bằng công nghệ LoRaWAN.
- Thu thập các thông số vi khí hậu gồm nhiệt độ không khí, độ ẩm không khí, độ ẩm đất và độ pH; đóng gói dữ liệu và truyền tín hiệu không dây từ các nút cảm biến (EndNode) đến Gateway qua mạng LoRa.
- Chuyển tiếp dữ liệu từ Gateway lên máy chủ LoRaWAN (ChirpStack) và máy chủ IoT (ThingsBoard) để hiển thị trực quan trên giao diện Website.
- Xây dựng cơ chế gửi thông báo cảnh báo tự động về điện thoại người dùng thông qua ứng dụng Telegram khi phát hiện thông số môi trường thay đổi đột ngột hoặc vượt ngưỡng quy định.
- Cung cấp hai chế độ điều khiển máy bơm: chế độ tự động (kích hoạt dựa trên các ngưỡng thông số nhiệt độ, độ ẩm đất, độ pH được thiết lập trước) và chế độ thủ công (bật/tắt trực tiếp thông qua giao diện Web).
- Tích hợp chức năng cung cấp thông tin kỹ thuật canh tác tương ứng với từng giai đoạn sinh trưởng của cây trồng (cụ thể là cây cà chua và sầu riêng) dựa trên điều kiện môi trường thực tế.
Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hệ thống truyền thông LoRaWAN, các mạch nhúng điều khiển, cảm biến đo đạc nông nghiệp, cơ cấu chấp hành tưới tiêu và nền tảng máy chủ IoT. Phạm vi nghiên cứu về mặt không gian tập trung vào việc quản lý 2 nút cảm biến phân tán và khảo sát thực nghiệm cự ly truyền sóng tại các mốc khoảng cách thực tế ngoài trời: 80 m, 159 m, 316 m, và từ 757 m đến 1 km. Thời gian thực hiện đồ án diễn ra trong 16 tuần, bắt đầu từ ngày 19/02/2024 đến ngày 09/06/2024.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết của công trình dựa trên kỹ thuật điều chế vô tuyến LoRa (Long Range) và kiến trúc giao thức mạng LoRaWAN:
- Công nghệ điều chế LoRa: Dựa trên kỹ thuật trải phổ Chirp (Chirp Spread Spectrum - CSS), dữ liệu nhị phân được mã hóa thành các xung tín hiệu sin có tần số biến đổi theo thời gian (xung up-chirp biểu diễn bit 1 và xung down-chirp biểu diễn bit 0). Kỹ thuật này giúp tín hiệu có độ nhạy thu cao, khả năng chống nhiễu, hạn chế hiện tượng fading và truyền xa với công suất thấp mà không cần mạch khuếch đại công suất phức tạp. Các tham số chính bao gồm Spreading Factor (SF từ 7 đến 12), băng thông (Bandwidth: 125 kHz, 250 kHz, 500 kHz), tỷ lệ mã hóa (Coding Rate), công suất phát và chỉ số RSSI.
- Giao thức LoRaWAN: Cấu trúc liên kết mạng hình sao (Star-of-stars topology) hoạt động trên các dải băng tần không cần cấp phép (châu Á: 433 MHz, châu Âu: 866 MHz, Bắc Mỹ: 915 MHz, và dải tần sử dụng thực tế trong đồ án là 923 MHz - AS923). Hệ thống LoRaWAN bao gồm 4 khối chức năng: EndNodes, Gateways, Network Server và Application Server.
- Các giao thức truyền thông liên kết: Giao thức phần cứng SPI (4 dây: MOSI, MISO, SCLK, SS/CS) kết nối giữa vi điều khiển và module LoRa; giao thức I2C kết nối màn hình OLED; giao thức UDP chuyển tiếp gói tin datagram giữa Gateway và Network Server; giao thức MQTT theo mô hình Publisher - Subscriber để trao đổi bản tin nhẹ trong môi trường IoT; và kiến trúc RESTful API sử dụng các phương thức HTTP (GET, POST, PUT, DELETE) với các mã trạng thái chuẩn (1xx đến 5xx) để liên kết dịch vụ web.
Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai bao gồm:
- Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật: Tính toán lựa chọn phần cứng, thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch (Schematic) và layout bảng mạch in (PCB) cho các EndNode.
- Phương pháp lập trình hệ thống: Xây dựng firmware nhúng trên nền tảng Arduino IDE cho vi điều khiển ESP32, cấu hình Gateway Dragino LPS8, cấu hình máy chủ mạng ChirpStack, và thiết lập luồng xử lý dữ liệu Rule Chains trên máy chủ ThingsBoard.
- Phương pháp thực nghiệm đo đạc thực địa: Bố trí phần cứng tại hiện trường để kiểm tra độ tin cậy truyền nhận dữ liệu, đánh giá độ ổn định của các cảm biến và cơ cấu chấp hành trong điều kiện môi trường thay đổi.
Nguồn dữ liệu của nghiên cứu là các chỉ số thu thập trực tiếp từ cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11, cảm biến độ ẩm đất SMS-V2, cảm biến độ pH DFRobot Gravity SEN0161 và các gói tin đo kiểm công suất, chất lượng kết nối ghi nhận trên máy chủ ChirpStack.
Thiết kế và triển khai hệ thống
Hệ thống được tổ chức thành một chuỗi liên kết hoàn chỉnh từ thu thập phần cứng đến xử lý máy chủ đám mây.
| Thành phần phần cứng |
Model / Thông số kỹ thuật |
Vai trò trong hệ thống |
| Vi điều khiển trung tâm EndNode |
ESP32 NodeMCU LuaNode32, cổng nạp CP2102, 18 kênh ADC 12-bit, giao tiếp SPI/I2C/UART |
Thu thập tín hiệu cảm biến, điều khiển ngoại vi, đóng gói bản tin |
| Module thu phát LoRa |
HopeRF RFM95W 915 MHz, độ nhạy -148 dBm, công suất phát +20 dBm (100 mW), giao tiếp SPI |
Điều chế và truyền nhận tín hiệu vô tuyến LoRa |
| Anten LoRa |
Anten 868/915 MHz 5 dBi, chuẩn nối SMA đực, trở kháng 50 $\Omega$, VSWR $\le 1.5$ |
Tăng cường chất lượng bức xạ sóng vô tuyến |
| Gateway LoRaWAN |
Dragino LPS8, CPU AR9331 400 MHz, chip thu phát SX1257 độ nhạy -140 dBm, Wi-Fi 802.11 b/g/n, cổng RJ45 |
Thu tín hiệu LoRa từ EndNode và chuyển tiếp lên máy chủ qua mạng IP |
| Cảm biến độ ẩm đất |
SMS-V2, nguyên lý điện dung chống ăn mòn, nguồn 3.3~5 VDC, ngõ ra Analog 0~2.3 VDC |
Đo độ ẩm của đất tại vị trí canh tác |
| Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm |
DHT11, đo ẩm 20~90% ($\pm 5%$), đo nhiệt 0~50 °C ($\pm 2%$), ngõ ra Digital 1 dây |
Giám sát nhiệt độ và độ ẩm không khí môi trường |
| Cảm biến độ pH |
DFRobot Gravity SEN0161, que đo BNC, dải đo 0~14 pH ($\pm 0.1$ pH ở 25 °C), ngõ ra Analog |
Đo độ pH của nguồn nước tưới hoặc đất |
| Màn hình hiển thị tại node |
OLED SSD1306 0.96 inch, độ phân giải 128x64, giao tiếp I2C, công suất tiêu thụ 0.04 W |
Hiển thị trực tiếp các thông số môi trường tại chỗ |
| Cơ cấu chấp hành đóng cắt |
Module 1 Relay opto cách ly 5 VDC, chịu tải AC 250V 10A / DC 30V 10A |
Đóng ngắt nguồn cấp cho động cơ tưới |
| Động cơ bơm |
Mini Water Pump chìm 5 VDC, dòng 100~200 mA, đường kính ống dẫn 7.5 mm |
Bơm cấp nước tưới cho cây trồng |
Kiến trúc phần mềm và quy trình liên kết các tầng dịch vụ:
- Tầng nút đầu cuối (EndNode Firmware): Vi điều khiển ESP32 đọc định kỳ các tín hiệu từ cảm biến DHT11 (Digital), cảm biến SMS-V2 (Analog) và cảm biến pH DFRobot (Analog). Dữ liệu được hiển thị lên màn hình OLED 0.96 inch qua giao tiếp I2C, đồng thời chuyển qua module RFM95W bằng giao thức SPI để phát gói tin LoRaWAN lên không gian vô tuyến.
- Tầng cổng chuyển tiếp (LoRaWAN Gateway): Thiết bị Dragino LPS8 được cấu hình lắng nghe trên tần số 923 MHz (AS923). Khi nhận được gói tin vô tuyến từ các EndNode, Gateway chuyển đổi sang gói tin UDP/IP và gửi về Network Server thông qua kết nối mạng Wi-Fi hoặc cổng Ethernet LAN.
- Tầng máy chủ mạng (ChirpStack LoRaWAN Server): Thực hiện quản lý Gateway EUI, Device Profile, Gateway Profile, giải mã gói tin (Payload decoding), kiểm tra tính toàn vẹn của dữ liệu và loại bỏ các bản tin trùng lặp. ChirpStack được cấu hình Integration để đẩy toàn bộ dữ liệu cảm biến sang Application Server thông qua giao diện lập trình ứng dụng.
- Tầng máy chủ ứng dụng và phân tích (ThingsBoard IoT Server):
- ThingsBoard nhận dữ liệu thông qua Device Token tương ứng của từng node, lưu trữ vào Timeseries Table và trình diễn dữ liệu tức thời trên Dashboard Website.
- Xây dựng Rule Chains cảnh báo Telegram: Khi dữ liệu cảm biến vượt qua ngưỡng an toàn lập trình sẵn, Rule Chain kích hoạt khối Script để tạo thông điệp cảnh báo và gọi API gửi tin nhắn trực tiếp đến ChatBox "IoT Agriculture" của người dùng trên ứng dụng Telegram.
- Xây dựng Rule Chains khuyến nghị nông nghiệp: Thuật toán phân loại cây trồng đối chiếu dữ liệu môi trường đo đạc với điều kiện sinh trưởng chuẩn của cây cà chua và cây sầu riêng theo từng giai đoạn (ví dụ: giai đoạn ra hoa của cây cà chua), từ đó xuất các khuyến nghị kỹ thuật tương ứng lên giao diện Web.
- Cơ chế điều khiển máy bơm: Giao diện Web cung cấp bảng điều khiển cho phép người dùng chuyển đổi linh hoạt giữa chế độ thủ công (bật/tắt relay trực tiếp) và chế độ tự động (hệ thống tự động xuất lệnh đóng/ngắt relay khi các thông số độ ẩm đất, nhiệt độ chạm ngưỡng thiết lập).
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan
Chương 1 trình bày bối cảnh kinh tế - xã hội của ngành nông nghiệp Việt Nam, nêu bật mâu thuẫn giữa nhu cầu ứng dụng công nghệ cao với các rào cản chi phí và kỹ thuật của hệ thống giám sát truyền thống. Tác giả xác định mục tiêu thiết kế và thi công hệ thống giám sát thông số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất, pH) kết hợp điều khiển máy bơm tự động/thủ công qua LoRaWAN. Chương này liệt kê chi tiết 13 nội dung công việc theo tiến độ từ ngày 19/02/2024 đến ngày 09/06/2024, làm rõ các giới hạn của đề tài (chưa có phản hồi trạng thái hỏng hóc của phần cứng, dùng nguồn cắm trực tiếp) và trình bày bố cục 6 chương của khóa luận.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 2 cung cấp nền tảng lý thuyết toàn diện về kỹ thuật điều chế LoRa (nguyên lý CSS, tín hiệu up-chirp/down-chirp, các tham số SF, BW, CR, RSSI) và kiến trúc mạng LoRaWAN cấu trúc hình sao. Tác giả phân tích chi tiết các giao thức truyền thông được áp dụng gồm SPI, UDP, MQTT (mô hình Publisher - Subscriber) và RESTful API (các phương thức HTTP, cấu trúc Request - Response, mã trạng thái từ 1xx đến 5xx). Phần thứ hai của chương đi sâu vào thông số kỹ thuật chi tiết của 10 thiết bị phần cứng: ESP32 NodeMCU LuaNode32, Dragino LPS8 Gateway, module LoRa RFM95W 915 MHz, anten 5 dBi chuẩn SMA, cảm biến độ ẩm đất SMS-V2, cảm biến DHT11, module Relay opto 5 VDC, motor bơm 5 VDC, cảm biến pH DFRobot Gravity SEN0161 và màn hình OLED SSD1306 0.96 inch.
Chương 3: Tính toán và thiết kế
Chương 3 trình bày các sơ đồ khối tổng quát và sơ đồ chi tiết của hệ thống. Tác giả thiết kế sơ đồ khối EndNode gồm 5 khối chức năng chính: khối nguồn, khối xử lý trung tâm (ESP32), khối cảm biến (DHT11, SMS-V2, pH), khối hiển thị tại chỗ (OLED) và khối truyền thông LoRa (RFM95W). Chương này phân tích chi tiết sơ đồ nguyên lý mạch (Schematic), tính toán mức điện áp và dòng tiêu thụ giữa vi điều khiển với các ngoại vi. Ngoài ra, chương 3 làm rõ kiến trúc phân tầng kết nối giữa LoRaWAN Network Server (ChirpStack) với IoT Server (ThingsBoard) nhằm đảm bảo dữ liệu gói tin được giải mã và chuyển tiếp thông suốt.
Chương 4: Thi công hệ thống
Chương 4 mô tả toàn bộ quá trình hiện thực hóa mô hình từ phần cứng đến phần mềm. Về phần cứng, tác giả trình bày bản vẽ 3D và tiến hành thi công bảng mạch in (PCB) mặt sau cho EndNode, lắp ráp hoàn chỉnh các khối cảm biến và cơ cấu chấp hành vào hộp thiết bị. Về phần mềm, chương trình nhúng cho ESP32 được xây dựng dựa trên lưu đồ giải thuật hệ thống và lưu đồ giải thuật cho khối EndNode. Tác giả tài liệu hóa các bước cấu hình thực tế: đăng nhập Gateway Dragino LPS8 chọn dải tần 923 MHz, đăng ký Gateway EUI, Device Profile, Service Profile trên ChirpStack; tích hợp Integration để kết nối ThingsBoard; thiết lập Dashboard giao diện Web; và lập trình Rule Chains trên ThingsBoard để phân loại tin nhắn cảnh báo gửi qua Telegram Bot cũng như thuật toán đưa ra đề xuất kỹ thuật canh tác cho cây sầu riêng và cây cà chua.
Chương 5: Kết quả thực nghiệm
Chương 5 trình bày quá trình vận hành hệ thống ngoài hiện trường tại các vị trí địa lý khác nhau để đo đạc và kiểm thử. Dữ liệu thực nghiệm được thu thập khi thay đổi điều kiện môi trường xung quanh các cảm biến, kiểm tra độ nhạy của thuật toán điều khiển máy bơm ở 2 chế độ và kiểm thử khả năng kích hoạt cảnh báo Telegram. Tác giả ghi nhận và đánh giá kết quả khảo sát cự ly truyền nhận không dây giữa EndNode và Gateway Dragino LPS8 tại các khoảng cách: 80 m, 159 m, 316 m và mốc khoảng cách từ 757 m đến 1 km (tương ứng với Bảng 4.1 trong văn bản).
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
Chương 6 tổng kết mức độ hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu: hệ thống đã đáp ứng đầy đủ mục tiêu thiết kế phần cứng, truyền nhận dữ liệu qua LoRaWAN, hiển thị thông số môi trường trên Website, điều khiển máy bơm 2 chế độ và phát thông báo qua Telegram. Tác giả nêu rõ các định hướng phát triển tiếp theo gồm việc tích hợp pin sạc kết hợp năng lượng mặt trời để tăng tính cơ động, nghiên cứu cơ chế giám sát và cảnh báo hư hỏng phần cứng, đồng thời mở rộng số lượng node kết nối để phục vụ các mô hình nông trại thực tế.
Kết quả và đóng góp
Công trình đã thiết kế, chế tạo và vận hành thành công mô hình phần cứng và hệ thống phần mềm quản lý nông nghiệp ứng dụng LoRaWAN. Dữ liệu thu thập từ các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất và độ pH được đóng gói và truyền tải chính xác qua mạng LoRa về Gateway Dragino LPS8 tại tần số 923 MHz, sau đó đẩy lên máy chủ ChirpStack và ThingsBoard để hiển thị trên giao diện người dùng.
Khả năng truyền thông không dây tầm xa của hệ thống được kiểm chứng qua quá trình đo đạc thực nghiệm thực địa:
| Vị trí thực nghiệm |
Khoảng cách khảo sát |
Điều kiện môi trường |
Kết quả vận hành hệ thống |
| Vị trí 1 |
80 m |
Môi trường ngoài trời, có vật cản |
Kết nối ổn định, dữ liệu truyền nhận liên tục, hiển thị đầy đủ trên Web |
| Vị trí 2 |
159 m |
Môi trường ngoài trời, phân tán |
Gói tin truyền thông suốt, relay máy bơm phản hồi chính xác tín hiệu điều khiển |
| Vị trí 3 |
316 m |
Không gian mở xen lẫn vật cản |
Tín hiệu LoRa truyền tốt, cảnh báo Telegram kích hoạt kịp thời khi vượt ngưỡng |
| Vị trí 4 |
757 m đến 1 km |
Khoảng cách lớn, tầm nhìn xa |
Thu phát gói tin thành công lên Gateway, hệ thống ghi nhận dữ liệu tại server |
Hệ thống đã hiện thực hóa các giải pháp kỹ thuật:
- Điều khiển động cơ máy bơm 5 VDC qua module Relay opto cách ly với 2 chế độ: Chế độ thủ công cho phép bật/tắt trực tiếp trên Website; chế độ tự động cho phép cài đặt các ngưỡng tham số môi trường để tự động đóng/ngắt.
- Cảnh báo thời gian thực: Tích hợp thành công Rule Chains trên ThingsBoard với Telegram Bot API, cho phép gửi cảnh báo tức thì đến nhóm chat "IoT Agriculture" khi thông số môi trường thay đổi đột ngột.
- Hỗ trợ ra quyết định nông nghiệp: Thuật toán Rule Chain phân loại dữ liệu theo từng giai đoạn sinh trưởng của cây cà chua và cây sầu riêng, tự động hiển thị khuyến nghị kỹ thuật canh tác tương ứng trên Web.
Đóng góp của đồ án là việc tích hợp thành công chuỗi công nghệ mã nguồn mở (ESP32, LoRa CSS, Dragino LPS8, ChirpStack, ThingsBoard, Telegram API) thành một mô hình IoT hoàn chỉnh cho nông nghiệp, chứng minh tính khả thi của công nghệ LoRaWAN trong việc giải quyết bài toán giám sát diện rộng, cự ly xa lên tới 1 km với mức tiêu thụ năng lượng thấp và chi phí thiết bị tối ưu so với các giải pháp mạng truyền thống.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Khóa luận đã thẳng thắn ghi nhận các giới hạn kỹ thuật trong văn bản:
- Hệ thống mới dừng lại ở mức độ mô hình thử nghiệm tại 2 node, chưa được triển khai áp dụng sâu rộng trên các nông trại quy mô lớn của người dân.
- Chưa có cơ chế giám sát và gửi tín hiệu phản hồi cảnh báo trạng thái phần cứng của thiết bị khi cảm biến hoặc mạch chấp hành gặp sự cố kỹ thuật, hỏng hóc hoặc mất kết nối đột ngột.
- Thiết bị EndNode sử dụng nguồn cấp điện trực tiếp từ bộ đổi nguồn, chưa tích hợp nguồn pin độc lập, do đó chưa phát huy tối đa tính linh hoạt và khả năng tiết kiệm năng lượng của công nghệ LoRaWAN tại các khu vực canh tác không có lưới điện.
Các hướng phát triển được tác giả đề xuất:
- Nghiên cứu giải pháp cấp nguồn độc lập cho các EndNode bằng cách kết hợp pin sạc và tấm pin năng lượng mặt trời (Solar cell), tối ưu hóa chế độ ngủ sâu (Deep Sleep) của vi điều khiển ESP32.
- Xây dựng thêm thuật toán chẩn đoán lỗi phần cứng để tự động phát hiện và gửi thông báo khi cảm biến hoặc động cơ gặp sự cố.
- Nâng cấp mạng lưới để quản lý cùng lúc hàng chục hoặc hàng trăm nút cảm biến trên các vùng canh tác nông nghiệp công nghệ cao diện tích lớn.
Giá trị tham khảo
Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo cho:
- Sinh viên và học viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Máy tính, Hệ thống Nhúng và IoT đang thực hiện các đề tài nghiên cứu về mạng diện rộng công suất thấp (LPWAN).
- Các kỹ sư và nhà phát triển hệ thống nông nghiệp thông minh cần tài liệu hướng dẫn quy trình kết nối phần cứng từ vi điều khiển ESP32 đến Gateway LoRaWAN thương mại.
- Các nội dung đáng tham khảo chuyên sâu gồm: sơ đồ nguyên lý ghép nối module RFM95W qua giao thức SPI; quy trình thiết lập trạm Gateway Dragino LPS8 ở tần số 923 MHz; cách cấu hình máy chủ mạng ChirpStack liên kết ThingsBoard; và phương pháp xây dựng Rule Chains trên ThingsBoard để tự động gửi thông báo qua Telegram Bot.
Câu hỏi thường gặp
1. Mạch EndNode trong đề tài sử dụng vi điều khiển và module truyền thông vô tuyến nào?
Nút cảm biến EndNode sử dụng bo mạch vi điều khiển ESP32 NodeMCU LuaNode32 kết hợp với module thu phát sóng HopeRF RFM95W hoạt động tại dải tần số 915 MHz, kết nối thông qua giao thức truyền thông đồng bộ SPI 4 dây.
2. Các thông số môi trường nào được hệ thống thu thập và sử dụng cảm biến gì?
Hệ thống thu thập 4 thông số vi khí hậu chính: nhiệt độ và độ ẩm không khí (sử dụng cảm biến số DHT11), độ ẩm đất (sử dụng cảm biến điện dung chống ăn mòn SMS-V2 ngõ ra Analog 0~2.3 VDC) và độ pH (sử dụng bộ cảm biến DFRobot Gravity SEN0161 ngõ ra Analog có que đo BNC).
3. Dữ liệu từ nút cảm biến đi qua các bước máy chủ trung gian nào để đến được giao diện người dùng?
Gói tin LoRa từ EndNode truyền không dây đến Gateway Dragino LPS8 (chuyển đổi sang UDP/IP qua Wi-Fi/Ethernet), đi tiếp đến máy chủ mạng ChirpStack (LoRaWAN Network Server) để giải mã payload, sau đó thông qua cơ chế tích hợp Integration chuyển tiếp dữ liệu về máy chủ ứng dụng ThingsBoard để lưu vào Timeseries Table, biểu diễn trên Website và kích hoạt Telegram API.
4. Cơ chế điều khiển máy bơm tưới nước được tổ chức vận hành như thế nào?
Máy bơm 5 VDC được đóng ngắt thông qua module 1 Relay có opto cách ly, vận hành với 2 chế độ: Chế độ thủ công cho phép người dùng bật hoặc tắt trực tiếp bằng các nút điều khiển trên giao diện Website; chế độ tự động cho phép người dùng cài đặt trước các ngưỡng giới hạn về độ ẩm đất, nhiệt độ và độ pH trên hệ thống để mạch tự động đóng/ngắt máy bơm khi điều kiện môi trường chạm ngưỡng.
5. Thử nghiệm thực địa của đề tài đã ghi nhận khả năng truyền nhận tín hiệu ở những khoảng cách cụ thể nào?
Hệ thống đã được bố trí đo đạc thực tế ngoài trời tại 4 mốc khoảng cách giữa EndNode và Gateway: cự ly 80 m (vị trí 1), 159 m (vị trí 2), 316 m (vị trí 3) và cự ly mở rộng từ 757 m đến 1 km (vị trí 4), với kết quả các gói tin đều được truyền nhận và xử lý trên máy chủ.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Quang Tri đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công mô hình quản lý nông nghiệp ứng dụng công nghệ LoRaWAN với cấu trúc liên kết 2 EndNode phân tán, Gateway Dragino LPS8 và hệ thống máy chủ ChirpStack kết hợp ThingsBoard. Hệ thống thực hiện đo đạc ổn định các thông số nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất, độ pH, đồng thời triển khai hiệu quả cơ chế điều khiển máy bơm 2 chế độ và chức năng cảnh báo qua Telegram. Các kết quả đo kiểm thực tế ngoài trời từ 80 m đến 1 km đã khẳng định tính khả thi của giải pháp trong việc quản lý nông nghiệp tầm xa với chi phí tối ưu. Dù còn một số hạn chế về nguồn cấp điện và khả năng chẩn đoán sự cố phần cứng, công trình là tài liệu tham khảo kỹ thuật giá trị cho các nghiên cứu ứng dụng LPWAN trong canh tác thông minh.
