Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, ngành nông nghiệp nói chung và lĩnh vực nuôi trồng thủy hải sản nói riêng đang chuyển dịch mạnh mẽ theo hướng tự động hóa nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, hạ giá thành, giảm chi phí nhân công và tiết kiệm năng lượng tiêu thụ. Việc ứng dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật vào giám sát môi trường nuôi trồng là yêu cầu thực tiễn cấp thiết để đảm bảo điều kiện sinh trưởng tối ưu cho thủy hải sản.

Tuy nhiên, các bộ điều khiển và giám sát thông minh có mặt trên thị trường thời điểm nghiên cứu thường gặp phải một số rào cản lớn trong việc triển khai diện rộng: chi phí đầu tư thiết bị và lắp đặt còn cao, đồng thời giao diện tương tác và điều khiển chưa thực sự thân thiện, trực quan với người sử dụng. Nhằm khắc phục những hạn chế này, đề tài "Thiết kế thi công mô hình quản lý giám sát nuôi trồng thủy hải sản qua Internet" được thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Anh Gia Bảo và Huỳnh Hoài Tâm (ngành Điện tử Truyền thông, chuyên ngành Điện tử Công nghiệp, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Đình Phú vào tháng 07/2017).

Mục tiêu chính của đề tài là xây dựng một mô hình phần cứng kết hợp phần mềm cho phép người quản lý vừa có thể theo dõi trực tiếp các thông số môi trường, nhập dữ liệu quản lý tại chỗ qua màn hình cảm ứng, vừa có thể truyền tải và đồng bộ toàn bộ dữ liệu lên máy chủ Web để giám sát từ xa thông qua mạng Internet.

Các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định bao gồm:

  1. Nghiên cứu tập lệnh và kỹ thuật lập trình cho vi điều khiển ARM 32-bit STM32F103VET6.
  2. Thiết kế mạch và lập trình giao tiếp với module màn hình màu LCD TFT 7 inch cảm ứng điện dung.
  3. Thiết kế mạch và lập trình thu thập dữ liệu từ khối cảm biến môi trường (nhiệt độ, độ ẩm không khí và nồng độ khí cảnh báo).
  4. Thiết kế mạch và lập trình giao tiếp với module truyền thông Wi-Fi ESP8266 để gửi và nhận dữ liệu từ vi điều khiển.
  5. Thiết kế và lập trình hệ thống Web server với cơ sở dữ liệu để tiếp nhận, lưu trữ và hiển thị thông tin quản lý, theo dõi từ xa.
  6. Thi công mạch in thực tế, hoàn thiện mô hình thiết bị và tiến hành cân chỉnh toàn hệ thống.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hệ thống nhúng thu thập dữ liệu cảm biến và truyền dữ liệu qua giao thức mạng TCP/IP. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế phần cứng điều khiển trung tâm sử dụng chip STM32, kết nối màn hình cảm ứng 7 inch, các cảm biến môi trường DHT11, MQ-2, module Wi-Fi ESP8266 và xây dựng ứng dụng web quản lý chạy trên mô hình LAMP (Linux, Apache, MySQL, PHP) ở quy mô thử nghiệm mô hình thực hành.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài vận dụng tổng hợp các cơ sở lý thuyết về kiến trúc máy tính nhúng, kỹ thuật vi xử lý 32-bit, lý thuyết truyền thông dữ liệu công nghiệp, nguyên lý hoạt động của cảm biến bán dẫn và công nghệ phát triển ứng dụng Web động.

Về phần cứng vi điều khiển, đề tài dựa trên cấu trúc ARM Cortex-M3 (kiến trúc Harvard với các bus tách biệt cho bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu, tập lệnh Thumb-2) tích hợp trong vi điều khiển STM32F103VET6. Cấu trúc này sở hữu bộ điều khiển ngắt lồng nhau NVIC (Nested Vectored Interrupt Controller) sử dụng kỹ thuật "tail-chaining" giảm độ trễ ngắt xuống còn 6 chu kỳ xung nhịp, hỗ trợ các khối ngoại vi tích hợp như GPIO/AFIO, Timer 16-bit, giao tiếp nối tiếp SPI (tốc độ đến 18 MHz), I2C (100–400 kHz) và bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số ADC 12-bit.

Về nguyên lý thu thập dữ liệu và hiển thị:

  • Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11: Sử dụng giao thức truyền thông kỹ thuật số 1 dây (1-wire interface), truyền khung dữ liệu 40 bit (5 byte) gồm phần nguyên và thập phân của độ ẩm tương đối (%RH), phần nguyên và thập phân của nhiệt độ (°C) cùng 1 byte tổng kiểm tra (checksum).
  • Cảm biến khí gas/khói MQ-2: Cấu tạo từ lớp vật liệu bán dẫn SnO2, có độ dẫn điện thay đổi theo nồng độ các chất khí dễ cháy (LPG, H2, CH4, CO). Cảm biến xuất tín hiệu điện áp tương tự Aout (0–5V) và tín hiệu logic số Dout thông qua mạch so sánh ngưỡng bằng biến trở.
  • Module hiển thị LCD TFT ER-TFTM070-4V2.1: Kích thước 7 inch, độ phân giải 800x480 pixel, sử dụng IC điều khiển hiển thị SSD1963 hỗ trợ các bus song song 6800/8080 và IC điều khiển cảm ứng điện dung đa điểm FT5206.
  • Module truyền thông Wi-Fi ESP8266 SoC: Hoạt động ở dải tần 2.4 GHz (chuẩn IEEE 802.11 b/g/n), tích hợp đầy đủ ngăn xếp giao thức TCP/IP, hỗ trợ giao tiếp UART tốc độ cao (lên đến 115200 bps) và các chế độ bảo mật WPA/WPA2.

Về công nghệ mạng và phần mềm máy chủ: Đề tài áp dụng mô hình LAMP với ngôn ngữ lập trình PHP (Hypertext Preprocessor) kết hợp hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ MySQL thông qua tiện ích mở rộng MySQLi. Dữ liệu từ thiết bị nhúng gửi lên được tiếp nhận qua phương thức HTTP (GET/POST) và phân tích cú pháp để lưu vào các bảng dữ liệu.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm: phương pháp phân tích thiết kế hệ thống theo khối chức năng; thiết kế mạch nguyên lý và mạch in hai lớp (Top/Bottom PCB); phương pháp lập trình nhúng hướng module bằng ngôn ngữ C cho STM32 và C++ trên nền tảng Arduino IDE cho module ESP8266; phương pháp kiểm thử thực nghiệm từng khối phần cứng và hiệu chỉnh tích hợp toàn hệ thống.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module phân tầng, kết nối vi điều khiển trung tâm với các ngoại vi đầu vào, đầu ra và module truyền thông mạng.

Khối chức năng Linh kiện / Công nghệ chính Thông số kỹ thuật / Đặc tính giao tiếp
Xử lý trung tâm Vi điều khiển ARM STM32F103VET6 Tần số hoạt động lên đến 72 MHz, 100 chân (80 GPIO), nhân Cortex-M3
Hiển thị & Cảm ứng Module LCD TFT ER-TFTM070-4V2.1 (7 inch) Độ phân giải 800x480 pixel, IC SSD1963 (LCD) và FT5206 (Cảm ứng điện dung)
Đo nhiệt độ & Độ ẩm Cảm biến DHT11 Dải đo ẩm 20–95% (sai số ±5%), dải đo nhiệt 0–50°C (sai số ±2°C), chuẩn 1-wire
Đo khí cảnh báo Cảm biến MQ-2 Vật liệu bán dẫn SnO2, ngõ ra analog Aout (0–5V) và ngõ ra digital Dout
Cảnh báo tại chỗ Còi báo (Buzzer) Điều khiển đóng cắt mức logic qua chân GPIO của vi điều khiển
Truyền thông không dây Module Wi-Fi ESP8266 Chuẩn 802.11 b/g/n (2.4 GHz), UART 115200 bps, kết nối TCP/IP lên Web Server
Máy chủ Web & Dữ liệu Mô hình LAMP (Linux, Apache, MySQL, PHP) Giao thức HTTP GET/POST, thư viện kết nối MySQLi, miền lưu trữ máy chủ

Kiến trúc phần cứng và sơ đồ kết nối

  1. Khối vi xử lý trung tâm: STM32F103VET6 đóng vai trò điều phối chính, nhận xung nhịp từ bộ dao động thạch anh ngoài HSE, đồng thời cấu hình khối cấp nguồn Reset và các port I/O tương ứng.
  2. Khối hiển thị và giao tiếp người dùng: Màn hình 7 inch kết nối với vi điều khiển qua bus dữ liệu song song tốc độ cao điều khiển bởi IC SSD1963, trong khi tín hiệu cảm ứng điện dung từ IC FT5206 được truyền về vi điều khiển để nhận dạng tọa độ chạm.
  3. Khối cảm biến: Cảm biến DHT11 kết nối với 1 chân GPIO định cấu hình hai chiều (Input/Output). Vi điều khiển phát xung Start mức thấp >18 ms (chọn 25 ms), sau đó chờ phản hồi từ DHT11 và đọc chuỗi 40 bit dữ liệu dựa trên thời gian xung mức cao (26–28 µs tương ứng bit 0, 70 µs tương ứng bit 1). Cảm biến MQ-2 cấp tín hiệu analog về chân ADC của STM32 để chuyển đổi số 12-bit và tín hiệu số Dout để kích hoạt ngắt cảnh báo.
  4. Khối truyền thông Wi-Fi: ESP8266 kết nối với STM32 qua 2 đường truyền nhận dữ liệu UART (TX nối RX và RX nối TX). Chân kích hoạt CH_PD được giữ ở mức 0V trong 2 giây đầu khi khởi động hệ thống để tránh sụt áp do dòng khởi động lớn, sau đó kéo lên 3.3V để kích hoạt module phát sóng ổn định.

Lưu đồ giải thuật và phần mềm hệ thống

Quy trình hoạt động của chương trình vi điều khiển và module truyền thông được tổ chức theo các khối chức năng chính:

  • Chương trình chính vi điều khiển: Khởi tạo các ngoại vi (GPIO, Timer, ADC, UART, LCD, cảm ứng); thực hiện vòng lặp quét đọc dữ liệu cảm biến DHT11 và MQ-2; hiển thị các giá trị đo được lên màn hình LCD; kiểm tra thao tác chạm từ người dùng; đóng gói chuỗi ký tự dữ liệu để truyền qua cổng UART sang module ESP8266.
  • Chương trình trên module ESP8266: Khởi động kết nối Wi-Fi với trạm phát (Access Point) theo SSID và mật khẩu cấu hình sẵn; thiết lập kết nối TCP tới Web Server qua cổng 80; khi nhận chuỗi dữ liệu từ STM32 qua cổng nối tiếp (Serial 115200 bps), module đóng gói thành bản tin HTTP Request gửi lên server qua tên miền lưu trữ giabaonguyenanh.com.
  • Giao diện người dùng trên màn hình cảm ứng: Được phân chia thành các tab chuyên biệt:
    • Tab chính: Hiển thị thông số thời gian thực từ cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm, trạng thái khí gas).
    • Tab Food: Nhập và điều chỉnh các thông số liên quan đến lịch trình và định lượng thức ăn cho thủy hải sản.
    • Tab Medicine: Cài đặt lịch và liều lượng hóa chất, thuốc phòng trị bệnh.
    • Tab Info: Xem thông tin trạng thái hoạt động của toàn bộ hệ thống.
  • Ứng dụng Web: Xây dựng bằng PHP để nhận dữ liệu từ các yêu cầu HTTP của ESP8266, gọi các hàm MySQLi để cập nhật vào cơ sở dữ liệu MySQL, đồng thời kết xuất giao diện trực quan cho người dùng theo dõi và quản lý từ xa qua trình duyệt.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày bối cảnh chung của ngành nông nghiệp trong thời kỳ hiện đại hóa và nhu cầu cấp thiết của việc áp dụng khoa học kỹ thuật nhằm hạ giá thành sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm nông nghiệp và thủy sản. Tác giả nêu bật mục đích nghiên cứu, giới hạn đề tài và liệt kê 12 nội dung công việc cần thực hiện, từ việc tìm hiểu các bộ điều khiển thông minh trên thị trường, thiết kế mạch phần cứng, thi công mạch in, lập trình nhúng trên STM32 và ESP8266, đến xây dựng ứng dụng web quản lý và cân chỉnh mô hình thực tế.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp nền tảng lý thuyết chi tiết về các công nghệ và linh kiện được lựa chọn:

  • Bộ xử lý ARM Cortex-M3 và Vi điều khiển STM32F103: Phân tích sâu kiến trúc Harvard, hệ thống ma trận bus (ICode, DCode, System, DMA bus), bộ phân xử truy cập bus (tỉ lệ phân chia thời gian 2/3 cho DMA và 1/3 cho Cortex), tổ chức không gian bộ nhớ 4 GB (phân chia User Flash, System Memory 4 KB chứa Bootloader, SRAM nội bắt đầu từ 0x20000000). Trình bày cơ chế Reset, các nguồn xung nhịp (HSI 8 MHz, HSE, PLL, LSI 40 kHz, LSE 32.768 kHz), cấu hình GPIO với các thanh ghi điều khiển 32-bit (CRL, CRH, IDR, ODR, BSRR, BRR), cơ chế ánh xạ chân AFIO qua các thanh ghi Remap. Khảo sát hoạt động của bộ điều khiển ngắt NIVC hỗ trợ 19 ngắt ngoài qua EXTI, các khối Timer 16-bit (chế độ Capture/Compare, bộ tạo xung Edge-aligned và Center-aligned PWM, chế độ đọc Encoder 1x, 2x, 4x), các chuẩn giao tiếp nối tiếp SPI (tốc độ đến 18 MHz với khối tính toán CRC phần cứng), I2C (hỗ trợ 100 kHz/400 kHz, địa chỉ 7/10 bit) và bộ chuyển đổi ADC 12-bit (18 kênh ghép, hỗ trợ chế độ Regular, Injected và bộ giám sát Analogue Watchdog).
  • Module LCD TFT ER-TFTM070-4V2.1: Giới thiệu thông số tấm nền 7 inch 800x480 pixel, IC điều khiển SSD1963, IC cảm ứng FT5206, dải điện áp làm việc (1.5V–5.25V), mức tiêu thụ dòng điện (480 mA ở 3.3V, 300 mA ở 5V, công suất tiêu thụ dưới 0.75 mW ở 2.7V với tần suất lấy mẫu cảm ứng 125 kHz).
  • Cảm biến DHT11: Cấu tạo 4 chân, dải đo ẩm 20–95% (±5%), nhiệt độ 0–50°C (±2°C), phân tích nguyên lý truyền dữ liệu 1-wire và giản đồ thời gian đồng bộ 5 byte dữ liệu.
  • Cảm biến khí CO/khói MQ-2: Cấu tạo từ màng mỏng bán dẫn SnO2, sơ đồ 6 chân (chân cực A, B, C), nguyên lý thay đổi điện trở theo nồng độ khí cháy và sơ đồ mạch trích xuất tín hiệu analog Aout cùng tín hiệu logic Dout qua biến trở so sánh.
  • Module ESP8266: Phân tích kiến trúc SoC 32-bit tích hợp bộ thu phát Wi-Fi 2.4 GHz, hỗ trợ công suất phát 19.5 dBm, các chế độ hoạt động (Client, AP, Both), tập lệnh AT và phương pháp nạp firmware, lập trình qua Arduino IDE bằng thư viện ESP8266WiFi.h với tốc độ baud mặc định 115200 bps.
  • Ngôn ngữ PHP và Cơ sở dữ liệu: Trình bày tổng quan về mô hình LAMP, cú pháp cơ bản của PHP, các kiểu dữ liệu, cấu trúc điều khiển rẽ nhánh, vòng lặp, mảng dữ liệu, phương thức truyền tham số HTTP GET/POST và cách dùng hàm MySQLi để thao tác với bảng dữ liệu.

Chương 3: Thiết kế hệ thống

Chương 3 đi sâu vào thiết kế chi tiết phần cứng và thuật toán điều khiển:

  • Trình bày sơ đồ khối tổng thể gồm khối vi điều khiển STM32F103VET6, khối cảm biến (DHT11, MQ-2), khối hiển thị và cảm ứng (GLCD 7 inch), khối cảnh báo (Buzzer), khối truyền thông không dây (ESP8266) và khối nguồn ổn áp cấp cho hệ thống.
  • Cung cấp các sơ đồ nguyên lý kết nối chi tiết: sơ đồ giao tiếp song song giữa STM32 và module GLCD; sơ đồ kết nối chân dữ liệu của DHT11 và MQ-2 với STM32; sơ đồ mạch cấp nguồn ổn định cho vi điều khiển và ESP8266; sơ đồ mạch kích còi báo Buzzer; sơ đồ nối chân UART và chân điều khiển CH_PD giữa ESP8266 và STM32.
  • Xây dựng hệ thống lưu đồ thuật toán chi tiết: lưu đồ chương trình chính thực thi các tác vụ quét tuần tự, lưu đồ giải thuật hiển thị và xử lý dữ liệu cho từng tab giao diện riêng biệt bao gồm tab Food (quản lý thức ăn), tab Medicine (quản lý thuốc/hóa chất) và tab Info (thông tin hệ thống).

Chương 4: Kết quả và đánh giá

Chương 4 ghi nhận các kết quả nghiên cứu và sản phẩm thực tế:

  • Phần lý thuyết: Hoàn thiện toàn bộ tài liệu tính toán, sơ đồ nguyên lý mạch điện và giải thuật chương trình điều khiển cho hệ thống nhúng kết hợp IoT.
  • Phần thực hành:
    • Hoàn thiện bản vẽ thiết kế mạch in PCB 2 lớp (lớp Top và lớp Bottom của bo mạch điều khiển trung tâm).
    • Chế tạo và lắp ráp thành công bo mạch điều khiển thực tế (mặt trên và mặt dưới), hàn gắn vi điều khiển STM32F103VET6 cùng các cổng giao tiếp ngoại vi.
    • Vận hành giao diện điều khiển thực tế trên màn hình cảm ứng 7 inch, bao gồm giao diện điều khiển chính, giao diện hiển thị tab Food, tab Medicine và tab Info.
    • Vận hành thành công giao diện trang web giám sát và quản lý dữ liệu trực tuyến qua Internet, nhận và hiển thị thông số môi trường đồng bộ từ bo mạch gửi lên.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương 5 đánh giá mức độ hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu, tổng kết các ưu điểm của mô hình và đề xuất các định hướng cải tiến, mở rộng đề tài cho các giai đoạn tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Đề tài đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu đề ra về mặt thiết kế phần cứng, lập trình hệ thống nhúng và xây dựng ứng dụng web quản lý từ xa với các kết quả cụ thể:

  • Chế tạo phần cứng hoàn chỉnh: Thiết kế và thi công thành công bo mạch điều khiển PCB 2 lớp tích hợp vi điều khiển ARM Cortex-M3 STM32F103VET6. Bo mạch kết nối ổn định với màn hình LCD TFT 7 inch (ER-TFTM070-4V2.1) độ phân giải 800x480 pixel qua IC điều khiển SSD1963 và cảm ứng FT5206; thu thập dữ liệu chính xác từ cảm biến DHT11 (đo nhiệt độ 0–50°C, độ ẩm 20–95% RH) và cảm biến khí MQ-2; kết nối còi Buzzer phát tín hiệu cảnh báo tại chỗ khi các thông số vượt ngưỡng an toàn.
  • Giao tiếp và truyền nhận dữ liệu qua mạng: Lập trình module Wi-Fi ESP8266 giao tiếp UART với STM32 ở tốc độ 115200 bps, kết nối thành công vào mạng Wi-Fi không dây và truyền dữ liệu thời gian thực lên máy chủ web qua cổng HTTP 80 đến máy chủ lưu trữ.
  • Xây dựng phần mềm quản lý hai tầng:
    • Tại chỗ: Giao diện đồ họa màu sắc nét trên màn hình cảm ứng 7 inch với các tab chức năng riêng biệt (Giao diện chính, Tab Food, Tab Medicine, Tab Info), cho phép người dùng thao tác nhập liệu trực tiếp không cần bàn phím ngoài.
    • Từ xa: Hệ thống trang web viết bằng ngôn ngữ PHP kết nối cơ sở dữ liệu MySQL giúp lưu trữ lịch sử đo đạc, theo dõi thông số môi trường mọi lúc, mọi nơi qua trình duyệt web.
  • Đóng góp của đề tài: Tác giả đã tự thiết kế một giải pháp tích hợp phần cứng hiệu năng cao trên nền vi xử lý 32-bit ARM Cortex-M3 với chi phí linh kiện thấp (chip STM32 có giá thành chỉ xấp xỉ 1 Euro ở quy mô thương mại), giải quyết được bài toán về giá thành và khắc phục nhược điểm giao diện khó sử dụng của các thiết bị giám sát truyền thống trên thị trường nhờ màn hình cảm ứng điện dung 7 inch và nền tảng quản lý web trực quan.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung công bố trong đồ án, hệ thống còn một số điểm hạn chế và các hướng mở cần tiếp tục hoàn thiện:

  • Hạn chế:

    • Các cảm biến được tích hợp trong mô hình hiện tại (DHT11 đo nhiệt độ/độ ẩm không khí, MQ-2 đo khí gas/khói trong không khí) chủ yếu mô phỏng môi trường vi khí hậu bề mặt hoặc kho chứa, chưa tích hợp trực tiếp các đầu dò chuyên dụng nhúng sâu trong môi trường nước nuôi trồng thủy sản (như cảm biến đo độ pH, oxy hòa tan DO, độ mặn hay độ đục của nước).
    • Hệ thống mới dừng lại ở quy mô mô hình thử nghiệm trong phòng thí nghiệm; chưa trải qua các bài kiểm thử dài hạn trong môi trường độ ẩm cao, ăn mòn muối biển thực tế ngoài hiện trường ao nuôi.
    • Chưa tích hợp cơ cấu chấp hành tự động điều khiển van nước, quạt tạo oxy hay máy cho ăn tự động dựa trên tín hiệu phản hồi từ web.

  • Hướng phát triển tiếp theo:

    • Bổ sung các cảm biến đo lường chất lượng nước chuyên dụng (đo nồng độ oxy hòa tan, pH, độ mặn, nhiệt độ nước) để đáp ứng trọn vẹn yêu cầu sinh thái của từng loài thủy hải sản.
    • Nâng cấp mạch công suất và relay để điều khiển tự động các thiết bị ngoại vi tại ao nuôi (bật/tắt máy quạt nước, hệ thống sục khí, máy bơm xả tràn và máng cho ăn tự động).
    • Tối ưu hóa giao diện web, xây dựng ứng dụng chuyên dụng trên thiết bị di động (Android/iOS) và hoàn thiện các chuẩn mã hóa bảo mật đường truyền dữ liệu giữa module nhúng và máy chủ Web.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các ngành:

  • Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông & Điện tử Công nghiệp: Tham khảo quy trình thiết kế phần cứng vi điều khiển 32-bit STM32, kỹ thuật vẽ mạch in PCB 2 lớp và phương pháp giao tiếp vi điều khiển với màn hình LCD TFT kích thước lớn điều khiển qua IC SSD1963/FT5206.
  • Kỹ thuật Máy tính, Tự động hóa & Hệ thống IoT: Tham khảo giải pháp giao tiếp UART giữa vi điều khiển chính và module Wi-Fi SoC ESP8266, phương pháp nạp chương trình qua Arduino IDE và kỹ thuật lập trình nhúng gửi yêu cầu HTTP Request lên máy chủ.
  • Công nghệ Thông tin & Lập trình Web nhúng: Tham khảo cách thiết kế máy chủ web tiếp nhận dữ liệu từ các thiết bị IoT bằng ngôn ngữ PHP kết hợp cơ sở dữ liệu MySQL.

Nội dung đáng chú ý nhất để học tập trong tài liệu là Chương 2 và Chương 3, nơi trình bày rất chi tiết các thanh ghi, giản đồ xung truyền thông 1-wire, sơ đồ đấu nối chân phần cứng và lưu đồ thuật toán điều khiển đa tab trên màn hình cảm ứng.

Câu hỏi thường gặp

1. Vi điều khiển trung tâm được sử dụng trong đề tài là loại nào và có những đặc điểm kỹ thuật gì nổi bật?
Hệ thống sử dụng vi điều khiển 32-bit STM32F103VET6 dựa trên nhân ARM Cortex-M3 (kiến trúc Harvard). Chip có 100 chân (trong đó có 80 chân GPIO), tần số hoạt động tối đa 72 MHz, tích hợp bộ điều khiển ngắt NVIC với độ trễ chuyển ngắt lồng nhau chỉ 6 chu kỳ xung nhịp (kỹ thuật tail-chaining), hỗ trợ các bus ICode, DCode, System, DMA bus, cùng các khối Timer 16-bit, giao tiếp SPI (tới 18 MHz), I2C và bộ ADC 12-bit 18 kênh.

2. Module màn hình LCD và cảm ứng được cấu hình như thế nào trong đồ án?
Đồ án sử dụng module ER-TFTM070-4V2.1 kích thước 7 inch, độ phân giải 800x480 pixel. Phần hiển thị hình ảnh được điều khiển bởi IC SSD1963 thông qua giao tiếp bus dữ liệu song song 6800/8080, trong khi phần cảm ứng điện dung được xử lý bởi IC FT5206 với tần suất lấy mẫu lên đến 125 kHz. Module hoạt động ở dải nguồn 1.5V–5.25V, tiêu thụ dòng 480 mA ở 3.3V và 300 mA ở mức nguồn 5V.

3. Khối cảm biến của hệ thống gồm những loại nào và cách thức vi điều khiển đọc dữ liệu ra sao?
Khối cảm biến gồm DHT11 và MQ-2. Vi điều khiển giao tiếp với DHT11 qua chuẩn 1-wire bằng cách kéo chân dữ liệu xuống mức thấp trong 25 ms để gửi tín hiệu Start, sau đó đọc chuỗi 40 bit (5 byte) dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm và byte checksum dựa trên độ rộng xung mức cao. Cảm biến MQ-2 sử dụng lớp bán dẫn SnO2 để phát hiện khí dễ cháy/khói, xuất điện áp tương tự Aout (0–5V) về bộ ADC 12-bit của STM32 và xuất tín hiệu số Dout (0 hoặc 1) qua bộ so sánh mức ngưỡng điều chỉnh bằng biến trở.

4. Dữ liệu từ thiết bị nhúng được truyền lên Internet bằng cách nào?
STM32 đóng gói dữ liệu cảm biến và gửi qua giao tiếp nối tiếp UART (tốc độ baud 115200 bps) tới module ESP8266. Module ESP8266 được lập trình bằng Arduino IDE (thư viện ESP8266WiFi.h) để kết nối Wi-Fi 2.4 GHz, thiết lập kết nối TCP cổng 80 tới máy chủ web tại tên miền lưu trữ giabaonguyenanh.com, sau đó gửi dữ liệu dạng bản tin HTTP Request.

5. Ứng dụng Web phía máy chủ được xây dựng bằng những công nghệ nào?
Máy chủ Web được xây dựng dựa trên mô hình LAMP (Linux, Apache, MySQL, PHP). Ngôn ngữ lập trình PHP tiếp nhận chuỗi dữ liệu gửi lên qua phương thức HTTP (GET/POST), xử lý dữ liệu và sử dụng thư viện MySQLi để ghi vào cơ sở dữ liệu MySQL, đồng thời tạo giao diện hiển thị trực quan cho người dùng giám sát từ xa.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế thi công mô hình quản lý giám sát nuôi trồng thủy hải sản qua Internet" của sinh viên Nguyễn Anh Gia Bảo và Huỳnh Hoài Tâm đã hoàn thành trọn vẹn việc nghiên cứu, thiết kế phần cứng và lập trình cho một hệ thống nhúng IoT hoàn chỉnh. Đề tài kết hợp thành công vi xử lý 32-bit STM32F103VET6 hiệu năng cao với màn hình cảm ứng điện dung 7 inch SSD1963/FT5206, các cảm biến môi trường DHT11, MQ-2 và module Wi-Fi ESP8266 kết nối máy chủ LAMP. Kết quả nghiên cứu không chỉ giải quyết tốt bài toán hiển thị và quản lý trực quan tại chỗ mà còn cung cấp khả năng giám sát dữ liệu trực tuyến qua Internet với chi phí phần cứng tối ưu, tạo tiền đề vững chắc cho việc phát triển các thiết bị tự động hóa chuyên sâu trong lĩnh vực nông nghiệp công nghệ cao.