Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh của cuộc Cách mạng Công nghiệp lần thứ tư, quá trình hiện đại hóa và tự động hóa nông nghiệp trở thành một định hướng cấp thiết nhằm ứng phó với tình trạng đô thị hóa và sự già hóa lực lượng lao động nông thôn. Tại Việt Nam, với hơn 65,4% dân số sinh sống ở khu vực nông thôn và lực lượng lao động nông nghiệp chiếm tới 42% tổng lực lượng lao động xã hội, việc ứng dụng các giải pháp kỹ thuật công nghệ cao để ổn định chất lượng nông sản, nâng cao năng suất thu hoạch và giảm thiểu sức lao động thủ công là mục tiêu mang tính chiến lược.

Các giải pháp truyền thống trong giám sát môi trường nông nghiệp từ xa hiện nay thường sử dụng các chuẩn truyền thông không dây tầm ngắn như Wi-Fi, Bluetooth hoặc Zigbee. Tuy nhiên, các công nghệ này bộc lộ nhược điểm rõ rệt với cự ly hoạt động giới hạn trong khoảng 10 đến 100 mét. Khi triển khai tại các trang trại có diện tích canh tác rộng lớn hoặc địa hình phân tán thành nhiều khu vườn, việc thiết lập mạng lưới bằng các chuẩn tầm ngắn trở nên phức tạp, đòi hỏi nhiều trạm lặp và làm gia tăng đáng kể chi phí đầu tư phần cứng. Ngược lại, công nghệ mạng diện rộng công suất thấp LoRa (Long Range) sở hữu khả năng truyền tải dữ liệu ở khoảng cách xa (5 đến 10 km trên lý thuyết), mức tiêu thụ năng lượng thấp và giá thành hợp lý, phù hợp với các ứng dụng trao đổi dữ liệu tốc độ thấp trong thời gian dài. Đồng thời, việc kết hợp với mạng di động GSM/GPRS giúp mở rộng khả năng cảnh báo sự cố khẩn cấp trực tiếp đến điện thoại người quản lý.

Đề tài "Nghiên cứu và thiết kế mạng cảm biến không dây dùng mạng LoRa và GSM dùng trong quản lý trang trại" được nhóm tác giả Huỳnh Tấn Linh và Bùi Trung Nguyên thực hiện dưới sự hướng dẫn của GVC. Trương Ngọc Anh tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (Khoa Điện – Điện tử, Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y sinh).

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án bao gồm:

  1. Thiết kế và thi công hệ thống mạng cảm biến không dây nhằm giám sát các thông số nhiệt độ, độ ẩm và điều khiển các thiết bị ngoại vi (đèn chiếu sáng, máy bơm nước) tại các khu vườn thực tế.
  2. Thiết lập kênh truyền nhận dữ liệu điều khiển và thu thập thông số môi trường thông qua mạng truyền thông không dây LoRa.
  3. Đồng bộ hóa toàn bộ dữ liệu đo đạc và trạng thái thiết bị của hệ thống lên nền tảng đám mây IoT Blynk qua mạng Internet, cho phép giám sát và điều khiển từ xa trên giao diện ứng dụng di động.

Để đạt được các mục tiêu trên, đề tài phân chia thành 9 nội dung/nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Lên ý tưởng thực hiện đồ án, tìm hiểu và khảo sát các linh kiện phần cứng sử dụng.
  2. Thiết kế và lập trình giao tiếp với các module phần cứng cấp trang trại.
  3. Kết nối board vi điều khiển NodeMCU ESP32 với mạng Internet để cập nhật dữ liệu hiển thị và truyền nhận thông tin lên ứng dụng Blynk.
  4. Nghiên cứu xây dựng giao diện hiển thị, cài đặt cấu hình kết nối module ESP32 với nền tảng Blynk qua Internet.
  5. Thiết kế và hiện thực hóa chương trình điều khiển cho vi điều khiển và giao diện Blynk.
  6. Lắp ráp các khối chức năng vào mô hình thực tế.
  7. Chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh hoạt động của toàn bộ hệ thống.
  8. Biên soạn tài liệu luận văn tốt nghiệp.
  9. Báo cáo đề tài tốt nghiệp trước hội đồng chuyên môn.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Mạng cảm biến không dây (WSN), giao thức truyền thông LoRa, mạng di động GSM/GPRS, vi điều khiển ESP32, chuẩn giao tiếp công nghiệp RS485/Modbus RTU, cùng các cảm biến đo thông số đất và môi trường không khí.
  • Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống được giới hạn triển khai trong phạm vi mô hình thực nghiệm với quy mô gồm 01 bộ điều khiển trung tâm (Gateway) và 02 bộ điều khiển phụ (Node) đặt tại hai khu vườn. Mỗi Node phụ đảm nhiệm chức năng đo đạc nhiệt độ, độ ẩm môi trường rồi truyền dữ liệu về Gateway; đồng thời Gateway có khả năng điều khiển trực tiếp 01 máy bơm và 01 bóng đèn tại mỗi Node. Về mặt vật lý, board mạch trung tâm được đóng gói bảo vệ trong hộp mica kích thước 158 x 90 x 75 mm nhằm bảo đảm an toàn điện và tính thẩm mỹ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng trên nền tảng lý thuyết về Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN), bao gồm cấu trúc phân cấp từ nút cảm biến (End Nodes), trạm thu thập trung gian (Gateway/Concentrator), máy chủ điều phối mạng (Network Server) cho đến máy chủ ứng dụng (Application Server). Đề tài phân loại và khảo sát các mô hình mạng WSN chuyên dụng (trên cạn, ngầm dưới đất, dưới nước, đa phương tiện và mạng di động), từ đó lựa chọn giải pháp mạng WSN trên cạn kết hợp đầu dò đo đạc nông nghiệp chuyên dụng.

Các chuẩn giao tiếp và giao thức truyền thông được phân tích và sử dụng trong đề tài:

  • Chuẩn Wi-Fi (IEEE 802.11n): Hoạt động trên dải tần 2.4 GHz với tốc độ lý thuyết lên tới 150 Mbps, đóng vai trò liên kết Gateway ESP32 với trạm phát Wi-Fi để đồng bộ dữ liệu lên máy chủ đám mây Blynk.
  • Chuẩn truyền thông nối tiếp bất đồng bộ UART: Đảm nhiệm việc truyền nhận dữ liệu giữa vi điều khiển ESP32 với module LoRa, màn hình cảm ứng HMI Nextion và module SIM GSM qua hai đường tín hiệu Tx và Rx. Khung truyền dữ liệu cấu hình gồm Start bit, 8 bit dữ liệu, không sử dụng Parity bit và 1 Stop bit.
  • Chuẩn truyền thông RS485 và giao thức Modbus RTU: Sử dụng đường truyền vi sai hai dây (A+ và B-) có khả năng chống nhiễu công nghiệp vượt trội để giao tiếp giữa vi điều khiển trung tâm với các cảm biến chuyên dụng thông qua mạch chuyển đổi mức tín hiệu UART TTL sang RS485. Modbus RTU vận hành theo cơ chế Master – Slave thông qua địa chỉ thanh ghi cấu hình.
  • Công nghệ điều chế vô tuyến LoRa và kiến trúc LoRaWAN: Tận dụng kỹ thuật trải phổ chirp (CSS) để duy trì kết nối vô tuyến cự ly xa với mức công suất phát thấp trên băng tần miễn cấp phép (ISM band).
  • Mạng thông tin di động GSM: Tìm hiểu kiến trúc phân hệ trạm di động (MS), phân hệ trạm gốc (BSS) và phân hệ chuyển mạch mạng (NSS) để khai thác các dịch vụ tin nhắn ngắn (SMS) và truyền dữ liệu gói GPRS phục vụ chức năng phát tín hiệu cảnh báo sự cố khẩn cấp.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và thiết kế hệ thống kỹ thuật:

  • Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Khảo sát thông số datasheet của linh kiện bán dẫn, sơ đồ chân và giao thức truyền tin.
  • Phương pháp tính toán và thiết kế mạch điện tử: Tính toán công suất tiêu thụ dòng tĩnh và dòng tải tối đa của khối vi điều khiển, khối truyền nhận không dây, màn hình hiển thị và khối rơ-le công suất; thiết kế mạch in (PCB) phân lớp bằng phần mềm chuyên ngành.
  • Phương pháp thực nghiệm và kiểm thử: Đo kiểm mức điện áp hoạt động (3.3V, 5V, 12V), thử nghiệm khoảng cách truyền sóng vô tuyến của module LoRa E32 trong các điều kiện môi trường thực tế, kiểm tra độ nhạy và thời gian đáp ứng của cảm biến đất và không khí, đo lường độ trễ đồng bộ tín hiệu điều khiển trên nền tảng Blynk.

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu bao gồm tài liệu kỹ thuật (datasheet) từ nhà sản xuất linh kiện (Semtech, Espressif Systems, SimCom, Hi-Link), tài liệu chuẩn kỹ thuật IEEE, 3GPP và tập dữ liệu thu nhận thực tế từ các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm đo đạc trực tiếp tại mô hình vườn thử nghiệm.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module phân tán, bao gồm khối xử lý trung tâm (Gateway) và 02 khối xử lý phụ (Node cảm biến và điều khiển ngoại vi).

Thành phần phần cứng Model / Mã hiệu Thông số kỹ thuật chính trích xuất từ văn bản Chức năng trong hệ thống
Vi điều khiển trung tâm & Node ESP32 NodeMCU Vi xử lý 32-bit Xtensa LX6 lõi kép; điện áp 3.0 – 3.6VDC; dòng tiêu thụ 90mA; ROM 448 KB, SRAM 520 KB; tích hợp Wi-Fi 802.11 b/g/n (lên đến 150 Mbps) và Bluetooth 4.2 BLE Thu thập dữ liệu, điều khiển đóng ngắt tải, xử lý giao thức truyền thông LoRa, kết nối Wi-Fi/Blynk
Module thu phát RF LoRa E32-433T20D Chip SEMTECH SX1278; dải tần 410 – 441 MHz; công suất 20 dBm (100 mW); độ nhạy -130 dBm; khoảng cách lý tưởng 3000 m; bộ nhớ đệm 512 bytes; hỗ trợ 65536 địa chỉ cấu hình; giao tiếp UART TTL-3.3V Cầu nối truyền thông vô tuyến cự ly xa giữa các Node vườn và Gateway trung tâm
Module truyền thông di động Module SIM A7680C Giao tiếp tập lệnh AT qua cổng UART; hỗ trợ mạng di động GSM/GPRS Gửi tin nhắn SMS cảnh báo tức thời đến điện thoại người quản lý khi có sự cố
Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm đất ES-SM-TH-01 Chuẩn ngõ ra RS485 Modbus RTU; nguồn cấp 12 – 24VDC; phạm vi đo độ ẩm 0 – 100% RH; nhiệt độ -40 đến 80°C (sai số ±0.5°C); chuẩn bảo vệ IP68; đầu dò dài 70 mm, đường kính 3 mm Đo đạc điều kiện nhiệt - ẩm dưới tầng đất canh tác
Cảm biến đất đa thông số Cảm biến 4 trong 1 Nguồn cấp 5 – 30VDC, công suất tiêu thụ tối đa 0.5W*24VDC; ngõ ra RS485; dải đo: nhiệt độ -40 đến 80°C (±5°C tại 25°C), độ ẩm 0 – 100% RH (±2% đến ±3%), EC 0 – 20000 µS/cm (±3% đến ±5%), pH 3 – 9 pH (±0.3 pH); cấp bảo vệ IP68 Giám sát toàn diện dinh dưỡng và lý hóa tính của đất
Cảm biến môi trường không khí ES-TH-01 Giao thức Modbus RTU chuẩn RS485; nguồn cấp 9 – 30VDC; phạm vi: nhiệt độ -40 đến 80°C (±0.1°C), độ ẩm 0 – 100% RH (±3% RH, độ phân giải 0.1% RH); điện năng tiêu thụ < 0.1W; kích thước 75 x 15 mm Thu thập nhiệt độ và độ ẩm khí quyển tại khu vực vườn
Màn hình hiển thị HMI Nextion NX4024T032 Kích thước 3.2 inch TFT, độ phân giải 400 x 240 pixels; 65K màu RGB; cảm ứng điện trở 4 dây; bộ nhớ Flash tích hợp 4 MB; hỗ trợ khe cắm thẻ nhớ micro-SD; giao tiếp nối tiếp 2 dây UART TTL Hiển thị thông số môi trường tại chỗ và cho phép người vận hành thao tác cảm ứng trực tiếp tại tủ điều khiển
Module nguồn chuyển đổi AC-DC Hi-Link HLK-20M12 Điện áp đầu vào 110 – 240VAC; điện áp ngõ ra 12VDC, công suất 20W Hạ áp và chỉnh lưu từ lưới điện 220VAC cung cấp nguồn động lực 12V cho toàn mạch
Mạch chuyển đổi giao tiếp UART TTL to RS485 V2 Điện áp cấp 3 – 5VDC; tích hợp bộ đệm, cầu chì tự phục hồi, diode chống nhiễu; hỗ trợ khoảng cách truyền tối đa 1 km (khuyến nghị dưới 800 m); có LED chỉ thị TX/RX Chuyển đổi mức tín hiệu logic giữa ESP32 và mạng bus cảm biến RS485
IC ổn áp hạ áp AMS1117-3.3 Điện áp ngõ ra cố định 3.3VDC; cung cấp nguồn dòng cho vi điều khiển ESP32 và module LoRa Đảm bảo điện áp cấp ổn định cho vi mạch logic
Khối rơ-le công suất Module Relay 5V Cuộn hút 5VDC (dòng kích 70 mA); tiếp điểm chịu tải tối đa 250VAC/10A; thời gian tác động 10 ms, nhả 5 ms; dải nhiệt độ -45 đến 75°C Đóng ngắt tiếp điểm cấp nguồn cho động cơ máy bơm tưới và đèn sưởi/chiếu sáng

Cấu hình chế độ hoạt động của Module LoRa SX1278 E32-433T20D trên phần cứng:

  • Chế độ 0 (Normal - Bình thường): Chân M0 = 0, M1 = 0. Cổng UART và kênh truyền không dây cùng mở. Bên nhận phải làm việc ở Mode 0 hoặc Mode 1.
  • Chế độ 1 (Wake-up - Đánh thức): Chân M0 = 0, M1 = 1. Cổng UART và truyền thông không dây hoạt động. Hệ thống tự động chèn một đoạn mã hóa đặc biệt trước gói dữ liệu để kích hoạt bên nhận đang ở chế độ tiết kiệm năng lượng.
  • Chế độ 2 (Power Saving - Tiết kiệm điện): Chân M0 = 1, M1 = 0. Cổng UART bị đóng, module hoạt động ở chế độ chờ vô tuyến (Work on Radio) và chỉ mở UART sau khi nhận được tín hiệu đánh thức từ bên phát.
  • Chế độ 3 (Sleep - Ngủ): Chân M0 = 1, M1 = 1. Tạm dừng truyền nhận, chỉ sử dụng để cài đặt và cấu hình thông số hoạt động của module qua phần mềm.

Quy trình triển khai phần mềm và thuật toán:

  • Thuật toán Gateway trung tâm: Khởi tạo các cổng truyền thông ngoại vi (UART, Wi-Fi, Nextion); kiểm tra kết nối với nền tảng Blynk; lắng nghe dữ liệu định kỳ từ các Node qua sóng LoRa; giải mã khung dữ liệu cảm biến; cập nhật lên màn hình LCD Nextion và đẩy lên đám mây Blynk; đồng thời quét lệnh điều khiển bơm/đèn từ Blynk hoặc từ màn hình cảm ứng để gửi gói tin điều khiển ngược về các Node.
  • Thuật toán Node phụ: Đọc dữ liệu từ các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm qua giao thức Modbus RTU/RS485; đóng gói chuỗi dữ liệu theo định dạng định sẵn; kích hoạt module LoRa phát tín hiệu về Gateway; nhận dữ liệu phản hồi từ Gateway để kích hoạt rơ-le đóng/ngắt máy bơm và bóng đèn tương ứng; gửi thông báo hoàn thành.
  • Giao diện giám sát và cảnh báo: Xây dựng dashboard trên ứng dụng di động Blynk hiển thị đồng hồ đo nhiệt độ, độ ẩm và các nút gạt ảo để điều khiển thiết bị; tích hợp module SIM A7680C lập trình gửi tin nhắn SMS cảnh báo tự động khi các thông số vượt ngưỡng an toàn đã cài đặt.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tổng quan tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh hiện đại hóa nông nghiệp Việt Nam, nơi lao động nông nghiệp chiếm 42% lực lượng sản xuất xã hội và hơn 65,4% dân cư tập trung tại nông thôn. Tác giả chỉ ra hạn chế của các giải pháp mạng không dây cự ly ngắn hiện hữu và xác định mục tiêu thiết kế hệ thống WSN ứng dụng LoRa kết hợp GSM để quản lý trang trại. Chương này công bố chi tiết 9 nội dung nghiên cứu cần giải quyết, xác định giới hạn kỹ thuật của hệ thống (mô hình gồm 1 Gateway và 2 Node; mỗi Node đọc cảm biến và điều khiển 1 đèn, 1 bơm; board mạch trung tâm đặt trong hộp bảo vệ mica 158 x 90 x 75 mm) và phác thảo bố cục tài liệu khóa luận gồm 6 chương.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 tập trung cung cấp nền tảng lý luận toàn diện về mạng cảm biến không dây (WSN), phân tích nguyên lý vận hành từ khâu thu nhận, xử lý đến truyền dữ liệu về trạm cơ sở. Tác giả phân loại chi tiết các cấu trúc mạng WSN (trên cạn, ngầm, dưới nước, đa phương tiện, di động) và liệt kê phạm vi ứng dụng trong công nghiệp, dân dụng, y tế và nông nghiệp. Chương này phân tích chuyên sâu các giao thức và chuẩn truyền thông: Wi-Fi (IEEE 802.11n tần số 2.4 GHz), UART (cấu trúc khung truyền, Start/Stop/Parity bit), Modbus RTU qua môi trường vật lý RS485 (nguyên lý Master - Slave, sơ đồ ghép nối A+, B-, GND), công nghệ điều chế LoRa cùng kiến trúc LoRaWAN 4 thành phần (End Nodes, Gateway, Network Server, Application Server), và cấu trúc mạng thông tin di động GSM (MS, BSS, NSS, OSS, AuC, EIR, dịch vụ SMS và GPRS tối đa 160 kbps). Cuối chương, văn bản giới thiệu tường tận các linh kiện phần cứng cấu thành hệ thống: vi điều khiển ESP32 NodeMCU, module RF LoRa E32-433T20D (kèm bảng 4 chế độ làm việc M0, M1), cảm biến ES-SM-TH-01, cảm biến đất 4 trong 1, cảm biến nhiệt - ẩm không khí ES-TH-01 (kèm sơ đồ chân màu dây), relay 5V, màn hình HMI Nextion 3.2 inch NX4024T032, module nguồn Hi-Link HLK-20M12, module chuyển đổi UART-RS485 V2 và IC ổn áp AMS1117-3.3V.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 chi tiết hóa quy trình thiết kế phần cứng của đồ án. Tác giả xây dựng sơ đồ khối toàn hệ thống, thuyết minh chức năng từng khối (khối xử lý trung tâm, khối cảm biến, khối hiển thị, khối truyền nhận dữ liệu LoRa, khối công suất điều khiển relay và khối cấp nguồn). Trên cơ sở đó, các tính toán kỹ thuật được thực hiện nhằm xác định mức tiêu thụ dòng điện của khối chính và các khối phụ, làm căn cứ chọn lựa module nguồn HLK-20M12 công suất 20W và IC hạ áp AMS1117-3.3V. Chương này trình bày chi tiết sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển trung tâm, sơ đồ nguyên lý các khối điều khiển phụ, mạch đệm kích transistor điều khiển cuộn hút relay, và mạch phối hợp trở kháng chống nhiễu cho mạng bus RS485.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 ghi lại tiến trình thi công chế tạo mô hình thực tế. Tác giả trình bày bản vẽ thiết kế mạch in (PCB) lớp Bottom và sơ đồ bố trí linh kiện cho cả board điều khiển trung tâm lẫn board điều khiển phụ; hoàn thiện quá trình hàn lắp linh kiện và đóng gói phần cứng vào các hộp bảo vệ mica. Về mặt phần mềm, chương này mô tả chi tiết các lưu đồ giải thuật: lưu đồ chương trình chính của khối điều khiển trung tâm (Gateway), lưu đồ khối điều khiển phụ (Node), lưu đồ chương trình con giao tiếp LoRa và hiển thị màn hình Nextion, lưu đồ kết nối đồng bộ dữ liệu và điều khiển tải trên nền tảng Blynk. Cuối cùng, chương 4 cung cấp tài liệu hướng dẫn vận hành, quy trình thao tác và kiểm tra an toàn hệ thống cho người sử dụng.

Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá

Chương 5 công bố các kết quả thực nghiệm đạt được sau khi tích hợp toàn bộ phần cứng và phần mềm. Các hình ảnh minh chứng về giao diện điều khiển trên màn hình Nextion, giao diện dashboard trên ứng dụng di động Blynk, trạng thái đồng bộ hai chiều giữa phần cứng thực tế và máy chủ đám mây, cùng tin nhắn SMS cảnh báo gửi về điện thoại di động được ghi nhận đầy đủ. Tác giả thiết lập bảng đánh giá thực tế về khả năng thu thập thông số, độ ổn định của liên kết vô tuyến LoRa, độ nhạy của cảm biến và thời gian trễ phản hồi khi đóng ngắt các tải công suất (bơm, đèn). Chương này cũng đưa ra các nhận xét khách quan về ưu điểm, hạn chế và mức độ hoàn thành nhiệm vụ thiết kế ban đầu.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được từ mô hình thực nghiệm, khẳng định hệ thống đã đáp ứng được các mục tiêu kỹ thuật đề ra trong nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp. Đồng thời, tác giả chỉ ra các điểm giới hạn của đề tài và đề xuất các giải pháp nâng cấp trong giai đoạn nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Hệ thống đã được chế tạo và kiểm nghiệm hoạt động hoàn chỉnh với các kết quả cụ thể ghi nhận trong tài liệu:

  • Chế tạo thành công 01 bộ điều khiển trung tâm (Gateway) và 02 bộ điều khiển phụ (Node) hoạt động đồng bộ. Board trung tâm được đóng gói hoàn thiện trong vỏ hộp mica kích thước 158 x 90 x 75 mm, đảm bảo an toàn điện và độ gọn gàng cơ khí.
  • Thu thập dữ liệu môi trường chính xác từ mạng cảm biến công nghiệp RS485 Modbus RTU: Đọc đồng thời nhiệt độ không khí (sai số ±0.1°C), độ ẩm không khí (sai số ±3% RH), nhiệt độ đất (sai số ±0.5°C) và độ ẩm đất qua cảm biến chuyên dụng chuẩn chống nước IP68.
  • Thiết lập kênh truyền dữ liệu vô tuyến cự ly xa qua module LoRa SX1278 E32-433T20D trên dải tần 410 – 441 MHz, công suất phát 20 dBm (100 mW), hoạt động ổn định giữa các Node vườn và Gateway mà không cần hạ tầng dây dẫn phức tạp.
  • Thực hiện điều khiển đóng/ngắt độc lập các tải công suất gồm 01 máy bơm và 01 đèn tại mỗi Node thông qua hệ thống module rơ-le 5V chịu dòng tiếp điểm 10A/250VAC.
  • Xây dựng giao diện hiển thị và điều khiển tại chỗ thông qua màn hình cảm ứng điện trở Nextion 3.2 inch NX4024T032 giao tiếp UART.
  • Đồng bộ hóa dữ liệu môi trường và trạng thái thiết bị lên nền tảng đám mây IoT Blynk qua kết nối Wi-Fi của ESP32, cho phép giám sát và điều khiển tức thời từ xa qua ứng dụng di động.
  • Tích hợp module SIM A7680C gửi tin nhắn SMS cảnh báo tự động về điện thoại người quản lý khi các thông số nhiệt độ, độ ẩm vượt ngưỡng an toàn.

Đóng góp kỹ thuật do tác giả tự xác định:

  • Khắc phục triệt để nhược điểm về cự ly ngắn (10 – 100 m) của các công nghệ Wi-Fi, Bluetooth hay Zigbee truyền thống bằng việc ứng dụng giải pháp LoRa cho mạng cảm biến cấp trang trại, giúp tối ưu hóa chi phí đầu tư và đơn giản hóa kiến trúc mạng diện rộng.
  • Kết hợp đa phương thức truyền thông: phối hợp linh hoạt giữa bus công nghiệp RS485 Modbus RTU (đo lường cảm biến chống nhiễu), mạng vô tuyến tầm xa LoRa (liên kết trạm), mạng không dây Wi-Fi/Blynk (quản lý đám mây) và mạng di động viễn thông GSM (cảnh báo khẩn cấp qua SMS).
  • Hoàn thiện trọn vẹn một sản phẩm kỹ thuật từ khâu tính toán nguyên lý, layout bo mạch in PCB, lắp ráp phần cứng cơ khí cho đến xây dựng giải thuật nhúng và giao diện giám sát người dùng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài (theo công bố của tác giả trong văn bản):

  • Hệ thống mới chỉ được thử nghiệm và hoạt động trong phạm vi quy mô mô hình nhất định (gồm 1 Gateway và 2 Node phụ).
  • Chưa tích hợp hệ thống camera giám sát hình ảnh thực tế tại từng bộ điều khiển để phục vụ quản lý trực quan.
  • Hệ thống chưa được trang bị bộ lưu điện hoặc nguồn dự phòng (pin mặt trời, ắc quy dự phòng) khi xảy ra sự cố mất điện lưới 220VAC.
  • Các chức năng quản lý nông nghiệp nâng cao chưa được hiện thực hóa đầy đủ trên phần mềm.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo:

  • Tích hợp thêm camera giám sát chuyên dụng tại các bộ điều khiển trung tâm và bộ điều khiển phụ để theo dõi hình ảnh cây trồng và an ninh trang trại.
  • Bổ sung hệ thống nguồn cấp dự phòng (UPS/nguồn năng lượng mặt trời) nhằm đảm bảo hệ thống vận hành liên tục khi mất nguồn điện chính.
  • Phát triển thêm các thuật toán điều khiển tự động thông minh cho hệ thống tưới tiêu dựa trên ngưỡng thông số đất thu thập được.
  • Mở rộng tính năng nhận diện, phân tích và đưa ra hệ thống cảnh báo sâu bệnh hại cây trồng trên nền tảng IoT.

Giá trị tham khảo

Đề tài là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên và học viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Máy tính và Công nghệ Nông nghiệp Thông minh.
  • Người làm đề tài nghiên cứu hoặc dự án kỹ thuật liên quan đến:
    • Thiết kế và triển khai mạng cảm biến không dây diện rộng công suất thấp (LPWAN) sử dụng công nghệ LoRa/LoRaWAN.
    • Kỹ thuật lập trình nhúng trên dòng vi điều khiển SoC ESP32 kết nối nền tảng đám mây Blynk.
    • Kỹ thuật ghép nối thiết bị đo công nghiệp chuẩn RS485 Modbus RTU với vi điều khiển qua cổng nối tiếp UART.
    • Ứng dụng tập lệnh AT trên module SIM viễn thông (A7680C) để truyền thông tin và gửi tin nhắn cảnh báo SMS.

Các phần có giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao trong văn bản:

  • Bảng thông số và thiết lập 4 chế độ hoạt động (Mode 0 đến Mode 3) của module LoRa SX1278 E32-433T20D qua trạng thái logic của các chân M0, M1.
  • Sơ đồ đấu nối dây và cấu hình truyền nhận dữ liệu chuẩn RS485 Modbus RTU của các cảm biến chuyên dụng (ES-SM-TH-01, ES-TH-01).
  • Lưu đồ thuật toán điều phối truyền nhận dữ liệu giữa vi điều khiển ESP32, màn hình HMI Nextion, module LoRa và nền tảng IoT Blynk.

Câu hỏi thường gặp

1. Trong hệ thống này, module LoRa SX1278 E32-433T20D hoạt động trên dải tần số nào và có công suất phát là bao nhiêu?
Theo thông số kỹ thuật được tác giả trình bày, module LoRa SX1278 E32-433T20D hoạt động trong dải tần số từ 410 đến 441 MHz, công suất phát tối đa là 20 dBm (tương đương 100 mW), độ nhạy thu đạt -130 dBm và cự ly truyền tối đa trong điều kiện lý tưởng có thể đạt tới 3000 mét.

2. Để đưa module LoRa E32-433T20D vào chế độ cài đặt thông số (Sleep mode), các chân điều khiển M0 và M1 phải được thiết lập mức logic như thế nào?
Căn cứ vào Bảng 2.1 (Các chế độ cài đặt của LoRa) trong văn bản, để chuyển module sang Mode 3 (Sleep) nhằm tiến hành cài đặt thông số cấu hình, người lập trình phải thiết lập đồng thời cả hai chân M0 = 1 và M1 = 1.

3. Các cảm biến đo độ ẩm và nhiệt độ đất trong đề tài giao tiếp với vi điều khiển bằng chuẩn vật lý và giao thức truyền thông nào?
Các cảm biến môi trường (như ES-SM-TH-01, ES-TH-01 và cảm biến đất 4 trong 1) sử dụng chuẩn giao tiếp vật lý RS485 vi sai 2 dây (chân tín hiệu A+ và B-) và truyền nhận dữ liệu theo giao thức công nghiệp tiêu chuẩn Modbus RTU. Tín hiệu này được chuyển đổi sang mức điện áp logic UART TTL (3 – 5VDC) trước khi đưa vào vi điều khiển ESP32.

4. Khối xử lý trung tâm (Gateway) được đóng gói cơ khí như thế nào và có những cổng hiển thị/giao tiếp nào tại chỗ?
Board mạch của bộ xử lý trung tâm được đặt cố định bên trong một hộp bảo vệ bằng vật liệu mica có kích thước 158 x 90 x 75 mm nhằm đảm bảo tính thẩm mỹ và an toàn vận hành. Tại Gateway, hệ thống tích hợp màn hình cảm ứng màu HMI Nextion 3.2 inch (độ phân giải 400 x 240, giao tiếp UART) cho phép hiển thị số liệu đo đạc và thao tác điều khiển thiết bị tại chỗ mà không phụ thuộc vào điện thoại.

5. Hệ thống sử dụng phương thức truyền thông nào để người quản lý nhận thông tin cảnh báo khẩn cấp khi xảy ra sự cố vượt ngưỡng?
Bên cạnh việc đồng bộ dữ liệu lên giao diện ứng dụng Blynk qua mạng Internet/Wi-Fi, hệ thống sử dụng module truyền thông di động GSM (SIM A7680C) kết nối qua giao tiếp UART để gửi tin nhắn SMS cảnh báo trực tiếp đến số điện thoại của người quản lý trang trại khi các thông số môi trường vượt khỏi giới hạn an toàn.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu và thiết kế mạng cảm biến không dây dùng mạng LoRa và GSM dùng trong quản lý trang trại" của sinh viên Huỳnh Tấn Linh và Bùi Trung Nguyên đã hoàn thành trọn vẹn các mục tiêu kỹ thuật đề ra. Hệ thống kết hợp thành công công nghệ truyền thông vô tuyến tầm xa LoRa, chuẩn bus công nghiệp RS485 Modbus RTU, nền tảng IoT Blynk và mạng di động GSM trên nền tảng vi điều khiển ESP32. Mô hình thực nghiệm đã vận hành ổn định trong việc đo đạc thông số môi trường đất - không khí, điều khiển các thiết bị tưới tiêu/chiếu sáng và gửi cảnh báo tự động, mở ra khả năng ứng dụng thực tế trong lĩnh vực nông nghiệp thông minh tại Việt Nam.