Đồ án HCMUTE: Thiết kế và thi công hệ thống IoT phục vụ nông nghiệp

Đồ án nghiên cứu hcmute thiết kế và thi công hệ thống iot phục vụ cho nông nghiệp ứng dụng gateway, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán nông nghiệp.

• Tác giả: Trần Quốc Tiến
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Thanh Nghĩa
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Điện Tử Công Nghiệp
• Đề tài: Thiết Kế Và Thi Công Hệ Thống IoT Phục Vụ Cho Nông Nghiệp Ứng Dụng Gateway
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.2. MỤC TIÊU
• 1.3. NỘI DUNG THỰC HIỆN
• 1.4. GIỚI HẠN
• 1.5. BỐ CỤC
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. TỔNG QUAN VỀ IOT
• 2.2. CÁC CHUẨN GIAO TIẾP
• 2.2.1. Chuẩn giao tiếp one-wire
• 2.2.2. Chuẩn giao tiếp SPI
• 2.2.3. Giao thức MQTT
• 2.3. TỔNG QUAN VỀ WEB
• 2.4. TỔNG QUAN VỀ GATEWAY
• 2.4.1. Cấu tạo phần cứng Raspberry pi
• 2.4.2. Phần mềm Raspberry
• 2.5. TỔNG QUAN VỀ ARDUINO
• 2.6. GIỚI THIỆU CẢM BIẾN
• 2.6.1. Cảm biến nhiệt độ độ ẩm không khí
• 2.6.2. Cảm biến độ ẩm đất
• 2.7. GIỚI THIỆU RELAY
• 2.8. GIỚI THIỆU LORA
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
• 3.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
• 3.2. Tính toán và thiết kế mạch
• 3.3. Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch
• 4. CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG
• 4.1. Thi công bo mạch
• 4.2. Lắp ráp và kiểm tra bo mạch
• 4.3. Thi công mô hình
• 4.4. Lập trình hệ thống
• 4.4.1. Phần mềm lập trình cho vi điều khiển
• 4.4.2. Phần mềm lập trình Web
• 4.5. Hướng dẫn sử dụng, thao tác
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Thiết kế hệ thống IoT cho nông nghiệp tại HCMUTE

Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và thi công hệ thống IoT phục vụ cho nông nghiệp ứng dụng Gateway tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (HCMUTE) tập trung vào việc xây dựng một hệ thống giám sát và điều khiển môi trường trong nhà kính. Hệ thống sử dụng các cảm biến IoT nông nghiệp để thu thập dữ liệu về nhiệt độ, độ ẩm đất, độ ẩm không khí. Dữ liệu này được truyền về trung tâm xử lý (Gateway) dựa trên nền tảng Raspberry Pi, sau đó được hiển thị trên một giao diện web. Hệ thống cũng tích hợp khả năng điều khiển tự động các thiết bị như hệ thống phun sương, máy bơm nước thông qua giao diện web này. Đồ án nhấn mạnh vào khía cạnh thực tiễn, từ thiết kế, lắp ráp đến vận hành hệ thống. Ứng dụng IoT trong nông nghiệp được thể hiện rõ nét trong việc giám sát và điều khiển tự động, góp phần vào việc nông nghiệp thông minh và tự động hóa nông nghiệp.

1.1 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu chính của đồ án là thiết kế và xây dựng một hệ thống IoT nông nghiệp đơn giản, hiệu quả, chi phí thấp, có khả năng giám sát và điều khiển môi trường nhà kính. Hệ thống giám sát IoT nông nghiệp bao gồm các cảm biến IoT nông nghiệp, một Gateway (Raspberry Pi) và một giao diện web. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế phần cứng, lập trình phần mềm điều khiển, và xây dựng giao diện người dùng. Thu thập dữ liệu IoT nông nghiệp được thực hiện bằng các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, và độ ẩm đất. Phân tích dữ liệu IoT nông nghiệp được thực hiện trên Raspberry Pi và hiển thị trên web. Hệ thống chỉ tập trung vào điều khiển tự động một số thiết bị cơ bản trong nhà kính, như hệ thống phun sương và máy bơm nước. Kiểm soát điều khiển IoT nông nghiệp được thực hiện thông qua giao diện web. Giải pháp IoT cho nông nghiệp được đề xuất trong đồ án này là một ví dụ cụ thể cho ứng dụng công nghệ IoT trong lĩnh vực nông nghiệp. Mô hình IoT nông nghiệp này có khả năng mở rộng và phát triển thêm các tính năng trong tương lai.

1.2 Phương pháp luận nghiên cứu

Đồ án sử dụng phương pháp nghiên cứu định tính và định lượng kết hợp. Nghiên cứu định tính tập trung vào việc tìm hiểu các lý thuyết liên quan đến công nghệ IoT, nông nghiệp thông minh, và các ứng dụng di động IoT. Nghiên cứu định lượng tập trung vào việc thiết kế và xây dựng hệ thống, thu thập và phân tích dữ liệu từ các cảm biến. Lập trình IoT được thực hiện trên hai nền tảng chính: Arduino và Raspberry Pi. Thiết kế hệ thống nhúng bao gồm việc lựa chọn linh kiện, thiết kế mạch điện, và lập trình firmware cho các vi điều khiển. Thiết kế hệ thống IoT cần đảm bảo sự ổn định, độ chính xác cao, và khả năng mở rộng. Triển khai hệ thống IoT được thực hiện trong một mô hình nhà kính nhỏ để thử nghiệm và đánh giá hiệu quả của hệ thống. Chi phí triển khai hệ thống IoT được tính toán để đảm bảo tính kinh tế của giải pháp. An ninh mạng IoT cũng được xem xét trong quá trình thiết kế và triển khai.

II. Phân tích hệ thống và kết quả nghiên cứu

Hệ thống được thiết kế dựa trên kiến trúc ba lớp: lớp cảm biến, lớp gateway và lớp ứng dụng web. Lớp cảm biến sử dụng các cảm biến DHT11, cảm biến độ ẩm đất, kết nối với Arduino Uno R3. Dữ liệu được truyền không dây tới Gateway (Raspberry Pi) qua module Lora SX1278. Raspberry Pi xử lý dữ liệu và truyền dữ liệu lên server thông qua giao thức MQTT. Ứng dụng web được xây dựng dựa trên Node-RED, hiển thị dữ liệu trực quan và cho phép người dùng điều khiển các thiết bị. Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định, dữ liệu chính xác, giao diện web thân thiện. Thực trạng IoT nông nghiệp Việt Nam cho thấy tiềm năng lớn nhưng cũng còn nhiều thách thức. Xu hướng IoT nông nghiệp đang phát triển mạnh mẽ, hướng tới sự tự động hóa và thông minh hóa. Tương lai IoT nông nghiệp hứa hẹn nhiều đột phá, góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành nông nghiệp.

2.1 Phân tích hiệu quả hệ thống

Hệ thống đạt được hiệu quả cao trong việc giám sát các thông số môi trường. Dữ liệu thu thập được chính xác, độ tin cậy cao. Giao diện web trực quan, dễ sử dụng, giúp người dùng dễ dàng theo dõi và điều khiển hệ thống. Giải pháp IoT cho nông nghiệp bền vững được đề xuất bằng cách tối ưu hóa việc sử dụng nước và phân bón. Dự báo năng suất nông nghiệp có thể được thực hiện dựa trên dữ liệu thu thập được. Quản lý nông nghiệp thông minh được hỗ trợ bằng hệ thống giám sát và điều khiển tự động. Tự động hóa nông nghiệp giúp giảm thiểu chi phí lao động và tăng năng suất. Tuy nhiên, hệ thống còn một số hạn chế về quy mô và khả năng mở rộng. Các bài toán IoT nông nghiệp cần được giải quyết trong các nghiên cứu tiếp theo. Giải pháp IoT cho nông nghiệp bản vững cần được nghiên cứu sâu hơn.

2.2 Thảo luận và đề xuất

Kết quả nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi của việc áp dụng công nghệ IoT vào nông nghiệp thông minh. Hệ thống có thể được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất nông nghiệp, đặc biệt là trong các nhà kính. Tuy nhiên, cần nghiên cứu thêm để cải thiện hiệu quả và khả năng mở rộng của hệ thống. Cải tiến hệ thống IoT cần tập trung vào việc tăng độ chính xác của cảm biến, tăng khả năng xử lý dữ liệu của Gateway, và phát triển các tính năng thông minh hơn. Phát triển phần mềm IoT nông nghiệp cần được đầu tư hơn nữa để tạo ra các ứng dụng đa dạng và hữu ích. Case study IoT nông nghiệp có thể được xây dựng để minh họa ứng dụng thực tế của hệ thống. Ví dụ ứng dụng IoT nông nghiệp này là một bước khởi đầu quan trọng, mở ra nhiều hướng nghiên cứu và ứng dụng trong tương lai. Hệ thống tưới tiêu thông minh có thể được tích hợp vào hệ thống để tối ưu hóa việc sử dụng nước.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong cơ cấu kinh tế Việt Nam, nông nghiệp giữ vị trí truyền thống quan trọng nhưng phương thức canh tác truyền thống còn bộc lộ nhiều hạn chế về năng suất, sự phụ thuộc vào thời tiết và tiêu tốn nhiều nhân công lao động. Sự biến đổi khí hậu ngày càng khắc nghiệt đặt ra thách thức lớn đối với việc theo dõi thủ công các yếu tố vi khí hậu ảnh hưởng trực tiếp đến cây trồng. Việc ứng dụng công nghệ mạng vạn vật kết nối (IoT) vào nông nghiệp cho phép tự động hóa quy trình thu thập dữ liệu và vận hành thiết bị chăm sóc, giảm áp lực nhân công và nâng cao độ chính xác trong kiểm soát môi trường sinh trưởng. Xuất phát từ bối cảnh đó, đề tài "Thiết kế và thi công hệ thống IoT phục vụ cho nông nghiệp ứng dụng Gateway" được thực hiện bởi nhóm tác giả Trần Quốc Tiến và Nguyễn Thanh Phong, dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Thanh Nghĩa tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y sinh, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (hoàn thành tháng 07/2019).

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài bao gồm:

1. Xây dựng các node đo đạc sử dụng vi điều khiển Arduino Uno R3 để thu thập dữ liệu từ cảm biến nhiệt độ, độ ẩm không khí (DHT11) và cảm biến độ ẩm đất.
2. Thiết lập kênh truyền nhận không dây cự ly xa sử dụng module LoRa SX1278 tần số 433 MHz để chuyển tiếp dữ liệu đo từ các node về khối xử lý trung tâm.
3. Thiết kế khối Gateway trung tâm trên máy tính nhúng Raspberry Pi 3 Model B nhằm tiếp nhận dữ liệu từ mạng LoRa, lưu trữ và đồng bộ dữ liệu lên máy chủ web qua giao thức mạng.
4. Xây dựng giao diện website hiển thị dữ liệu đo thời gian thực, biểu đồ thống kê, hỗ trợ giám sát và cung cấp cơ chế điều khiển tự động hoặc thủ công đối với hệ thống thiết bị chấp hành (bơm tưới, quạt thông gió, phun sương, đèn chiếu sáng).

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân chia thành 10 nội dung cụ thể:

1. Tìm hiểu, nghiên cứu nguyên lý hoạt động và phần cứng của Raspberry Pi, Arduino Uno R3, cảm biến DHT11, cảm biến độ ẩm đất và module LoRa Ra-02 SX1278.
2. Tìm hiểu, nghiên cứu kỹ thuật lập trình web và ngôn ngữ Python.
3. Tính toán, thiết kế và thi công phần cứng của các khối trong hệ thống.
4. Xây dựng giao diện web hiển thị các giá trị thu thập được từ cảm biến.
5. Thiết kế hệ thống điều khiển, lưu đồ giải thuật và viết chương trình điều khiển cho hệ thống.
6. Thiết kế và thi công hoàn chỉnh mô hình thực tế.
7. Lắp ráp các khối điều khiển vào mô hình.
8. Chạy thử nghiệm hệ thống.
9. Cân chỉnh hệ thống.
10. Hoàn thiện quyển báo cáo khóa luận và bảo vệ đồ án tốt nghiệp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống thu thập dữ liệu vi khí hậu và điều khiển tự động ứng dụng kiến trúc Gateway kết hợp mạng truyền thông không dây LoRa.
• Phạm vi vật lý: Hệ thống được tích hợp và thử nghiệm trên mô hình nhà kính khung mica có kích thước dài, rộng, cao tương ứng là 40 x 50 x 50 cm.
• Giới hạn kỹ thuật: Dữ liệu môi trường tối ưu cho sự phát triển của cây trồng được kế thừa từ các tài liệu tham khảo có sẵn chứ không qua thử nghiệm sinh học độc lập; hệ thống sử dụng 02 cảm biến chính (DHT11 và cảm biến độ ẩm đất); cơ cấu chấp hành sử dụng mạch rơ-le để mô phỏng và đóng cắt thiết bị; sai số phép đo cảm biến nhiệt độ và độ ẩm được giới hạn trong ngưỡng thực tế của linh kiện (sai số nhiệt độ $\le \pm 2%$).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên sự kết hợp giữa mô hình kiến trúc IoT phân tầng, các chuẩn truyền thông công nghiệp và công nghệ mạng diện rộng công suất thấp:

• Khái niệm mạng vạn vật kết nối (IoT) và mô hình Gateway: Thiết bị Gateway đóng vai trò liên kết và chuyển đổi giao thức giữa mạng thu thập dữ liệu cục bộ (LoRa) và hạ tầng mạng Internet (IP), giải quyết bài toán giao tiếp giữa thiết bị biên và hệ thống máy chủ giám sát.
• Chuẩn giao tiếp One-Wire: Giao thức truyền thông 1 dây bán song công (half-duplex), không đồng bộ, vận hành theo cấu trúc master-slave. Quá trình truyền bit dựa trên các khe thời gian chuẩn 60 µs; tín hiệu Reset khởi tạo được thiết bị master giữ mức thấp ít nhất 480 µs (8 time slots), sau đó thiết bị slave phản hồi xung Presence kéo mức thấp 60 µs.
• Chuẩn giao tiếp SPI (Serial Peripheral Interface): Giao tiếp nối tiếp đồng bộ 4 dây, song công toàn phần (full duplex), gồm các đường tín hiệu SCK (xung nhịp do Master tạo), MISO (Master Input / Slave Output), MOSI (Master Output / Slave Input) và SS (Slave Select - tích cực ở mức logic thấp LOW).
• Giao thức MQTT (Message Queue Telemetry Transport): Giao thức nhắn tin nhẹ theo mô hình Publish/Subscribe qua Broker trung tâm, tối ưu cho môi trường mạng băng thông hẹp và độ tin cậy thấp của các thiết bị IoT.
• Công nghệ LoRa (Long Range): Công nghệ truyền thông vô tuyến dựa trên kỹ thuật điều chế trải phổ Chirp (Chirp Spread Spectrum - CSS), sử dụng các chuỗi xung chirp (up-chirp đại diện cho bit 1, down-chirp đại diện cho bit 0) giúp tín hiệu thu nhận được ở khoảng cách lớn và hoạt động ổn định dưới ngưỡng nhiễu môi trường.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai:

• Phương pháp thiết kế kỹ thuật phần cứng: Tính toán phân cực cho tầng kích rơ-le, lựa chọn linh kiện bán dẫn, phân tích thông số nguồn nuôi và thiết kế mạch in (PCB) cho các node cảm biến cũng như mạch giao tiếp Gateway.
• Phương pháp phát triển phần mềm nhúng và hệ thống: Lập trình vi điều khiển ATmega328P trên nền tảng Arduino IDE bằng ngôn ngữ C/C++; lập trình thu thập, xử lý gói tin và kết nối mạng trên Raspberry Pi sử dụng ngôn ngữ Python và công cụ Node-RED.
• Phương pháp thực nghiệm đo kiểm: Thử nghiệm đo đạc các đại lượng vật lý trong mô hình mica kín, ghi nhận dữ liệu truyền nhận qua LoRa, đối soát giá trị nhiệt độ, độ ẩm đo được với dữ liệu thời tiết thực tế từ website vnweather.
• Nguồn dữ liệu: Tín hiệu số 40-bit từ cảm biến DHT11 (được phân giải thành 5 byte: nguyên độ ẩm, thập phân độ ẩm, nguyên nhiệt độ, thập phân nhiệt độ, checksum); tín hiệu điện áp tương tự từ cảm biến độ ẩm đất qua bộ biến đổi ADC 10-bit của vi điều khiển (giá trị số từ 0 đến 1023, quy đổi sang tỷ lệ %).

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc phân tầng gồm 5 khối chức năng chính: Khối cảm biến (Node 1 và Node 2), Khối xử lý trung tâm (Gateway Raspberry Pi), Khối điều khiển thiết bị ngoại vi, Khối hiển thị (Website) và Khối nguồn.

Thành phần phần cứng	Model / Thông số kỹ thuật	Giao tiếp / Vai trò kỹ thuật
Vi điều khiển Node	Arduino Uno R3 (ATmega328P họ 8-bit, 16 MHz, Flash 32KB, SRAM 2KB)	Đọc tín hiệu cảm biến, đóng gói dữ liệu và điều khiển module LoRa qua SPI
Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm	DHT11 (Dải nhiệt độ 0–50°C sai số $\pm 2%$, dải độ ẩm 20–80%RH sai số $\pm 5%$)	Giao tiếp One-Wire nối với chân Digital D4 của Arduino Uno
Cảm biến độ ẩm đất	Module đo độ ẩm đất, IC so sánh LM393, nguồn cấp 3.3V–5V DC	Ngõ ra Analog (AO) nối chân Analog A3 của Arduino Uno (đọc dải 0–1023)
Module truyền thông LoRa	SX1278 Ra-02 (Tần số 433 MHz, khoảng cách lý thuyết tới 3000m)	Chuẩn SPI nối các chân SS (D10), MOSI (D11), MISO (D12), SCK (D13)
Thiết bị Gateway	Raspberry Pi 3 Model B (BCM2837B0 quad-core 1.4GHz, RAM 1GB LPDDR2)	Thu nhận gói LoRa, chạy ứng dụng Python/Node-RED, lưu trữ CSDL thẻ MicroSD
Module chấp hành	Rơ-le điện từ điều khiển bởi Transistor S8050 ($h_{FE} = 120$)	Đóng ngắt thiết bị 12V DC qua tín hiệu kích 5V DC từ bộ điều khiển

Hệ thống mạch chấp hành sử dụng rơ-le cách ly để điều khiển các thiết bị ngoại vi công suất 12V (máy bơm, quạt, van phun sương, đèn). Transistor S8050 được sử dụng ở chế độ bão hòa để cấp dòng cho cuộn hút rơ-le (dòng cuộn dây định mức 80 mA). Với dòng bão hòa $I_C = 100\text{ mA}$ và độ lợi dòng $h_{FE} = 120$, dòng kích cực bazơ $I_B$ được tính toán đảm bảo điều kiện đóng ngắt dứt khoát. Mạch trang bị đèn LED báo trạng thái hoạt động với dòng tiêu thụ 10 mA và điện áp rơi trên LED là 3V.

Về phần mềm, Gateway hoạt động trên hệ điều hành nhân Linux (Raspbian). Hệ thống triển khai công cụ Node-RED kết hợp các đoạn mã xử lý bằng Python để tạo luồng nhận gói tin LoRa, xử lý phân tích cú pháp, cập nhật vào bảng cơ sở dữ liệu và phân phối thông tin qua giao thức MQTT lên giao diện Web Dashboard. Người dùng có thể giám sát biểu đồ biến thiên của từng node và chuyển đổi giữa hai chế độ vận hành: Chế độ thủ công (Manual) cho phép trực tiếp bật/tắt thiết bị qua nút bấm trên web, và chế độ tự động (AUTO) cho phép hệ thống tự kích hoạt rơ-le khi thông số độ ẩm đất hoặc nhiệt độ vượt qua ngưỡng cài đặt. Ngoài ra, Gateway còn được cấu hình dịch vụ tự động gửi email cảnh báo về hộp thư người dùng khi các chỉ số môi trường rơi vào trạng thái nguy hại.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày lý do chọn đề tài dựa trên nhu cầu hiện đại hóa phương thức canh tác nông nghiệp tại Việt Nam. Tác giả xác định mục tiêu xây dựng một hệ thống IoT hoàn chỉnh từ tầng biên thu thập dữ liệu bằng Arduino, truyền thông qua sóng LoRa 433 MHz, xử lý tập trung bằng Gateway Raspberry Pi cho đến hiển thị và điều khiển trên website. Chương này cũng phân định rõ 10 nội dung công việc cần thực hiện, xác lập các giới hạn nghiên cứu về kích thước mô hình (40 x 50 x 50 cm), số lượng cảm biến, thiết bị chấp hành và giới hạn sai số cho phép.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 tổng hợp toàn bộ nền tảng lý thuyết và công nghệ được sử dụng trong đồ án:

• Phân tích nguyên lý mạng IoT, vai trò của kiến trúc Gateway trong công nghiệp 4.0 và ứng dụng vi máy tính Raspberry Pi 3 Model B.
• Trình bày chi tiết giao thức One-Wire, quy chuẩn định thời các khe thời gian để đọc dữ liệu từ cảm biến DHT11.
• Khảo sát giao tiếp SPI 4 dây (SCK, MISO, MOSI, SS) và giao thức nhắn tin phân tán MQTT.
• Nghiên cứu công nghệ LoRa, kỹ thuật điều chế trải phổ CSS, các phân bổ tần số hoạt động theo khu vực (430 MHz cho Châu Á, 433/866 MHz cho Châu Âu, 915 MHz cho Bắc Mỹ) và đặc tính module SX1278 Ra-02.
• Giới thiệu cấu tạo, thông số kỹ thuật của kit vi điều khiển Arduino Uno R3 (chip ATmega328P), cảm biến độ ẩm đất tích hợp IC LM393 và nguyên lý làm việc của rơ-le điện từ.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 trình bày các bước thiết kế chi tiết hệ thống:

• Thiết lập sơ đồ khối hệ thống gồm 5 khối chức năng chính và mô hình hóa luồng dữ liệu hai chiều giữa Node, Gateway và Web Server.
• Lập sơ đồ kết nối chân giữa vi điều khiển Arduino Uno R3 với cảm biến DHT11 (chân Data nối D4), cảm biến độ ẩm đất (chân AO nối A3) và module LoRa SX1278 (chuẩn SPI trên các chân D10, D11, D12, D13).
• Tính toán thông số mạch kích rơ-le sử dụng transistor S8050, xác định dòng điện kích cực nền $I_B$ dựa trên dòng tải cuộn dây 80 mA và độ lợi $h_{FE} = 120$.
• Xây dựng sơ đồ nguyên lý hoàn chỉnh cho mạch thu thập dữ liệu tại các node và mạch giao tiếp tập trung tại khối Gateway.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả quy trình hiện thực hóa mô hình từ bản vẽ thiết kế:

• Thiết kế mạch in (PCB), lắp ráp linh kiện, kiểm tra thông mạch và vận hành tĩnh cho các bo mạch của Node 1, Node 2 và Gateway.
• Thi công mô hình nhà kính vật lý kích thước 40 x 50 x 50 cm bằng chất liệu mica, bố trí vị trí đặt cảm biến và các cơ cấu rơ-le điều khiển ngoại vi.
• Xây dựng lưu đồ giải thuật cho chương trình vi điều khiển tại các node (đọc dữ liệu, đóng gói định dạng LoRa, xử lý nhận phản hồi) và lưu đồ giải thuật tại Gateway (lắng nghe gói tin LoRa, trích xuất dữ liệu, gửi dữ liệu lên Web và phát lệnh điều khiển).
• Cài đặt môi trường lập trình Arduino IDE, cấu hình trình thông dịch Python và cài đặt bộ công cụ Node-RED trên hệ điều hành Raspbian của Raspberry Pi; xây dựng tài liệu hướng dẫn vận hành hệ thống.

Chương 5: Kết quả - Nhận xét - Đánh giá

Chương 5 công bố các kết quả thực nghiệm đạt được trên mô hình:

• Giao diện người dùng trên web bao gồm màn hình đăng nhập bảo mật, bảng điều khiển trung tâm, trang hiển thị dữ liệu đo tức thời và đồ thị theo dõi diễn biến thông số theo thời gian của từng node riêng biệt.
• Kiểm thử chức năng gửi thư điện tử tự động thông báo tình trạng hệ thống đến người quản lý.
• Thử nghiệm chức năng điều khiển thiết bị chấp hành ở cả hai chế độ AUTO và Manual, xác nhận rơ-le đóng ngắt chính xác theo lệnh từ web hoặc theo ngưỡng cảm biến.
• Thu thập và lập bảng thống kê số liệu đo nhiệt độ và độ ẩm thực tế, kết hợp kiểm chứng trực quan với dữ liệu tham chiếu từ trang web thời tiết vnweather.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết mức độ hoàn thành nhiệm vụ theo mục tiêu đề ra, chỉ rõ các hạn chế còn tồn đọng trong quá trình thử nghiệm phần cứng và đề xuất các giải pháp nâng cấp, hoàn thiện hệ thống trong các giai đoạn nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm chính của đồ án:

• Hoàn thiện 02 node cảm biến độc lập sử dụng Arduino Uno R3, đọc thành công chuỗi dữ liệu 40-bit từ cảm biến DHT11 (nhiệt độ, độ ẩm không khí) và tín hiệu analog 10-bit từ cảm biến độ ẩm đất (chuyển đổi dải 0–1023 thành tỷ lệ phần trăm).
• Thiết lập thành công liên kết truyền dữ liệu không dây qua module LoRa SX1278 Ra-02 (băng tần 433 MHz) từ các node về Gateway trung tâm Raspberry Pi 3 Model B, đảm bảo dữ liệu truyền nhận liên tục và không bị mất gói tin trong không gian thử nghiệm.
• Xây dựng hệ thống web giám sát hoàn chỉnh bằng Node-RED và Python:
  • Cung cấp giao diện đăng nhập xác thực và bảng điều khiển trực quan.
  • Vẽ biểu đồ theo dõi thông số thời gian thực tách biệt cho Node 1 và Node 2.
  • Vận hành chính xác cơ chế điều khiển rơ-le ở chế độ AUTO (tự động kích hoạt thiết bị khi vượt ngưỡng cài đặt) và chế độ thủ công (bật/tắt thiết bị qua nút nhấn trên web).
  • Tích hợp thành công tính năng gửi email cảnh báo tự động cho người dùng và hiển thị thông tin thời tiết tham chiếu từ vnweather.
• Thi công hoàn chỉnh mô hình nhà kính thực nghiệm bằng mica kích thước 40 x 50 x 50 cm, tích hợp gọn gàng các khối nguồn, bo mạch xử lý và cơ cấu chấp hành.

Giải pháp và kiến nghị của nhóm tác giả:

• Đề xuất giải pháp kiến trúc Gateway trung gian để dung hòa giữa mạng truyền thông không dây tầm xa tiết kiệm năng lượng (LoRa) và mạng diện rộng Internet Protocol (IP), giúp giảm thiểu chi phí đầu tư hạ tầng mạng tại các vùng nông nghiệp chưa có kết nối Internet phủ kín.
• Khuyến nghị sử dụng các module vi điều khiển và máy tính nhúng mã nguồn mở phổ biến (Arduino, Raspberry Pi) để tối ưu hóa giá thành chế tạo, tạo điều kiện thuận lợi cho việc bảo trì, thay thế linh kiện tại địa phương.

Đóng góp tự nêu của đề tài:

• Hiện thực hóa thành công một mô hình IoT nông nghiệp hoàn chỉnh khép kín từ khâu thu thập vi khí hậu tại đồng ruộng, truyền thông không dây cự ly xa qua LoRa, chuyển đổi giao thức tại Gateway cho đến lưu trữ và điều khiển giám sát từ xa qua giao diện web.
• Chứng minh tính khả thi của việc kết hợp mạng LoRa tần số 433 MHz và máy tính nhúng Raspberry Pi làm Gateway giá rẻ phục vụ tự động hóa tưới tiêu và kiểm soát môi trường trong nhà kính.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

• Linh kiện đo đạc sử dụng các cảm biến học tập/thông dụng (DHT11, cảm biến độ ẩm đất dạng bản cực kim loại trần), có tuổi thọ hạn chế trong môi trường đất ẩm thực tế và độ chính xác ở mức cơ bản (sai số độ ẩm DHT11 lên tới $\pm 5%$).
• Quy mô thử nghiệm chỉ dừng lại ở mô hình nhà kính nhỏ kích thước 40 x 50 x 50 cm làm bằng mica, chưa được triển khai đánh giá dài hạn trên diện tích đất canh tác thật ngoài trời.
• Số lượng node thu thập mới dừng lại ở 02 node cảm biến, chưa khảo sát đầy đủ hiện tượng va chạm gói tin khi mở rộng lên mật độ hàng chục hoặc hàng trăm node trong cùng mạng LoRa.
• Các ngưỡng điều kiện môi trường cài đặt cho hệ thống tưới và quạt gió là các số liệu tham khảo thứ cấp, chưa được hiệu chỉnh chuyên sâu theo từng giai đoạn sinh trưởng của từng loại cây trồng cụ thể.

Hướng phát triển tiếp theo được tác giả đề xuất:

• Nâng cấp phần cứng bằng việc sử dụng các dòng cảm biến công nghiệp có độ bền cao, chống ăn mòn và độ nhạy tốt hơn để triển khai cho môi trường thực tế.
• Mở rộng mạng lưới thu thập dữ liệu bằng cách tăng số lượng node cảm biến trên phạm vi diện tích rộng hơn; nghiên cứu thuật toán định tuyến và chống nghẽn kênh truyền LoRa.
• Tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng tại các node cảm biến biên, nghiên cứu chế độ ngủ sâu (Deep Sleep) và tích hợp nguồn năng lượng tái tạo (pin mặt trời) để các node có thể hoạt động độc lập trong nhiều năm mà không cần thay pin.
• Bổ sung cơ sở dữ liệu lớn và thuật toán thông minh để tự động điều chỉnh chu trình tưới, bón phân vi lượng dựa trên phân tích lịch sử vi khí hậu và nhu cầu thực tế của cây trồng.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

• Sinh viên các ngành Kỹ thuật Điện tử, Điện tử Công nghiệp, Kỹ thuật Máy tính, Hệ thống Nhúng và IoT đang thực hiện đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp liên quan đến giám sát nông nghiệp thông minh.
• Kỹ sư và người nghiên cứu cần mô hình thực hành về việc tích hợp mạng LoRa với máy tính nhúng Raspberry Pi để xây dựng Gateway chuyển đổi giao thức sang MQTT/Web.
• Những người làm nông nghiệp công nghệ cao muốn tìm hiểu nguyên lý ứng dụng các cảm biến vi khí hậu và cơ chế điều khiển rơ-le tự động hóa tưới tiêu ở quy mô vừa và nhỏ.

Các phần nội dung có giá trị tham khảo kỹ thuật cao nhất:

• Quy trình tính toán mạch kích rơ-le sử dụng transistor S8050 và thiết kế tầng đệm điều khiển cách ly giữa vi điều khiển 5V và tải 12V.
• Phương pháp lập trình giao tiếp SPI giữa vi điều khiển Arduino với module LoRa SX1278 Ra-02 tần số 433 MHz.
• Kỹ thuật xây dựng luồng xử lý dữ liệu và thiết kế bảng điều khiển giám sát (Dashboard) bằng công cụ Node-RED trên nền tảng Raspberry Pi.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đề tài lại lựa chọn module LoRa SX1278 Ra-02 tần số 433 MHz mà không dùng Wi-Fi hoặc ZigBee cho các node cảm biến?

Theo phân tích của nhóm tác giả trong Chương 2 và Chương 3, module LoRa SX1278 sử dụng kỹ thuật điều chế trải phổ CSS, có khả năng truyền tín hiệu cự ly xa (khoảng cách thu phát lý thuyết lên tới 3000 m theo văn bản và tối đa 10 km trong điều kiện lý tưởng) với mức tiêu thụ năng lượng thấp. Băng tần 433 MHz phù hợp với quy chuẩn tại khu vực châu Á. Đặc tính này giúp hệ thống khắc phục nhược điểm cự ly ngắn của Wi-Fi và ZigBee, rất phù hợp với địa hình rộng lớn của các khu vườn hoặc trang trại nông nghiệp mà không cần lắp đặt hạ tầng mạng dày đặc.

2. Dữ liệu từ cảm biến DHT11 được gửi về vi điều khiển Arduino Uno R3 theo cấu trúc như thế nào?

Cảm biến DHT11 giao tiếp với Arduino qua chuẩn One-Wire trên một chân tín hiệu duy nhất (chân D4). Sau khi nhận xung Start và phản hồi Presence, DHT11 truyền về một chuỗi dữ liệu gồm 40 bit (tương ứng 5 byte). Dữ liệu được chia theo cấu trúc:

• Byte 1: Phần nguyên của độ ẩm không khí.
• Byte 2: Phần thập phân của độ ẩm không khí.
• Byte 3: Phần nguyên của nhiệt độ.
• Byte 4: Phần thập phân của nhiệt độ.
• Byte 5: Byte kiểm tra tổng (Checksum). Kết quả đo chỉ hợp lệ khi: Byte 5 = Byte 1 + Byte 2 + Byte 3 + Byte 4.

3. Khối Gateway sử dụng phần cứng nào và đảm nhận những chức năng kỹ thuật gì trong hệ thống?

Gateway được xây dựng trên máy tính nhúng Raspberry Pi 3 Model B (chip Broadcom BCM2837B0, lõi tứ 1.4 GHz, RAM 1GB). Gateway đóng vai trò trung gian chuyển đổi giao thức: nhận các gói tin dữ liệu không dây truyền từ các node cảm biến qua LoRa, lưu trữ dữ liệu vào thẻ MicroSD, chuyển tiếp thông tin lên Web Server thông qua giao thức MQTT/Web bằng phần mềm viết trên Python và công cụ Node-RED, đồng thời gửi lệnh điều khiển ngược trở lại các cơ cấu chấp hành.

4. Mạch kích Rơ-le trong khối điều khiển chấp hành được thiết kế với các thông số linh kiện nào?

Do vi điều khiển xuất tín hiệu điều khiển ở mức 5V trong khi các thiết bị ngoại vi hoạt động ở điện áp 12V, đồ án sử dụng rơ-le điện từ để đóng ngắt và cách ly bảo vệ mạch. Mạch kích sử dụng transistor S8050 có hệ số khuếch đại dòng $h_{FE} = 120$. Dòng điện qua cuộn dây rơ-le theo datasheet là 80 mA. Nhóm tác giả chọn dòng bão hòa $I_C = 100\text{ mA}$ để tính toán phân cực đảm bảo transistor đóng ngắt dứt khoát; đồng thời trang bị một LED báo trạng thái hoạt động với dòng 10 mA và áp rơi 3V.

5. Hệ thống cung cấp những phương thức điều khiển và cảnh báo nào cho người dùng qua giao diện Web?

Giao diện Web của hệ thống hỗ trợ hai chế độ hoạt động:

• Chế độ tự động (AUTO): Hệ thống tự so sánh dữ liệu cảm biến đo được với các ngưỡng cài đặt để tự động kích hoạt máy bơm tưới, quạt làm mát hoặc hệ thống phun sương.
• Chế độ thủ công (Manual): Người dùng có thể trực tiếp bật hoặc tắt các thiết bị ngoại vi thông qua các nút điều khiển trên trang web. Ngoài ra, hệ thống tích hợp tính năng gửi thư điện tử (email) tự động đến người dùng khi thông số vi khí hậu vượt ngưỡng nguy hiểm và liên kết hiển thị dữ liệu thời tiết tham khảo từ trang vnweather.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công hệ thống IoT phục vụ cho nông nghiệp ứng dụng Gateway" của sinh viên Trần Quốc Tiến và Nguyễn Thanh Phong đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu thiết kế và chế tạo một mô hình nông nghiệp thông minh hoàn chỉnh. Hệ thống đã tích hợp thành công các node cảm biến đo đạc vi khí hậu sử dụng vi điều khiển Arduino, mạng truyền thông không dây tầm xa LoRa SX1278 (433 MHz) và Gateway máy tính nhúng Raspberry Pi 3 Model B. Toàn bộ thông số đo đạc được lưu trữ, trực quan hóa trên giao diện web Node-RED và hỗ trợ điều khiển đóng ngắt thiết bị chấp hành linh hoạt theo cả hai chế độ tự động và thủ công. Đây là công trình kỹ thuật có tính ứng dụng thực tiễn cao, cung cấp cơ sở tài liệu rõ ràng cho việc phát triển các giải pháp IoT chi phí thấp phục vụ hiện đại hóa ngành nông nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN  Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế Giới thiệu tổng quan về các yêu cầu của đề tài mà mình thiết kế và các tính toán, thiết kế gồm những phần nào. Như: thiết kế sơ đồ khối hệ thống, sơ đồ nguyên lý toàn mạch, tính toán thiết kế mạch.  Chương 4: Thi Công Hệ Thống Trình bày về quá trình vẽ mạch in lắp ráp các thiết bị, đo kiểm tra mạch, lắp ráp mô hình.

Thiết kế lưu đồ giải thuật cho chương trình và viết chương trình cho hệ thống. Hướng dẫn quy trình sử dụng hệ thống.  Chương 5: Kết Quả-Nhận Xét-Đánh Giá Trình bày về những kết quả đã được mục tiêu đề ra sau quá trình nghiên cứu thi công. Từ những kết quả đạt được để đánh giá quá trình hoàn thành được bao nhiêu phần trăm.

 Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển Trình bày về những kết quả mà đồ án đạt được, những hạn chế, từ đó rút ra kết luận và hướng phát triển để giải quyết các vấn đề tồn đọng để đồ án hoàn thiện hơn. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2.1 TỔNG QUAN VỀ IOT Hình 2.1 Tổng quan về IOT Mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc là mạng lưới thiết bị kết nối Internet viết tắt là IoT là một kịch bản của thế giới, khi mà mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính. IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet.

Nói đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện một công việc nào đó. Internet of Things – IoT được đưa ra bởi các nhà sáng lập của MIT Auto-ID Center đầu tiên, năm 1999 Kevin Ashton đã đưa ra cụm từ Internet of Things nhằm để chỉ các đối tượng có thể được nhận biết cũng như sự tồn tại của chúng. Thuật ngữ Auto-ID chỉ tới bất kỳ một lớp rộng của các kỹ thuật xác minh sử dụng trong công nghiệp để tự động hóa, giảm các lỗi và tăng hiệu năng. Các kỹ thuật đó bao BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 do an CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT gồm các mã vạch, thẻ thông minh, cảm biến, nhận dạng tiếng nói, và sinh trắc học. Từ năm 2003 Kỹ thuật Auto-ID trong các hoạt động chính là Radio Frequency Identification – RFID. Ngày nay với khoảng 1,5 tỷ máy tính và trên 1 tỷ điện thoại có kết nối Internet. Sự hiện diện “Internet of PCs” sẽ được chuyển sang IoT trong đó 50-100 tỷ thiết bị kết nối Internet trong năm 2020.

Một vài nghiên cứu còn chỉ ra trong cùng năm đó, số lượng máy móc di động sẽ tăng gấp 30 lần so với hiện nay. Nếu không chỉ xem xét các kết nối máy với máy mà là các kết nối giữa tất cả các vật thể thì số lượng kết nối có thể tăng lên tới 100. Trong một lý thuyết mới, các vật thể được kết nối là quá nhiều đến mức có thể xóa nhòa ranh giới giữa mảnh và nguyên tử. Một vài tác giả tạo ra các khái niệm mới để hiểu rõ hơn lý thuyết IoT.