Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Lý do chọn đề tài và bối cảnh thực tiễn

Trong bối cảnh xã hội hiện đại, nhu cầu về an toàn thực phẩm và bảo vệ sức khỏe ngày càng được chú trọng. Thực trạng thực phẩm trên thị trường xuất hiện tình trạng lạm dụng thuốc trừ sâu, thuốc kích thích tăng trưởng hoặc hóa chất ngâm ủ đã thúc đẩy nhiều hộ gia đình chuyển sang xu hướng tự trồng rau sạch tại nhà nhằm tự chủ nguồn thực phẩm an toàn và tiết kiệm chi phí.

Tuy nhiên, việc chăm sóc vườn cây đòi hỏi thời gian và sự duy trì đều đặn. Do quỹ thời gian hạn hẹp vì công việc, người trồng gặp nhiều khó khăn trong khâu chăm sóc. Hoạt động tưới tiêu hiện nay chủ yếu vẫn thực hiện theo phương thức thủ công, tồn tại hai nhược điểm chính:

  • Tưới không đủ lượng nước làm cây trồng bị khô hạn, giảm chất lượng và sản lượng sinh trưởng.
  • Tưới quá mức gây ngập úng rễ, phát sinh dịch bệnh và làm lãng phí nguồn tài nguyên nước.

Trước thực trạng đó, việc ứng dụng công nghệ Internet of Things (IoT) và tự động hóa vào quy trình tưới tiêu nông nghiệp, đặc biệt là quy mô vườn thông minh, trở thành giải pháp cấp thiết nhằm giảm thiểu sức lao động, tối ưu hóa lượng nước tưới và nâng cao hiệu quả quản lý cây trồng.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của khóa luận là thiết kế và xây dựng hoàn chỉnh một hệ thống tưới cây tự động ứng dụng cho mô hình vườn thông minh. Để đạt được mục tiêu này, các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định bao gồm 6 nội dung:

  1. Thiết kế mô hình hoàn chỉnh gồm các nút cảm biến (Node) phân tán tại các vị trí cần theo dõi và một trạm thu thập trung tâm (Gateway) để gửi dữ liệu về hệ thống xử lý.
  2. Nghiên cứu, lựa chọn các loại cảm biến phù hợp với môi trường nông nghiệp để đo lường chính xác các thông số: độ ẩm đất và nhiệt độ, độ ẩm không khí.
  3. Xây dựng máy chủ (Server) và cơ sở dữ liệu (Database) phục vụ lưu trữ, xử lý, phân tích dữ liệu và ra quyết định điều khiển.
  4. Nghiên cứu, đánh giá và lựa chọn giao thức truyền nhận dữ liệu không dây tầm xa, năng lượng thấp phù hợp (lựa chọn giao thức LoRa ở tầng vật lý).
  5. Thiết lập giao diện Web (Website) trực quan giúp người dùng theo dõi dữ liệu thời gian thực và thực hiện điều khiển hệ thống từ xa.
  6. Tích hợp giải pháp tiết kiệm năng lượng thông qua việc sử dụng pin sạc kết hợp tấm pin năng lượng mặt trời và tối ưu chế độ hoạt động của vi điều khiển.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống phần cứng nhúng (vi điều khiển STM32, ESP32), module truyền thông không dây LoRa SX1278, các cảm biến môi trường (DHT11, cảm biến độ ẩm đất), động cơ bơm nước 5VDC, mạch sạc năng lượng mặt trời CN3791 và nền tảng phần mềm quản trị (NodeJS, ExpressJS, MongoDB, ReactJS).
  • Phạm vi không gian: Triển khai thử nghiệm mô hình mạng gồm 1 Gateway và 3 Node đặt tại các vị trí phân tán trong khuôn viên vườn với khoảng cách truyền nhận dữ liệu không dây đạt xấp xỉ 500 m.
  • Phạm vi thời gian: Quá trình nghiên cứu, thiết kế, tích hợp phần cứng, lập trình phần mềm và kiểm nghiệm hệ thống được thực hiện trong thời gian 3 tháng (năm 2024).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình kiến trúc

Khóa luận áp dụng mô hình kiến trúc IoT tiêu chuẩn gồm 4 tầng chức năng:

  • Tầng cảm biến và thiết bị (Things & Sensors): Thu thập các thông số vật lý (nhiệt độ môi trường, độ ẩm không khí từ DHT11 và độ ẩm đất qua cảm biến điện trở/điện cực) và thực thi lệnh tưới qua Relay kích hoạt motor bơm nước.
  • Tầng mạng (Gateway): Đóng vai trò cầu nối chuyển tiếp dữ liệu không dây tầm xa từ các Node (sử dụng LoRa) sang mạng Internet (sử dụng giao thức MQTT qua kết nối Wi-Fi).
  • Tầng xử lý dữ liệu (Data Processing): Máy chủ đảm nhận chức năng tiếp nhận dữ liệu từ MQTT Broker, lưu trữ vào hệ quản trị cơ sở dữ liệu MongoDB và thực thi các giải thuật xử lý logic tự động.
  • Tầng ứng dụng (Application): Cung cấp giao diện Web (ReactJS) cho người dùng giám sát biểu đồ dữ liệu và điều khiển thiết bị qua giao thức HTTP và WebSocket.

Song song đó, khóa luận vận dụng lý thuyết về công nghệ tưới nhỏ giọt (Drip Irrigation) — phương pháp cung cấp nước liên tục, đều đặn với áp lực thấp trực tiếp vào vùng rễ cây trồng nhằm hạn chế bay hơi, ngăn xói mòn và giảm thiểu thất thoát nước.

Các giao thức truyền thông sử dụng

Hệ thống kết hợp đa dạng các giao thức ở các cấp độ giao tiếp khác nhau:

  • Giao tiếp ngoại vi có dây: Giao thức SPI (Serial Peripheral Interface) sử dụng mô hình Master-Slave với các đường tín hiệu MOSI, MISO, SCK, CS để kết nối vi điều khiển với module LoRa SX1278; giao thức 1-Wire sử dụng một dây dữ liệu duy nhất với các chuỗi xung định thời (Reset, Write, Read) để đọc dữ liệu từ cảm biến DHT11.
  • Truyền thông không dây tầng vật lý: LoRa (Long Range) hoạt động trên kỹ thuật điều chế Chirp Spread Spectrum (CSS) ở dải tần 433 MHz, sử dụng các tham số cấu hình như Spreading Factor (SF), Bandwidth (BW) và Coding Rate (CR) nhằm tối ưu cự ly truyền và khả năng kháng nhiễu.
  • Giao thức tầng mạng và ứng dụng: MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) theo mô hình Publisher/Subscriber với băng thông nhẹ phục vụ kết nối Gateway - Server; WebSocket duy trì kết nối hai chiều (TCP) toàn song công thời gian thực sau bước bắt tay HTTP Handshake (mã 101 Switching Protocols); HTTP/RESTful API phục vụ các yêu cầu tải trang và cấu hình.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp khảo sát và tổng hợp tài liệu: Phân tích các sản phẩm thương mại hiện có (MimosaTEK, NextFarm) và các công bố khoa học quốc tế liên quan đến mạng cảm biến không dây nông nghiệp (WSN).
  • Phương pháp thiết kế và tích hợp hệ thống kỹ thuật: Thiết kế phần cứng khối Node và khối Gateway; xây dựng sơ đồ mạch nguyên lý; lập trình firmware cho vi điều khiển STM32 và ESP32; phát triển phần mềm máy chủ và giao diện Web.
  • Phương pháp thực nghiệm: Lắp ráp mô hình thực tế, đo đạc dòng tiêu thụ, kiểm tra khả năng truyền nhận tín hiệu LoRa ở khoảng cách thực tế, đánh giá độ ổn định của các chế độ điều khiển tự động và bán tự động.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Cấu trúc phần cứng của hệ thống

Hệ thống được tổ chức thành hai khối phần cứng chính:

[Node 1: STM32 + LoRa + Sensors + Pump] ---\
[Node 2: STM32 + LoRa + Sensors + Pump] ----> [LoRa 433MHz] ---> [Gateway: ESP32 + LoRa] ---> [MQTT/Wi-Fi] ---> [Server & Web UI]
[Node 3: STM32 + LoRa + Sensors + Pump] ---/
Thành phần Khối Node (3 Node phân tán) Khối Gateway (1 trạm trung tâm)
Vi điều khiển chính STM32F103C8T6 (ARM Cortex-M3 32-bit, 72 MHz, 64 KB Flash, 20 KB SRAM) ESP32 NodeMCU LuaNode32 (Xtensa Dual-Core 32-bit, 160–240 MHz, 520 KB SRAM, Wi-Fi 802.11 b/g/n, BLE)
Module truyền thông LoRa SX1278 (Semtech, tần số 433 MHz, giao tiếp SPI) LoRa SX1278 (Semtech, tần số 433 MHz, giao tiếp SPI)
Cảm biến tích hợp - Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm không khí DHT11
- Cảm biến độ ẩm đất (tín hiệu Analog/Digital qua IC so sánh LM393)		 Không tích hợp cảm biến môi trường
Cơ cấu chấp hành - Module Relay 5V (tích cực mức thấp, dòng kích 5 mA)
- Động cơ bơm nước 5VDC (ống hút 18 mm, ống xả 8 mm, dòng tiêu thụ 1 A)		 Không có cơ cấu bơm
Hệ thống nguồn - Pin sạc Lithium-ion 18650
- Tấm pin năng lượng mặt trời 9V (2–2.9W, dòng 0–220 mA, kích thước 115x115x3 mm)
- Mạch sạc pin CN3791 (nguồn vào Solar 9V, sạc 4.2V, dòng tối đa 2A)
- Mạch tăng áp DC-DC MT3608		 Cấp nguồn trực tiếp 5V qua cổng Micro USB

Luồng xử lý dữ liệu và thuật toán

Hệ thống hoạt động theo hai chiều truyền dữ liệu:

  • Chiều thuận (Thu thập và giám sát):
    1. Định kỳ, vi điều khiển STM32 tại mỗi Node đọc tín hiệu từ cảm biến DHT11 (qua chuẩn 1-Wire) và cảm biến độ ẩm đất (qua kênh ADC).
    2. Dữ liệu được đóng gói thành các bản tin và gửi về Gateway bằng sóng vô tuyến LoRa 433 MHz.
    3. Gateway ESP32 nhận gói tin LoRa qua giao thức SPI, giải mã và gửi tiếp bản tin lên MQTT Broker thông qua mạng Wi-Fi.
    4. Server NodeJS/ExpressJS nhận bản tin từ MQTT Broker, lưu trữ vào cơ sở dữ liệu MongoDB và đẩy trực tiếp lên giao diện Web thông qua kết nối WebSocket/HTTP.
  • Chiều nghịch (Điều khiển chấp hành):
    1. Người dùng thao tác điều khiển trên giao diện Web hoặc Server tự động tính toán quyết định tưới.
    2. Server gửi lệnh điều khiển tới Gateway thông qua MQTT topic tương ứng.
    3. Gateway chuyển tiếp gói tin điều khiển (chứa mã ID của Node và trạng thái Relay) đến Node mục tiêu qua sóng LoRa.
    4. STM32 tại Node nhận lệnh, xử lý ngắt và đóng/ngắt Relay để vận hành động cơ bơm 5VDC.

Chế độ vận hành

Hệ thống được thiết lập vận hành linh hoạt dưới 2 chế độ:

  • Chế độ tự động (Automatic Mode): Hệ thống tự động so sánh dữ liệu độ ẩm đất và nhiệt độ đo được với các ngưỡng cài đặt trước. Khi độ ẩm đất xuống dưới ngưỡng tối thiểu, Server tự động gửi lệnh bật bơm; khi độ ẩm đạt ngưỡng bão hòa, hệ thống tự động ngắt bơm.
  • Chế độ bán tự động (Manual Mode): Cho phép người dùng trực tiếp bật/tắt các động cơ bơm nước độc lập tại từng Node thông qua các nút nhấn điều khiển trên giao diện Website.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan và lý do chọn đề tài

Chương 1 trình bày bối cảnh thực tiễn của ngành nông nghiệp, xu hướng nông nghiệp chính xác và nhu cầu tự cấp thực phẩm sạch tại các hộ gia đình. Tác giả chỉ ra các hạn chế của việc chăm sóc thủ công và đề xuất bài toán ứng dụng IoT vào hệ thống tưới cây tự động cho vườn thông minh. Chương này xác định rõ mục tiêu nghiên cứu, các nhiệm vụ cụ thể và 6 vấn đề kỹ thuật cần giải quyết để xây dựng hệ sinh thái gồm Node cảm biến, Gateway trung tâm, Server và Web UI.

Chương 2. Khảo sát các giải pháp hiện có và nghiên cứu liên quan

Chương 2 tổng hợp, phân tích các giải pháp thương mại và các công trình nghiên cứu tiền nhiệm:

  • Sản phẩm thương mại: Khảo sát hệ sinh thái của MimosaTEK (các thiết bị đo pH, độ ẩm đất, trạm thời tiết và bộ điều khiển tưới giúp tiết kiệm 30% nước) và NextFarm (hệ thống châm phân tự động Fertikit 4G, trạm giám sát NMC và giải pháp AI NextX dự báo sâu bệnh). Đánh giá chung cho thấy các hệ thống này có chi phí đầu tư cao và đòi hỏi hạ tầng mạng diện rộng liên tục.
  • Các nghiên cứu học thuật: Đánh giá công trình của Rajput và cộng sự về mạng WSN cho vườn táo tại Ấn Độ (mới dừng ở mức khái niệm); công trình của Jumras và cộng sự sử dụng ESP8266 gửi dữ liệu lên ThingSpeak (hạn chế do phụ thuộc hoàn toàn vào vùng phủ sóng Wi-Fi); công trình của Ravi Kishore Kodali và cộng sự dùng GPRS trong nhà kính (hiệu suất năng lượng và đường truyền thấp hơn LoRa/NB-IoT).

Chương 3. Cơ sở lý thuyết và các công nghệ sử dụng

Chương 3 trình bày chi tiết nền tảng lý thuyết và công nghệ được lựa chọn:

  • Kiến trúc IoT: Phân tích mô hình 4 tầng (Sensors, Gateway, Data Processing, Application).
  • So sánh công nghệ không dây: Lập bảng so sánh toàn diện giữa LoRa, Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee và NB-IoT về tần số, phạm vi phủ sóng, tốc độ truyền, mức tiêu thụ năng lượng, băng thông, độ trễ và cơ chế bảo mật (Bảng 3.1). Xác định LoRa là lựa chọn tối ưu về cự ly phủ sóng (lên đến 15 km lý thuyết), tiêu thụ năng lượng thấp và khả năng xuyên vật cản tốt.
  • Giao thức giao tiếp: Mô tả chi tiết nguyên lý hoạt động của giao thức SPI (các chế độ Mode 0–3 theo CPOL/CPHA), giao thức 1-Wire (chu kỳ đọc/ghi/reset bit), giao thức MQTT (Publish/Subscribe Broker), giao thức HTTP và WebSocket.
  • Nền tảng phần mềm: Phân tích vai trò của NodeJS, ExpressJS, cơ sở dữ liệu MongoDB và thư viện ReactJS.
  • Phần cứng và công nghệ tưới: Thuyết minh thông số kỹ thuật của vi điều khiển STM32F103C8T6, ESP32, module LoRa SX1278, cảm biến DHT11, cảm biến độ ẩm đất, mạch sạc năng lượng mặt trời CN3791, mạch tăng áp MT3608 và nguyên lý công nghệ tưới nhỏ giọt.
+-----------------------------------------------------------------------------------------+
| Bảng 3.1: So sánh đặc tính kỹ thuật các giao thức truyền thông không dây                 |
+-------------------+--------------------+--------------------+--------------------+------+
| Tiêu chí          | LoRa               | Wi-Fi              | Zigbee             | ...  |
+-------------------+--------------------+--------------------+--------------------+------+
| Tần số            | 433/868/915 MHz    | 2.4 GHz - 6 GHz    | 2.4 GHz            | ...  |
| Phạm vi phủ sóng  | Lên đến 15 km      | Lên đến 100 m      | 10 - 90 m          | ...  |
| Tốc độ dữ liệu    | 0.3 - 50 kbps      | Lên đến 9.6 Gbps   | 20 - 250 kbps      | ...  |
| Năng lượng tiêu thụ| Rất thấp          | Cao                | Thấp               | ...  |
| Băng thông        | 125/250/500 kHz    | 20/40/80/160 MHz   | 0.3 - 2 MHz        | ...  |
| Bảo mật           | AES 128-bit        | WPA2 / WPA3        | AES 128-bit        | ...  |
+-------------------+--------------------+--------------------+--------------------+------+

Chương 4. Phân tích và thiết kế hệ thống

Chương 4 tập trung vào thiết kế chi tiết kiến trúc và giải thuật:

  • Kiến trúc hệ thống: Sơ đồ khối 1 Gateway (ESP32) kết nối 3 Node (STM32) qua module LoRa SX1278.
  • Thiết kế giải thuật: Xây dựng lưu đồ giải thuật cho Node (thu thập dữ liệu, đóng gói, truyền tin và xử lý ngắt nhận lệnh), giải thuật cho Gateway (nhận LoRa, chuyển đổi sang MQTT publish, nhận lệnh MQTT subscribe để phát LoRa) và giải thuật xử lý tại Server.
  • Thiết kế gói tin: Định nghĩa cấu trúc định dạng dữ liệu truyền nhận giữa Node và Gateway, gói tin cấu hình tham số và gói tin điều khiển Relay.
  • Thiết kế giao diện người dùng: Xây dựng các use case tương tác UI (xem biểu đồ OpenChart, bật/tắt motor bơm, thiết lập ngưỡng cấu hình tham số tự động).

Chương 5. Kiểm thử và đánh giá hệ thống

Chương 5 ghi lại quá trình thử nghiệm và kết quả thu được:

  • Kiểm thử chức năng: Đánh giá hoạt động của chế độ bán tự động (gửi lệnh từ Web, Node nhận tín hiệu và kích hoạt Relay thành công) và chế độ tự động (Node tự động kích hoạt tưới khi độ ẩm đất xuống thấp và ngắt tưới khi độ ẩm đất tăng sau khi tưới).
  • Kiểm thử kết nối: Kiểm tra kết nối Wi-Fi, kết nối MQTT Broker trên Gateway Configuration Web, ghi nhận khả năng kết nối ổn định.
  • Đánh giá truyền thông: Thử nghiệm truyền nhận sóng LoRa với khoảng cách thực tế đạt gần 500 m. Đồng thời ghi nhận hiện tượng mất gói dữ liệu ở một số thời điểm thử nghiệm.
  • Đo đạc tiêu thụ năng lượng: Đo dòng tiêu thụ thực tế của khối phần cứng tại các trạng thái hoạt động và ước tính thời gian duy trì nguồn điện từ pin sạc 18650 kết hợp tấm pin năng lượng mặt trời.

Chương 6. Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết toàn bộ kết quả đạt được sau 3 tháng nghiên cứu, đối chiếu với các mục tiêu đề ra ban đầu và chỉ ra các hạn chế kỹ thuật của mô hình hiện tại, từ đó vạch ra các định hướng cải tiến cho các nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Chế tạo thành công mô hình phần cứng gồm 1 Gateway và 3 Node hoàn chỉnh, hoạt động ổn định với đầy đủ cảm biến và cơ cấu bơm.
  • Đạt cự ly truyền nhận dữ liệu không dây qua sóng LoRa xấp xỉ 500 m trong môi trường thực tế, đáp ứng tốt quy mô khuôn viên vườn rộng mà không cần lắp đặt hạ tầng mạng trung gian.
  • Xây dựng thành công hệ thống giám sát và điều khiển đa tầng: Firmware trên STM32/ESP32, phần mềm Server NodeJS/ExpressJS, cơ sở dữ liệu MongoDB và giao diện Web ReactJS hiển thị trực quan thông số nhiệt độ, độ ẩm môi trường và độ ẩm đất.
  • Hiện thực hóa 2 chế độ vận hành: Tự động hoàn toàn (theo ngưỡng cảm biến) và Bán tự động (điều khiển bật/tắt Relay trực tiếp qua Web UI).
  • Đảm bảo tính tự chủ năng lượng cho các Node phân tán bằng sự kết hợp giữa pin 18650, tấm pin mặt trời 9V (2–2.9W) và mạch sạc thông minh CN3791.

Giải pháp kỹ thuật đề xuất

  • Đề xuất mô hình kết hợp lai giữa mạng cục bộ không dây tầm xa (LoRa ở tần số 433 MHz) và mạng diện rộng (Wi-Fi/MQTT) thông qua Gateway chuyển tiếp, giúp khắc phục nhược điểm giới hạn khoảng cách của Wi-Fi/Bluetooth trong nông nghiệp.
  • Ứng dụng kỹ thuật tưới nhỏ giọt kết hợp điều khiển vi sai mức ẩm, cung cấp nước chính xác tới gốc cây nhằm tối ưu hóa lượng nước tiêu thụ.

Đóng góp so với các nghiên cứu trước

  • Khắc phục hạn chế vùng phủ sóng: So với nghiên cứu của Jumras và cộng sự (phụ thuộc vào Wi-Fi diện rộng cho từng nút cảm biến), giải pháp dùng LoRa giúp mở rộng phạm vi thu thập dữ liệu lên hàng trăm mét mà không phát sinh chi phí mở rộng hạ tầng mạng Wi-Fi ngoài trời.
  • Hiện thực hóa mô hình thực nghiệm: Khác với nghiên cứu của Rajput và cộng sự (dừng lại ở mức độ khái niệm lý thuyết), khóa luận đã triển khai chế tạo phần cứng, đóng gói thiết bị và đo đạc số liệu thực nghiệm trên mô hình 3 Node và 1 Gateway.
  • Hiệu quả năng lượng và chi phí: Sử dụng LoRa và vi điều khiển STM32/ESP32 giúp giảm đáng kể công suất tiêu thụ và chi phí đầu tư so với các giải pháp dùng module viễn thông GPRS (như nghiên cứu của Ravi Kishore Kodali) hoặc các thiết bị thương mại chuyên dụng đắt tiền (MimosaTEK, NextFarm).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Hiện tượng mất gói dữ liệu: Trong quá trình truyền nhận qua sóng LoRa ở khoảng cách xa hoặc có vật cản, hệ thống vẫn ghi nhận tình trạng rớt gói tin (Hình 5.22 trong khóa luận).
  • Độ chính xác và độ bền của cảm biến: Cảm biến DHT11 có dải đo nhiệt độ (0–50°C, sai số 2°C) và độ ẩm (20–90% RH, sai số 5% RH) ở mức cơ bản; cảm biến độ ẩm đất dạng điện cực kim loại dễ bị ăn mòn khi cắm lâu ngày trong môi trường đất ẩm nông nghiệp.
  • Rủi ro cơ khí của hệ thống tưới nhỏ giọt: Các đầu tưới nhỏ giọt có nguy cơ tắc nghẽn nếu nguồn nước có cặn bẩn mà không có bộ lọc chuyên dụng định kỳ; đường ống dẫn nước ngoài trời có thể bị suy giảm tuổi thọ dưới tác động của tia bức xạ mặt trời hoặc động vật gặm nhấm.

Hướng phát triển

  • Tối ưu hóa thuật toán truyền thông LoRa, bổ sung các cơ chế truyền lại (Retransmission) và kiểm tra lỗi chặt chẽ hơn nhằm khắc phục triệt để tình trạng mất gói tin.
  • Nâng cấp các loại cảm biến công nghiệp có độ chính xác cao hơn, khả năng chống nước và chống ăn mòn tốt hơn để kéo dài tuổi thọ ngoài thực địa.
  • Tích hợp thêm các thuật toán học máy (Machine Learning) hoặc trí tuệ nhân tạo (AI) trên Server để dự báo nhu cầu tưới tiêu dựa trên dữ liệu khí tượng lịch sử và dự báo thời tiết.
  • Mở rộng quy mô thử nghiệm với số lượng Node lớn hơn và nghiên cứu tối ưu hóa chế độ ngủ sâu (Deep Sleep) trên vi điều khiển nhằm kéo dài hơn nữa thời gian hoạt động của pin.

Giá trị tham khảo

Bản khóa luận là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Máy tính, Điện tử - Viễn thông, Công nghệ Thông tin và Hệ thống Nhúng: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình thiết kế phần cứng hoàn chỉnh, từ việc lựa chọn linh kiện, giao tiếp ngoại vi (SPI, 1-Wire, ADC, GPIO), lập trình firmware trên STM32/ESP32 đến tích hợp module vô tuyến LoRa SX1278.
  • Kỹ sư và nhà phát triển ứng dụng IoT: Tham khảo mô hình kiến trúc kết nối kết hợp LoRa - MQTT - WebSocket - Web UI, phương pháp đóng gói bản tin dữ liệu nhúng và kỹ thuật thiết kế nguồn tự trị sử dụng năng lượng mặt trời cho các nút cảm biến ngoài trời.
  • Các đề tài nghiên cứu về Nông nghiệp thông minh (Smart Agriculture): Cung cấp các số liệu thực nghiệm về khoảng cách truyền sóng, dòng tiêu thụ và kinh nghiệm ứng dụng công nghệ tưới nhỏ giọt kết hợp giám sát tự động.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống sử dụng dải tần và thông số truyền thông LoRa nào trong nghiên cứu?

Hệ thống sử dụng module LoRa SX1278 của Semtech hoạt động tại dải tần số 433 MHz (dải tần phổ biến cho khu vực Châu Á). Module giao tiếp với vi điều khiển STM32 và ESP32 thông qua giao thức truyền thông đồng bộ nối tiếp SPI (với các chân MOSI, MISO, SCK, CS).

2. Vai trò kỹ thuật chính của Gateway ESP32 trong mô hình là gì?

Gateway ESP32 đóng vai trò là cầu nối trung gian hai chiều: tiếp nhận các gói dữ liệu thu thập môi trường từ các Node qua sóng LoRa 433 MHz, sau đó đóng gói và gửi lên Server thông qua giao thức MQTT qua kết nối Wi-Fi. Ở chiều ngược lại, Gateway nhận lệnh điều khiển từ Server (qua giao thức MQTT) và phát sóng LoRa để truyền lệnh đến các Node thực thi đóng/ngắt Relay.

3. Nguồn cung cấp năng lượng cho mỗi Node cảm biến được thiết kế như thế nào?

Mỗi Node hoạt động độc lập bằng pin sạc Lithium-ion 18650, kết hợp với tấm pin năng lượng mặt trời 9V (kích thước 115 x 115 x 3 mm, công suất 2–2.9W, dòng 0–220 mA) và mạch quản lý sạc thông minh CN3791 (điện áp sạc 4.2V, dòng nạp tối đa 2A, có bảo vệ ngắn mạch). Mạch tăng áp DC-DC MT3608 được dùng để nâng áp phục vụ hoạt động của các ngoại vi yêu cầu mức điện áp 5V.

4. Hệ thống phân biệt và vận hành giữa hai chế độ Tự động và Bán tự động như thế nào?

  • Ở chế độ Tự động (Automatic), Server căn cứ vào dữ liệu nhiệt độ và độ ẩm đất gửi về định kỳ để tự động tính toán, gửi lệnh kích hoạt Relay bật bơm khi đất khô và tự động ngắt bơm khi độ ẩm đạt ngưỡng đủ.
  • Ở chế độ Bán tự động (Manual), người dùng trực tiếp giám sát thông số trên giao diện Website và chủ động bấm nút bật hoặc tắt motor bơm tại từng Node theo nhu cầu thực tế.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Cao Hoàng Thiện và Nguyễn Hải Nam đã thiết kế và triển khai thành công hệ thống tưới cây tự động cho vườn thông minh dựa trên nền tảng IoT và công nghệ truyền thông không dây tầm xa LoRa. Hệ thống đáp ứng đầy đủ các yêu cầu từ thu thập dữ liệu môi trường, điều khiển tưới tiêu hai chế độ (tự động và bán tự động) đến giám sát trực quan trên nền tảng Web với cự ly truyền nhận thực tế đạt xấp xỉ 500 m. Giải pháp tích hợp nguồn năng lượng mặt trời độc lập trên các Node cảm biến mở ra khả năng ứng dụng thực tiễn cao cho các mô hình nông nghiệp phân tán, đồng thời tạo tiền đề thuận lợi cho việc nghiên cứu tích hợp các giải pháp trí tuệ nhân tạo và mở rộng mạng cảm biến trong tương lai.