Đồ Án Tốt Nghiệp: Thiết Kế và Thi Công Mô Hình Quản Lý Nông Nghiệp Ứng Dụng Công Nghệ LoRaWAN

Mô hình quản lý nông nghiệp ứng dụng công nghệ LoRaWAN đang trở thành xu hướng mới… 100 trang · Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh · 2024.

• Tác giả: Nguyễn Quang Tri
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Hồng Liên
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử - Viễn Thông
• Đề tài: Thiết Kế Mô Hình Quản Lý Nông Nghiệp Ứng Dụng Công Nghệ LoRaWAN
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Mục tiêu thực hiện
• 1.2. Nội dung thực hiện
• 1.3. Giới hạn đề tài
• 1.4. Chương 1: Tổng quan
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Tổng quan và hệ thống
• 2.2. Công nghệ LoRa
• 2.3. Mạng truyền thông không dây diện rộng công suất thấp LoRa
• 2.4. Nguyên lý hoạt động
• 2.5. Công nghệ giao tiếp LoRaWAN
• 2.6. Cấu trúc hệ thống LoRaWAN
• 2.7. Ưu nhược điểm hệ thống LoRaWAN
• 2.8. Các giao tiếp được sử dụng
• 2.8.1. Giao tiếp SPI
• 2.8.2. Giao tiếp UDP
• 2.8.3. Giao tiếp MQTT
• 2.8.4. Giao tiếp API
• 2.9. Các phần cứng được sử dụng
• 2.9.1. ESP32 NodeMCU LuaNode32 Module
• 2.9.2. Dragino LPS8 LoRaWAN Gateway
• 2.9.3. RFM95W 915MHz LoRa Module
• 2.9.4. Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11
• 2.9.5. Module 1 Relay và Opto Cách Ly 5VDC
• 2.9.6. Cảm biến pH DFRobot Gravity
• 2.9.7. LCD OLED SSD1306 0.96inch 128x64 Xanh Dương
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
• 3.1. Sơ đồ khái hệ thống
• 3.2. Tính Toán Và Thiết Kế Hệ Thống
• 3.3. Khái LoRaWAN Server
• 3.4. Khái IoT Server
• 4. CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG
• 4.1. Thi công phần cứng
• 4.2. Thiết kế và thực hiện phần mềm
• 4.2.1. Lưu đồ giải thuật hệ thống
• 4.2.2. Thiết kế cảnh báo cho người dùng qua Telegram
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 5.1. Vị trí thực hiện
• 5.2. Đánh giá kết quả đo đạc
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. Kết luận
• 6.2. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế mô hình quản lý nông nghiệp ứng dụng công nghệ LoRaWAN

Mô hình quản lý nông nghiệp ứng dụng công nghệ LoRaWAN đang trở thành xu hướng mới trong ngành nông nghiệp hiện đại. Công nghệ này cho phép giám sát và quản lý các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến sự phát triển của cây trồng một cách hiệu quả. Việc áp dụng công nghệ LoRaWAN giúp nông dân tiết kiệm thời gian và chi phí, đồng thời nâng cao năng suất cây trồng.

1.1. Công nghệ LoRaWAN trong nông nghiệp Khái niệm và ứng dụng

Công nghệ LoRaWAN là một giải pháp IoT cho nông nghiệp, cho phép truyền tải dữ liệu từ các cảm biến đến trung tâm quản lý một cách hiệu quả. Công nghệ này giúp nông dân theo dõi các thông số như độ ẩm, nhiệt độ và pH của đất.

1.2. Lợi ích của mô hình quản lý nông nghiệp thông minh

Mô hình quản lý nông nghiệp thông minh giúp tối ưu hóa sản xuất nông nghiệp bằng cách cung cấp thông tin chính xác về điều kiện môi trường. Điều này giúp nông dân đưa ra quyết định kịp thời và chính xác hơn.

II. Vấn đề và thách thức trong quản lý nông nghiệp hiện nay

Quản lý nông nghiệp hiện nay đối mặt với nhiều thách thức như biến đổi khí hậu, sự gia tăng dân số và nhu cầu thực phẩm ngày càng cao. Những vấn đề này đòi hỏi các giải pháp quản lý hiệu quả hơn để đảm bảo sản xuất bền vững.

2.1. Biến đổi khí hậu và tác động đến nông nghiệp

Biến đổi khí hậu gây ra những thay đổi lớn trong điều kiện thời tiết, ảnh hưởng đến năng suất cây trồng. Nông dân cần có các giải pháp để thích ứng với những thay đổi này.

2.2. Chi phí sản xuất và quản lý

Chi phí sản xuất ngày càng tăng, trong khi giá cả nông sản không ổn định. Việc áp dụng công nghệ mới như LoRaWAN có thể giúp giảm chi phí quản lý và sản xuất.

III. Phương pháp thiết kế mô hình quản lý nông nghiệp ứng dụng LoRaWAN

Thiết kế mô hình quản lý nông nghiệp ứng dụng công nghệ LoRaWAN bao gồm việc lắp đặt các cảm biến để thu thập dữ liệu môi trường và truyền tải dữ liệu này đến trung tâm quản lý. Mô hình này giúp nông dân theo dõi và điều chỉnh các yếu tố ảnh hưởng đến cây trồng một cách hiệu quả.

3.1. Thiết kế hệ thống cảm biến và truyền dữ liệu

Hệ thống cảm biến được thiết kế để thu thập dữ liệu về độ ẩm, nhiệt độ và pH của đất. Dữ liệu này được truyền tải qua mạng LoRaWAN đến trung tâm quản lý.

3.2. Phân tích dữ liệu và đưa ra quyết định

Dữ liệu thu thập được sẽ được phân tích để đưa ra các quyết định kịp thời về việc tưới tiêu, bón phân và chăm sóc cây trồng.

IV. Ứng dụng thực tiễn của mô hình quản lý nông nghiệp thông minh

Mô hình quản lý nông nghiệp thông minh đã được áp dụng thành công tại nhiều địa phương, giúp nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm nông nghiệp. Các nông trại sử dụng công nghệ LoRaWAN đã ghi nhận sự cải thiện rõ rệt trong việc quản lý và giám sát cây trồng.

4.1. Kết quả nghiên cứu từ các mô hình thực tiễn

Nghiên cứu cho thấy việc áp dụng công nghệ LoRaWAN giúp giảm thiểu chi phí sản xuất và tăng năng suất cây trồng từ 20-30%.

4.2. Các mô hình thành công trong quản lý nông nghiệp

Nhiều mô hình nông nghiệp thông minh đã được triển khai thành công, cho thấy tính khả thi và hiệu quả của công nghệ LoRaWAN trong việc quản lý nông nghiệp.

V. Kết luận và tương lai của mô hình quản lý nông nghiệp ứng dụng công nghệ LoRaWAN

Mô hình quản lý nông nghiệp ứng dụng công nghệ LoRaWAN không chỉ giúp nâng cao năng suất mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Tương lai của nông nghiệp thông minh sẽ phụ thuộc vào việc áp dụng công nghệ mới và cải tiến quy trình sản xuất.

5.1. Triển vọng phát triển công nghệ trong nông nghiệp

Công nghệ IoT và LoRaWAN sẽ tiếp tục phát triển, mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành nông nghiệp trong việc tối ưu hóa sản xuất và quản lý.

5.2. Hướng đi bền vững cho nông nghiệp

Việc áp dụng công nghệ mới sẽ giúp nông nghiệp phát triển bền vững, đáp ứng nhu cầu thực phẩm ngày càng cao của xã hội.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh đẩy mạnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa, nông nghiệp vẫn giữ vị trí then chốt đối với nền kinh tế Việt Nam khi chiếm khoảng 70% dân số lao động và đóng góp xấp xỉ 20% tổng sản phẩm quốc nội (GDP). Trước các tác động tiêu cực của biến đổi khí hậu, các phương thức canh tác truyền thống dần bộc lộ nhiều hạn chế về năng suất, tiêu tốn tài nguyên nước và chi phí nhân công. Việc ứng dụng công nghệ thông tin và truyền thông, cụ thể là Internet vạn vật (IoT), vào quản lý nông nghiệp đang trở thành xu thế tất yếu nhằm tối ưu hóa điều kiện phát triển cho cây trồng và nâng cao hiệu quả kinh tế.

Tuy nhiên, việc triển khai các hệ thống quan trắc truyền thống tại các nông trại có quy mô diện tích lớn đang gặp phải những rào cản kỹ thuật đáng kể. Các hệ thống giám sát có dây đòi hỏi chi phí đầu tư đường dây phức tạp và dễ hư hỏng trong môi trường tự nhiên. Ngược lại, các công nghệ không dây phổ thông như Wi-Fi, Bluetooth hay ZigBee lại bị giới hạn nghiêm ngặt về cự ly phủ sóng, đồng thời tiêu hao năng lượng lớn, không đáp ứng được yêu cầu giám sát phân tán hàng trăm đến hàng nghìn điểm đo trên diện rộng. Nhằm giải quyết bài toán truyền thông khoảng cách xa với mức tiêu thụ năng lượng thấp và chi phí hợp lý, đề tài "Thiết kế và thi công mô hình quản lý nông nghiệp ứng dụng công nghệ LoRaWAN" được tác giả Nguyễn Quang Tri thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. Phạm Hồng Liên tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Mục tiêu nghiên cứu tổng quát của đề tài là thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình phần cứng lẫn phần mềm phục vụ giám sát các thông số vi khí hậu và điều khiển tưới nước tự động từ xa thông qua mạng diện rộng công suất thấp LoRaWAN. Các nhiệm vụ và mục tiêu cụ thể được xác định trong văn bản bao gồm:

1. Thu thập liên tục các chỉ số môi trường thiết yếu gồm: nhiệt độ không khí, độ ẩm không khí, độ ẩm đất và độ pH của môi trường đất/nước.
2. Thiết lập kênh truyền dẫn không dây đường dài sử dụng công nghệ điều chế LoRa để truyền dữ liệu từ các nút cảm biến (EndNode) về thiết bị thu phát trung tâm (Gateway).
3. Đẩy dữ liệu từ Gateway lên hệ thống máy chủ mạng LoRaWAN (Network Server) và máy chủ IoT (ThingsBoard) để hiển thị trực quan trên giao diện Website.
4. Xây dựng cơ chế cảnh báo tự động gửi tin nhắn đến điện thoại người dùng thông qua ứng dụng Telegram khi phát hiện thông số môi trường vượt ngưỡng an toàn định trước.
5. Cung cấp hai cơ chế điều khiển máy bơm nước: chế độ tự động (kích hoạt thiết bị dựa trên các ngưỡng thông số cài đặt trước) và chế độ thủ công (bật/tắt trực tiếp thông qua giao diện Website).
6. Tích hợp thuật toán hỗ trợ kỹ thuật canh tác trên nền tảng Website, đưa ra đề xuất chăm sóc phù hợp theo từng giai đoạn sinh trưởng của hai loại cây trồng cụ thể là cây cà chua và cây sầu riêng.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là mô hình hệ thống nhúng quan trắc môi trường và điều khiển chấp hành trong nông nghiệp, ứng dụng chuẩn truyền thông không dây LoRaWAN kết hợp hạ tầng điện toán đám mây. Phạm vi thực nghiệm của đề tài bao gồm việc thi công 02 nút cảm biến EndNode tại các vị trí phân tán, 01 Gateway quản lý tập trung và kiểm tra khả năng truyền dẫn vô tuyến thực tế tại các khoảng cách từ 80 mét đến 1.000 mét. Giới hạn của đề tài được tác giả xác định rõ: hệ thống được cấp nguồn trực tiếp (chưa tích hợp nguồn pin/năng lượng mặt trời để tối ưu hóa năng lượng tự trị); chưa phát triển cơ chế tự động gửi cảnh báo khi một thiết bị phần cứng gặp sự cố kỹ thuật hoặc ngừng hoạt động; phạm vi triển khai mới dừng lại ở quy mô mô hình thí nghiệm phục vụ đo đạc và đánh giá tính khả thi kỹ thuật.

Nhiệm vụ thực hiện của đồ án được triển khai qua 13 nội dung công việc tuần tự:

• Nội dung 1: Tìm hiểu các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của cây trồng nông nghiệp.
• Nội dung 2: Khảo sát các công nghệ truyền thông và hệ thống giám sát đang ứng dụng trong nông nghiệp.
• Nội dung 3: Lập đề cương tóm tắt và kế hoạch thực hiện đề tài tốt nghiệp.
• Nội dung 4: Thiết kế sơ đồ khối chức năng và lựa chọn linh kiện phần cứng tương thích.
• Nội dung 5: Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện chi tiết và phân tích nguyên lý hoạt động.
• Nội dung 6: Vẽ mạch in (PCB) và gia công chế tạo phần cứng.
• Nội dung 7: Lập trình firmware cho vi điều khiển điều khiển ngoại vi và giao tiếp vô tuyến.
• Nội dung 8: Xây dựng máy chủ dữ liệu, thiết kế giao diện Website và cấu hình cảnh báo qua Telegram.
• Nội dung 9: Tích hợp hoàn chỉnh mô hình phần cứng và thử nghiệm điều khiển qua Website.
• Nội dung 10: Vận hành thử nghiệm hệ thống, đo đạc cự ly truyền nhận, so sánh dữ liệu và ghi nhận kết quả.
• Nội dung 11: Hiệu chỉnh, hoàn thiện và tối ưu hóa giải thuật chương trình.
• Nội dung 12: Biên soạn thuyết minh đồ án tốt nghiệp.
• Nội dung 13: Bảo vệ đồ án trước hội đồng chuyên môn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng phương pháp thiết kế kỹ thuật thực nghiệm kết hợp tích hợp hệ thống phần cứng và dịch vụ đám mây. Cơ sở lý thuyết của hệ thống dựa trên nền tảng kỹ thuật điều chế vô tuyến LoRa và kiến trúc mạng chuẩn hóa LoRaWAN.

Công nghệ LoRa (Long Range) hoạt động dựa trên phương pháp điều chế trải phổ chirp (Chirp Spread Spectrum - CSS). Bằng cách băm dữ liệu gốc thành các xung cao tần có tần số biến thiên theo thời gian (up-chirp biểu diễn bit 1 và down-chirp biểu diễn bit 0), tín hiệu LoRa đạt được khả năng chống nhiễu cao, hạn chế tác động của hiện tượng suy hao đa đường (fading) và cho phép máy thu giải mã chính xác tín hiệu ngay cả khi mức công suất thu được thấp hơn mức tạp âm môi trường (SNR âm). Hệ thống vận hành trên các tham số cốt lõi:

• Hệ số lan truyền (Spreading Factor - SF): Dao động từ SF7 đến SF12, quyết định số lượng xung chirp mã hóa cho mỗi bit dữ liệu; SF càng lớn thì độ nhạy thu và khả năng chống nhiễu càng cao nhưng tốc độ truyền dẫn giảm.
• Băng thông (Bandwidth - BW): Các mức tiêu chuẩn gồm 125 kHz, 250 kHz hoặc 500 kHz.
• Tỷ lệ mã hóa (Coding Rate - CR): Cơ chế sửa lỗi trước giúp khôi phục các bit dữ liệu bị lỗi.
• Chỉ số cường độ tín hiệu thu (RSSI): Đo lường mức công suất sóng vô tuyến tại đầu thu tính bằng đơn vị dBm.

Giao thức LoRaWAN được xây dựng trên nền tảng vô tuyến LoRa theo cấu trúc hình sao đa điểm (star-of-stars topology), bao gồm bốn thực thể chính: các nút đầu cuối (Nodes), trạm thu phát (Gateways), máy chủ mạng (Network Server) và máy chủ ứng dụng (Application Server). Cấu trúc này tối ưu hóa việc tiết kiệm năng lượng cho các nút cảm biến do chúng chỉ truyền thông điệp trực tiếp đến trạm Gateway mà không cần thực hiện nhiệm vụ định tuyến chuyển tiếp gói tin như mạng Mesh.

Để phục vụ quá trình truyền nhận và hiển thị dữ liệu liên tục giữa các tầng kiến trúc, hệ thống ứng dụng đồng thời nhiều chuẩn giao tiếp phần cứng và giao thức mạng:

• Giao thức ngoại vi SPI (Serial Peripheral Interface): Giao tiếp nối tiếp đồng bộ 4 dây (MOSI, MISO, SCLK, SS/CS) giữa vi điều khiển ESP32 và module thu phát RFM95W, cho phép truyền nhận dữ liệu toàn phần (full-duplex) với tốc độ cao.
• Giao thức I2C: Giao tiếp nối tiếp 2 dây dùng để điều khiển và hiển thị dữ liệu cục bộ lên màn hình OLED SSD1306.
• Giao thức mạng UDP (User Datagram Protocol): Cung cấp phương thức truyền tải gói tin không hướng kết nối với độ trễ thấp giữa Gateway LPS8 và LoRaWAN Network Server qua môi trường Internet.
• Giao thức tầng ứng dụng MQTT (Message Queuing Telemetry Transport): Hoạt động theo mô hình xuất bản - đăng ký (Publish/Subscribe) thông qua máy chủ môi giới (Broker), tối ưu hóa băng thông truyền nhận giữa hệ thống mạng LoRa và nền tảng ThingsBoard.
• Kiến trúc RESTful API: Sử dụng các phương thức HTTP (GET, POST, PUT, DELETE) cùng các mã trạng thái phản hồi (1xx, 2xx, 3xx, 4xx, 5xx) để xử lý tương tác dữ liệu giữa giao diện web của người dùng và hệ thống máy chủ cơ sở dữ liệu.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo mô hình phân tầng hoàn chỉnh từ tầng thu thập tín hiệu vật lý, tầng truyền dẫn vô tuyến, tầng chuyển tiếp mạng đến tầng dịch vụ ứng dụng và giám sát.

Khối chức năng	Tên linh kiện / Thiết bị	Thông số kỹ thuật chính trích xuất từ văn bản
Vi điều khiển trung tâm	ESP32 NodeMCU LuaNode32	Nguồn cấp 5VDC qua cổng Micro USB; tích hợp mầm nạp CP2102; 18 kênh ADC 12-bit; 2 kênh DAC 8-bit; hỗ trợ PWM, SPI, I2C, UART.
Thu phát vô tuyến LoRa	HopeRF RFM95W (băng tần 915MHz)	Điều chế LoRa/FSK; độ nhạy thu -148dBm; công suất phát tối đa +20dBm (100mW); Link budget 168dB; bộ đệm gói tin 256 byte tích hợp kiểm tra CRC; dòng thu 10.3mA.
Anten truyền dẫn	Anten LoRa 868/915MHz 5dBi	Dải tần hoạt động 800–960MHz; độ tăng ích 5dBi; trở kháng đầu vào 50Ω; hệ số sóng đứng VSWR ≤ 1.5; chiều dài 19,5cm; chuẩn kết nối SMA đực.
Trạm thu phát trung tâm	Dragino LPS8 LoRaWAN Gateway	Vi xử lý AR9331 xung nhịp 400MHz; bộ nhớ Flash 64MB / 16MB; cổng Ethernet RJ45 10/100M; Wi-Fi chuẩn 802.11 b/g/n; chip vô tuyến LoRa SX1257; độ nhạy -140dBm; nguồn cấp 5VDC/2A cổng Type-C.
Cảm biến độ ẩm đất	Cảm biến điện dung SMS-V2	Nguyên lý đo điện dung chống ăn mòn; điện áp hoạt động 3.3VDC; dòng tiêu thụ <20mA; ngõ ra tín hiệu Analog.
Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm	DHT11	Thang đo độ ẩm 20–90% RH (sai số ±5%); thang đo nhiệt độ 0–50°C (sai số ±2%); điện áp 3.3–5VDC; ngõ ra tín hiệu số (Digital single-bus); tần số lấy mẫu 0.5Hz.
Cảm biến đo độ pH	DFRobot Gravity Analog pH (SEN0161)	Thang đo 0–14 pH; nhiệt độ vận hành 0–60°C; độ chính xác ±0.1 pH tại 25°C; thời gian đáp ứng ≤ 1 phút; ngõ ra Analog kết nối qua cổng BNC; điện áp 5VDC.
Mạch đóng ngắt chấp hành	Module 1 Relay cách ly quang	Điện áp cuộn hút 5VDC; dòng kích 80mA; tích hợp Opto cách ly và transistor bảo vệ bo mạch; tải tiếp điểm tối đa AC 250V/10A hoặc DC 30V/10A; 3 tiếp điểm NC, NO, COM.
Động cơ bơm nước	Mini Water Pump 5VDC	Động cơ bơm chìm mini; điện áp định mức 3–5VDC; dòng điện tiêu thụ 100–200mA; đường kính ngoài ống dẫn 7.5mm; kích thước 34x43mm; trọng lượng 28g.
Màn hình hiển thị tại chỗ	OLED SSD1306 0.96 inch	Độ phân giải 128x64 điểm ảnh; ánh sáng xanh dương; giao tiếp chuẩn I2C (chân SDA, SCL); hoạt động ở mức nguồn 3.3V–5VDC.

Quy trình vận hành phần mềm và truyền thông của hệ thống được tổ chức tuần tự:

1. Tại các EndNode: Vi điều khiển ESP32 đọc định kỳ các giá trị từ cảm biến DHT11, cảm biến đo độ ẩm đất SMS-V2 và cảm biến đo độ pH SEN0161 qua các chân Digital và kênh ADC 12-bit. Đồng thời, thông số môi trường được xuất trực tiếp lên màn hình OLED SSD1306 đặt tại hiện trường. Dữ liệu sau đó được đóng thành khung truyền LoRa, chuyển qua module RFM95W bằng giao tiếp SPI và phát lên không gian vô tuyến tại tần số 915MHz.
2. Tại tầng Gateway: Trạm Dragino LPS8 liên tục lắng nghe và tiếp nhận các gói tin LoRa vô tuyến từ các EndNode, sau đó đóng gói lại và chuyển tiếp đến máy chủ mạng ChirpStack qua kết nối Internet (sử dụng Wi-Fi hoặc cáp mạng LAN Ethernet thông qua giao thức UDP).
3. Tại tầng máy chủ mạng và IoT: Máy chủ ChirpStack xác thực định danh thiết bị (thông qua Gateway EUI, Device EUI và Device Profile), giải mã gói tin dữ liệu rồi đẩy tiếp đến nền tảng ThingsBoard thông qua cầu nối tích hợp (Integration Token).
4. Tại tầng giao diện và điều khiển: Nền tảng ThingsBoard lưu trữ chuỗi dữ liệu theo thời gian (Time-series data) và hiển thị trực quan lên giao diện Website. Bộ phân tích luồng sự kiện (Rule Chains) trên ThingsBoard được cấu hình để thực hiện hai chức năng:
   • Giám sát ngưỡng và phát cảnh báo: Khối mã kịch bản (Block Script) phân loại mức độ nguy hiểm của các chỉ số môi trường. Nếu vượt quá ngưỡng cài đặt an toàn, hệ thống tự động gọi hàm API gửi tin nhắn thông báo sự cố tức thời đến ChatBox "IoT Agriculture" trên ứng dụng Telegram của người dùng.
   • Hỗ trợ ra quyết định nông học: Tích hợp bảng điều kiện môi trường lý tưởng tương ứng với từng giai đoạn phát triển cụ thể của cây cà chua (giai đoạn sinh trưởng, ra hoa) và cây sầu riêng, hỗ trợ người vận hành nắm bắt kỹ thuật tưới và chăm sóc tối ưu.
   • Điều khiển bơm: Khi người dùng thao tác nút bấm thủ công trên Web hoặc khi thuật toán tự động kích hoạt lệnh tưới dựa trên dữ liệu độ ẩm đất, lệnh điều khiển (Downlink) được gửi ngược từ máy chủ qua Gateway xuống EndNode để kích hoạt Relay đóng ngắt máy bơm chìm 5V.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày bối cảnh phát triển của nông nghiệp trong thời kỳ công nghiệp hóa, nhấn mạnh tỷ trọng 70% dân số và 20% GDP của ngành. Tác giả phân tích các hạn chế của các giải pháp IoT giám sát truyền thống khi gặp khó khăn về cự ly truyền thông và chi phí duy trì mạng diện rộng. Từ đó, chương xác định mục tiêu tổng quát, nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể, phạm vi thực hiện đo đạc 4 chỉ số môi trường, điều khiển bơm 2 chế độ, phát cảnh báo Telegram, cùng các giới hạn về nguồn cấp trực tiếp và khả năng phát hiện lỗi thiết bị.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 tập trung hệ thống hóa toàn bộ kiến thức kỹ thuật nền tảng cấu thành đồ án. Tác giả giải thích nguyên lý điều chế Chirp Spread Spectrum của công nghệ LoRa với hai dạng xung chirp (up-chirp và down-chirp), các thông số kỹ thuật cốt lõi (SF, BW, CR, RSSI), cấu trúc mạng hình sao LoRaWAN và các dải tần hoạt động trên thế giới. Tiếp đó, chương giới thiệu chi tiết cấu trúc, ưu nhược điểm và cơ chế truyền nhận của các giao thức SPI, UDP, MQTT, RESTful API. Phần cuối chương dành để mô tả chi tiết thông số kỹ thuật, cấu hình chân và nguyên lý hoạt động của từng linh kiện phần cứng được sử dụng trong đồ án: ESP32, Dragino LPS8, RFM95W, SMS-V2, DHT11, SEN0161, Relay cách ly quang, máy bơm mini 5V, anten 5dBi và màn hình OLED SSD1306.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 trình bày chi tiết bản vẽ thiết kế hệ thống từ mức độ tổng quan đến từng khối mạch chức năng. Nội dung bao gồm việc xây dựng sơ đồ khối toàn hệ thống, sơ đồ khối chức năng của nút đầu cuối EndNode, và sơ đồ nguyên lý mạch điện (Schematic) thể hiện cách ghép nối giữa vi điều khiển ESP32 với module LoRa RFM95W qua bus SPI, cùng các cổng kết nối cảm biến và cơ cấu chấp hành. Chương cũng mô tả kiến trúc phân tầng của hệ thống máy chủ mạng LoRaWAN (ChirpStack), cấu trúc máy chủ IoT (ThingsBoard) và thiết kế bố cục giao diện bảng điều khiển trên Website.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 ghi lại chi tiết quy trình chế tạo thực tế cả về mặt cơ điện tử lẫn phần mềm. Tác giả trình bày quy trình thiết kế mạch in PCB 2 lớp, hình ảnh mô hình 3D và mạch sau khi hàn linh kiện hoàn thiện. Về mặt phần mềm, chương minh họa lưu đồ giải thuật điều khiển của toàn hệ thống và lưu đồ giải thuật cho nút EndNode trên môi trường Arduino IDE. Quy trình cấu hình thực tế được ghi nhận qua các bước chụp màn hình giao diện: đăng nhập trạm Dragino LPS8, tạo lập hồ sơ thiết bị (Device Profile) và định danh Gateway EUI trên ChirpStack, tích hợp thiết bị lên ThingsBoard bằng mã Access Token, cấu hình luồng xử lý dữ liệu Rule Chains để gửi tin nhắn cảnh báo đến Telegram bot ("IoT Agriculture"), và thiết lập giải thuật phân loại, hiển thị khuyến nghị chăm sóc theo chu kỳ sinh trưởng của cây cà chua và sầu riêng.

Chương 5: Kết quả thực nghiệm

Chương 5 cung cấp các dữ liệu thu thập được từ quá trình chạy thử nghiệm mô hình trong môi trường thực địa. Tác giả xác định vị trí đặt trạm thu Gateway và bố trí máy phát EndNode tại 4 mốc khoảng cách khác nhau trên bản đồ khu vực nhằm đánh giá độ tin cậy truyền thông vô tuyến của công nghệ LoRa. Dữ liệu thực nghiệm phản ánh sự suy giảm của chỉ số RSSI và khả năng duy trì gói tin khi cự ly tăng dần, đồng thời kiểm tra sự phản hồi của cơ cấu bơm và hệ thống cảnh báo Telegram khi các thông số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, độ pH) thay đổi.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết các kết quả đạt được đối chiếu với mục tiêu đề ra ban đầu, khẳng định khả năng vận hành ổn định của hệ thống trong việc đo đạc, truyền thông khoảng cách xa bằng LoRaWAN và điều khiển thiết bị qua nền tảng đám mây. Đồng thời, tác giả đúc kết các điểm còn tồn tại và đề xuất các hướng mở rộng kỹ thuật tiếp theo nhằm nâng cao tính ứng dụng của đề tài vào thực tế sản xuất nông nghiệp.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã chế tạo thành công mô hình phần cứng hoàn chỉnh gồm 02 nút cảm biến EndNode và tích hợp vận hành ổn định cùng 01 trạm Dragino LPS8 Gateway, kết nối liền mạch lên hệ thống máy chủ mạng ChirpStack và nền tảng ThingsBoard.

Quá trình khảo sát thực nghiệm cự ly truyền thông vô tuyến giữa EndNode và Gateway tại khu vực đo đạc được tác giả thực hiện qua 4 lần đo với các vị trí cụ thể trên bản đồ (theo Bảng 4.1 và các hình từ 5.3 đến 5.11 trong thuyết minh):

Lần đo khảo sát	Khoảng cách đo thực tế	Ghi nhận hoạt động truyền nhận dữ liệu
Lần 1	80 m	Tín hiệu truyền nhận rất tốt, gói tin được đẩy về Gateway liên tục, tỷ lệ mất gói bằng 0.
Lần 2	159 m	Kết nối thông suốt, các thông số cảm biến cập nhật đầy đủ và ổn định lên giao diện máy chủ.
Lần 3	316 m	Tín hiệu vô tuyến duy trì ổn định qua các vật cản môi trường, dữ liệu hiển thị chính xác.
Lần 4	757 m đến 1 km (1.000 m)	Hệ thống duy trì khả năng thu nhận gói tin LoRa thành công ở cự ly 1km, đáp ứng yêu cầu giám sát diện rộng.

Về mặt vận hành hệ thống phần mềm và điều khiển chấp hành:

• Bảng điều khiển Website hiển thị chính xác các giá trị đo đạc theo thời gian thực: nhiệt độ (0–50°C), độ ẩm không khí (20–90%), độ ẩm đất và độ pH (0–14).
• Hệ thống điều khiển máy bơm hoạt động chính xác ở cả 2 cơ chế: tự động đóng ngắt theo ngưỡng độ ẩm cài đặt và thủ công thông qua thao tác bật/tắt trên giao diện web.
• Bộ xử lý Rule Chains trên ThingsBoard thực hiện gửi tin nhắn cảnh báo tức thời về ứng dụng Telegram ("IoT Agriculture") khi phát hiện thông số môi trường biến động bất thường vượt ngưỡng.
• Giao diện web hiển thị đúng bảng thông tin khuyến nghị kỹ thuật canh tác cho cây cà chua (giai đoạn ra hoa) và cây sầu riêng theo từng chu kỳ sinh trưởng dựa trên thuật toán tích hợp sẵn.

Đóng góp kỹ thuật của đề tài là xây dựng một giải pháp hoàn chỉnh từ tầng thiết bị vật lý đến tầng ứng dụng Web, chứng minh tính khả thi của việc sử dụng công nghệ LoRaWAN và hạ tầng máy chủ mã nguồn mở (ChirpStack, ThingsBoard) để thay thế các hệ thống mạng viễn thông trả phí đắt đỏ hoặc các mạng không dây tầm ngắn trong bài toán quản lý nông nghiệp phân tán diện rộng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ vào phần tự đánh giá của tác giả trong văn bản, đồ án còn tồn tại các mặt hạn chế sau:

• Tính ứng dụng đại trà còn hạn chế do mới dừng lại ở việc thử nghiệm mô hình thực nghiệm với số lượng 02 nút cảm biến.
• Hệ thống chưa có cơ chế giám sát và tự động gửi tín hiệu cảnh báo về người dùng khi một nút EndNode hoặc đầu dò cảm biến gặp tình trạng hư hỏng phần cứng hoặc mất nguồn đột ngột.
• Toàn bộ mạch phần cứng hiện sử dụng nguồn điện cấp trực tiếp qua dây dẫn, chưa tích hợp pin dự phòng hoặc hệ thống pin năng lượng mặt trời, làm giảm tính linh hoạt và khả năng tiết kiệm năng lượng tại các khu vực canh tác thực tế không có sẵn lưới điện.

Từ các hạn chế trên, hướng phát triển tương lai được tác giả định hướng bao gồm:

• Nghiên cứu thiết kế mạch quản lý năng lượng tích hợp pin sạc và tấm pin năng lượng mặt trời nhằm giúp các nút EndNode hoạt động hoàn toàn tự chủ.
• Xây dựng giải thuật kiểm tra trạng thái hoạt động định kỳ (heartbeat) giữa EndNode và máy chủ để phát hiện và thông báo kịp thời các sự cố hỏng hóc thiết bị.
• Mở rộng quy mô mạng lưới để quản lý đồng thời hàng chục đến hàng trăm nút cảm biến trên các vùng nông trang rộng lớn hơn.
• Phát triển và tối ưu hóa ứng dụng di động chuyên biệt (Mobile App) nhằm tăng tính tiện lợi cho người nông dân trong việc quản lý và điều khiển từ xa.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Máy tính, Công nghệ Thông tin (chuyên ngành IoT) và Kỹ thuật Điều khiển - Tự động hóa.

Các phần có giá trị ứng dụng cao bao gồm:

• Toàn bộ sơ đồ nguyên lý mạch kết nối giữa vi điều khiển ESP32 với module LoRa RFM95W qua giao tiếp SPI và mạch in PCB thực tế.
• Hướng dẫn quy trình cài đặt, cấu hình và tích hợp liên tầng từ cổng Dragino LPS8 lên máy chủ mạng ChirpStack và kết nối sang máy chủ ứng dụng ThingsBoard bằng Token.
• Phương pháp xây dựng bộ phân tích luồng sự kiện (Rule Chains) trên ThingsBoard để trích xuất dữ liệu và kích hoạt thông báo cảnh báo qua Telegram API.

Câu hỏi thường gặp

1. Khóa luận sử dụng module vô tuyến LoRa và vi điều khiển nào cho các nút cảm biến EndNode?
Nút cảm biến EndNode sử dụng vi điều khiển ESP32 NodeMCU LuaNode32 kết hợp với module thu phát sóng HopeRF RFM95W hoạt động tại dải tần 915MHz, giao tiếp với nhau qua chuẩn bus ngoại vi SPI.

2. Hạ tầng máy chủ quản lý mạng LoRaWAN và lưu trữ hiển thị dữ liệu được xây dựng từ những nền tảng nào?
Hệ thống sử dụng trạm Dragino LPS8 LoRaWAN Gateway làm cầu nối trung gian, chuyển tiếp dữ liệu đến máy chủ mạng LoRaWAN mã nguồn mở ChirpStack (Network Server). Dữ liệu sau đó được tích hợp và chuyển tiếp sang máy chủ ThingsBoard (IoT Cloud Platform) để xử lý logic, quản lý thuộc tính thời gian và hiển thị lên giao diện Website.

3. Hệ thống có khả năng quan trắc những thông số môi trường cụ thể nào và sử dụng loại cảm biến gì?
Hệ thống giám sát 4 thông số: nhiệt độ và độ ẩm không khí (sử dụng cảm biến DHT11), độ ẩm đất (sử dụng cảm biến điện dung chống ăn mòn SMS-V2) và độ pH (sử dụng module cảm biến DFRobot Gravity SEN0161).

4. Khoảng cách truyền dẫn không dây giữa nút EndNode và Gateway đã được kiểm chứng thực tế ở những cự ly nào?
Trong điều kiện thực địa, hệ thống đã được thử nghiệm truyền nhận thành công ở 4 mốc khoảng cách: 80 mét, 159 mét, 316 mét và mốc xa nhất đạt từ 757 mét đến 1.000 mét (1 km).

5. Cơ chế phát tín hiệu cảnh báo đến người dùng khi thông số môi trường bất thường được cấu hình như thế nào?
Hệ thống sử dụng công cụ Rule Chains trên ThingsBoard với các khối mã kịch bản (Block Script) để phân loại dữ liệu cảm biến. Khi một thông số vượt ngưỡng an toàn quy định, ThingsBoard tự động tạo yêu cầu gọi API gửi nội dung tin nhắn cảnh báo tức thời vào ChatBox mang tên "IoT Agriculture" trên ứng dụng Telegram cài đặt trên điện thoại của người dùng.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Quang Tri đã hoàn thành việc thiết kế, gia công chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình giám sát nông nghiệp tự động ứng dụng chuẩn truyền thông diện rộng công suất thấp LoRaWAN. Hệ thống thu thập chính xác 4 chỉ số môi trường, truyền dữ liệu ổn định ở cự ly lên tới 1 km về máy chủ ChirpStack và ThingsBoard, hỗ trợ giám sát trực quan trên Web và phát cảnh báo sự cố qua Telegram. Dù còn hạn chế về việc dùng nguồn điện trực tiếp và quy mô thử nghiệm dừng ở 2 nút, công trình cung cấp tài liệu kỹ thuật chi tiết và có độ tin cậy cao cho việc phát triển các giải pháp IoT phục vụ nông nghiệp thông minh tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH QUẢN LÝ NÔNG NGHIỆP ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ LORAWAN GVHD: PGS. PHẠM HỒNG LIÊN SVTH: NGUYỄN QUANG TRI SKL013354 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2024 TR¯âNG Đ¾I HàC S¯ PH¾M Kþ THU¾T TP.HCM KHOA ĐIÆN - ĐIÆN Tþ BÞ MÔN Kþ THU¾T MÁY TÍNH – VIÄN THÔNG -----�㵞�㵜�㵮�㵞�㵜----- Đà ÁN TÞT NGHIÆP NGÀNH CÔNG NGHÆ Kþ THU¾T ĐIÆN Tþ VIÄN THÔNG ĐÀ TÀI: THI¾T K¾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH QUÀN LÝ NÔNG NGHIÆP ĄNG DĀNG CÔNG NGHÆ LORAWAN Sinh viên thāc hiÇn: NguyÅn Quang Tri 19161305 Tp. Hồ Chí Minh, 6/2024 TR¯âNG Đ¾I HàC S¯ PH¾M Kþ THU¾T TP.HCM KHOA ĐIÆN - ĐIÆN Tþ BÞ MÔN Kþ THU¾T MÁY TÍNH – VIÄN THÔNG -----�㵞�㵜�㵮�㵞�㵜----- Đà ÁN TÞT NGHIÆP NGÀNH CÔNG NGHÆ Kþ THU¾T ĐIÆN Tþ VIÄN THÔNG ĐÀ TÀI: THI¾T K¾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH QUÀN LÝ NÔNG NGHIÆP ĄNG DĀNG CÔNG NGHÆ LORAWAN Sinh viên thāc hiÇn: NguyÅn Quang Tri 19161305 GVHD: PGS.

PH¾M HàNG LIÊN Tp. Hồ Chí Minh, 6/2024 ii iii TR¯äNG ĐH SPKT TP. Hâ CHÍ MINH CÞNG HÒA Xà HÞI CHĂ NGHĨA VIÆT NAM KHOA ĐIÆN-ĐIÆN Tþ ĐÞC L¾P - TĀ DO - H¾NH PHÚC BÞ MÔN Kþ THU¾T MÁY TÍNH – VIÄN ----o0o---- THÔNG Tp. HCM, ngày 1 tháng 06 năm 2024 NHIÆM VĀ Đà ÁN TÞT NGHIÆP Hã tên sinh viên: NguyÅn Quang Tri MSSV: 19161305 Chuyên ngành: ThiÁt kÁ vi m¿ch – Vißn thông Mã ngành: 161 Há đào t¿o: Đ¿i hãc chính quy Mã há: 1 Khoá: 2019 I.

TÊN Đ TÀI: THI¾T K¾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH QUÀN LÝ NÔNG NGHIÆP ĄNG DĀNG CÔNG NGHÆ LORAWAN II. Các sá liáu ban đ¿u: - Thi công sử dāng MCU Esp32, Module Lora và các thiÁt bá ngo¿i vi phù hÿp vãi đà tài. - Có thÅ giám sát thông sá và gửi tín hiáu cÿa các node đÁn gateway qua m¿ng Lora. - Nái dung thāc hián: NàI DUNG 1: Tìm hiÅu các yÁu tá Ánh h°çng đÁn cây trãng từ môi tr°ång.

NàI DUNG 2: Tìm hiÅu và các công nghá đang đ°ÿc áp dāng trong nông nghiáp hián nay. NàI DUNG 3: ViÁt đà c°¢ng tóm tÇt cÿa đà tài. NàI DUNG 4: ThiÁt kÁ các s¢ đã khái và lāa chãn linh kián phù hÿp cho từng khái. NàI DUNG 5: ThiÁt kÁ s¢ đã nguyên lý cho m¿ch và giÁi thích các nguyên lý ho¿t đáng.

NàI DUNG 6: V¿ PCB và thi công m¿ch. NàI DUNG 7: ViÁt ch°¢ng trình giao tiÁp cũng nh° điÃu khiÅn các thiÁt bá ngo¿i vi. iv NàI DUNG 8: ThiÁt kÁ Website và ph¿n cÁnh báo đÁn úng dāng Telegram. NàI DUNG 9: Thāc hián mô hình há tháng NàI DUNG 10: Ch¿y thử há tháng và tiÁn hành đo đ¿c, so sánh kÁt quÁ và đ°a ra cÁi tiÁn cho há tháng.

NàI DUNG 11: Hoàn thián và tái °u ch°¢ng trình. NàI DUNG 12: ViÁt luÅn văn cho đà tài. NàI DUNG 13: BÁo vá đà tài. NGÀY GIAO NHIàM VĀ: 19/02/2024 III.

NGÀY HOÀN THÀNH NHIàM VĀ: 09/06/2024 IV. Hâ VÀ TÊN CÁN Bà H¯âNG DÂN: PGS. Ph¿m Hãng Liên CÁN BÞ H¯àNG DẪN BM. Kþ THU¾T MÁY TÍNH – VIÄN THÔNG v TR¯äNG ĐH SPKT TP.

Hâ CHÍ MINH CÞNG HÒA Xà HÞI CHĂ NGHĨA VIÆT NAM KHOA ĐIÆN-ĐIÆN Tþ ĐÞC L¾P - TĀ DO - H¾NH PHÚC BÞ MÔN Kþ THU¾T MÁY TÍNH – VIÄN ----o0o---- THÔNG Tp. HCM, ngày 1 tháng 6 năm 2024 LÞCH TRÌNH THĀC HIÆN Đà ÁN TÞT NGHIÆP Hã tên sinh viên: NguyÅn Quang Tri Lãp: 19161TKVMB MSSV: 19161305 Tên đà tài: THI¾T K¾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH QUÀN LÝ NÔNG NGHIÆP ĄNG DĀNG CÔNG NGHÆ LORAWAN Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD Tu¿n 1 - Gặp GVHD đÅ đ°ÿc nghe h°ãng dÃn và tiÁn hành lāa chãn đà tài phù hÿp.