Đặt Vấn Đề Cho đến nay, với hơn nửa thế kỉ hình thành và phát triển các hệ thống nhúng đã có mặt ở hầu hết các lĩnh vực như dân dụng, quân sự, y tế, giáo dục, nông nghiệp, công nghiệp… Với ưu điểm mà các hệ thống khác không có được như tính ổn định, gọn nhẹ, đáp ứng nhanh và tự động hóa cao các hệ thống nhúng ngày càng được tối ưu hóa và tập trung phát triển để có thể tăng khả năng linh hoạt hoạt, sử dụng trong nhiều ứng dụng tạo điều kiện thuận lợi để sản xuất hàng loạt dẫn đến giảm giá thành sản phẩm. Kỹ thuật Điện tử kết hợp với sự phát triển của Công nghệ thông tin đã, đang và sẽ tiếp tục cho ra những sản phẩm công nghệ mới, không những đa chức năng, đa ứng dụng mà kích thước cũng ngày càng nhỏ hơn, tiện lợi hơn. Một trong những sản phẩm ấy chính là sự ra đời và phát triển của dòng sản phẩm máy tính nhúng mini Raspberry Pi. Kích thước nhỏ gọn cộng với những tính năng như một máy tính tí hon, Raspberry Pi là một công cụ tuyệt vời giúp con người dễ dàng tiếp cận thế giới công nghệ hơn với những ứng dụng, sáng tạo gần gũivới cuộc sống.
Là một nước đang phát triển và trong giai đoạn “Công nghiệp hóa, hiện đại hóa”, Việt Nam rất cần tiếp cận với những thiết bịkhoa học kỹ thuật để đáp ứng và hoàn thành chiến lược đặt ra.Vì thế, Việt Nam đã và đang đầu tư nhiều vào nguồn nhân lực để có thể nắm bắt và dần làm chủ được công nghệ. Với sự ra đời và phát triển của Raspberry Pi cộng với việc sản phẩm đã du nhập về Việt Nam, đây là cơ hội để đội ngũ kỹ thuật vừa có cơ hội tiếp cận với nền kỹ thuật tiên tiến của thế giới, vừa góp phần sáng tạo thêm những ứng dụng mới để đưa vào đời sống, nhằm cải thiện và nâng cao chất lượng cuộc sống ngày càng tốt đẹp hơn. Việc nghiên cứu và ứng dụng Raspberry Pi vào thực tế cuộc sống là một điều rất mới mẻ và cũng rất cần thiết.Sự ra đời của máy tính nhúng giá rẻ giúp cho việc thu thập dữ liệu và điều khiển thiết bị từ xa thông qua mạng Internet trở nên dễ dàng hơn. Đặc biệt là trong lĩnh vực nông nghiệp, nền nông nghiệp của Việt Nam tuy có truyền thông lâu đời nhưng chưa phát huy được thế mạnh vốn có của mình do chưa chú trọng áp dụng kỹ thuật - công nghệ đúng đắn vào trong các hoạt động canh tác, chăn nuôi.
Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao - ĐH SPKT TP. Hồ Chí Minh Trang 1 do an Đồ Án Tốt Nghiệp 1. Lý Do Chọn Đề Tài Nông nghiệp là ngành kinh tế quan trọng của Việt Nam và cho tới hiện nay Việt Nam vẫn là một nước nông nghiệp.Việt Nam có thể tự hào với thế giới về nông nghiệp có truyền thống lâu đời của mình.Tuy nhiên, chất lượng và sản lượng các sản phẩm nông nghiệp của Việt Nam chưa thật sự tương xứng với truyền thống phát triển lâu dài đó.Lĩnh vực nông nghiệp còn mang nặng tính thủ công, sử dụng sức người là chính, ít ứng dụng khoa học kỹ thuật vì vậy mà nền nông nghiệp nước ta vẫn chưa phát huy được lợi thế của mình. Trên thế giới hiện nay “Internet of Things” đã được ứng dụng rất nhiều trong vấn đề giám sát và điều khiển các thiết bị nông nghiệp.
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của những máy tính nhúng có kích thước nhỏ gọn nhưng hiệu suất cao đã góp phần làm cho các hoạt động và giám sát từ xa qua mạng Internet trở nên dễ dàng và hiệu quả hơn. Chính vì vậy nhóm đã lựa chọn đề tài “Thu Thập Dữ Liệu Và Điều Khiển Thiết Bị Nhà KínhQua Web Server”làm đề tài tốt nghiệp của mình. Với mục đích ứng dụng những kiến thức đã học trên ghế nhà trường để góp phần phát huy thế mạnh nền nông nghiệp đất nước kết hợp với khoa học - kỹ thuật, xu thế của thế giới, nhằm gia tăng chất lượng nhưng giảm được sức người, sức của về lâu dài. Mục Tiêu Nghiên Cứu Các mục tiêu nghiên cứu chính của đề tài này là: - Nghiên cứu và tìm hiểu board Raspberry Pi trong vấn đề thiết lập một Web Server, giao tiếp module camera, USB3G, sử dụng ngoại vi UART, lập trình hệ thống nhúng dựa trên nền hệ điều hành Raspian nên những kiến thức về lập trình hợp ngữ, những chương trình không mang tính chất hệ điều hành không được đề cập.
Đề tài chủ yếu làm việc trên lớp User với các hàm, các lệnh quản lý hệ thống. - Xây dựng mạng cảm biến hình sao đơn giản sử dụng các module thuphát RF thông thường. -Tìm hiểu và sử dụng ngôn ngữ Python trên Board Raspberry. -Ứng dụng ngôn ngữ C vào lập trình vi điều khiển.
- Tìm hiểu và ứng dụng ngôn ngữ HTML, PHP, Javascript, MySQL và các công cụ đi kèm để tạo trang Web giám sát, điều khiển và cơ sở dữ liệu lưu trữ thông tin thu thập. Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao - ĐH SPKT TP. Hồ Chí Minh Trang 2 do an Đồ Án Tốt Nghiệp -Ứng dụng những kiến thức đã học về vi điều khiển STM32F103VET6 để giao tiếp với màn hình cảm ứng TFT, điều khiển cơ cấu chấp hành và thu nhận dữ liệu từ Raspberry gửi xuống để hiển thị. -Tìm hiểu cấu trúc và lập trình vi điều khiển ATmega8 để đọc dữ liệu từ cảm biến nhiệt độ - độ ẩm, cảm biến độ ẩm đất, cảm biến cường độ ánh sang và cảm biến mưa.
-Thiết kế, thi công mô hình thu thập dữ liệu nhà kính, điều khiển thiết bị nhà kính qua Web Server. Đối Tượng Và Phạm Vi Nghiên Cứu Đề tài tập trung nghiên cứu các đối tượng cụ thể như sau: - Board Raspberry Pi 2. - Xây dựng Web Server trên Board Raspberry Pi 2. - Truyền, nhận dữ liệu cảm biến và trạng thái hoạt động của các thiết bị đưa lên Web Server.
- Kết nối Raspberry Pi và module Camera, USB 3G. - Giao tiếp màn hình TFT cảm ứng điện trở sử dụng vi điều khiển STM32F1. Để xây dựng một mô hình thu thập và điều khiển thiết bị qua Web Server như các mô hình đã được thương mại là rất phức tạp và khá tốn kém. Để đáp ứng việc điều khiển toàn bộ các thiết bị này đòi hỏi phải có một lượng thời gian và kiến thức nhất định, bên cạnh đó còn là vấn đề tài chính.
Với lượng thời gian và kiến thức có hạn, trong đề tài này nhóm chỉ viết một trang Web đơn giản để có thể hiển thị thông tin dữ liệu từ cảm biến và trạng thái thiết bị dựa trên những kiến thức nền tảng về các ngôn ngữ lập trình Web, phần giao diện Web được nhóm tham khảo có chỉnh sửa từ các trang hướng dẫn thiết kế Web. Các cảm biến được sử dụng trong đề tài không đi chuyên sâu, cụ thể được ứng dụng trong mô hình nhà kính nào mà chỉ là những cảm biến đo các thông số cơ bản nhất trong các nhà kính được sử dụng hiện nay để từ đó làm nền tảng để xây dựng nên một hệ thống được ứng dụng với từng loại nhà kính trồng các loại cây trồng cụ thể. Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao - ĐH SPKT TP. Hồ Chí Minh Trang 3 do an Đồ Án Tốt Nghiệp 1.
Dàn Ý Nghiên Cứu Với những yêu cầu đề ra và xác định hướng giải quyết, nhóm nghiên cứu đã xây dựng luận văn gồm các nội dung chính như sau: Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Chương này trình bày một số ứng dụng của máy tính nhúng trong giám sát và điều khiển thiết bị, khái niệm về Web Server, cơ sở dữ liệu và các kiến thức cơ bản về mạng cảm biến. Chương 3: Thiết Kế hệ Thống. Chương này trình bày sơ đồ khối tổng quát của hệ thống và các khối liên quan, thông tin về board Raspberry Pi, lựa chọn linh kiện, tính toán và thiết kế các board cảm biến và board điều khiển cơ cấu chấp hành.
Thiết kế cơ khí mô hình nhà kính. Chương 4: Thiết Kế Phần Mềm. Chương này trình bày cách thức cài đặt các gói phần mềm để cài đặt Web Server cho Raspberry Pi, cài đặt hệ quản trị cơ sở dữ liệu, giao tiếp Raspberry Pi với module Camera và USB 3G. Trình bày về phương pháp điều khiển các thiết bị được sử dụng trong đề tài và lưu đồ giải thuật chương trình.
Chương 5: Kết Quả Thực Nghiệm Và Đánh Giá. Chương này tổng hợp các kết quả sau khi đã thiết kế và thi công phần cứng, kết quả từ các thuật toán để giải quyết vấn đề. Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển. Trình bày kết quả đã thưc hiện được sau khi hoàn thành đề tài từ đó đưa ra phương hướng phát triển trong tương lai.
Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao - ĐH SPKT TP. Hồ Chí Minh Trang 4 do an Đồ Án Tốt Nghiệp CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Máy Tính Nhúng Trong Giám Sát, Điều Khiển Và Thu Thập Dữ Liệu Trong vấn đề giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu máy tính nhúng được thiết kế để thực hiện một ứng dụng cụ thể như: giám sát cửa an ninh, báo cáo tình trạng của cảm biến cho một hệ thống điều khiển hay quản lí đèn giao thông tại chỗ giao nhau đông người qua lại, giám sát môi trường nông nghiệp,…và còn rất nhiều các ứng dụng khác nữa. Có hai ưu điểm khi sử dụng máy tính nhúng.Đầu tiên là giảm thiểu được chi phí.
Thứ hai là chúng dễ dàng triển khai. Do máy tính nhúng thường nhỏ hơn nhiều so với máy tính có đa dụng, và không cần phải mua một màn hình, bàn phím, chuột nên chi phí ít hơn cho một hệ thống máy tính đa dụng. Kích thước giảm đi cũng giúp triển khai các máy tính nhúng một số lượng lớn tại các địa điểm xa một cách dễ dàng hơn. Trên thị trường có rất nhiều Board máy tính nhúng chạy hệ điều hành có thể được sử dụng làm Web Server giúp cho công việc giám sát và điều khiển hệ thống qua mạng Internet ngày càng dễ dàng hơn.
Yêu cầu đặt ra của đề tài là thu thập thông số cơ bản như nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất, cường độ ánh sáng, lượng mưa rồi đưa lên Internet, từ đó cho phép ta theo dõi hoạt động của hệ thống ở bất kì đâu trên thế giới với thiết bị có hỗ trợ kết nối Internet đồng thời còn có thể điều khiển các thiết bị thông qua mạng Internet với giá thành hợp lý.