Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình hiện đại hóa sản xuất nông nghiệp và kỹ thuật điều khiển tự động, việc ứng dụng các bộ vi điều khiển chuyên dụng cho Internet vạn vật (IoT) đóng vai trò then chốt trong việc giám sát môi trường và thay thế sức lao động thủ công. Hoa lan là loài thực vật có giá trị kinh tế cao nhưng đòi hỏi điều kiện môi trường sống nghiêm ngặt về nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất và cường độ chiếu sáng. Trước đây, đề tài "Thi công mô hình hệ thống trồng hoa Lan" của nhóm tác giả Nguyễn Quang Thạnh và Phan Thanh Triều đã thử nghiệm hệ thống sử dụng cảm biến nhiệt độ DHT11, cảm biến mưa, cảm biến ánh sáng kết hợp module ESP8266 và vi điều khiển Arduino Mega 2560. Tuy nhiên, việc tích hợp các dòng vi điều khiển thế hệ mới như LoPy cùng hệ sinh thái cảm biến Lego M5Stack theo chuẩn giao tiếp công nghiệp Grove vẫn còn mới mẻ tại Việt Nam, thiếu tài liệu hướng dẫn và mã nguồn tham khảo.

Xuất phát từ thực tiễn trên, hai tác giả Lê Tấn Đạt và Đặng Minh Thiện, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Trần Thu Hà tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử Truyền thông, khóa tốt nghiệp tháng 08/2020), đã thực hiện đồ án: "Ứng dụng vi điều khiển LoPy và cảm biến Lego M5STACK vào thiết kế và thi công mô hình nhà kính trồng hoa Lan".

Mục tiêu nghiên cứu tổng quát của đề tài là nghiên cứu và ứng dụng vi điều khiển LoPy cùng cảm biến Lego M5Stack để thiết kế, thi công mô hình nhà kính trồng hoa lan thông minh. Mục tiêu cụ thể gồm:

  1. Thiết kế hệ thống điều khiển tự động mô hình trồng hoa lan dựa trên việc thu thập và xử lý các thông số vi khí hậu (nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất, ánh sáng).
  2. Xây dựng kênh truyền thông không dây WiFi để cập nhật dữ liệu vi khí hậu thời gian thực lên hệ thống cơ sở dữ liệu đám mây (Database).
  3. Thiết kế ứng dụng trên nền tảng Android (App Android) phục vụ giám sát các thông số môi trường, điều khiển thiết bị chấp hành bằng tay, điều khiển bằng giọng nói, cài đặt hẹn giờ và quan sát hình ảnh từ camera giám sát.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân chia thành 6 nội dung cụ thể:

  1. Nghiên cứu, khảo sát kết nối vi điều khiển LoPy với một số loại cảm biến M5Stack.
  2. Nghiên cứu kết nối vi điều khiển LoPy với Database để cập nhật dữ liệu phục vụ hiển thị thông số môi trường.
  3. Nghiên cứu xây dựng App Android giám sát hệ thống mô hình trồng hoa lan.
  4. Thiết kế và thi công mô hình nhà kính trồng hoa lan.
  5. Thi công phần cứng, chạy thử nghiệm, hiệu chỉnh hệ thống và đánh giá kết quả thực tế.
  6. Viết luận văn báo cáo và bảo vệ đề tài tốt nghiệp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Nền tảng vi điều khiển LoPy (dựa trên chip ESP32-PICO-D4), bo mạch mở rộng Pycom Expansion Board 3.0, cảm biến môi trường Lego M5Stack (ENV Sensor, Light Sensor, Earth Sensor), module ESP32-CAM, module Relay Grove, màn hình Grove - LCD RGB Backlight và các thiết bị chấp hành (bơm phun sương mini, quạt tản nhiệt, đèn LED quang phổ cây trồng).
  • Phạm vi không gian: Mô hình nhà kính thực nghiệm quy mô phòng thí nghiệm tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y Sinh, Khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
  • Phạm vi thời gian: Đề tài hoàn thành và bảo vệ vào tháng 08/2020.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về cơ sở lý thuyết sinh học nông nghiệp, đề tài dựa trên các yêu cầu vi khí hậu tối ưu cho sự phát triển của hoa lan (đặc biệt là dòng lan nắng):

  • Nhiệt độ thích hợp ban ngày dao động từ 27°C đến 32°C (80°F - 90°F), ban đêm từ 16°C đến 18°C (không thấp hơn 10°C / 50°F). Nhiệt độ quá thấp khiến cây dễ rụng lá.
  • Ánh sáng yêu cầu khoảng 70% ánh sáng mặt trời tự nhiên; khi ra hoa cần tới 100% ánh sáng nhưng phải có lưới che tán xạ để tránh cháy và rộp lá.
  • Độ ẩm không khí duy trì trong khoảng 50% đến 80% (trung bình 60% đến 70%); đối với cây con cần độ ẩm từ 70% đến 75%.
  • Nước tưới có độ pH thích hợp từ 5,5 đến 6,8, không chứa ion kim loại nặng gây phèn hoặc cứng nước (Ca2+, Mg2+), áp dụng phương pháp tưới phun sương tạo vòm ẩm đều.

Về nền tảng phần cứng và chuẩn truyền thông:

  • Nền tảng IoT LoPy của Pycom: Sử dụng vi mạch System-in-Package (SiP) ESP32-PICO-D4 của Espressif. LoPy tích hợp 4 mạng truyền thông: LoRa, Sigfox, WiFi (802.11 b/g/n tần số 2.4 GHz) và Bluetooth BLE. Chip trang bị bộ xử lý Xtensa lõi kép, 520 KB SRAM nội, 448 KB ROM, 4 MB External pSRAM (giao tiếp QSPI xung nhịp 40 MHz), 8 KB Fast RTC RAM và 8 KB Slow RTC RAM. Thiết bị có 8 kênh ADC 12-bit, 4 bộ định thời 16-bit hỗ trợ PWM, chạy điện áp từ 3,3V đến 5,5V.
  • Mạch mở rộng Pycom Expansion Board 3.0: Tích hợp IC sạc pin LiPo BQ24040 (chuyển đổi mức sạc 100 mA hoặc 450 mA), chip bảo vệ phân cực ngược TPS2115A, cầu chuyển đổi USB-UART CP2102/CP2102N, khe cắm thẻ micro SD và các chân cắm mở rộng.
  • Chuẩn kết nối phần cứng Grove: Chuẩn ghép nối dạng khối PnP (Plug and Play) 4 chân không cần hàn, gồm dây cấp nguồn VCC, GND và 2 đường tín hiệu logic/analog.
  • Giao thức bus I2C: Truyền thông nối tiếp đồng bộ 2 dây gồm đường xung nhịp SCL và đường dữ liệu SDA 2 chiều, hỗ trợ nhiều địa chỉ thiết bị trên cùng một bus với các dải tốc độ chuẩn 100 kHz, 400 kHz, 1 MHz đến 3,4 MHz.
  • Mạng truyền thông không dây WiFi: Chuẩn IEEE 802.11n băng tần 2.4 GHz truyền nhận dữ liệu giữa LoPy và hệ thống đám mây.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và công cụ phát triển:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp: Khảo sát tài liệu kỹ thuật từ Espressif, Pycom và M5Stack để xác định đặc tính điện áp, pinout và tập lệnh giao tiếp.
  • Phương pháp thiết kế - thi công kỹ thuật: Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch in (schematic), thiết kế mạch in PCB 2 lớp, gia công và hàn lắp linh kiện phần cứng; đóng thùng khung mô hình nhà kính mini.
  • Phương pháp lập trình nhúng: Sử dụng phần mềm Arduino IDE (ngôn ngữ C/C++) để lập trình firmware cho LoPy thông qua bo mạch hỗ trợ ESP32 Pico Kit với cấu trúc hàm setup() và loop().
  • Phương pháp phát triển phần mềm di động và cơ sở dữ liệu: Sử dụng môi trường MIT App Inventor để lập trình khối (block programming) cho ứng dụng di động hệ điều hành Android; sử dụng Firebase Realtime Database của Google để đồng bộ dữ liệu vi khí hậu dưới cấu trúc cây JSON.

Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thực nghiệm thu thập trực tiếp từ các cảm biến đo thông số môi trường bên trong mô hình nhà kính và dữ liệu phản hồi trạng thái từ người dùng trên App Android.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống điều khiển nhà kính trồng hoa lan được thiết kế theo cấu trúc phân khối chức năng hoàn chỉnh, gồm khối nguồn, khối xử lý trung tâm, khối cảm biến, khối hiển thị, khối công suất và khối thu phát hình ảnh.

Phân khối hệ thống Linh kiện / Thiết bị chính Thông số kỹ thuật và vai trò trong hệ thống
Khối xử lý trung tâm Vi điều khiển LoPy + Pycom Expansion Board 3.0 Chip lõi ESP32-PICO-D4, RAM 520 KB + 4 MB pSRAM, Flash 4 MB; xử lý thuật toán, kết nối WiFi và Firebase.
Khối cảm biến môi trường M5Stack ENV Sensor (DHT12 & BMP280) Giao tiếp I2C. Đo nhiệt độ (-20~60°C, sai số ±0,2°C), độ ẩm (20~95%RH, sai số 0,1%), áp suất khí quyển (300~1100 hPa).
Khối cảm biến ánh sáng M5Stack Light Sensor Sử dụng quang điện trở và biến trở 10 kΩ; ngõ ra analog tuyến tính với cường độ sáng; thời gian đáp ứng 20-30 ms, đỉnh phổ 540 nm.
Khối cảm biến độ ẩm đất M5Stack Earth Sensor Gồm 2 cực đệm dẫn điện cắm trực tiếp vào đất/giá thể; đọc điện áp analog qua bộ ADC của vi điều khiển; tích hợp chiết áp 10 kΩ.
Khối hiển thị tại chỗ Grove - LCD RGB Backlight Màn hình ký tự 16x2, giao tiếp I2C chỉ cần 2 chân dữ liệu; đổi màu đèn nền RGB theo trạng thái môi trường; nguồn cấp 3,3V - 5V.
Khối công suất & chấp hành Module Relay Grove, bơm mini 12V, quạt 12V, đèn LED 28W Relay tích hợp transistor S8050TL, diode 1N4148, IC LDO XC6206P302MR (3V 200 mA); đóng ngắt tải AC/DC tối đa 250V-10A.
Khối giám sát hình ảnh Module ESP32-CAM Kích thước 27x40,5 mm, camera OV2640/OV7670, đèn Flash LED, hỗ trợ stream hình ảnh JPEG qua giao thức IP/WiFi độc lập.
Nền tảng lưu trữ & App Firebase Realtime Database & MIT App Inventor Cơ sở dữ liệu NoSQL dạng cây JSON; ứng dụng Android có đăng nhập bảo mật, đổi mật khẩu, nhận diện giọng nói và hẹn giờ.

Quy trình triển khai phần cứng và phần mềm:

  • Thiết kế mạch in PCB: Tổng hợp mạch giao tiếp giữa LoPy với 3 module relay, 3 cụm cảm biến M5Stack, màn hình LCD và cổng kết nối ngoại vi. Đường mạch được bố trí trên lớp dưới (bottom layer) của board đồng, có kiểm tra ngắn mạch và điện áp cấp trước khi cắm vi điều khiển.
  • Thi công khung mô hình: Nhà kính được gia công mặt trước, mặt sau, hai mặt bên và mặt trên dạng khung hộp, bên trong lắp đặt giàn treo lan, hệ thống ống tio dẫn nước phun sương, quạt thông gió 8x8x2,5 cm gắn vách, đèn chiếu sáng 28 bóng LED (15 đỏ, 7 xanh, 1 UV, 1 tím, 4 trắng) trên trần và camera ESP32-CAM tại góc quan sát toàn cảnh.
  • Giải thuật điều khiển: Chương trình chính trên LoPy khởi tạo kết nối WiFi và Firebase. Khi ở chế độ tự động (Auto Mode), hệ thống đọc chu kỳ dữ liệu cảm biến (lớn hơn 2 giây đối với cảm biến ENV):
    • Nếu nhiệt độ vượt ngưỡng cài đặt hoặc độ ẩm không khí thấp hơn ngưỡng, kích hoạt relay bật quạt tản nhiệt hoặc máy bơm phun sương.
    • Nếu độ ẩm đất xuống thấp dưới ngưỡng yêu cầu, bật bơm nước tưới gốc.
    • Nếu cường độ ánh sáng thấp, kích hoạt rơ-le bật đèn LED quang phổ.
  • Khi chuyển sang chế độ điều khiển qua ứng dụng (Manual/App Mode), LoPy đọc các biến trạng thái trên cây JSON Firebase để trực tiếp đóng/ngắt các thiết bị theo lệnh nhấn nút hoặc lệnh giọng nói từ điện thoại.

Nội dung chính theo từng chương

Báo cáo đồ án được cấu trúc thành 6 chương với các nội dung chi tiết:

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 giới thiệu lý do lựa chọn đề tài, tính cấp thiết của việc áp dụng công nghệ vi điều khiển mới trong nông nghiệp công nghệ cao, mục tiêu tổng quát, 6 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể, phạm vi nghiên cứu của đề tài và tóm tắt bố cục toàn bộ đồ án tốt nghiệp.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 tập trung trình bày các cơ sở lý luận và thông số kỹ thuật chi tiết của các đối tượng sử dụng trong đề tài:

  • Yêu cầu sinh học của hoa lan về nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm và kỹ thuật tưới nước.
  • Nền tảng IoT LoPy: Cấu trúc phần cứng chip ESP32-PICO-D4, sơ đồ chân PINOUT (28 chân vật lý và các chân chức năng GPIO, ADC, PWM, RTC), cấu trúc các vùng nhớ (SRAM, Fast/Slow RTC RAM, pSRAM, ROM, eFuse) và các chế độ bootloader (P2 nối GND để nạp firmware, P12 nối 3,3V vào chế độ khởi động an toàn).
  • Mạch mở rộng Pycom Expansion Board 3.0 với IC quản lý nguồn BQ24040, TPS2115A.
  • Các chuẩn truyền thông: Chuẩn ghép nối Grove, bus nối tiếp I2C (nguyên lý xung nhịp SCL, dữ liệu SDA, điện trở kéo lên), mạng không dây WiFi tần số 2.4 GHz.
  • Thông số kỹ thuật của cảm biến Lego M5Stack: Cảm biến ánh sáng (quang trở, peak wavelength 540 nm), cảm biến môi trường ENV (kết hợp DHT12 và BMP280 đo nhiệt độ, độ ẩm, áp suất), cảm biến độ ẩm đất Earth Sensor.
  • Thiết bị công suất: Cấu tạo module Relay Grove với transistor đệm S8050TL, diode bảo vệ 1N4148, IC ổn áp XC6206P302MR; động cơ bơm phun sương mini (DC 6-12V, cột áp đẩy <= 3m, hút <= 2m); quạt tản nhiệt 12V; đèn LED cây trồng 28W (28 bóng đa phổ).
  • Mạch thu phát WiFi ESP32-CAM: Kiểu chân DIP-16, camera OV2640/OV7670, mức tiêu thụ năng lượng ở các chế độ (bật flash 310 mA, tắt flash 180 mA, deep-sleep 6 mA).
  • Phần mềm Arduino IDE và cấu trúc nạp mã qua cổng COM; nền tảng thiết kế ứng dụng MIT App Inventor; hệ điều hành Android; cơ sở dữ liệu Firebase Realtime Database.

Chương 3: Thiết kế và tính toán

Chương 3 trình bày các tính toán và thiết kế kỹ thuật phục vụ thi công hệ thống:

  • Xây dựng sơ đồ khối toàn hệ thống và định nghĩa chức năng chi tiết từng khối.
  • Thiết kế mạch nguyên lý khối công suất: Tính toán phối ghép tín hiệu điều khiển từ LoPy qua opto/transistor kích relay, cách ly nguồn AC 220V của đèn và nguồn DC 12V của bơm, quạt.
  • Thiết kế mạch nguyên lý khối cảm biến: Phân phối các cổng kết nối Grove, chia kênh bus I2C cho cảm biến ENV và màn hình LCD, bố trí các đường analog vào chân ADC của LoPy cho cảm biến ánh sáng và cảm biến đất.
  • Thiết kế mạch nguyên lý khối hiển thị LCD RGB Backlight.
  • Tổng hợp sơ đồ nguyên lý toàn mạch, lập danh mục thống kê linh kiện, tính toán mức điện áp và dòng điện tiêu thụ định mức của toàn hệ thống nhằm chọn bộ nguồn cung cấp phù hợp.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả toàn bộ quy trình chế tạo thực tế phần cứng và xây dựng thuật toán điều khiển:

  • Quy trình lắp ráp, kiểm tra mạch in PCB 2 lớp và hoàn thiện bố trí bo mạch chính.
  • Thi công cơ khí mô hình nhà kính: Lắp ráp các vách ngăn, bố trí máng phun sương, gắn cảm biến tại các vị trí đại diện vi khí hậu, gắn quạt thông gió và giá đỡ chậu lan.
  • Xây dựng các lưu đồ giải thuật hoàn chỉnh: Lưu đồ giải thuật chương trình chính trên LoPy; lưu đồ thuật toán chế độ tự động; lưu đồ thuật toán chế độ điều khiển bằng tay; lưu đồ hiển thị màn hình LCD I2C; lưu đồ truyền nhận dữ liệu giữa LoPy và Firebase; lưu đồ điều khiển và xử lý sự kiện trên ứng dụng Android.

Chương 5: Kết quả - Nhận xét - Đánh giá

Chương 5 công bố các kết quả thực nghiệm sau khi hệ thống vận hành:

  • Kết quả thi công bộ điều khiển trung tâm và hình ảnh thực tế mô hình nhà kính hoàn chỉnh.
  • Kết quả giao diện ứng dụng Android: Màn hình đăng nhập bảo mật, thông báo cảnh báo sai mật khẩu, màn hình trang chủ hiển thị 4 thông số môi trường cập nhật liên tục, giao diện menu điều khiển bật/tắt thiết bị công suất, giao diện đổi mật khẩu người dùng, chức năng cài đặt thời gian bật/tắt hẹn giờ.
  • Kết quả truyền hình ảnh trực tiếp từ module ESP32-CAM qua mạng WiFi.
  • Bảng tổng hợp kiểm thử điều khiển thiết bị qua WiFi và đánh giá sai số giữa các lần chạy thử nghiệm thực tế; phân tích các ưu điểm và hạn chế kỹ thuật của hệ thống.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết các mục tiêu đã hoàn thành của đồ án tốt nghiệp, chỉ rõ những điểm còn tồn tại do giới hạn linh kiện và đề xuất các hướng mở rộng kỹ thuật cho các nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm chính của đề tài:

  • Chế tạo thành công mô hình phần cứng nhà kính trồng hoa lan hoàn chỉnh với đầy đủ hệ thống cơ cấu chấp hành: Bơm tưới phun sương mini (hút nước tự động), quạt thông gió tản nhiệt 12V, đèn LED chiếu sáng 28W kích thích sinh trưởng và ra hoa.
  • Đo đạc chính xác và cập nhật liên tục 4 thông số môi trường quan trọng: Nhiệt độ (°C), độ ẩm không khí (%RH), độ ẩm đất (giá trị ADC chuyển đổi) và cường độ ánh sáng. Dữ liệu hiển thị đồng thời tại chỗ trên màn hình Grove LCD RGB Backlight (16 ký tự x 2 dòng) và truyền lên cơ sở dữ liệu đám mây Firebase Realtime Database qua mạng WiFi.
  • Thiết kế hoàn chỉnh ứng dụng di động trên nền tảng Android với các tính năng:
    • Phân quyền đăng nhập bảo mật có tính năng đổi mật khẩu và cảnh báo sai mật khẩu.
    • Giám sát các chỉ số vi khí hậu theo thời gian thực trên giao diện đồ họa.
    • Vận hành linh hoạt giữa 2 chế độ: Chế độ tự động (tự kích hoạt bơm, quạt, đèn theo các ngưỡng nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng được cài đặt trước) và chế độ điều khiển bằng tay thông qua nút bấm ảo trên App.
    • Tích hợp tính năng nhận dạng giọng nói để điều khiển bật/tắt thiết bị chấp hành.
    • Tích hợp chức năng hẹn giờ bật/tắt các thiết bị theo chu kỳ thời gian định trước.
  • Triển khai thành công module ESP32-CAM giúp truyền hình ảnh video từ bên trong nhà kính về điện thoại, cho phép người dùng quan sát trực tiếp tình trạng cây trồng từ xa.

Đóng góp của đề tài:

  • Đồ án là một trong những công trình thực nghiệm tiên phong tại Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM trong việc kết nối, lập trình và khai thác dòng vi điều khiển mới LoPy cùng hệ thống cảm biến Lego M5Stack thông qua môi trường Arduino IDE.
  • Cung cấp tài liệu kỹ thuật chi tiết về sơ đồ chân, nguyên lý chuyển đổi tín hiệu, sơ đồ đấu nối phần cứng theo chuẩn công nghiệp Grove, hỗ trợ làm tài liệu mẫu cho sinh viên các khóa sau khi tiếp cận các dòng SoC ESP32-PICO và các bộ kit thí nghiệm IoT mới.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của hệ thống:

  • Hệ thống điều khiển và truyền dữ liệu phụ thuộc hoàn toàn vào sóng WiFi cục bộ; nếu mạng WiFi gặp sự cố hoặc mất kết nối Internet, việc cập nhật lên Firebase và điều khiển từ xa qua App Android sẽ bị gián đoạn.
  • Đồ án mới chỉ khai thác mạng WiFi của LoPy; các chuẩn truyền thông không dây diện rộng công suất thấp vốn là thế mạnh vượt trội của LoPy như LoRa và Sigfox chưa được cấu hình và kiểm thử thực nghiệm trong đề tài.
  • Luồng dữ liệu hình ảnh từ module ESP32-CAM hoạt động trên một kênh IP mạng riêng biệt, chưa được tích hợp đồng nhất hoàn toàn vào chung một giao diện quản lý duy nhất trên App Android cùng với dữ liệu Firebase.
  • Mô hình nhà kính thi công ở quy mô mô phỏng phòng thí nghiệm, chưa thử nghiệm chịu đựng điều kiện thời tiết ngoài trời khắc nghiệt trong thời gian dài.

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Nghiên cứu và cấu hình mạng truyền thông tầm xa LoRaWAN hoặc Sigfox có sẵn trên LoPy để truyền dữ liệu giám sát trong các nông trại trồng lan diện tích lớn không có phủ sóng WiFi.
  • Mở rộng kiến trúc mạng nhiều node cảm biến (multi-node sensor network) để thu thập dữ liệu vi khí hậu ở nhiều điểm khác nhau trong vườn lan.
  • Tích hợp thuật toán xử lý ảnh trên ESP32-CAM hoặc máy chủ đám mây nhằm phát hiện sớm các dấu hiệu sâu bệnh, đốm lá hoặc nấm mốc trên thân và lá cây hoa lan.
  • Nâng cấp và phát triển ứng dụng điều khiển tương thích đa nền tảng, hỗ trợ thêm hệ điều hành iOS.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử – Viễn thông, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Công nghệ Thông tin, Kỹ thuật Nông nghiệp công nghệ cao đang thực hiện đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp về hệ thống nhúng và giám sát IoT.
  • Phần đáng tham khảo nhất là Chương 2 và Chương 3: Cung cấp chi tiết sơ đồ chân, bảng phân phối I/O, cách ghép nối bus I2C cho nhiều module (cảm biến ENV, màn hình LCD), nguyên lý điều khiển transistor kích relay và cách cấu hình bo mạch ESP32 Pico Kit trong Arduino IDE để nạp code cho LoPy.
  • Các kỹ sư và nhà phát triển ứng dụng IoT quan tâm đến việc tích hợp cơ sở dữ liệu Firebase Realtime Database với ứng dụng Android xây dựng bằng công cụ MIT App Inventor.

Câu hỏi thường gặp

1. Vi điều khiển LoPy trong đồ án sử dụng chip SoC nào và cấu trúc bộ nhớ ra sao?

LoPy sử dụng vi điều khiển ESP32-PICO-D4 (dạng SiP) do Espressif sản xuất. Cấu trúc bộ nhớ của LoPy gồm 520 KB On-chip SRAM dành cho 2 lõi CPU Xtensa, 8 KB Fast RTC RAM (truy cập trong chế độ khởi động và ngủ), 8 KB Slow RTC RAM (truy cập bởi bộ đồng xử lý Ultra Low Power khi ngủ sâu), 4 MB External pSRAM (giao tiếp QSPI @ 40 MHz), 448 KB On-chip ROM và 1 Kbit eFuse (256 bit cho hệ thống và 768 bit cho người dùng/mã hóa).

2. Module cảm biến môi trường M5Stack ENV Sensor gồm những cảm biến con nào và đo lường các thông số gì?

Module ENV Sensor tích hợp hai cảm biến con là DHT12 và BMP280. Trong đó, DHT12 giao tiếp qua bus I2C đo nhiệt độ (dải đo -20°C đến 60°C, độ phân giải ±0,2°C) và độ ẩm không khí (dải đo 20% đến 95%RH, độ phân giải 0,1%). Cảm biến BMP280 đo áp suất khí quyển tuyệt đối (dải đo 300 đến 1100 hPa, độ phân giải ±1 hPa).

3. Hệ thống hỗ trợ những phương thức điều khiển nào đối với các thiết bị chấp hành?

Hệ thống hỗ trợ 2 chế độ điều khiển chính:

  • Chế độ tự động: Vi điều khiển LoPy tự so sánh thông số môi trường đo được với các ngưỡng lập trình để tự động bật/tắt bơm phun sương, quạt tản nhiệt hoặc đèn LED.
  • Chế độ điều khiển từ xa qua App Android: Người dùng có thể bật/tắt từng thiết bị bằng nút nhấn trên màn hình điện thoại, điều khiển bằng giọng nói tiếng Việt/tiếng Anh thông qua bộ nhận dạng giọng nói tích hợp trên app, hoặc cài đặt thời gian hẹn giờ tự động bật/tắt thiết bị.

4. Cảm biến ánh sáng và cảm biến độ ẩm đất M5Stack hoạt động theo nguyên lý gì?

Cảm biến ánh sáng sử dụng một quang điện trở có điện trở thay đổi nghịch biến với cường độ ánh sáng chiếu tới (đỉnh bước sóng đáp ứng 540 nm, thời gian đáp ứng 20-30 ms), xuất ra điện áp analog tuyến tính về chân ADC của LoPy. Cảm biến độ ẩm đất gồm 2 miếng đệm kim loại cắm vào đất hoạt động như một biến trở; độ ẩm trong đất càng cao thì độ dẫn điện giữa 2 cực càng lớn, điện trở giảm và điện áp tín hiệu ra càng cao, được đọc thông qua bộ chuyển đổi ADC 12-bit của LoPy. Cả hai module đều có thêm chiết áp 10 kΩ để tinh chỉnh ngưỡng nhạy.

5. Cơ sở dữ liệu nào được sử dụng để đồng bộ thông tin giữa LoPy và ứng dụng di động?

Đồ án sử dụng cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase Realtime Database của Google. Dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất, ánh sáng và trạng thái điều khiển của các relay được tổ chức dưới dạng cấu trúc cây JSON, cho phép LoPy đẩy dữ liệu lên qua giao thức WiFi và ứng dụng Android đọc/ghi dữ liệu tức thời với độ trễ thấp.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Ứng dụng vi điều khiển LoPy và cảm biến Lego M5STACK vào thiết kế và thi công mô hình nhà kính trồng hoa Lan" của sinh viên Lê Tấn Đạt và Đặng Minh Thiện đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu thiết kế và thi công phần cứng lẫn phần mềm. Hệ thống vận hành ổn định trong việc tự động thu thập thông số vi khí hậu, hiển thị tại chỗ, đồng bộ lên cơ sở dữ liệu đám mây Firebase và cho phép giám sát, điều khiển toàn diện qua ứng dụng di động Android và module camera ESP32-CAM. Công trình là tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao, đóng góp nguồn tài liệu tham khảo chi tiết về lập trình ghép nối vi điều khiển LoPy và cảm biến M5Stack cho sinh viên và cộng đồng nghiên cứu kỹ thuật điện tử, IoT.