NGHIÊN cứu MẠNG LORA ỨNG DỤNG vào QUAN TRẮC KHÍ hậu ở KHU vực hòa KHÁNH

TỔNG QUAN CHUNG

ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngành nông nghiệp Việt Nam, mặc dù là một lĩnh vực truyền thống, vẫn chưa phát triển mạnh mẽ do phương pháp canh tác truyền thống còn nhiều hạn chế và hiệu quả thấp Việc áp dụng công nghệ và kỹ thuật mới sẽ mang lại một "làn gió mới", mở ra hướng đi tiềm năng cho sự phát triển của ngành nông nghiệp trong nước.

Việc ứng dụng IoT trong nông nghiệp mang lại nhiều lợi ích cho nông dân, đặc biệt là nâng cao hiệu quả trồng trọt và kinh tế Khi khí hậu ngày càng khắc nghiệt, việc theo dõi thời tiết và chăm sóc cây trồng một cách thủ công tốn nhiều thời gian và công sức, đồng thời hiệu quả không cao Tuy nhiên, với sự hỗ trợ của máy móc và hệ thống cảm biến, nông dân có thể giám sát cây trồng một cách chính xác và hiệu quả hơn Hiện nay, IoT đã được áp dụng ở hầu hết các giai đoạn từ sản xuất đến đóng gói và phân phối nông sản cho người tiêu dùng.

Nhận thấy tiềm năng của IoT trong nông nghiệp, đặc biệt là trong quản lý cây trồng, nhóm chúng tôi đã chọn nghiên cứu về "Mạng Lora ứng dụng vào quan trắc khí hậu ở khu vực Hòa Khánh" Hệ thống này hoạt động bằng cách thu thập thông tin từ các cảm biến và truyền qua mạng Lora về một trung tâm xử lý Tại đây, thông tin được phân tích để điều chỉnh hoạt động của hệ thống bơm phun sương, quạt và đèn, nhằm tạo ra môi trường tối ưu cho sự phát triển của cây trồng.

MỤC TIÊU

Đề tài nghiên cứu công nghệ mạng Lora và các tính năng mới của nó, nhằm áp dụng vào hệ thống truyền dữ liệu Hệ thống sử dụng Lora để gửi và nhận dữ liệu qua lại trong cùng một băng tần xác lập Arduino Nano được sử dụng để thu thập các thông số từ cảm biến khí hậu (cổng Node) và gửi tín hiệu đến Lora Thiết bị nhận tín hiệu sử dụng ESP, tạo nên một mạng lưới truyền thông hiệu quả.

Sử dụng công nghệ Lora, chúng tôi giải mã các thông số từ bên gửi và truyền tải lên webserver cũng như Thingspeak, nhằm cung cấp cho người dùng thông tin cập nhật về tình hình khí hậu tại khu vực đó.

NỘI DUNG TRÌNH BÀY

Đề tài được thực hiện qua những nội dung sau:

- Tìm hiểu và nghiên cứu phần cứng nguyên lý hoạt động , Arduino NaNo , cảm biến mưa , Lora Ra -SX1278 , cảm biến áp suất BMP280 ,cảm biến ánh sáng BH170

- Tìm hiểu nghiên cứu về lập trình Web , tìm hiểu về Mit App,đưa dữ liệu thông số lên Thingspeak

- Thiết kế và thi công phần cứng của mô hình

Sinh viên thực hiện: NGUYỄN NGỌC TRƯỜNG Người hướng dẫn: TH.S TRẦN DUY CHUNG 10

- Tạo Web , hiển thị các giá trị thu được từ cảm biến từ cổng Node đưa về

- Thiết kế hệ thống điều khiển, lưu để giải thuật và chương trình điều khiển mô hình hệ thống

- Thiết kế hoàn chỉnh mô hình thực tế

- Tiến hành chạy thử nghiệm mô hình hệ thống

- Cân chỉnh mô hình hệ thống

- Bảo vệ đồ án tốt nghiệp.

GIỚI HẠN

Đề tài này chỉ tập trung vào hoạt động của hệ thống chính, do đó các số liệu có thể bị sai lệch do điều kiện môi trường, với mức sai số có thể lên tới 2%.

Sử dụng ba cảm biến là áp suất ,ánh sáng,và cảm biến mưa trong đề tài này.

BỐ CỤC

Trình bày về đặt vấn để dẫn nhập lý do chọn đề tài , mục tiêu , nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đổ án

Chương 2 : Cơ Sở Lý Thuyết

Trình bày về các lý thuyết có liên quan đến các vấn đề mà để tải sẽ dùng để thực hiện thiết kế, thi công cho để tải

Chương 3 : Tính Toán Và Thiết Kế

Bài viết này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về các yêu cầu của đề tài thiết kế, bao gồm các phần chính như thiết kế sơ đồ khối hệ thống, sơ đồ nguyên lý toàn mạch và tính toán thiết kế mạch Những yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo tính khả thi và hiệu quả của hệ thống thiết kế.

Chương 4 : Thi Công Hệ Thống

Quá trình vẽ mạch in và lắp ráp thiết bị bao gồm các bước đo kiểm tra mạch, lắp ráp mô hình thiết kế và phát triển thuật toán cho chương trình Để hoàn thiện hệ thống, cần viết chương trình và hướng dẫn quy trình sử dụng hiệu quả.

Chương 5 : Kết Quả - Nhận Xét - Đánh Giá

Trình bày về những kết quả đã được mục tiêu để 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

Dự án đã đạt được nhiều kết quả tích cực, nhưng cũng gặp phải một số hạn chế cần khắc phục Từ những kết quả và khó khăn này, chúng ta có thể rút ra những kết luận quan trọng và xác định hướng phát triển phù hợp để giải quyết các vấn đề còn tồn đọng, nhằm hoàn thiện dự án một cách hiệu quả hơn trong tương lai.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

TỔNG QUAN VỀ IOT

Internet of Things (IoT) đã có sự hình thành từ nhiều thập kỷ trước, nhưng mãi đến năm 1999, thuật ngữ này mới được giới thiệu bởi Kevin Ashton, nhà khoa học sáng lập Trung tâm Auto-ID tại MIT Tại đây, ông đã thiết lập các tiêu chuẩn toàn cầu cho RFID, một công nghệ giao tiếp không dây dựa trên sóng radio, cùng với nhiều loại cảm biến khác.

Hình 2.1 Tổng quan về IOT

Mạng lưới vạn vật kết nối Internet (IoT) là một hệ thống trong đó mỗi đồ vật và con người đều có một định danh riêng, cho phép truyền tải và trao đổi thông tin qua một mạng duy nhất mà không cần tương tác trực tiếp IoT phát triển từ sự kết hợp của công nghệ không dây, vi cơ điện tử và Internet, tạo thành một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, Internet và thế giới bên ngoài để thực hiện các nhiệm vụ cụ thể.

IoT, hay Internet of Things, là khái niệm chỉ tất cả các thiết bị có khả năng kết nối với nhau thông qua các công nghệ như Wi-Fi, mạng di động băng rộng (3G, 4G), Bluetooth, ZigBee và hồng ngoại Những thiết bị này có thể bao gồm điện thoại thông minh, máy pha cà phê và nhiều sản phẩm khác, tạo nên một hệ sinh thái thông minh và tiện ích.

Theo dự báo của Cisco, đến năm 2020, khoảng 50 tỷ đồ vật sẽ được kết nối vào Internet, bao gồm giặt, tai nghe, bóng đèn và nhiều thiết bị khác IoT sẽ hình thành một mạng lưới khổng lồ kết nối mọi thứ, bao gồm cả con người và các thiết bị, tạo ra mối quan hệ giữa người với người, người với thiết bị, và thiết bị với thiết bị Mạng lưới IoT có khả năng chứa đến 50 tỷ kết nối, mở ra nhiều cơ hội mới trong việc tương tác và quản lý thiết bị thông minh.

Mạng lưới kết nối lên tới 100 nghìn tỷ đối tượng có khả năng theo dõi sự di chuyển của từng cá nhân Trong môi trường đô thị, con người có thể bị bao bọc bởi hệ thống này, tạo ra một bức tranh rõ nét về sự hiện diện và hoạt động của họ trong không gian sống.

1000 đến 5000 đối tượng có khả năng theo dõi

Tính kết nối liên thông trong IoT cho phép mọi thiết bị và hệ thống kết nối với nhau thông qua mạng lưới thông tin và cơ sở hạ tầng liên lạc tổng thể, tạo ra một môi trường giao tiếp thông suốt và hiệu quả.

Hệ thống IoT cung cấp các dịch vụ liên quan đến "Things", bao gồm bảo vệ sự riêng tư và đảm bảo tính nhất quán giữa Physical Thing và Virtual Thing Để thực hiện điều này, cả công nghệ phần cứng và phần mềm đều cần phải được cải tiến.

Trong Internet vạn vật (IoT), tính không đồng nhất của các thiết bị là một yếu tố quan trọng, khi chúng có phần cứng và mạng khác nhau Tuy nhiên, sự tương tác giữa các thiết bị trong các mạng khác nhau được thực hiện thông qua sự kết nối của các mạng, tạo ra khả năng giao tiếp và chia sẻ thông tin hiệu quả.

Các thiết bị tự động có khả năng thay đổi trạng thái linh hoạt, chẳng hạn như chuyển đổi giữa chế độ ngủ và thức, kết nối hoặc ngắt kết nối, cũng như thay đổi vị trí và tốc độ Thêm vào đó, số lượng thiết bị có thể tự động điều chỉnh trạng thái của chúng cũng rất đa dạng.

Quy mô lớn của hệ thống sẽ cho phép quản lý và giao tiếp giữa một số lượng rất lớn các thiết bị, vượt xa số lượng máy tính hiện đang kết nối Internet Lượng thông tin được truyền tải giữa các thiết bị này sẽ lớn hơn nhiều so với lượng thông tin do con người truyền đạt.

Yêu cầu ở mức high-level đối với một hệ thống IoT

❖ Một hệ thống IoT phải thoả mãn các yêu cầu sau:

Kết nối trong hệ thống IoT dựa trên sự nhận diện, yêu cầu mỗi "Thing" phải có một ID riêng biệt Điều này cho phép các kết nối giữa các "Things" được thiết lập một cách hiệu quả, đảm bảo tính chính xác và khả năng tương tác trong mạng lưới.

- Khả năng cộng tác: hệ thống IoT khả năng tương tác qua lại giữa các network và Things

Khả năng tự quản của mạng bao gồm tự quản lý, tự cấu hình, tự chữa bệnh, tự tối ưu hóa và có cơ chế bảo vệ Những tính năng này là cần thiết để mạng có thể thích ứng với các lĩnh vực ứng dụng đa dạng, các môi trường truyền thông khác nhau và nhiều loại thiết bị khác nhau.

Dịch vụ thoả thuận cho phép thu thập, giao tiếp và xử lý tự động dữ liệu giữa các "Things" dựa trên các quy tắc được thiết lập bởi người vận hành hoặc tùy chỉnh bởi người dùng.

Các khả năng dựa vào vị trí (location-based capabilities) cho phép cung cấp thông tin liên lạc và dịch vụ liên quan dựa trên vị trí của các thiết bị Điều này giúp tối ưu hóa trải nghiệm người dùng và nâng cao tính hiệu quả trong việc cung cấp dịch vụ.

Sinh viên Nguyễn Ngọc Trường dưới sự hướng dẫn của Th.S Trần Duy Chung đã nghiên cứu về hệ thống IoT, cho phép tự động theo dõi và xác định vị trí người sử dụng Tuy nhiên, các dịch vụ dựa trên vị trí này cần tuân thủ các quy định pháp luật và yêu cầu an ninh hiện hành.

CÔNG NGHỆ LORA

2.2.1 Giới thiệu về Lora a) Khái niệm:

LoRa, viết tắt của Long Range Radio, được nghiên cứu và phát triển bởi Cycleo và mua lại bởi Semtech vào năm 2012 Công nghệ này cho phép truyền dữ liệu với khoảng cách lên đến hàng km mà không cần mạch khuếch đại công suất, giúp tiết kiệm năng lượng trong quá trình truyền và nhận dữ liệu Nhờ vào những ưu điểm này, LoRa được ứng dụng rộng rãi trong các mạng cảm biến, nơi các nút cảm biến có thể gửi dữ liệu về trung tâm từ xa và hoạt động lâu dài với pin.

LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế Chirp Spread Spectrum, trong đó dữ liệu được băm bằng các xung cao tần để tạo ra tín hiệu có dãy tần số cao hơn tần số gốc Tín hiệu này sau đó được mã hoá bằng các chuỗi chirp signal, bao gồm up-chirp (tần số tăng) cho bit 1 và down-chirp (tần số giảm) cho bit 0, trước khi được phát ra từ anten.

Theo Semtech, nguyên lý của LoRa giúp giảm độ phức tạp và tăng độ chính xác của mạch nhận, cho phép giải mã và điều chế dữ liệu hiệu quả LoRa có khả năng truyền xa mà không cần công suất phát lớn, nhờ vào việc tín hiệu LoRa có thể được nhận ở khoảng cách xa, ngay cả khi độ mạnh tín hiệu thấp hơn nhiễu môi trường Băng tần hoạt động của LoRa dao động từ 430MHz đến 915MHz, tùy thuộc vào từng khu vực trên thế giới.

- 433MHz hoặc 866MHz cho châu Âu

Việc sử dụng tín hiệu chirp giúp các tín hiệu LoRa với các chirp rate khác nhau hoạt động đồng thời trong cùng một khu vực mà không gây nhiễu lẫn nhau Điều này cho phép nhiều thiết bị LoRa truyền tải dữ liệu trên nhiều kênh khác nhau, mỗi kênh tương ứng với một chirp rate riêng biệt.

Hình 2.3 Radio packet của LoRa

Các khái niệm SpreadingFactor, CodingRate sẽ được giới thiệu ở phần tiếp theo Ở đây chúng ta chỉ tập trung vào các dữ liệu trong 1 radio packet của LoRa, bao gồm:

Preamble: Là chuỗi binary để bộ nhận detect được tín hiệu của LoRa packet trong không khí

Header: chứa thông tin về size của Payload cũng như có PayloadCRC hay không Giá trị của Header cũng được check CRC kèm theo

Payload: là dữ liệu ứng dụng truyền qua LoRa

Giá trị CRC của Payload là một yếu tố quan trọng, vì nếu có PayloadCRC, chip LoRa sẽ tự động kiểm tra dữ liệu trong Payload và thông báo kết quả về tính hợp lệ của CRC.

The Spreading Factor (SF) determines the number of chirp signals used to encode the frequency-modulated signal of data For instance, if the SF is set to 12, one logic level of the chipped signal will be represented by 12 chirp signal pulses.

Chipset SX1276 của SemTech cho phép giá trị SF dao động từ 6 đến 12 Khi giá trị SF tăng lên, thời gian truyền dữ liệu sẽ kéo dài, nhưng khoảng cách truyền sẽ được mở rộng hơn.

Băng thông (BW) xác định biên độ tần số mà tín hiệu chirp có thể thay đổi Băng thông càng cao, thời gian mã hóa tín hiệu chirp càng ngắn, dẫn đến thời gian truyền dữ liệu giảm Tuy nhiên, điều này cũng đồng nghĩa với việc khoảng cách truyền sẽ ngắn lại.

Tỷ lệ mã hóa (CR) là số lượng bit được thêm vào Payload trong gói dữ liệu LoRa bởi chipset LoRa, giúp mạch nhận phục hồi các bit dữ liệu bị lỗi Sử dụng CR cao sẽ cải thiện khả năng nhận dữ liệu chính xác, nhưng đồng thời cũng làm tăng lượng dữ liệu cần gửi, có thể dẫn đến thời gian truyền lâu hơn trong không gian.

LoRaWan là chuẩn giao tiếp dựa trên nền tảng công nghệ Lora và được định nghĩa và phát triển bởi tổ chức Lora Alliance

Một thiết bị hỗ trợ LoRaWan sẽ có cấu trúc software như sau:

Hình 2.4Cấu trúc Software của LoRaWan

Cấu trúc LoRaWan bao gồm LoRa Mac với các lớp Class A, Class B và Class C, hoạt động dựa trên lớp PHY sử dụng chip LoRa Tại mỗi khu vực khác nhau trên thế giới, thiết bị LoRaWan cần được cấu hình để chip LoRa hoạt động trên các dãy băng tần cho phép như 433MHz, 915MHz, và nhiều băng tần khác.

Các thiết bị LoRaWan hoạt động theo mô hình sao, trong đó các thiết bị node gửi dữ liệu đến các thiết bị Gateway Từ Gateway, dữ liệu sẽ được chuyển tiếp lên server để thực hiện xử lý.

Hình 2.5Thiết bị LoRaWan kết nối

Do đó trong 1 mạng LoRaWan sẽ có 2 loại thiết bị:

Device node là các thiết bị cảm biến hoặc giám sát được lắp đặt ở vị trí làm việc xa, nhằm thu thập và truyền dữ liệu về các thiết bị trung tâm Hiện có ba loại device node: Class A, Class B và Class C.

Gateway là thiết bị trung tâm thu thập dữ liệu từ các node thiết bị và truyền tải lên một server trung tâm để xử lý Thông thường, các thiết bị Gateway được lắp đặt tại vị trí có nguồn điện ổn định và kết nối mạng như Wifi, LAN hoặc GSM, nhằm đảm bảo khả năng gửi dữ liệu lên server hiệu quả.

CÁC CHUẨN GIAO TIẾP

SPI, viết tắt của Serial Peripheral Interface, là một chuẩn giao tiếp ngoại vi do Motorola phát triển Chuẩn này cho phép truyền dữ liệu đồng bộ ở chế độ song công toàn phần (full-duplex), nghĩa là quá trình truyền và nhận dữ liệu có thể diễn ra đồng thời SPI còn được biết đến với tên gọi là giao tiếp 4 dây (Four-wire).

Hình 2.6 Chuẩn giao tiếp SPI

SPI là giao diện đồng bộ, bất cứ quá trình truyền nào cũng được đồng bộ hóa với tín hiệu clock chung Tín hiệu này sinh ra bởi master

Trong giao diện SPI có bốn tín hiệu số:

Hình 2.7 Tín hiệu giao tiếp SPI

MOSI hay SI là cổng ra của thiết bị Master (Master Out Slave In), dùng để truyền tín hiệu từ thiết bị chủ động đến thiết bị bị động.

- MISO hay SO – Công ra bên Slave (Master IN Slave Out) Đây là chân dành cho việc truyền dữ liệu từ Slave đến Master

SCLK (hay SCK) là tín hiệu clock đồng bộ trong giao thức SPI, được tạo ra bởi thiết bị Master Do SPI là chuẩn truyền đồng bộ, tín hiệu SCK đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải dữ liệu, với mỗi xung nhịp trên chân SCK tương ứng với một bit dữ liệu Sự hiện diện của chân SCK giúp giảm thiểu lỗi trong quá trình truyền và cho phép tốc độ truyền của SPI đạt mức cao.

CS (Chip Select) hay SS (Slave Select) là tín hiệu dùng để chọn vi mạch Khi không hoạt động, SS sẽ ở mức cao Khi Master kéo SS xuống thấp, quá trình giao tiếp sẽ diễn ra Mỗi slave chỉ có một đường SS, nhưng Master có thể có nhiều đường điều khiển SS tùy thuộc vào thiết kế của người dùng.

- MISO : mang các dữ liệu từ các thiết bị SPI về arudino nano

- MOSI : mang dữ liệu từ Arduino nano đến các thiết bị SPI

- SS : chọn thiết bị SPI cần làm việc

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) là giao thức nhắn tin tiêu chuẩn OASIS cho Internet of Things (IoT), được thiết kế để truyền tải tin nhắn theo mô hình publish/subscribe một cách nhẹ nhàng Giao thức này rất phù hợp cho việc kết nối các thiết bị từ xa trong môi trường băng thông mạng thấp Hiện nay, MQTT được áp dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như ô tô, sản xuất, viễn thông và dầu khí.

Giao thức MQTT được thiết kế cho các thiết bị IoT với mục tiêu tiết kiệm tài nguyên, trong đó SSL/TLS không phải là yêu cầu bắt buộc và có thể không cần thiết trong một số tình huống Trong những trường hợp này, việc xác thực diễn ra thông qua tên người dùng và mật khẩu mà máy khách gửi đến máy chủ, nằm trong gói CONNECT/CONNACK Thêm vào đó, một số broker, đặc biệt là các broker công khai trên internet, cho phép sử dụng tài khoản máy khách ẩn danh, trong đó tên người dùng và mật khẩu có thể được để trống mà không cần sử dụng tài khoản.

MQTT là một giao thức nhẹ với kích thước thông điệp nhỏ gọn Mỗi thông báo bao gồm một tiêu đề cố định dài 2 byte, một tiêu đề biến tùy chọn và dung lượng tối đa của thông điệp lên đến 256 megabyte (MB), cùng với mức chất lượng dịch vụ (QoS) được xác định.

Với Broker là một thành phần trung gian (môi giới)

SSL/TLS (Secure Sockets Layer/Transport Layer Security) là kỹ thuật mã hóa truyền tin trên internet

MQTT là giao thức phổ biến trong lĩnh vực IoT, cho phép các thiết bị hạn chế về tài nguyên gửi hoặc xuất bản thông tin tới một máy chủ hoạt động như message broker Broker này sẽ phân phối thông tin cho các máy khách đã đăng ký (subscribe) chủ đề tương ứng Trong mắt người dùng, chủ đề giống như một đường dẫn tệp phân cấp, và máy khách có thể đăng ký một cấp cụ thể hoặc sử dụng ký tự đại diện để đăng ký nhiều cấp trong hệ thống phân cấp.

2.3.3 Chuẩn giao tiếp One Wire

One Wire sử dụng một dây để truyền và nhận dữ liệu, dẫn đến tốc độ truyền thấp Công nghệ này chủ yếu được áp dụng trong việc thu thập dữ liệu như thông tin thời tiết và nhiệt độ, phù hợp cho các ứng dụng không yêu cầu tốc độ cao.

Hình 2 9 Cơ sở truyền nhận One Wire

Các tín hiệu sử dụng Restart , 0 write , 1 write , Read

Write 1: truyền đi bit 1: Master kéo xuống 0 một khoảng A(us) về mức 1 khoảng B Write 0: truyền đi bit 0: Master kéo xuống 0 khoảng C rồi trả về 1 khoảng D

Read: Đọc một Bit: Master kéo xuống 0 khoảng A rồi trả về 1 delay khoảng E rồi đọc giá trị slave gửi về delay F

Để chuẩn bị cho giao tiếp, khởi động lại Master bằng cách giảm xuống 0 một khoảng H rồi nâng lên mức 1 Sau đó, cấu hình Master với chân In delay I (us) và đọc giá trị trả về từ slave Nếu giá trị này bằng 0, giao tiếp được phép thực hiện; nếu bằng 1, có thể xảy ra lỗi đường truyền hoặc slave đang bận.

Hình 2 10 Giao tiếp One Wire

Thông thường chủ yếu sử dụng mode Standard

Để tối ưu hóa đường truyền trong giao tiếp One Wire, yếu tố quan trọng nhất là thời gian Do đó, việc sử dụng một bộ định thời để tạo độ trễ chính xác là cần thiết.

Mỗi IC có dạng Frame byte truyền nhận khác nhau, vì vậy cần chú ý đọc datasheet Trong trạng thái chờ, bus dữ liệu phải ở mức cao, do đó cần kéo lên nguồn thông qua một điện trở Giá trị điện trở này có thể tham khảo trong datasheet của thiết bị hoặc các thiết bị slave.

TỔNG QUAN VỀ WED

Máy chủ web, hay còn gọi là web server, là một thiết bị kết nối trong mạng máy tính mở rộng, chịu trách nhiệm quản lý và cung cấp dữ liệu cho ứng dụng web Nó được cài đặt các chương trình để xử lý yêu cầu từ trình duyệt web và gửi phản hồi cho máy khách thông qua giao thức HTTP hoặc các giao thức khác.

Những web server được sử dụng nhiều nhất hiện nay: Apache, Nginx, IIs

Hình 2.11 Tổng quan về Web server

Web server là một máy tính chuyên lưu trữ các tệp tin cần thiết để xây dựng một website và gửi chúng đến người dùng cuối Nó được kết nối với internet và có thể được truy cập thông qua một tên miền, chẳng hạn như mozilla.org.

Web server là một hệ thống quản lý truy cập của người dùng đến các file host, bao gồm tối thiểu một HTTP server HTTP server là phần mềm có khả năng hiểu các URL (địa chỉ web) và giao thức HTTP, cho phép trình duyệt hiển thị trang web Để hoạt động, mọi trình duyệt đều cần một file host từ web server.

Sinh viên Nguyễn Ngọc Trường, dưới sự hướng dẫn của Th.S Trần Duy Chung, đã nghiên cứu về quy trình gửi yêu cầu và nhận phản hồi qua giao thức HTTP Khi một trình duyệt thực hiện yêu cầu đến một tệp tin trên máy chủ web, nếu địa chỉ đúng, máy chủ HTTP sẽ phản hồi lại yêu cầu đó thông qua giao thức HTTP.

Hình 2.12Phương thức trình duyệt hiển thị trang web

A web server is essential for storing all the files of a website, including HTML files, CSS, JavaScript, fonts, and videos.

Về mặt kỹ thuật, bạn có thể lưu trữ tất cả các file trên máy tính cá nhân, nhưng để thuận tiện hơn, nên lưu trữ dữ liệu trên các web server riêng biệt với những đặc tính nổi bật.

- Luôn chạy và hoạt động liên tục

- Luôn luôn kết nối với internet

- Luôn có trung một địa chỉ IP

- Được bảo trì bởi một bên cung cấp thứ 3

Việc lựa chọn một nhà cung cấp hosting chất lượng là yếu tố quan trọng trong quá trình phát triển website Hiện nay, có nhiều công ty cung cấp giải pháp hosting đa dạng, vì vậy bạn chỉ cần tìm một dịch vụ phù hợp với ngân sách của mình.

TỔNG QUAN VỀ ARDUINO NANO

Arduino hiện nay đã trở nên phổ biến ở Việt Nam, thu hút sự quan tâm từ học sinh trung học, sinh viên cho đến người đi làm Nhiều dự án nhỏ và lớn được triển khai nhanh chóng, nhờ vào việc chia sẻ mã nguồn mở trên các diễn đàn trong và ngoài nước Điều này hỗ trợ rất nhiều cho những ai đam mê nghiên cứu và chế tạo sản phẩm có ích cho xã hội.

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều phiên bản Arduino như Arduino Uno R3, Arduino Uno R3 CH340, Arduino Mega2560, Arduino Nano, Arduino Pro Mino, Arduino Lenadro, Arduino Industrial

Hình 2.13 Các loại Arduino thông dụng

Arduino Uno là một board mạch vi điều khiển do Arduino.cc phát triển, dựa trên vi điều khiển AVR Atmega328P, cho phép xây dựng các ứng dụng điện tử tương tác thông qua phần mềm và phần cứng Trước khi Arduino ra đời, việc thực hiện các dự án điện tử nhỏ liên quan đến lập trình và biên dịch thường cần đến các thiết bị biên dịch khác, như vi điều khiển PIC hoặc IC vi điều khiển họ 8051, yêu cầu thiết kế chân nạp onboard hoặc sử dụng các thiết bị nạp và biên dịch riêng biệt.

Trong những năm qua, Arduino đã trở thành nền tảng quan trọng cho hàng ngàn dự án điện tử, từ sản phẩm ứng dụng đơn giản đến các dự án khoa học phức tạp Sự phát triển của thư viện mã nguồn mở không ngừng gia tăng, hỗ trợ cả người mới và các chuyên gia lập trình nhúng trong việc tham khảo và phát triển dự án.

Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị thông qua cảm biến ánh sáng và cảm biến nồng độ khí, cho phép đo nồng độ hóa chất và khí ga Bạn có thể tạo ra một robot mini, quản lý việc tắt mở thiết bị điện trong nhà, điều khiển motor và nhận dạng ID Nếu muốn thử thách hơn, bạn có thể phát triển máy CNC, máy in 3D mini hoặc máy bay không người lái (Flycam), cũng như xây dựng hệ thống thu thập dữ liệu qua GSM và xử lý ảnh Để thực hiện các dự án này, từ đơn giản đến phức tạp, bạn cần sử dụng ngôn ngữ lập trình Arduino, dựa trên sơ đồ thiết kế hệ thống của bạn và sử dụng phần mềm Arduino IDE để gửi yêu cầu đến bộ phận xử lý trung tâm (Arduino).

Sinh viên thực hiện: NGUYỄN NGỌC TRƯỜNG Người hướng dẫn: TH.S TRẦN DUY CHUNG 25 Đây là thông số kĩ thuật của Arduino:

Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)

Tần số hoạt động 16 MHz

Dòng tiêu thụ khoảng 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC

Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)

Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA

Dòng ra tối đa (5V) 500 mA

Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA

Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader

Bảng 1 Bảng thông số kỹ thuật Arduino

Arduino Nano USB Mini là một board mạch nhỏ gọn sử dụng vi điều khiển ATmega328P hoặc ATmega168, nổi bật với kích thước nhỏ hơn so với Arduino Uno và Arduino Mega Board mạch này hoạt động độc lập và tương tác hiệu quả với các thiết bị điện tử, đồng thời hỗ trợ người mới bắt đầu trong việc kết nối với PC và phối hợp với các phần mềm như Flash, Xử lý, Max/Msp, PD Với tính năng này, Arduino Nano trở thành lựa chọn lý tưởng cho các dự án yêu cầu kết nối với thiết bị ngoại vi đơn giản.

Arduino Nano có các chức năng tương tự như Arduino Uno nhưng có kích thước nhỏ gọn hơn, hoạt động với điện áp 5V và cho phép nguồn cấp điện áp đầu vào từ 7 đến 12V Board Arduino Nano bao gồm 14 chân Digital và 8 chân Analog.

2 chân Reset và 6 chân Nguồn

Các chân Digital và Analog có thể đảm nhận nhiều chức năng khác nhau, nhưng chủ yếu được cấu hình mặc định là đầu vào (Input) hoặc đầu ra (Output) Khi kết nối với cảm biến, các chân Digital và Analog thường hoạt động như chân Input.

Và khi sử dụng để điều khiển động cơ, tạo xung, kích dẫn relay, thiết bị chuyển mạch thì các chân Digital / Anologs đống vai trò Output

Các hàm như pinMode() và digitalWrite() điều khiển chân Digital, trong khi analogRead() điều khiển chân Analog với độ phân giải 10 bit, giá trị từ 0V đến 5V Arduino Nano có tần số dao động 16 MHz, mang lại độ chính xác cao cho các dự án đồng hồ số Tuy nhiên, một hạn chế của Arduino Nano là không có giắc nguồn DC, nên không thể cung cấp nguồn điện bên ngoài qua các chân như Arduino Uno và Arduino Mega; nguồn chỉ có thể được cấp qua cổng USB Mini Mạch Arduino Nano không hỗ trợ cổng USB chuẩn, chỉ sử dụng cổng USB Mini để kết nối với máy tính.

Arduino Nano với kích thước nhỏ gọn và tính năng tương tự như Arduino Uno, là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng cần tối ưu kích thước linh kiện điện tử Vi điều khiển Atmega168 và Atmega328 cung cấp bộ nhớ flash lần lượt là 16KB và 32KB, giúp đáp ứng nhu cầu lưu trữ dữ liệu cho các dự án khác nhau.

Sinh viên Nguyễn Ngọc Trường dưới sự hướng dẫn của Th.S Trần Duy Chung đã thực hiện nghiên cứu về bộ nhớ trong các vi điều khiển Atmega168 và Atmega328 Trong đó, bộ nhớ flash bao gồm 2KB dành cho chương trình khởi động (Bootloader), bộ nhớ SRAM có thể có dung lượng 1KB hoặc 2KB, và EEPROM có dung lượng 512 byte hoặc 1KB.

TỔNG QUAN VỀ GETWAY

Gateway là một nút mạng trong viễn thông, kết nối hai mạng có giao thức truyền thông khác nhau, cho phép chúng giao tiếp với nhau Gateway đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý dữ liệu đầu vào và ra, vì tất cả dữ liệu phải đi qua gateway trước khi được định tuyến Trong các mạng IP, lưu lượng duy nhất không đi qua gateway là lưu lượng giữa các nút trong cùng một phân đoạn mạng cục bộ (LAN) Thuật ngữ "default gateway" hay "network gateway" cũng thường được sử dụng để mô tả khái niệm này.

Gateway thường được sử dụng để đơn giản hóa kết nối internet cho các thiết bị trong cả tình huống cá nhân và doanh nghiệp Trong môi trường doanh nghiệp, gateway còn có thể đóng vai trò như một máy chủ proxy và tường lửa, giúp bảo mật và quản lý lưu lượng truy cập mạng hiệu quả.

Hình 2.15 Giao thức truyền thông Gateway

Tất cả các mạng đều có ranh giới và giới hạn giao tiếp với các thiết bị kết nối trực tiếp Để giao tiếp với các thiết bị, nút hoặc mạng bên ngoài ranh giới đó, mạng cần có một gateway Gateway thường kết hợp các chức năng của router và modem.

Gateway là thiết bị hoạt động bên cạnh mạng, quản lý và chuyển hướng tất cả dữ liệu nội bộ và bên ngoài Khi một mạng cần giao tiếp với mạng khác, dữ liệu sẽ được gửi đến gateway, nơi nó sẽ được chuyển tiếp đến đích qua đường truyền tối ưu Ngoài việc định tuyến dữ liệu, gateway còn lưu trữ thông tin về các đường dẫn nội bộ của mạng chủ và các mạng bổ sung mà nó kết nối.

Gateway là bộ chuyển đổi giao thức, giúp đảm bảo sự tương thích giữa hai giao thức và hoạt động trên bất kỳ lớp nào của mô hình OSI Có nhiều loại gateway với các định dạng khác nhau, thực hiện nhiều nhiệm vụ đa dạng.

- Web application firewalls (tường lửa web): loại này lọc lưu lượng truy cập đến và từ máy chủ web và xem xét dữ liệu lớp ứng dụng

Cổng lưu trữ đám mây là giải pháp giúp chuyển đổi các yêu cầu lưu trữ thành các lệnh gọi API của các dịch vụ lưu trữ đám mây khác nhau Điều này cho phép các tổ chức tích hợp lưu trữ từ đám mây riêng vào các ứng dụng mà không cần phải chuyển dữ liệu sang đám mây công cộng.

API, SOA và XML gateways là các công nghệ quản lý lưu lượng truy cập vào và ra khỏi dịch vụ, hỗ trợ kiến trúc hướng dịch vụ vi mô và dịch vụ web dựa trên nền tảng XML.

Cổng IoT là thiết bị quan trọng trong môi trường Internet of Things, có nhiệm vụ thu thập dữ liệu từ các thiết bị cảm biến cấp hiện trường Chúng chuyển đổi giữa các giao thức cảm biến và thực hiện xử lý dữ liệu trước khi truyền tải đi.

- Media gateways: loại này chuyển đổi dữ liệu từ định dạng của một loại mạng sang định dạng cho một loại mạng khác

- Email security gateways (bảo mật email): loại này ngăn chặn việc truyền các email vi phạm chính sách của công ty hoặc chuyển thông tin với mục đích xấu

Cổng VoIP trunk là giải pháp lý tưởng cho việc kết nối các thiết bị điện thoại truyền thống như điện thoại cố định và máy fax với mạng thoại qua IP (VoIP), giúp tối ưu hóa việc sử dụng công nghệ mới mà vẫn duy trì khả năng tương thích với thiết bị cũ.

GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN

2.7.1 Cảm biến ánh sáng BH1750

BH1750 là một mạch cảm biến ánh sáng tích hợp bộ chuyển đổi AD 16 bit, cho phép xuất dữ liệu trực tiếp dưới dạng số Cảm biến này hoạt động độc lập mà không cần sử dụng bộ tính toán cường độ ánh sáng bên ngoài.

BH1750 cung cấp phương pháp đo cường độ ánh sáng đơn giản và chính xác hơn so với cảm biến quang trở, nhờ vào việc loại bỏ sai số cao do dữ liệu thay đổi theo điện áp.

Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750 là thiết bị đo ánh sáng với đơn vị lux, tích hợp ADC nội và bộ tiền xử lý, mang lại độ chính xác cao trong việc đo lường.

Sinh viên Nguyễn Ngọc Trường đã thực hiện nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của Th.S Trần Duy Chung Nghiên cứu này tập trung vào việc đo cường độ ánh sáng trực tiếp bằng đơn vị lux, mà không cần qua bất kỳ xử lý hay tính toán nào, thông qua giao tiếp I2C.

Hình 2.16 Cảm biến ánh sáng BH1750 Độ rọi của ánh sáng:

• Trời nhiều mây trong nhà : 5 – 50 lux

• Trời nhiều mây ngoài trời : 50 – 500 lux

• Trời nắng trong nhà : 100 – 1000 lux

• Ánh sáng cần thiết để đọc sách: 50 – 60 lux

Hình 2.17 Nguyên lí hoạt động BH1750

BMP 280 là cảm biến đo áp suất khí quyển tuyệt đối kỹ thuật số của Bosch

Sensortec là một cảm biến được thiết kế riêng cho các ứng dụng di động, với kích thước nhỏ gọn và tiêu thụ điện năng thấp, rất quan trọng cho hiệu suất Nó có thể được áp dụng trong nhiều dự án khác nhau, bao gồm cả những ứng dụng sử dụng Arduino.

Hình 2.18 Cảm biến áp suất

BMP 280 dựa trên công nghệ cảm biến áp suất điện trở áp, có độ chính xác cao, tuyến tính và ổn định với độ mạnh của EMC

Cảm biến BMP 280 có nhiều ứng dụng hữu ích, bao gồm việc nâng cao độ chính xác của hệ thống định vị GPS và hỗ trợ trong điều hướng trong nhà, như phát hiện tầng và nhận diện thang máy.

Sinh viên Nguyễn Ngọc Trường, dưới sự hướng dẫn của Th.S Trần Duy Chung, đã thực hiện nghiên cứu về các ứng dụng của máy điều hướng ngoài trời trong thể thao, dự báo thời tiết và chỉ báo vận tốc dọc.

Cảm biến có hai loại giao diện giao tiếp chính là I2C và SPI, cho phép trích xuất dữ liệu hiệu quả Về cơ bản, cảm biến có thể hoạt động ở hai chế độ khác nhau.

1 Chế độ Bình thường - Ở chế độ này, cảm biến sẽ tự động quay vòng giữa một chu kỳ chờ nad của phép đo Chế độ này thường được sử dụng với bộ lọc IIR tích hợp khi có nhiễu ngắn hạn trong quá trình đo thông thường

2 Chế độ cưỡng bức - Trong chế độ này, cảm biến thực hiện một phép đo duy nhất theo yêu cầu và sau đó trở về chế độ nghỉ Điều này phù hợp nhất với các trường hợp chúng tôi thăm dò dữ liệu bất cứ khi nào chúng tôi yêu cầu Điều này thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu tốc độ lấy mẫu thấp như theo dõi thời tiết

Chúng ta có thể sử dụng tính năng lấy mẫu quá mức cho phép để đo áp suất và nhiệt độ, với tỷ lệ lấy mẫu linh hoạt là 1, 2, 4, 8 hoặc 16, tùy thuộc vào ứng dụng và yêu cầu công suất Các cài đặt mặc định được tối ưu hóa cho nhiều trường hợp như theo dõi thời tiết, điều hướng trong nhà, phát hiện rơi và phát hiện độ cao.

Do kích thước nhỏ của cảm biến, việc xử lý trở nên khó khăn cho người yêu thích Vì vậy, chúng tôi đã sử dụng mô-đun cảm biến áp suất BMP 280, được trang bị đầy đủ các kết nối cần thiết với đầu nối chân cắm tiêu chuẩn 2,54 mm.

2.7.3 Cảm biến mưa a Giới thiệu

Cảm biến mưa là thiết bị đơn giản, bao gồm một lá chắn để phát hiện sự xuất hiện của mưa hoặc nước trên bề mặt, cùng với một module chuyển đổi tín hiệu để giao tiếp với các board mạch vi điều khiển và đèn LED báo hiệu trạng thái của lá chắn.

• Cảm biến hổ trợ hai loại ngõ ra tín hiệu là analog (tương tự) và digital (số), để có thể áp dụng linh hoạt tùy mục đích khác nhau

Cảm biến mưa là thiết bị dùng để phát hiện mực nước và xác định sự xuất hiện của mưa trong môi trường Mạch cảm biến này được lắp đặt ngoài trời để theo dõi tình trạng thời tiết và gửi tín hiệu điều khiển để đóng hoặc ngắt rơ le khi có mưa.

TOÁN VÀ THIẾT KẾ

GIỚI THIỆU

Đề tài “NGHIÊN CỨU MẠNG LORA ỨNG DỤNG VÀO QUAN TRẮC KHÍ HẬU Ở KHU VỰC HÒA KHÁNH”

Các Node dữ liệu thu thập thông số thời tiết từ các cảm biến như cảm biến mưa, áp suất và ánh sáng BH170 Tín hiệu từ ba cảm biến này sẽ được truyền đến Gateway qua công nghệ Lora sx1278.

Gateway có chức năng thu thập dữ liệu và lưu trữ vào cơ sở dữ liệu, sau đó truyền tải lên Web server hoặc Thingspeak để hiển thị thông tin thời tiết cho người dùng Người dùng có thể đăng nhập qua ứng dụng Mit App để theo dõi tình hình thời tiết tại khu vực của mình.

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

3.2.1 Thiết kế sơ đồ hệ thống

Theo đề tài hệ thống bao gồm 4 khối chức năng liên kết lại với nhau tạo nên một hệ thống như sau:

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống

Khối xử lý trung tâm là phần quan trọng của hệ thống, có chức năng thu thập và xử lý dữ liệu từ các thiết bị cảm biến, đồng thời điều khiển các khối ngoại vi và khối hiển thị Web Gateway đảm nhận nhiệm vụ truyền nhận dữ liệu ổn định giữa các Node qua công nghệ LoRa, và chuyển giao tín hiệu giao tiếp từ Gateway lên Thingspeak và Web server.

Khối cảm biến thu thập dữ liệu từ các node cảm biến, ghi nhận các thông số môi trường như áp suất, ánh sáng, độ ẩm và lượng mưa Nó liên tục cập nhật sự thay đổi của các thông số này theo thời gian, dựa trên ngưỡng đã được đặt trước.

Khối hiển thị ứng dụng cung cấp thông tin về các thông số kỹ thuật được đo lường tại các Node cảm biến, hiển thị trực tiếp trên webserver hoặc ứng dụng Mit App dành cho người dùng.

Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho toàn bộ hoạt động của hệ thống cũng như các cảm biến dễ hoạt động

3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch

❖ Khối xử lý trung tâm (Esp 32 được dùng như một khối xử lí trung tâm)

Khối xử lý trung tâm là trái tim của hệ thống, chịu trách nhiệm tiếp nhận và xử lý tất cả tín hiệu từ cảm biến, cơ cấu tác động và tín hiệu điều khiển từ web Nó truyền nhận dữ liệu giữa web và phần cứng, hiển thị các thông số đo được để người dùng theo dõi Toàn bộ hoạt động điều khiển của hệ thống diễn ra thông qua khối xử lý trung tâm này.

ESP32 là một hệ thống hoàn chỉnh tích hợp Wi-Fi, Bluetooth, ADC độ phân giải cao và DAC, cùng nhiều tính năng khác Với các thành phần RF tích hợp như bộ khuếch đại công suất, bộ khuếch đại nhận tiếng ồn thấp, công tắc ăng-ten, bộ lọc và Balun RF, việc thiết kế phần cứng xung quanh ESP32 trở nên dễ dàng với ít thành phần bên ngoài cần thiết.

• Model: Wifi BLE SoC ESP32 ESP-WROOM-32E (Tương thích hoàn toàn với phiên bản cũ ESP-WROOM-32 hiện đã ngưng sản xuất)

• ESP32-D0WD-V3 embedded, Xtensa® dual-core 32-bit LX6 microprocessor, up to 240 MHz

• Điện áp sử dụng: 3~3.6VDC

• Dòng điện sử dụng: ~90mA

• 448 KB ROM for booting and core functions

• 520 KB SRAM for data and instructions

• Thiết kế chuẩn kích thước, chân Arduino Nano

• IC nạp và giao tiếp UART: CH340

• Điện áp cấp: 5VDc cổng USB hoặc 6-9VDc chân Raw

• Mức điện áp giao tiếp GPIO: TTL 5VDc

• Số chân GPIO: 14 chân, trong đó có 6 chân PWM

• Số chân Analog: 8 chân (hơn Arduino Nano 2 chân)

• Bộ nhớ Flash: 32KB (2KB Bootloader)

• Tích hợp Led báo nguồn, led chân D13, LED RX, TX

• Tích hợp IC chuyển điện áp 5V LM1117

Khối cảm biến có nhiệm vụ thu thập các thông số đo được từ môi trường và truyền thông tin tới khối xử lý Tại đây, thông tin sẽ được lưu trữ và xử lý so với ngưỡng đã được cài đặt, nhằm thực hiện việc điều chỉnh theo từng thời gian.

• Ngõ ra: o DO: dạng digital – TTL có khả năng điều khiển trực tiếp Relay, Buzzer o AO: dạng analog

• Có LED báo hiệu khi có mưa hoặc nước trên bề mặc lá chắn

• Độ nhạy có thể được điều chỉnh thông qua chiết áp

• Kích thước module chuyển đổi: 3.2cm x 1.4cm

• Lá chắn sử dụng vật liệu chất lượng cao FR-04 hai mặt, bề mặt mạ niken, chống oxy hóa

• Kích thước là chắn: 5.0cm x 4.0cm

Sơ đồ kết nối chân:

Cảm biến mưa Arduino Nano

Hình 3.2Sơ đồ kết nối chân của cảm biến mưa với Arduino Nano

Cảm biến mưa giao tiếp với Arduino Nano thông qua việc đo đầu ra tương tự, cho phép xuất ra giá trị lượng mưa Giá trị 1023 biểu thị tình trạng hoàn toàn khô, trong khi giá trị 0 cho thấy có mưa rất lớn.

Cảm biến áp suất BMP280

• Phạm vi hoạt động - Áp suất - 300… 1100 hPa, Nhiệt độ - 0… + 65 Độ C

• Dòng điện trung bình - 2,74 micro Ampe

• Độ phân giải - Áp suất - 0,18 Pa (eqiuv Đến

Tiêu đề	Nghiên Cứu Mạng Lora Ứng Dụng Vào Quan Trắc Khí Hậu Ở Khu Vực Hòa Khánh
Tác giả	Nguyễn Ngọc Trường
Người hướng dẫn	Th.s Trần Duy Chung
Trường học	Đại học Đà Nẵng
Chuyên ngành	Điện tử
Thể loại	Đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2020
Thành phố	Đà Nẵng

Định dạng
Số trang	68
Dung lượng	3,71 MB