ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MÔ HÌNH MẠNG IOT CÔNG SUẤT THẤP ỨNG DỤNG TRONG NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH. Trong các quá trình sản xuất, quản lý chuỗi cung ứng sản phẩm từ công nghiệp cho đến nông nghiệp, các giải pháp IoT được triển khai nhằm mục tiêu nâng cao sản lượng, chất lượng, giảm thiểu rủi ro từ môi trường góp phần tạo ra các sản phẩm có giá trị kinh tế cao với giá thành phù hợp.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ BỘ MÔN KỸ THUẬT MÁY TÍNH - VIỄN THƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MƠ HÌNH MẠNG IOT CÔNG SUẤT THẤP ỨNG DỤNG TRONG NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THƠNG Sinh viên: ĐỒN CHÍNH MINH MSSV: 14141192 LÊ THỊ BÍCH TRÂM MSSV: 14141329 TP HỒ CHÍ MINH – 01/2019 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ BỘ MƠN KỸ THUẬT MÁY TÍNH - VIỄN THƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MƠ HÌNH MẠNG IOT CƠNG SUẤT THẤP ỨNG DỤNG TRONG NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THƠNG Sinh viên: ĐỒN CHÍNH MINH MSSV: 14141192 LÊ THỊ BÍCH TRÂM MSSV: 14141329 Hướng dẫn: PGS.TS PHAN VĂN CA TP HỒ CHÍ MINH – 01/2019 THƠNG TIN KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP Thơng tin sinh viên Họ tên sinh viên: Lê Thị Bích Trâm MSSV: 14141329 Email: tramle280996@gmail.com Điện thoại: 0988961002 Họ tên sinh viên: Đồn Chính Minh MSSV: 14141192 Email: doanchinhminh111@gmail.com Điện thoại: 0908956508 Thông tin đề tài - Tên đề tài: mơ hình mạng IoT cơng suất thấp ứng dụng nông nghiệp thông minh - Đơn vị quản lý: Bộ mơn Kỹ Thuật Máy Tính - Viễn Thơng, Khoa Điện Điện Tử, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh - Thời gian thực hiện: Từ ngày 05 / 09 / 2018 đến ngày 31 / 12 / 2018 - Thời gian bảo vệ trước hội đồng: Ngày 11 / 01 / 2019 Lời cam đoan sinh viên Chúng tơi – Lê Thị Bích Trâm Đồn Chính Minh cam đoan KLTN cơng trình nghiên cứu chúng tôi, hướng dẫn Phó giáo sư, tiến sĩ Phan Văn Ca Kết công bố KLTN trung thực không chép từ cơng trình khác Tp.HCM, ngày 31 tháng 12 năm 2018 SV thực đồ án (Ký ghi rõ họ tên) Lê Thị Bích Trâm Đồn Chính Minh Giảng viên hướng dẫn xác nhận báo cáo chỉnh sửa theo đề nghị ghi biên Hội đồng đánh giá Khóa luận tốt nghiệp ………………………………………………………………………………………… Tp.HCM, ngày … tháng … năm 20… Xác nhận Bộ Môn Giáo viên hướng dẫn (Ký, ghi rõ họ tên học hàm - học vị) LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp Nhóm chúng tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy cô giáo trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM nói chung thầy khoa Điện- Điện Tử nói riêng cho kiến thức kinh nghiệm quý báu suốt trình học tập rèn luyện Nhóm chúng tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Phan Văn Ca - Trưởng mơn Kỹ thuật Máy tính - Viễn thơng, tận tình hướng dẫn suốt trình làm đồ án tốt nghiệp Thầy giúp nhóm khơng tiếp thu nhiều kiến thức mà học tập đuợc thái độ làm việc nghiêm túc chuyên nghiệp Đây kinh nghiệm vô quý giá cho trình học tập làm việc sau nhóm Do kinh nghiệm tích lũy từ thực tế nhóm cịn hạn chế nên q trình làm đồ án khơng tránh khỏi sai sót Nhóm mong nhận ý kiến đóng góp từ phía thầy cô bạn sinh viên Xin chân thành cảm ơn! Trân trọng TP.HCM, ngày 30 tháng 12 năm 2018 Nhóm thực đề tài Lê Thị Bích Trâm v Đồn Chính Minh TĨM TẮT Trong năm gần đây, mạng lưới vạn vật kết nối hay IoT (Internet of Things) đóng vai trị quan trọng việc định hình lại tranh kinh tế mà đặc trưng q trình chuyển đổi số sản xuất IoT ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác Đặc biệt, trình sản xuất, quản lý chuỗi cung ứng sản phẩm từ công nghiệp nông nghiệp, giải pháp IoT triển khai nhằm mục tiêu nâng cao sản lượng, chất lượng, giảm thiểu rủi ro từ mơi trường góp phần tạo sản phẩm có giá trị kinh tế cao với giá thành phù hợp IoT mô hình mạng siêu kết nối liên kết thiết bị xử lý, cảm biến, RFID tạo thành mạng thiết bị trao đổi thơng tin, tương tác, điều khiển vận hành từ xa Trong lĩnh vực nông nghiệp, IoT sử dụng phổ biến để giám sát môi trường, quản lý thông tin trồng, vật nuôi, quản lý chuỗi cung ứng, truy vấn nguồn gốc sản phẩm Đề tài thực xây dựng hệ thống giám sát môi trường nông trại trồng trọt ngồi trời có diện tích lớn Hệ thống thu thập thông số môi trường cần quan tâm trồng trọt gồm: nhiệt độ, độ ẩm khơng khí, ánh sáng, mưa, độ pH nước tưới độ ẩm đất Hệ thống cho phép người dùng quản lí nhân cơng làm việc nơng trại, đồng thời điều khiển hỗ trợ việc chăm sóc trồng cụ thể tưới nước Ngoài ra, giao diện người dùng cung cấp phương pháp trồng trọt chăm sóc cho số loại trồng khác Dữ liệu gửi qua Gateway công nghệ truyền nhận liệu công suất thấp LoRa zigbee Gateway nông trại truyền liệu thu gateway nhà để đưa lên lưu trữ Server WiFi Server cung cấp liệu để bên phía người dùng giám sát điều khiển thiết bị giao diện điện thoại thông minh vi MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH IX DANH MỤC BẢNG XI CÁC TỪ VIẾT TẮT XII CHƯƠNG 1.GIỚI THIỆU .1 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU .2 1.3 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 1.4 NỘI DUNG THỰC HIỆN 1.5 BỐ CỤC ĐỀ TÀI CHƯƠNG 2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT .6 2.1 CHUẨN TRUYỀN UART 2.2 MẠNG KHÔNG DÂY LORA 2.2.1 Giới thiệu 2.2.2 Băng tần khoảng cách truyền 2.2.3 Kỹ thuật điều chế 2.2.4 Kiến trúc mạng 2.2.5 Tập giao thức (Protocol stack) 2.3 MẠNG KHÔNG DÂY ZIGBEE 10 2.3.1 Giới thiệu: 10 2.3.2 Băng tần khoảng cách truyền .10 2.3.3 Kỹ thuật điều chế .10 2.3.4 Kiến trúc mạng 11 2.3.5 Tập giao thức (Protocol stack) 11 2.4 MẠNG KHÔNG DÂY WIFI 12 2.4.1 Giới thiệu 12 2.4.2 Nguyên tắt hoạt động .12 2.4.3 Một số chuẩn kết nối WiFi phổ biến 13 2.5 CÔNG NGHỆ RFID .14 2.5.1 Cấu tạo 14 vii 2.5.2 2.6 TỔNG QUAN VỀ ANDROID 15 2.6.1 2.7 Nguyên lý hoạt động 15 Kiến trúc hệ điều hành android 16 GOOGLE FIREBASE .17 CHƯƠNG 3.THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 19 3.1 YÊU CẦU ĐỐI VỚI HỆ THỐNG 19 3.2 ĐẶC TẢ HỆ THỐNG 20 3.2.1 Chức hệ thống 20 3.2.2 Đặc tính hệ thống 20 3.2.3 Mô hình tổng thể hệ thống 21 3.3 KIẾN TRÚC CỦA HỆ THỐNG 22 3.3.1 Sơ đồ khối hệ thống 22 3.3.2 Kiến trúc phần cứng 23 3.4 MM 32 3.3.3 Kiến trúc phần mềm thiết bị 34 3.4 THIẾT KẾ PHẦN MỀM 39 3.4.1 Thiết kế giao diện android 39 3.4.2 Quản lí sở liệu 40 CHƯƠNG 4.KẾT QUẢ THỰC HIỆN 42 4.1 PHẦN CỨNG 42 4.2 PHẦN MỀM 45 CHƯƠNG 5.KẾT LUẬN 53 5.1 KẾT LUẬN 53 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 53 PHỤ LỤC .55 TÀI LIỆU THAM KHẢO .59 viii DANH MỤC HÌNH Hình Cấu trúc mạng LoRa dạng hình Hình 2 Tập giao thức mạng LoRa .9 Hình Sơ đồ điều chế O-QOSK 11 Hình Các mơ hình mạng zigbee .11 Hình Tập giao thức mạng Zigbee 12 Hình Mơ hình WiFi 13 Hình Cấu tạo thẻ RFID 14 Hình Nguyên lý hoạt động RFID 15 Hình Kiến trúc hệ điều hành android 16 Hình 10 Mơ hình Firebase Realtime Database 18 Hình Mơ hình tổng thể hệ thống 21 Hình Sơ đồ khối hệ thống 22 Hình 3 Sơ đồ khối Node Sensor 23 Hình Cảm biến độ ẩm đất 25 Hình Module Zigbee 25 Hình Sơ đồ kết nối phần cứng node sensor 27 Hình Sơ đồ khối Gateway 27 Hình Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, DHT11 28 Hình Module RFID 28 Hình 10 Module LoRa 433Mhz 29 Hình 11 Sơ đồ kết nối phần cứng gateway trạm thười tiết 31 Hình 12 Sơ đồ khối Gateway nhà 31 Hình 13 Kit Arduino Wifi ESP8266 WeMos D1 R2 32 Hình 14 Sơ đồ kết nối phần cứng gateway nhà 33 Hình 15 Lưu đồ thuật tốn khối Node Sensor 34 Hình 16 Lưu đồ thuật toán khối quản lý nhân cơng 35 Hình 17 Lưu đồ thuật toán khối thu thập 36 Hình 18 Lưu đồ chương trình khối nhận lệnh điều khiển 37 Hình 19 Lưu đồ thuật tốn khối Gateway 38 ix Hình 20 Giao diện ban đầu ứng dụng 39 Hình 21 Lưu đồ thuật tốn app android 40 Hình 22 Cơ sở liệu hệ thống 41 Hình 23 Lưu đồ tương tác giao diện người dùng sở liệu 41 Hình Mơ hình hệ thống nông trại sử dụng mạng IoT công suất thấp 42 Hình Mơ hình nơng trại 43 Hình Mơ hình gateway trạm 43 Hình 4 Mạch gateway trạm .44 Hình Mơ hình node sensor .44 Hình Mơ hình nhà .45 Hình Giao diện hiển thị thông số môi trường nơng trại 46 Hình Giao diện lựa chọn menu 47 Hình Giao diện trang điều khiển tưới nước .48 Hình 10 Giao diện quản lí nhân công ban đầu 49 Hình 11 Giao diện cập nhật mức lương 50 Hình 12 Giao diện thực xóa liệu nhân cơng 51 Hình 13 Giao diện kỹ thuật trồng 52 Hình 14 Giao diện kỹ thuật trồng củ cải đỏ cải bó xơi 52 x DANH MỤC BẢNG Bảng Thông số kỹ thuật Board Arduino Uno R3 24 Bảng Thông số kỹ thuật module Zigbee 26 Bảng 3 Thông số kỹ thuật module LoRa 29 Bảng Thông số kỹ thuật kit Arduino Wifi .32 xi đề tài mô cho Node cảm biến phụ, nên phần thiết kế cho độ ẩm đất thực trang với thơng số trạm (đối với hệ thống thi công nhiều Node cảm biến phát triển giao diện cho độ ẩm đất menu) Như hình bên thông số hiển thị cách rõ ràng giúp người quản lí dễ dàng quan sát Hình Giao diện hiển thị thông số môi trường nông trại 46 Tiếp theo menu, người dùng lựa chọn vào trang khác “tưới nước”, “quản lí nhân cơng” “kỹ thuật trồng số loại cây” sau xem thông số quan trọng nông trại quay lại trang ban đầu Hình Giao diện lựa chọn menu Trang điều khiển tưới nước cho phép người sử dụng điều khiển tưới nước hai chế độ tưới tự động hay tưới thủ công switch hình bên Đối với lựa chọn tưới tự động cho nơng trại hệ thống thực chức tưới ngày vào cài đặt sẵn vào buổi sáng Đối với chế độ tưới thủ cơng người quản lí thực mở máy bơm theo nhu cầu tưới nước cho trạm khác nông trại sau dựa vào thông số môi trường xem trang Trong phạm vi đề tài nhóm thực thi công mô cho trạm phụ nên giao diện thiết kế cho máy bơm 47 Hình Giao diện trang điều khiển tưới nước Tiếp theo trang quản lí nhân cơng, trang người quản lí nơng trại quản lí số ngày làm việc nhân công làm việc cho nông trại Các liệu số ngày làm việc cập nhật công nhân điểm danh tự động thẻ RFID nông trại Ứng dụng cịn cho phép người quản lí cập nhật mức lương cho công nhân/ ngày Dựa vào số ngày làm việc mức lương/ ngày ứng dụng tính tốn số tiền lương người thời điểm hiển thị hình Ngồi ra, người quản lí cịn xóa liệu nhân cơng có nhu cầu 48 Trang giao diện quản lí nhân cơng ban đầu chưa có thay đổi hình bên Hình 10 Giao diện quản lí nhân cơng ban đầu Khi người dùng thực thay đổi mức lương/ngày cho nhân công cách click chạm vào button “CẬP NHẬT MỨC LƯƠNG” dialog cho phép người dùng nhập mức lương theo ý muốn Sau cập nhật mức lương khác số liệu thay đổi hiển thị hình 49 Hình 11 Giao diện cập nhật mức lương Người quản lí thực xóa liệu nhân công cần thiết số trường hơp trả lương cho nhân cơng hay có thay đổi nhân công làm việc cho nông trại Người dùng thực việc xóa liệu nhân cơng cách click chạm vào button “XÓA DỮ LIỆU” nhân công, dialog để xác nhận việc xóa liệu Sau xóa liệu, ứng dụng thay đổi số liệu hiển thị giá trị cho cột “Số ngày” “Tiền lương” nhân cơng tương ứng vừa bị xóa 50 Hình 12 Giao diện thực xóa liệu nhân cơng Ngồi ra, chúng tơi cịn cung cấp cho người sử dụng phương pháp, kỹ thuật trồng số loại trồng khác để người dùng tham khảo cho việc lựa chọn giống trồng phù hợp Ở thời điểm ứng dụng cho phép người dùng tham khảo 10 loại trồng rau củ mục “kỹ thuật trồng số loại cây” 51 Hình 13 Giao diện kỹ thuật trồng Hình 14 Giao diện kỹ thuật trồng củ cải đỏ cải bó xơi 52 CHƯƠNG KẾT LUẬN 5.1 KẾT LUẬN Với mục tiêu đưa ra, đề tài giải hoàn thành yêu cầu ban đầu như: xây dựng mơ hình hệ thống IoT cơng suất thấp điều khiển giám sát thông số môi tường nhân công làm việc nông trại thông qua ứng dụng android điện thoại di động Phần cứng lựa chọn để đảm bảo yêu cầu đơn giản, tiết kiệm thông dụng Gateway nông trại nhà sử dụng Arduino Phần Node cảm biến nhóm sử dụng module Arduino Hệ thống thiết kế giải yêu cầu đặt ra, đảm bảo việc giám sát thông số môi trường nông trại từ người quản lí điều khiển số lần lượng nước tưới, điều chỉnh lượng phân bón loại phân bón dựa độ pH nước tưới yếu tố khác Phần cứng thiết kế nhỏ gọn, đơn giản, mơ hình trang trí đẹp mắt Các thông số đo đạc sát với thực tế Chi phí hệ thống rẻ đáp ứng đầy đủ tính Giao diện điện thoại thông minh thiết kế đẹp mắt dễ sử dụng 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Sau hồn thành hệ thống này, nhóm nhận thấy khả phát triển tương lai khả thi nên đề xuất nghiên cứu mở rộng chức tính ứng dụng sau: • Xây dựng giao diện quản lí nơng trại website với nhiều tính xây dựng biểu đồ thơng số môi trường nhằm thể rõ nét tương quan chúng theo thời gian, giúp cho công việc giám sát khoa học Đưa kỹ thuật chăm sóc cho nhiều loại trồng khác giao diện website Đồng thời, giao diện web thuận tiện cho việc quản lí nhân cơng số lượng nhân cơng làm việc nhiều 53 • Xây dựng giao diện quản lí khơng điện thoại android mà mở rộng IoS tảng ứng dụng phổ biến khác • Thêm chức giám sát camera nông trại giúp cho việc theo dõi quản lý dễ dàng • Cải tiến module thành mạch tích hợp hồn chỉnh đóng gói hệ thống nhỏ gọn, linh động 54 PHỤ LỤC ❖ Cấu hình LoRa ❖ Sơ đồ mạch in proteus gateway nông trại 55 ❖ Sơ đồ mạch in proteus node sensor nông trại ❖ Cách tạo dự án android sử dụng firebase Bước 1: Đầu tiên vào trang firebase.google.com Bước 2: Đi tới điều khiển go to console chọn add project 56 Bước 3: Đặt tên cho dự án project name, chọn accept nhấn create project sau chọn continuce Bước 4: Tiếp theo chấn chọn vào biểu tượng android hình Bước 5: Copy package project android tạo từ trước ví dụ: com.shmily.letra.smartfarm vào mục android package name click chọn 57 register để thực bước thực theo bước hướng dẫn chi tiết google firebase 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Food and Agriculture Organization (FAO) of the United Nations, “How to Feed the World in 2050,” 2009 [Online] [2] S Heble, A Kumar, K V V D Prasad, S Samirana, P Rajalakshmi and U B Desai, "A low power IoT network for smart agriculture," 2018 IEEE 4th World Forum on Internet of Things (WF-IoT), Singapore, 2018, pp 609-614 [3] J Bauer and N Aschenbruck, "Design and implementation of an agricultural monitoring system for smart farming," 2018 IoT Vertical and Topical Summit on Agriculture - Tuscany (IOT Tuscany), Tuscany, 2018, pp 1-6 [4] M A Uddin, A Mansour, D Le Jeune and E H M Aggoune, "Agriculture internet of things: AG-IoT," 2017 27th International Telecommunication Networks and Applications Conference (ITNAC), Melbourne, VIC, 2017, pp 1-6 [5] S R Prathibha, A Hongal and M P Jyothi, "IOT Based Monitoring System in Smart Agriculture," 2017 International Conference on Recent Advances in Electronics and Communication Technology (ICRAECT), Bangalore, 2017, pp 81-84 [6] D S Rahul, S K Sudarshan, K Meghana, K N Nandan, R Kirthana and P Sure, "IoT based solar powered Agribot for irrigation and farm monitoring: Agribot for irrigation and farm monitoring," 2018 2nd International Conference on Inventive Systems and Control (ICISC), Coimbatore, 2018, pp 826-831 [7] A Fatani, A Kanawi, H Alshami, A Bensenouci, T Brahimi and M Bensenouci, "Dual pH level monitoring and control using IoT application," 2018 15th Learning and Technology Conference (L&T), Jeddah, 2018, pp 167-170 [8] S Pallavi, J D Mallapur and K Y Bendigeri, "Remote sensing and controlling of greenhouse agriculture parameters based on IoT," 2017 International Conference on Big Data, IoT and Data Science (BID), Pune, 2017, pp 44-48 59 [9] A Premkumar, K Thenmozhi, P Praveenkumar, P Monishaa and R Amirtharajan, "IoT Assisted Automatic Irrigation System using Wireless Sensor Nodes," 2018 International Conference on Computer Communication and Informatics (ICCCI), Coimbatore, Tamilnadu, India, 2018, pp 1-4 60 ... 41 Hình Mơ hình hệ thống nông trại sử dụng mạng IoT công suất thấp 42 Hình Mơ hình nơng trại 43 Hình Mơ hình gateway trạm 43 Hình 4 Mạch gateway trạm .44 Hình Mơ hình. .. với nhu cầu áp dụng cơng nghệ IoT nơng nghiệp Đề tài tập trung thiết kế mơ hình IoT công suất thấp ứng dụng nông nghiệp thông minh Trong đóng góp đề tài bao gồm thiết kế thi cơng mơ hình giám sát,... dễ sử dụng 3.2.3 Mơ hình tổng thể hệ thống Dựa yêu cầu chức hệ thống mơ hình mạng IoT cơng suất thấp ứng dụng nông nghiệp nêu phần trước, mơ hình tổng thể hệ thống đề xuất hình 3.1 Hình Mơ hình