Nghiên Cứu Xây Dựng Hệ Thống Truyền Thông Không Dây Trong Trang Trại Sử Dụng Công Nghệ Iot.pdf

Untitled i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG PHẠM THỊ TIÊM NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY TRONG TRANG TRẠI SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ IOT Luận văn thạc[.]

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG PHẠM THỊ TIÊM NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY TRONG TRANG TRẠI SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ IOT Luận văn thạc sỹ kỹ thuật điều khiển tự động hóa Thái Nguyên - 2020 ii MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan Mục lục …………………………………………… …………… …….… …….i Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt…………………………………… iv Danh mục bảng………………………………………………… …………….v Danh mục hình vẽ (hình vẽ, ảnh chụp, đồ thị, v.v)……… …………… .vi Mở đầu…………………………………………………………… ………………1 Nội dung………………………………………………………… ……… …… CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IOT VÀ CÁC CHUẨN TRUYỀN THÔNG 1.1 IOT chuẩn truyền thông không dây 1.1.1 Bluetooth 1.1.2 Zigbee .4 1.1.3 Wifi 1.1.4 Lora 1.1.5 Z-ware 1.1.6 6LoWPAN 1.1.7 Thread .9 1.1.8 Cellular 10 1.1.9 NFC 11 1.1.10 Sigfox 12 1.1.11 LIFI .15 1.2 Một số hệ thống truyền thông sử dụng nơng nghiệp 17 iii 1.2.1 Tình hình ngồi nước .17 1.2.2 Tình hình nước 20 1.3 Cấu trúc hệ thống truyền thông nông nghiệp 23 1.4 Các chức ứng dụng IOT 28 1.4.1 Chức quản lý thiết bị IoT (Device Management) 28 1.4.2 Chức quản lý người dùng (User Management) .29 1.4.3 Chức Giám sát an ninh – bảo mật 29 1.5 Kết luận chương 30 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY TRONG IOT 31 2.1 Các yêu cầu kĩ thuật 31 2.2 Chuẩn truyền thông không dây Lora 32 2.2.1 Tổng quan chuẩn Lora .32 2.2.2 Công nghệ lora loại bỏ giới hạn IOT .33 2.2.3 Ứng dụng lora nông nghiệp thông minh 33 2.2.4 Lợi ích cơng nghệ lora cho nơng nghiệp thông minh 34 2.3 Mạng GPRS 35 2.4 Phương pháp mã hóa, bảo tồn liệu 39 2.4.1 Bảo mật thiết bị IOT 39 2.4.2 Xác thực thiết bị hệ thống máy chủ 40 2.4.3 Thuật tốn mã hóa 41 2.5 Thingsboard ứng dụng 42 2.5.1 Tổng quan Thingsboard .42 iv 2.5.2 Các tính Thingsboard 44 2.6 Kết luận chương 46 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY TRONG TRANG TRẠI SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ IOT 47 3.1 Mơ tả tốn 47 3.2 Sơ đồ khối hệ thống 47 3.3 Nguyên lý hoạt động 50 3.3.1 Nguyên lý hoạt động Module Điều khiển giám sát 50 3.3.2 Nguyên lý hoạt động Module truyền thông .51 3.4 Mạch nguyên lý 53 3.4.1 Mạch nguyên lý module điều khiển giám sát 53 3.4.2 Mạch nguyên lý module truyền thông 54 3.5 Lưu đồ thuật toán 55 3.5.1 Lưu đồ thuật tốn Module truyền thơng 55 3.5.2 Lưu đồ thuật toán module điều khiển, giám sát .56 3.6 Giao diện ThingsBoard 56 3.7 Kết đạt 58 3.7.1 Kết thiết kế phần mềm .58 3.7.2 Kết thực nghiệm 59 3.8 Kết luận chương 62 KẾT LUẬN 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT - BLE (Bluetooth Low Energy): bluetooth lượng thấp - IOT (Internet Of Thing): mạng lưới thiết bị kết nối với internet - MQTT (Message Queuing Telemetry Transport): giao thức dạng gửi - M2M (Machine to Machine): tương tác máy với máy - NFC (Near Filed Communicatinons): công nghệ kết nối khơng dây - PC (Personal Computer): máy tính cá nhân - POE (Power Over Ethernet): cấp nguồn qua cáp internet - RF (Radio Frequency): tần số radio - SMS (Short Messaging Service): dịch vụ tin nhắn ngắn - URL (Uniform Resource Locator): đường dẫn vi DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 3.1: Bảng tin nhắn quy ước………………………………………53 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1: Mơ hình trang trại thơng minh sử dụng sa mạc .19 Hình 1.2: Mơ hình trang trại nhà kính Nhật Bản .20 Hình 1.3: Cơng nghệ tưới thơng minh 20 Hình 1.4: Mơ hình trang trại thơng minh Delco Farm Bắc Ninh 23 Hình 1.5: Kiến trúc tổng quát ứng dụng IoT .25 Hình 1.6: Phân tích Data với IoT 27 Hình 1.7: Mobile App IoT 29 Hình 3.1 Sơ đồ khối toàn hệ thống .47 Hình 3.2 Sơ đồ khối Module điều khiển giám sát 48 Hình 3.3 Sơ đồ khối khối truyền thơng 49 Hình 3.4 Mạch nguyên lý module điều khiển giám sát .53 Hình 3.5 Mạch nguyên lý module truyền thơng 54 Hình 3.6 Lưu đồ thuật tốn module truyền thơng 55 Hình 3.7 Lưu đồ thuật toán module điều khiển giám sát 56 Hình 3.8 Tạo device 57 Hình 3.9 Giao diện giám sát Thingsboard .57 Hình 3.10 Module truyền thơng thiết kế phần mềm 58 Hình 3.11 Module điều khiển giám sát thiết kế phần mềm 59 Hình 3.12 Module truyền thơng sau hồn thiện 60 Hình 3.13 Module điều khiển giám sát sau hồn thiện .60 viii Hình 3.14 Hệ thống hoạt động thử nghiệm 61 Hình 3.15: Màn hình giám sát nhiệt độ độ ẩm trang web 61 LỜI MỞ ĐẦU Ngành nông nghiệp vốn biết đến với việc phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm người làm nông, thách thức lớn việc tìm kiếm phương thức tốt để gia tăng hiệu chăn nuôi trồng trọt Trong thời đại công nghiệp 4.0, cách coi tối ưu xu hướng khơng thể thay áp dụng công nghệ vào hoạt động sản xuất, canh tác IoT biến nông nghiệp từ lĩnh vực sản xuất định tính thành lĩnh vực sản xuất xác dựa vào số liệu thu thập, tổng hợp phân tích thống kê Nước ta nước có bề dày sản xuất nơng nghiệp mảnh đất đầy tiềm cho doanh nghiệp cơng nghệ Hiện có khơng nhà đầu tư nghiên cứu phát triển đưa IoT vào sản xuất nông nghiệp Nông nghiệp Việt Nam có nhiều lợi thế, nhiên chủ yếu nằm quy mô sản xuất nhỏ dựa vào kinh tế hộ gia đình, suất lao động cịn thấp Vì vậy, ứng dụng công nghệ thông tin nông nghiệp tạo hội lớn cho hộ nông dân trở thành doanh nghiệp có suất giá trị vượt trội với chất lượng sống ngày tốt Sau hai năm học tập trường Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông, đào tạo tiếp thu kiến thức đại, tiên tiến lĩnh vực tự động hóa Trước tốt nghiệp cao học, tơi nhận đề tài: “Nghiên cứu xây dựng hệ thống truyền thông không dây trang trại sử dụng công nghệ IoT” NỘI DUNG CỦA BẢN LUẬN VĂN ĐƯỢC CHIA LÀM CHƯƠNG Chương 1: Tổng quan IOT chuẩn truyền thông Chương 2: Nghiên cứu phương pháp truyền thông không dây IOT Chương 3: Xây dựng hệ thống truyền thông không dây trang trại sử dụng công nghệ IOT Với thời gian kiến thức có hạn, luận văn khơng thể tránh khỏi sai sót Rất mong góp ý thầy cô, bạn bè đồng nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày tháng năm 2020 Tác giả luận văn Phạm Thị Tiêm 51 Ta có khung truyền cho tín hiệu gửi từ module điều khiển đến module truyền thông sau: Địa # ^ Nhiệt độ Độ ẩm & Ở byte số 1, số byte cố định dùng để kiểm tra khung truyền Byte số byte địa module điều khiển giám sát Các byte số số giá trị nhiệt độ độ ẩm 3.3.2 Nguyên lý hoạt động Module truyền thông Khi hoạt động vi điều khiển bắt đầu quét tín hiệu chân nút nhấn để kiểm tra xem liệu nút nhấn có nhấn hay không, nút nhấn nhấn vi điều khiển dựa theo tín hiệu để thay thổi biến chương trình ứng với chức Tiếp đến, kiểm tra xem có tin nhắn gửi đến hay khơng, có tín nhắn gửi đến bắt đầu xử lý xem tin nhắn thuộc lệnh điều khiển nào, cú pháp tin nhắn khơng tin nhắn bị bỏ qua Dưới bảng tin nhắn quy ước Bảng 3.1: Bảng tin nhắn quy ước Nội dung tin nhắn Ý nghĩa ON Bật thiết bị Module Điều khiển giám sát thứ ON Bật thiết bị Module Điều khiển giám sát thứ ON Bật thiết bị Module Điều khiển giám sát thứ hai ON Bật thiết bị Module Điều khiển giám sát thứ hai ON ALL Bật tất thiết bị OFF Bật thiết bị Module Điều khiển giám sát thứ OFF Bật thiết bị Module Điều khiển giám sát thứ 52 OFF Bật thiết bị Module Điều khiển giám sát thứ hai OFF Bật thiết bị Module Điều khiển giám sát thứ hai Tắt tất thiết bị OFF ALL Sau hoàn thành hai q trình đọc tín hiệu điều khiển từ bên ngồi quét phím đọc tin nhắn gửi tới, vi điều khiển tổng hợp liệu điều khiển nhận vào chuỗi liệu gửi cho module điều khiển, giám sát qua LoRa-02 Sau khoảng thời gian ngắn chờ phản hồi, module điều khiển, giám sát gửi lại chuỗi liệu bao gồm thông tin nhiệt độ độ ẩm, thông tin hoạt động thiết bị chấp hành Khi có thông tin nhận từ điều khiển giám sát, liệu hiển thị lên LCD đồng thời bắt đầu trình gửi liệu lên sever Ở ThingsBoard nhờ module sim 800L Quá trình khoảng 20 – 40s tuỳ thuộc vào tốc độ mạng GPRS thời điểm Khung truyền gói tin sau: # Địa ^ Nhiệt Nhiệt Độ Độ độ độ ẩm ẩm & Thiết Thiết bị bị ) Trong byte số 1, 3, số 11 byte cố định dùng để kiểm tra khung truyền Các byte lại liệu module giám sát điều khiển trình bày phần 3.3.1 53 3.4 Mạch nguyên lý 3.4.1 Mạch nguyên lý module điều khiển giám sát Hình 3.4: Mạch nguyên lý module điều khiển giám sát 54 3.4.2 Mạch ngun lý module truyền thơng Hình 3.5: Mạch nguyên lý module truyền thông 55 3.5 Lưu đồ thuật tốn 3.5.1 Lưu đồ thuật tốn Module truyền thơng Lưu đồ thuật tốn module truyền thơng lặp lặp lại theo chu trình cơng việc sau, hệ thống dừng lại bị nguồn điện Bắt đầu Khởi tạo Quét nút nhấn Đ Xử lý tín hiệu nút nhấn Đ Xử lý tín hiệu điều khiển S KT tín hiệu ĐK S Gửi tín hiệu điều khiển đến Module giám sát Đọc tín hiệu nhận từ Module giám sát Gửi liệu lên ThingsBoard Hình 3.6: Lưu đồ thuật tốn module truyền thơng 56 3.5.2 Lưu đồ thuật toán module điều khiển, giám sát Lưu đồ thuật toán module điều khiển, giám sát lặp lặp lại theo chu trình cơng việc sau, hệ thống dừng lại bị nguồn điện Bắt đầu Khởi tạo Có liệu từ Module truyền thông S Đ Đúng địa thiết bị S Đ Tách liệu nhận Điều khiển Relay Đọc tín hiệu DHT11 Gửi liệu Module truyền thơng Hình 3.7: Lưu đồ thuật toán module điều khiển giám sát 3.6 Giao diện ThingsBoard Giao diện gồm biểu đồ dạng bảng charts biểu độ dạng số digital gauges để hiển thơng tin cần thiết Để điều trước hết phải tạo devices cách vào mục devices chọn add devices 57 Sẽ suất bảng yêu cầu nhận thông tin tên device loại liệu, cần điền đầy đủ thơng tín Sau tạo xong device vào mục coppy access token để coppy mã token device gán vào đoạn code chương trình module truyền thơng Hình 3.8 Tạo device Sau có device ta tạo giao diện giám sát để theo dõi liệu nhiệt độ độ ẩm, ta cần vào mục dashboards chọn phần tạo bảng điều khiển add dashboard Hình 3.9 Giao diện giám sát Thingsboard 58 Sau tiến hành thêm biểu charts digital gaugass gắn tag liệu cho bảng 3.7 Kết đạt 3.7.1 Kết thiết kế phần mềm Hình 3.10: Module truyền thơng thiết kế phần mềm 59 Hình 3.11: Module điều khiển giám sát thiết kế phần mềm 3.7.2 Kết thực nghiệm Sau qua trình tìm hiểu thiết kế xây dựng em hồn thành khối module truyền thơng hai module điều khiển giám sát 60 Hình 3.12: Module truyền thơng sau hồn thiện Hình 3.13: Module điều khiển giám sát sau hồn thiện 61 Hình 3.14: Hệ thống hoạt động thử nghiệm Hình 3.15: Màn hình giám sát nhiệt độ độ ẩm trang web 62 3.8 Kết luận chương Từ nghiên cứu chương chương 2, chương luận văn bước xây dựng phần thực nghiệm để kiểm chứng tính đắn hệ thống Tác giả đưa sơ đồ thiết kế mạch phần cứng từ xây dựng lưu đồ thuật tốn phần mềm điều khiển Cuối tác giả chế tạo mạch thực nghiệm chạy tương thích với phần mềm Đề tài thực xây dựng thiết bị điều khiển giám sát thông số môi trường nhiệt độ, độ ẩm qua mạng LoRa Module giám sát điều khiển truyền tải thông số môi trường trạng thái hoạt động thiết bị, động module truyền thông, sau liệu xử lí gửi lên giao diện giám sát Thingsboard Từ module truyền thơng điều khiển module điều khiển giám sát nút bấm Mặc dù phần cứng, phần giao diện đơn giản hoạt động ổn định, đáp ứng yêu cầu đưa toán 63 KẾT LUẬN Qua trình tìm hiểu nghiên cứu, em hoàn thành luận văn “Nghiên cứu xây dựng hệ thống truyền thông không dây trang trại sử dụng cơng nghệ IoT” Đồng thời có kiến thức về: + Tổng quan IOT cách mạng công nghiệp 4.0 + Cấu trúc, nguyên lý hoạt động chuẩn truyền thông + Nghiên cứu, khảo sát đưa phương án lựa chọn để xây dựng hệ thống truyền thông không dây trang trại + Đưa sơ đồ thiết kế mạch phần cứng từ xây dựng lưu đồ thuật tốn phần mềm điều khiển + Chế tạo thành công sản phẩm thực nghiệm chạy tương thích với phần mềm Tuy nhiên, luận văn số hạn chế cần khắc phục + Mơ hình thực nghiệm cịn đơn giản Trong trình học hỏi làm luận văn em giúp đỡ tận tình thầy giáo Ts.Lê Hùng Linh thầy (cô) giáo khoa Cơng nghệ Tự động hóa Tuy nhiên kiến thức trình độ cịn hạn hẹp nên q trình làm luận văn em khơng khỏi mắc phải thiếu sót hạn chế Vậy em mong nhận đóng góp ý kiến, nhận xét thầy (cơ) giáo tồn thể bạn để luận văn em hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn! 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Đào Xuân Quy, Nguyễn Duy Xuân Bách, Trần Tiến Đạt, Trần Thị Thùy Châu SMCS – tự động giám sát điều khiển hoạt động nông nghiệp thiết bị khơng dây Tạp chí Cơng nghệ thơng tin Truyền thông, Bộ Thông tin Truyền Thông số 1, tháng 10 năm 2016 [2] - Tài liệu hướng dẫn thiết kế thiết bị điện tử công suất – Trần Văn Thịnh - ĐH Bách khoa Hà Nội – 2000 [3] Nguyễn Thị Nga, Đào Thị Mơ, Tống Thị Lan, Nguyễn Thúy May, Đàm Đức Cường, Nguyễn Thị Thu Hiền Úng dụng Arduino thiết kế hệ thống giám sát nhiệt độ, độ ẩm tưới nước tự động phúc vụ nơng nghiệp tỉnh Thái Bình Đại học Thái Bình tháng - 2020 Tiếng Anh [4] Eyuel D Ayele, Chiel Hakkenberg, Jan Pieter Meijers, Kyle Zhang, Nirvana Meratnia, Paul J.M Havinga, Performance Analysis of LoRa Radio for an Indoor IoT Application, 2017 International Conference on Internet of Things for the Global Community (IoTGC), 10-13 July 2017 [5] Davide Magrin, Marco Centenaro, and Lorenzo Vangelist, Performance Evaluation of LoRa Networks in a Smart City Scenario, IEEE ICC 2017 SAC Symposium Internet of Things Track, 21-25 May 2017 [6] Tran Quang Vinh, Pham Manh Thang, Phung Manh Duong, “Controlling Communication Network in the Building Automation System,” Journal of Science,Vietnam National University, pp.129-140, Vol.26, 2010 [7] Everton Cavalcante, Marcelo Pitanga Alves, An Analysis of Reference Architectures for the Internet of Things, Corba 2015 65