1. Trang chủ
  2. » Luận Văn - Báo Cáo

đồ án nghiên cứu thiết kế lắp đặt hệ thống tưới cây tự động ứng dụng công nghệ iot

87 3 0

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

THÔNG TIN TÀI LIỆU

Thông tin cơ bản

Định dạng
Số trang 87
Dung lượng 5,09 MB

Cấu trúc

  • Chương 2 Hình 2.1. Một số đồ đạc thiết bị trong nhà gây cản trở tín hiệu Wi-Fi như TV, lò (0)
  • Chương 3 Hình 3.1. Chậu cây hoa sử dụng cảm biến đo độ ẩm đất (0)
  • Chương 4 Hình 4.1. Mạch đang được phay CNC (0)
  • CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG IOT TƯỚI CÂY (16)
    • 1.1.1. IoT là gì? Khái niệm của Internet of Things – Internet kết nối vạn vật (16)
    • 1.1.2. Lịch sử hình thành của IoT (17)
    • 1.1.3. Kiến trúc IoT (18)
    • 1.1.4. Cảm biến và bộ truyền động (Sensors & actuators) (22)
    • 1.1.5. Ứng dụng của Internet of Things (24)
    • 1.2.1. Thế nào là hệ thống tưới cây tự động áp dụng IoT (25)
  • CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH MÔ HÌNH HỆ THỐNG, LỰA CHỌN LINH KIỆN, THIẾT BỊ (30)
    • 2.2.1. Cơ sở lựa chọn giao thức (30)
    • 2.2.2. Vi điều khiển (38)
    • 2.2.3. Cảm biến DHT 11 (42)
    • 2.2.4. Cảm biến độ ẩm đất (46)
    • 1.1. Giới thiệu về Internet of Things (16)
    • 1.2. Giới thiệu hệ thống tưới cây tự động ứng dụng IoT (25)
    • 1.3. Kết luận chương 1 (29)
    • 2.1. Quy mô đồ án (30)
    • 2.2. Lựa chọn công nghệ, linh kiện, thiết bị IoT (30)
      • 2.2.5. Đồng hồ thời gian thực (48)
      • 2.2.6. Màn hình LCD (50)
      • 2.2.7. Bơm nước (51)
      • 2.2.8. Transistor (53)
      • 2.2.9. Nguồn cấp (54)
  • CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI CÂY ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ IOT (57)
    • 3.2.1. Sơ đồ hệ thống (59)
    • 3.2.2. Nguyên lý hoạt động cơ bản (60)
    • 3.3.1. Khối vi điều khiển (61)
    • 3.3.2. Khối nguồn (62)
    • 3.3.3. Khối cảm biến và khối hiển thị (63)
    • 3.3.4. Khối bơm (65)
    • 3.3.5. Hoàn thiện thiết kế (66)
  • CHƯƠNG 4. THI CÔNG LẮP ĐẶT HỆ THỐNG TƯỚI CÂY ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ IOT (70)
    • 4.2.1. Lưu đồ thuật toán (74)
    • 4.2.2. Thuật toán (76)
    • 2.3. Kết luận chương 2 (56)
    • 3.1. Xây dựng bài toán cho hệ thống (57)
    • 3.2. Thiết kế mô hình (59)
    • 3.3. Thiết kế mạch điều khiển (61)
    • 3.4. Kết luận chương 3 (69)
    • 4.1. Hình ảnh hệ thống lắp đặt thực tế (70)
    • 4.2. Thuật toán chương trình điều khiển hệ thống (74)
    • 4.3. Kết luận chương 4 (83)

Nội dung

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Đồ án sẽ đưa ra cái nhìn tổng quan, cơ bản nhất về một hệ thống Internet kết nối vạn vật Internet of things, sau đó sẽ tập trung vào nghiên cứu, thiết kế

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG IOT TƯỚI CÂY

IoT là gì? Khái niệm của Internet of Things – Internet kết nối vạn vật

- IoT - Internet of Things (hay Internet kết nối vạn vật) được hiểu đơn giản là một hệ thống mà các thiết bị vật lý được kết nối với nhau bằng Internet, nhằm tương tác và chia sẻ dữ liệu cho nhau

- "Thing” – sự vật – trong Internet of Things, có thể là một trang trại động vật với bộ tiếp sóng chip sinh học, một chiếc ô tô tích hợp các cảm biến để cảnh báo lái xe khi lốp quá non, hoặc bất kỳ đồ vật nào do tự nhiên sinh ra hoặc do con người sản xuất ra mà có thể được gán với một địa chỉ IP và được cung cấp khả năng truyền tải dữ liệu qua mạng lưới

- IoT phải có 2 thuộc tính: một là đó phải là một ứng dụng Internet Hai là, nó phải lấy được thông tin của vật chủ

“The Internet of Things (IoT) refers to millions and billions of devices connected to the internet around the world for sharing data” (Internet kết nối vạn vật được hiểu là việc hàng triệu cho tới hàng tỉ các thiết bị được kết nối với Internet trên khắp thế giới nhằm mục đích chia sẻ dữ liệu)

- Một số khái niệm khác về IoT:

“The Internet of Things as simply an interaction between the physical and digital worlds The digital world interacts with the physical world using a plethora of sensors and actuators” – by Vermesan (IoT được hiểu đơn giản là những tương tác giữa nền tảng vật lý và nền tảng số Nền tảng số tương tác với nền tảng vật lý sử dụng một số lượng rất lớn các cảm biến và bộ truyền động)

“Another is the Internet of Things is defined as a paradigm in which computing and networking capabilities are embedded in any kind of conceivable object.”- by Pena Lopez (Một cách hiểu khác, IoT được định nghĩa là một mô hình với các chức năng vi tính cũng như mạng đã được nhúng trong một sự vật hữu hình bất kì).

Lịch sử hình thành của IoT

Ý tưởng về một hệ thống mạng lưới các thiết bị kết nối không dây với nhau đã được manh nha xuất hiện vào đầu thế kỷ trước

Năm 1926, Nikola Tesla – nhà sáng chế, nhà khoa học vĩ đại người Mỹ đã từng nói: “When wireless is perfectly applied, the whole Earth will be converted into a huge brain, which in fact it is, all things being particles of a real and rhythmic whole” (Khi mạng không dây được áp dụng một cách hoàn hảo, Trái Đất khi ấy sẽ tựa như một bộ não khổng lồ, vạn vật đều là những phần nhỏ của 1 tổng thể nhịp nhàng)

Xuyên suốt cả thời kỳ Chiến tranh lạnh, các ý tưởng về IoT liên tục được bàn tán, nghiên cứu, song hành với sự phát triển của máy tính Năm 1966, Karl Steinbuch – nhà khoa học máy tính tiên phong đưa ra dự đoán:

“ Chỉ vài thập kỷ nữa, máy tính sẽ len lỏi và có mặt trong hầu khắp các sản phẩm công nghiệp” (nguyên văn: "In a few decades time, computers will be interwoven into almost every industrial product")

Cho đến những năm 90 của thế kỷ trước, khi mà các điều kiện về khoa học công nghệ dần đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật, cùng với sự phổ biến của máy tính cá nhân, các loại chip, bộ xử lý ngày càng tinh vi, nhỏ gọn và được sản xuất đại trà với giá thành có phần rẻ mạt, IoT dần được thành hình và phát triển Năm 1990, thiết bị được xem là “first IoT device” – thiết bị IoT đầu tiên được tạo ra bởi John Romkey Đó là 1 chiếc máy nướng bánh mì có khả năng bật/tắt thông qua Internet, được kết nối tới máy tính thông qua giao thức TCP/IP, với cơ sở thông tin SNMP MIB để bật nguồn Đầu thế kỉ XXI, IoT có những bước tiến lớn khi lần lượt được thành lập các đề tài, hội nghị lớn bởi các đơn vị có uy tín như ITU (International Telecomunications Union – Liên minh Viễn thông Quốc tế), EU,… vào các năm từ 2005 – 2008 Cho đến cuối 2008 – 2009, Internet kết nối vạn vật chính thức được ra đời, kèm theo các tiêu chuẩn, thuật toán, công nghệ (LoPWan, IPv6,…) và phát triển không ngừng cho đến tận ngày hôm nay.

Kiến trúc IoT

IoT dù đơn giản hay phức tạp, về cơ bản là một hệ thống có tính linh hoạt cao, “thiên biến vạn hóa” Sự đa dạng trong việc ứng dụng giải pháp IoT, cũng như sự đa dạng trong các phương thức triển khai, sẽ đi kèm theo nhiều yêu cầu và ràng buộc khác nhau Việc cố gắng tạo ra một kiến trúc độc nhất, sẽ dẫn đến nhiều vấn đề phát sinh Do đó, kiến trúc IoT sẽ được xây dựng phụ thuộc vào từng vấn đề, ứng dụng cụ thể với độ chi tiết, phức tạp khác nhau

Năm 2014, Ủy ban kiến trúc IoTWF (Internet of Things World Forum) do các tập đoàn lớn, có uy tín cao và tầm ảnh hưởng sâu rộng chi phối ngành Viễn thông thế giới (Cisco, IBM, Rockwell Automation,…) đã xuất bản mô hình tham chiếu kiến trúc IoT 7 lớp (7-layers) Đây có thể được coi là kiến trúc có tính tổng quát nhất, đưa ra một góc nhìn đơn giản, tương đối đầy đủ bao gồm các thiết bị thường được sử dụng, các chức năng chính của một hệ thống IoT cần có

Hình 1.3 Mô hình tham chiếu kiến trúc IoT 7 lớp của IoTWF

- Lớp đầu tiên: Lớp Thiết bị vật lý và Bộ điều khiển (Physical Devices and Controllers Layer) Lớp này là nơi chứa “things” trong IoT, bao gồm các thiết bị đầu cuối và cảm biến khác nhau gửi và nhận thông tin Kích thước của “things” không bị giới hạn, từ những cảm biến cực nhỏ mắt thường không nhìn thấy, cho đến những cỗ máy khổng lồ trong các ngành công nghiệp, nhà máy Chức năng chính của chúng là tạo ra dữ liệu từ thông tin thu về của môi trường và có khả năng truy vấn, kiểm soát qua mạng

- Lớp thứ 2: Lớp kết nối (Connectivity Layer) Như tên gọi, trọng tâm của lớp này là khả năng kết nối Chức năng quan trọng nhất của lớp IoT này là truyền dữ liệu đáng tin cậy và kịp thời Cụ thể hơn, chức năng này bao gồm truyền giữa các thiết bị ở Lớp 1 và mạng cũng như giữa mạng và quá trình xử lý thông tin tại

Lớp 3 (lớp điện toán biên) Lớp Kết nối bao gồm tất cả các thành phần mạng, không phân biệt các mạng với nhau (mạng chặng cuối, mạng cổng,…) Ngoài ra, lớp này còn có chức năng chuyển đổi giữa các thuật toán, hay bảo mật mạng

Hình 1.4 Chức năng của Lớp Kết nối

- Lớp thứ 3: Lớp điện toán biên (Edge Computing Layer Tại lớp này, trọng tâm là giảm thiểu dữ liệu và chuyển đổi các luồng dữ liệu mạng thành thông tin sẵn sàng để lưu trữ và xử lý bởi các lớp cao hơn Một trong những nguyên tắc cơ bản là quá trình xử lý thông tin cần được xử lý nhanh nhất và ở khoảng cách gần nhất có thể Điện toán biên được sử dụng trong một cấu trúc IoT nhằm làm giảm lược quãng đường truyền thông tin tới các máy chủ, hay hiểu một cách khác là đưa máy chủ về gần hơn với các thiết bị đầu cuối Điều này làm giảm đáng kể chi phí, tài nguyên mạng, tối ưu băng thông, giảm nhiễu cũng như tăng tốc độ và chất lượng truyền tin

Hình 1.5 Chức năng của Lớp điện toán biên

- Lớp thứ 4: Lớp tích lũy dữ liệu (Data accumulation layer): Chức năng của lớp nay bao gồm thu thập và lưu trữ dữ liệu để các ứng dụng có thể sử dụng được khi cần thiết Chuyển đổi dữ liệu hướng “sự kiện” (event-based) sang xử lý truy vấn (query-based)

- Lớp thứ 5: Lớp trừu tượng hóa dữ liệu (Data abstraction layer): Điều chỉnh nhiều định dạng dữ liệu và đảm bảo ngữ nghĩa nhất quán từ nhiều nguồn khác nhau Xác nhận rằng tập dữ liệu đã hoàn chỉnh và hợp nhất dữ liệu vào một nơi hoặc nhiều kho dữ liệu bằng cách sử dụng ảo hóa

- Lớp thứ 6: Lớp ứng dụng (Applications layer): Giải thích dữ liệu bằng cách sử dụng các ứng dụng phần mềm Các ứng dụng có thể giám sát, kiểm soát và cung cấp báo cáo dựa trên việc phân tích dữ liệu

- Lớp thứ 7: Lớp cộng tác và xử lý (Collaboration and processes layer): Tiêu thụ và chia sẻ thông tin ứng dụng Việc cộng tác và truyền đạt thông tin IoT thường đòi hỏi nhiều bước và chính điều đó làm cho IoT trở nên hữu ích Lớp này có thể thay đổi quy trình kinh doanh và mang lại lợi ích của IoT.

Cảm biến và bộ truyền động (Sensors & actuators)

Cảm biến và bộ truyền động (bộ điều khiển) được sử dụng trong lớp vật lý của hệ thống kiến trúc IoT được giới thiệu ở phần trên Có thể nói rằng, nhắc đến một hệ thống IoT là nhắc đến hai thiết bị này Cảm biến và bộ truyền động là thành phần không thể thiếu trong bất cứ một hệ thống hay giải pháp IoT nào từ đơn giản nhất đến phức tạp nhất Cảm biến thu thập thông tin từ môi trường, chuyển thành dữ liệu cần được xử lý và chuyển lên các lớp cao hơn, còn bộ truyền động kiểm soát hoạt động của các “things” trong hệ thống dựa trên dữ liệu

Trong một hệ thống IoT có rất nhiều loại cảm biến khác nhau, được sử dụng với những công dụng khác nhau, đa dạng trên nhiều lĩnh vực, mẫu mã chủng loại Dưới đây là một vài loại cảm biến phổ biến:

MPBS – Mobile Phone Based Sensors hay cảm biến dựa trên điện thoại di động, sản phẩm với rất nhiều chức năng, tiện ích có thể kể đến như: nghe, gọi, nhắn tin, kết nối mạng, định vị, chụp ảnh, màn hình cảm ứng,… Để thực hiện được những tác vụ kể trên, đòi hỏi phải sử dụng các loại cảm biến để tiếp nhận thông tin từ người dùng, có thể kể đến như: microphone (cảm biến âm thanh), magnetometer (từ kế), GPS (Cảm biến định vị),…

Hình 1.6 Cảm biến đo từ (Magnetometer)

Bộ truyền động (Actuators) hay bộ điều khiển là thiết bị cơ khí hoặc điện cơ khí mà chúng cung cấp các chuyển động hoặc định vị có kiểm soát, đôi khi bị hạn chế, được kích hoạt bằng điện, bằng tay,… Có thể kể tới các bộ truyền động phổ biến như:

Linear actuators (bộ truyền động tuyến tính) chuyển năng lượng sang các chuyển động tuyến tính, thường sử dụng với các ứng dụng định vị: Hydraulic actuators (bộ truyền động thủy lực), Electromenchanical actuators (bộ truyền động cơ điện),…

Hình 1.8 Bộ truyền động thủy lực Rotary actuators (bộ truyền động quay) chuyển đổi năng lượng để cung cấp chuyển động quay: Pneumatic actuators (bộ truyền động khí nén),…

Ứng dụng của Internet of Things

Ứng dụng của IoT trải khắp hầu hết các lĩnh vực, len lỏi trong mọi ngóc ngách của đời sống Quy mô của các giải pháp hệ thống Internet of Things cũng hết sức đa dạng, từ đơn giản đến phức tạp trong cấu trúc, thiết bị,… Dưới đây là một vài những ứng dụng tiêu biểu đang được áp dụng rộng rãi, cũng như đóng vai trò quan trọng trong không chỉ hiện tại mà còn trong tương lai

Tích hợp nhà thông minh (Integrating smarter homes)

- Hệ thống nhà thông minh dựa trên IoT đang trở nên hết sức phổ biến, một số hệ thống nhà thông minh nổi bật dựa trên IoT là Jarvis của Mark Zuckerberg, BKAV, Hệ thống nhà thông minh của Zuckerberg sử dụng ngôn ngữ tự nhiên để xử lý lệnh thoại theo ngữ cảnh Các thiết bị chuyển mạch internet được sử dụng để vận hành thiết bị đã được kết nối trực tiếp Các hệ thống như đèn, rèm,… cũng được thiết kế để cá nhân hóa Hệ thống an ninh sinh trắc học cũng được áp dụng

Hình 1.9 Nhà thông minh Đổi mới nông nghiệp (Innovationg agriculture)

- Cảm biến được sử dụng để cung cấp thông tin chi tiết tình trạng đất và phân bón, mức CO2 , độ ẩm, nhiệt độ, mức độ acid, chất dinh dưỡng

- Hệ thống tưới nước thông minh là ứng dụng IoT điển hình được áp dụng trong nông nghiệp, cung cấp nước dựa trên độ ẩm của đất, giúp đảm bảo nguồn nước cần thiết cho hoa màu cũng như giảm lãng phí nước so với khi con người trực tiếp tưới tiêu

- Nhà kính thông minh được sử dụng bao gồm các cảm biến giám sát, kiểm soát tất cả các thông số và có hệ thống tự động hỗ trợ cung cấp ánh sáng và nước Đây cũng là ứng dụng trọng tâm mà đồ án này hướng đến, sẽ được giới thiệu chi tiết hơn trong phần sau

Hình 1.10 Mô hình một hệ thống IoT trong nông nghiệp 1.2 Giới thiệu hệ thống tưới cây tự động ứng dụng IoT.

Thế nào là hệ thống tưới cây tự động áp dụng IoT

a Định nghĩa một hệ thống tự động

Về cốt lõi, một hệ thống tự động biểu hiện dưới dạng sự kết hợp của các thành phần được hiệu chỉnh chính xác, bao gồm hàng loạt các cảm biến dùng để thu thập dữ liệu từ môi trường, một bộ điều khiển phức tạp hoạt động như kết nối thần kinh trong não bộ, và các bộ truyền động giúp thực hiện thao tác ngược lại với môi trường từ những chỉ thị tính toán đã được xử lý

Tính ứng dụng của một hệ thống tự động là tương đối cao, áp dụng trong rất nhiều lĩnh vực Có thể coi hệ thống này là sự tăng cường mang tính chiến lược của các quy trình công nghiệp, chúng điều phối độ chính xác trong dây truyền lắp ráp, tối ưu hóa các biện pháp kiểm soát chất lượng và khâu hậu cần Ngoài ra, có thể kể đến ứng dụng tích cực trong y sinh, các thiết bị y tế được tích hợp các hệ thống tự động, giúp đảm bảo độ chính xác, độ tin cậy Lĩnh vực hàng không và ô tô còn thể hiện tính chất thích ứng của hệ thống tự động của hệ thống tự động, góp phần cải thiện độ an toàn và giảm tải trách nhiệm cho người điều khiển

Ngày nay, các hệ thống tự động được tích hợp thêm nhiều những công nghệ hiện đại Một hệ thống M2M (Machine to machine – máy móc giao tiếp lẫn nhau) đã có phần tụt lại so với yêu cầu ngày một lớn tới từ người dùng đa lĩnh vực, đặc biệt là trong bối cảnh Internet phổ biến toàn cầu Các công nghệ, thiết bị IoT nhanh chóng được đưa vào các hệ thống tự động hóa, giúp con người có khả năng kiểm soát từ xa, đảm bảo tính an toàn, tiết kiệm chi phí, tài nguyên, cũng như tăng hiệu quả, độ chính xác trong từng khâu sản xuất b Hệ thống tưới tiêu tự động ứng dụng IoT

Việc áp dụng một hệ thống tự động tích hợp công nghệ IoT đã được triển khai trên nhiều quốc gia, với đa dạng quy mô, hình thức cũng như cấu trúc khác nhau Dưới đây là một vài hệ thống tưới nước cơ bản:

Hình 1.11 Hệ thống tưới nước phun mưa

Như tên gọi, hệ thống tưới nước phun mưa được thiết kế phù hợp trong việc tạo ra các luồng nước mô phỏng mưa Nước được phun trực tiếp lên lá cây thông qua đầu phun tạo mưa được thiết kế đặc biệt để các tia nước bắn ra xung quanh

Hệ thống tưới phun mưa được áp dụng phổ biến nhất trên nhiều quy mô to nhỏ, phù hợp với nhiều mô hình nông nghiệp hiện đại Hệ thống có khả năng tùy chỉnh dạng mưa, mật độ phun, tốc độ cũng như diện tích làm ướt phù hợp Lượng nước cũng được phân bố, dàn trải đều, năng suất tưới được nâng cao Tuy nhiên, hệ thống có yêu cầu cao về chi phí vận hành, lắp đặt so với các hệ thống tưới khác

- Tưới nhỏ giọt: Đây là hệ thống có phần đơn giản hơn về mặt kỹ thuật, tuy nhiên, dưới góc độ sinh học, hệ thống tưới nhỏ giọt vẫn đảm bảo độ hiệu quả và được áp dụng rộng rãi Nguồn nước thông qua hệ thống được đưa tưới lên phần gốc cây thay vì bề mặt lá, trực tiếp làm ẩm bề mặt của đất từ các đầu vòi dạng sợi Hạt nước nhỏ với tốc độ chậm, do đó lưu lượng nước được luân chuyển sao cho đất trồng được tiếp nhận toàn bộ, sự hao hụt tài nguyên nước được giảm tối đa Lãng phí phần nước tồn đọng trên mặt lá như khi sử dụng các dạng tưới trực tiếp cũng được giải quyết

Hệ thống tưới nhỏ giọt luôn đảm bảo độ ẩm được kiểm soát tối đa, cung cấp lượng nước vừa đủ cho cây trồng sinh trưởng

Hình 1.12 Hệ thống tưới nước nhỏ giọt c Các hệ thống tưới tiêu tự động được triển khai trong thực tế

Dưới đây là một vài sản phẩm, hệ thống nổi bật, được công nhận và triển khai rộng rãi ở nhiều nước phát triển, tích hợp nhiều công nghệ hiện đại:

- FieldNet by Lindsay là một nền tảng quản lý tưới tiêu, dựa trên IoT cho phép người sử dụng giám sát, điều khiển từ xa hệ thống tưới tiêu Bên cạnh đó, FieldNet được tích hợp thêm rất nhiều công nghệ hiện đại, bao gồm thu thập dữ liệu đất tự động, phân tích và đưa ra tùy chỉnh trong từng điều kiện đất cụ thể Không những thế, hệ thống này còn có khả năng phân tích lịch sử nguồn nước của khu vực canh tác, từ đó đưa ra dự báo về lượng mưa, kết hợp với công nghệ AI tích hợp sẵn để đưa ra các khuyến nghị tưới tiêu hợp lý

Hình 1.13 Hệ thống 4-in-1 của FieldNet sản xuất bởi Lindsay

- FarmBot Genesis là robot công nghệ cao do FarmBot Inc phát triển, có mã nguồn mở, tích hợp công nghệ IoT vào phục vụ sản xuất nông nghiệp, được giới thiệu lần đầu vào năm 2016 FarmBot Genesis được trang bị các công cụ hiện đại, có khả năng gieo hạt chính xác đến từng milimeter, các cảm biến độ ẩm, nhiệt độ, camera cũng được lắp đặt để hỗ trợ tính toán lượng nước sử dụng, xác định sâu bệnh, cỏ dại để đưa ra các giải pháp hợp lý Giao diện của FarmBot được thiết kế thân thiện với người dùng, có thể phục vụ giáo dục ở nhiều độ tuổi Hiện nay, phiên bản mở rộng là FarmBot Genesis XL đã được công bố và sử dụng rộng rãi, với kích thước lớn gấp 4 lần và đạt độ hiệu quả vượt trội so với phiên bản tiền nhiệm

Hình 1.14 Giao diện và khu vườn tích hợp FarmBot Genesis

Tóm lại, việc trình bày đầy đủ lý thuyết về một hệ thống IoT nói chung và hệ thống tưới cây tự động ứng dụng công nghệ IoT nói riêng giúp cung cấp hiểu biết và cái nhìn tổng quát cho đồ án Điều này góp phần hình thành kiến thức nền tảng và cơ sở cho việc xây dựng và hoàn thành hệ thống trong các chương tiếp theo.

PHÂN TÍCH MÔ HÌNH HỆ THỐNG, LỰA CHỌN LINH KIỆN, THIẾT BỊ

Cơ sở lựa chọn giao thức

Công nghệ, giao thức kết nối với Internet luôn cần được chú trọng ưu tiên trong bất cứ dự án nào Việc đảm bảo hệ thống, thiết bị kết nối trơn tru luôn là nhiệm vụ hàng đầu của các kỹ sư công tác trong ngành Viễn thông Do đó, nắm bắt lý thuyết, có những hiểu biết kỹ thuật về các công nghệ là hết sức cần thiết Ngoài ra, công việc kỹ thuật linh hoạt trong ứng dụng, lựa chọn các công nghệ này phù hợp với từng sản phẩm, giải pháp

Dưới đây là 2 giao thức kết nối được cân nhắc sử dụng trong hệ thống mà đồ án triển khai i Wi-fi (Wireless Fidelity) là một công nghệ cho phép các thiết bị kết nối và truyền thông không dây nội bộ hoặc kết nối vào Internet Wi-fi đã trở thành một phần không thể thiếu trong máy tính và truyền thông hiện đại, cho phép kết nối một cách thuận lợi và linh hoạt mà không cần sử dụng tới cáp vật lý Giao thức này được vận hành dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.11 – định nghĩa thông số kỹ thuật cho lớp vật lý (cách dữ liệu được truyền đi trong không khí) và cách các thiết bị giao tiếp trong mạng Wi-Fi xếp vào mạng LAN không dây hay WLAN ( Wireless Local Area Network), sử dụng sóng radio để đạt được chức năng tương tự mạng LAN nối dây, cho phép người dùng di chuyển trong một phạm vi hẹp (nhà, văn phòng,…) mà vẫn kết nối được

- Thiết bị Wi-fi thông thường sử dụng băng tần 2.4GHz và 5GHz Băng tần 2.4GHz thì sở hữu độ phủ sóng rộng lớn hơn, đồng thời cũng dễ bị nhiễu hơn, trong khi 5GHz cung cấp dữ liệu chất lượng cao hơn và ít bị tắc nghẽn

- Tốc độ truyền tải dữ liệu mạng của Wi-Fi phụ thuộc vào từng phiên bản giao thức IEEE 802.11, các phiên bản càng về sau sẽ sở hữu công nghệ mới cùng với tốc độ cải thiện vượt trội

Bảng 2.1 Các phiên bản IEEE 802.11 Wi-Fi được phát hành qua các năm

Phiên bản Năm phát hành Băng tần Tốc độ tối đa

IEEE 802.11n 2009 2.4 GHz và 5 GHz 600 Mbps

IEEE 802.11ax 2019 2.4 GHz và 5 GHz Lên tới 10 Gbps Ưu điểm và nhược điểm: Ưu điểm:

- Sự thuận tiện và tính linh động:

Như đã đề cập ở trên, công nghệ Wi-Fi vượt trội trong việc cung cấp cơ sở hạ tầng không dây, giảm thiểu tối đa sự phiền phức của các loại dây cáp vật lý, dễ dàng kết nối, truy cập vào mạng mà không gặp phải hạn chế về không gian Nhờ đó, các thiết bị có thể dễ dàng kết nối từ nhiều vị trí khác nhau trong phạm vi phủ sóng của mạng

- Dễ dàng lắp đặt, mở rộng và tối ưu chi phí: Đây là một trong những yếu tố quan trọng khiến công nghệ này trở nên hết sức phổ biến trên thế giới Mạng Wi-Fi có thể dễ dàng lắp đặt tại nhà hay bất cứ đâu có đường dây điện Bên cạnh đó, việc tăng hoặc giảm quy mô mạng dựa trên số lượng thiết bị được kết nối cũng tương đối đơn giản, không đòi hỏi phức tạp về các hệ thống dây cáp Do đó, chi phí lắp đặt cũng như bảo trì, bảo dưỡng định kì cũng trở nên dễ tiếp cận

- Hỗ trợ nhiều thiết bị đồng thời, dễ dàng thiết lập:

Một đặc tính đặc trưng nữa của Wi-Fi là hỗ trợ kết nối đồng thời nhiều thiết bị, thúc đẩy truyền tiếp và chia sẻ dữ liệu một cách hiệu quả Bên cạnh đó, giao diện cũng như thiết kế thân thiện với người dùng, giúp đơn giản hóa quá trình thiết lập, nhờ đó mà có thể dễ dàng triển khai trên nhiều quy mô lớn nhỏ khác nhau từ hộ gia đình cho đến các doanh nghiệp, bệnh viện,…

- Tín hiệu bị biến đổi:

Tín hiệu Wi-Fi rất dễ bị làm nhiễu từ nhiều nguồn khác nhau, có thể kể đến như thiết bị điện tử hay các rào cản vật lý như tường, mưa,… Các tác nhân này có thể làm suy giảm tốc độ kết nối, gián đoạn đường truyền, cường độ tín hiệu không nhất quán Điều này dẫn đến hiệu suất mạng tổng thể bị ảnh hưởng đáng kể

Hình 2.1 Một số đồ đạc thiết bị trong nhà gây cản trở tín hiệu Wi-Fi như TV, lò vi sóng,…

Một trong những lý do khiến cho công nghệ Wi-Fi không được đánh giá cao về mặt kỹ thuật mặc dù sự phổ biến của chúng là không thể bàn cãi Đây luôn là vấn đề tương đối nhức nhối, được quan tâm hàng đầu Các biện pháp bảo mật không đầy đủ, kèm theo việc dễ dàng truy cập dẫn tới mạng có thể bị truy cập trái phép, vi phạm dữ liệu cũng như xâm phạm vào quyền riêng tư Các giao thức bảo mật mạnh như mã hóa, mật khẩu an toàn được áp dụng như một biện pháp bắt buộc, song vẫn có thể dễ dàng bị thay đổi hoặc bị hack thông qua nhiễu, vốn tồn tại rất nhiều trong tín hiệu

- Giới hạn khoảng cách và chất lượng phát sóng:

Tín hiệu Wi-Fi có tầm phủ sóng không quá rộng lớn, ở hai phiên bản phổ biến nhất hiện nay là Wi-Fi 5 và 6, khoảng cách hoạt động lớn nhất lần lượt là 25 mét và 45 mét trên từng bộ truy cập Do đó, mở rộng quy mô hoạt động sẽ đòi hỏi lắp đặt thêm những điểm truy cập, hoặc các thiết bị tăng cường tín hiệu để đảm bảo phủ sóng toàn diện, có thể kể tới Wi-Fi mesh Đi kèm theo đó là chi phí lắp đặt, thi công cũng như bảo dưỡng sẽ cần phải tính toán thêm Bên cạnh đó, công nghệ này có thể gặp gián đoạn liên tục trong quá trình sử dụng, tín hiệu chập chờn, độ tin cậy không cao và là một điểm trừ lớn nếu so với các loại kết nối có dây vốn rất ổn định ii Zigbee

ZigBee là một giao thức tuyền thông bậc cao, sử dụng tín hiệu radio cho các mạng cá nhân PAN (Personal Area Network), phục vụ các kết nối giữa các thiết bị cá nhân, M2M với phạm vi truyền thông tương đối ngắn, hoạt động hiệu quả chỉ khoảng vài mét tới vài chục mét Là công nghệ ra đời nhằm mục đích thế chỗ 2 công nghệ phổ biến bậc nhất là Wi-Fi và Bluetooth do nhận thấy những hạn chế cố hữu của các công nghệ này Zigbee được vận hành theo chuẩn truyền thông không dây IEEE 802.15.4, nổi bật với các kết nối tiết kiệm điện năng, tốc độ dữ liệu thấp và sử dụng các giao thức mạng dạng lưới (mesh network) Đặc điểm chung của Zigbee:

- Tiêu thụ điện năng ở mức thấp

- Tốc độ dữ liệu thấp: 20-250 kbps

- Tầm hoạt động truyền thông ngắn: tối đa 75-100m

- Thời gian tham gia hoạt động mạng: ~30 mili giây

- Hỗ trợ mạng: tối đa 65000 trên lý thuyết, tối ưu trên thực tế 240 thiết bị

- Chi phí sản phẩm thấp và triển khai rẻ với giao thức nguồn mở

- Chu kỳ làm việc cực kỳ thấp

Dải tần: (chỉ một kênh được chọn sử dụng trong mạng)

- Dải 868 MHz cho khu vực Châu Âu và Nhật: chỉ có 1 kênh với tốc độ truyền khá thấp (20kb/s)

- Dải 915 MHz cho khu vực Bắc Mỹ: 10 kênh tín hiệu với dải từ 1-10 và tốc độ khoảng 40kb/s

- Dải 2.4GHz ở các nước còn lại: Có tới 16 kênh tín hiệu từ 11-26 và tốc độ truyền tải rất cao lên tới 250kb/s Ưu điểm và nhược điểm: Ưu điểm:

- Tiêu thụ điện năng thấp:

Một trong những tiêu chí nổi bật nhất của Zigbee là năng lượng yêu cầu thấp, hỗ trợ rất tốt cho các thiết bị sử dụng pin, acquy Không chỉ tiết kiệm năng lượng đáng kể, tiêu chí này còn giúp kéo dài tuổi thọ cho pin, acquy

Zigbee nổi bật với khả năng kết nối, trao đổi dữ liệu trong các phạm vi vừa và hẹp Giao thức này cung cấp các phương tiện hiệu quả giúp các thiết bị dễ dàng giao tiếp một cách hiệu quả trong các cự li ngắn, quy mô nhỏ, vừa đảm bảo về các tiêu chí điện năng tiêu thụ, cũng như độ ổn định của tín hiệu

- Mesh Networking (mạng lưới truy cập):

Ngay từ những phiên bản tiêu chuẩn của Zigbee, công nghệ này đã có khả năng triển khai giao thức mạng lưới truy cập, cho phép các thiết bị giao tiếp với nhau thông qua các nodes mạng Chức năng này hỗ trợ tối đa độ tin cậy của sóng, cũng như cải thiện hạn chế về phạm vi phủ sóng của Zigbee Dữ liệu được chuyển tiếp cũng được bảo mật và hạn chế các rủi ro về nhiễu, gián đoạn, từ đó tối ưu hóa hiệu suất mạng Đây là một điểm cộng so với Wi-Fi, khi mà các thiết bị router Wi-

Fi muốn triển khai mesh networking cần bỏ thêm những chi phí nhất định

- Tốc độ truyền dữ liệu hạn chế:

Việc năng lượng tiêu thụ yêu cầu được giữ ở mức thấp cũng như tập trung vào các giao tiếp, trao đổi dữ liệu ở phạm vi gần và hẹp đồng nghĩa với việc tốc độ truyền tải dữ liệu của Zigbee sẽ khá hạn chế Với các ứng dụng đơn giản, không đòi hỏi thông lượng cao, công nghệ này hoàn toàn có thể đáp ứng tốt, song với những đòi hỏi về tốc độ truyền tải ngày một lớn, Zigbee có thể sẽ còn trở nên không phù hợp Bên cạnh đó, những hạn chế về tốc độ truyền đi kèm với những độ trễ không mong muốn sẽ gây ra ảnh hưởng tiêu cực tới người dùng

Vi điều khiển

Ở phần trước, công nghệ Wi-Fi đã được lựa chọn để ứng dụng trong hệ thống IoT của đồ án, vì vậy vi điều khiển tích hợp công nghệ này cũng sẽ được ưu tiên hàng đầu

ESP8266 là một loại vi mạch Wi-Fi, hỗ trợ bộ giao thức TCP/IP và có thể tích hợp vào thành phần của vi điều khiển Cùng với ESP32, ESP8266 được sử dụng rộng rãi, phổ biến bởi giá thành thấp, không quá khó để sử dụng và tính linh hoạt của chúng Đây là sản phẩm được phát triển bởi công ty Espressif Systems của Trung Quốc ESP8266 có ba dạng bao gồm chip, module và development board với development board là phiên bản đầy đủ bao gồm cả 2 phiên bản trên, được tích hợp các chuẩn USB để dễ dàng sử dụng, cũng chính là phiên bản được ứng dụng trong hệ thống của đồ án

Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật của ESP8266

Thông số kỹ thuật ESP8266

Bộ xử lý (Processor) Vi điều khiển Tensilica L106 32-bit Tốc độ xung nhịp (Clock Speed) 80 MHz (có thể ép xung lên đến

Wi-Fi IEEE 802.11 b/g/n (hỗ trợ 2.4GHz)

Bộ nhớ (Flash Memory) 4MB

Chân GPIO Chân đầu vào/đầu ra kỹ thuật số: 16

Chân đầu vào tương tự: 1

Cấp nguồn (Power) 5VDC, cổng Micro-USB, Vin,…

Phiên bản Firmware NodeMCU Lua

Chip nạp và giao tiếp UART CH340

Ngôn ngữ lập trình hỗ trợ C/C++, Python,…

Hình 2.2 Mặt trên của ESP8266

Hình 2.3 Mặt dưới của ESP8266

Hình 2.4 Sơ đồ chân của ESP8266

17 chân GPIO Được sử dụng để đọc dữ liệu từ các cảm biến, điều khiển giao tiếp với các thiết bị, linh kiện (LED, động cơ,…)

1 kênh ADC Có độ chính xác 10 bit theo công nghệ

2 giao tiếp UART Hỗ trợ điều khiển dòng dữ liệu

4 đầu ra PWM Điều khiển tốc độ động cơ hoặc độ sáng của đèn LED

2 giao tiếp SPI và 1 giao tiếp I2C Kết nối các cảm biến và thiết bị ngoại vi khác

Giao tiếp I2S Thêm âm thanh

Hình 2.5 Các chân GPIO của ESP8266 trong thực tế

Nhắc đến một hệ thống ứng dụng IoT, tức là nhắc đến hệ thống các cảm biến Nếu như vi điều khiển đóng vai trò như “bộ não” của toàn bộ hệ thống tự động, thì các cảm biến có thể được coi là các giác quan như thính giác, thị giác, xúc giác,… Do đó, khâu lựa chọn cảm biến cũng không thể được xem nhẹ, bởi chúng sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng hệ thống Dưới đây là các lựa chọn cảm biến cho từng thông số cụ thể.

Cảm biến DHT 11

Các thông số nhiệt độ và độ ẩm luôn là ưu tiên hàng đầu trong bất kì mô hình canh tác nông nghiệp nào, từ quy mô lớn đến nhỏ Bởi tính chất quan trọng của chúng, việc sử dụng linh kiện điện tử chất lượng với độ chính xác cao là một yếu tố quan trọng DHT11 là một cảm biến đã được sử dụng rộng rãi và phổ biến, không chỉ đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng đã được kiểm chứng mà còn phù hợp với tính toán chi phí đã được đề ra

DHT11 là cảm biến nhiệt độ và độ ẩm giao tiếp với 1 chân dữ liệu

Hình 2.6 Module cảm biến nhiệt độ DHT11

Bảng 2.5 Thông số kỹ thuật của DHT11

Thông số kỹ thuật DHT11 Điện áp (Operating Voltage) 3.5 – 5.5VDC

Dòng điện (Operating current) 60uA – 0.3 mA

Nhiệt độ đo 0 ~ 50 o C ± 2°C Độ ẩm đo 20 ~ 90% ± 5%

Module DHT11 đã được gắn sẵn điện trở và led báo nguồn, nên có 3 chân

- GND: Nối đất, cực âm

Do Module DHT11 đã được gắn sẵn điện trở nên chỉ cần nối trực tiếp chân DATA với chân của vi điều khiển

Hình 2.7 Kết nối DHT11 với Vi điều khiển

Quá trình giao tiếp giữa cảm biến DHT11 và Vi điều khiển được tiến hành qua ba bước, bao gồm:

Bước 1: Vi điều khiển gửi tín hiệu đến DHT11

Hình 2.8 Quá trình truyền nhận tín hiệu DHT11 với Vi điều khiển

Hình 2.9 Vi điều khiển gửi tín hiệu đến DHT11 Để bắt đầu quá trình giao tiếp với DHT11, 1 xung sẽ được gửi đến DHT11 từ mức cao xuống mức thấp ít nhất là 18ms, sau đó đưa lên mức cao Vi điều khiển gửi tín hiệu đến DHT11 (màu đen) trong Hình

Bước 2 Tín hiệu phản hồi từ DHT11

Sau khi gửi 1 xung bắt đầu từ Vi điều khiển, DHT11 sẽ gửi 1 xung phản hồi để bắt đầu đọc dữ liệu, xung này có mức thấp 80us sau đó ở mức cao 80us DHT11 gửi tín hiệu phản hồi (màu xám) trong Hình 2.10

Hình 2.10 DHT11 gửi tín hiệu phản hồi

Cấu trúc dữ liệu có 40 bit tương đương 5 byte, mỗi byte gồm 8 bit

- 2 byte đầu tiên là giá trị độ ẩm: byte 1 là phần nguyên, byte 2 là phần thập phân

- 2 byte tiếp theo là giá trị nhiệt độ: byte 3 là phần nguyên, byte 4 là phần thập phân

- Byte 5 là tổng của 4 byte trước, hay tổng của độ ẩm và nhiệt độ Nếu byte

5 này không bằng tổng của 4 byte trước thì quá trình chuyển đổi bị lỗi, ngược lại thì đúng.

Giới thiệu về Internet of Things

1.1.1 IoT là gì? Khái niệm của Internet of Things – Internet kết nối vạn vật

- IoT - Internet of Things (hay Internet kết nối vạn vật) được hiểu đơn giản là một hệ thống mà các thiết bị vật lý được kết nối với nhau bằng Internet, nhằm tương tác và chia sẻ dữ liệu cho nhau

- "Thing” – sự vật – trong Internet of Things, có thể là một trang trại động vật với bộ tiếp sóng chip sinh học, một chiếc ô tô tích hợp các cảm biến để cảnh báo lái xe khi lốp quá non, hoặc bất kỳ đồ vật nào do tự nhiên sinh ra hoặc do con người sản xuất ra mà có thể được gán với một địa chỉ IP và được cung cấp khả năng truyền tải dữ liệu qua mạng lưới

- IoT phải có 2 thuộc tính: một là đó phải là một ứng dụng Internet Hai là, nó phải lấy được thông tin của vật chủ

“The Internet of Things (IoT) refers to millions and billions of devices connected to the internet around the world for sharing data” (Internet kết nối vạn vật được hiểu là việc hàng triệu cho tới hàng tỉ các thiết bị được kết nối với Internet trên khắp thế giới nhằm mục đích chia sẻ dữ liệu)

- Một số khái niệm khác về IoT:

“The Internet of Things as simply an interaction between the physical and digital worlds The digital world interacts with the physical world using a plethora of sensors and actuators” – by Vermesan (IoT được hiểu đơn giản là những tương tác giữa nền tảng vật lý và nền tảng số Nền tảng số tương tác với nền tảng vật lý sử dụng một số lượng rất lớn các cảm biến và bộ truyền động)

“Another is the Internet of Things is defined as a paradigm in which computing and networking capabilities are embedded in any kind of conceivable object.”- by Pena Lopez (Một cách hiểu khác, IoT được định nghĩa là một mô hình với các chức năng vi tính cũng như mạng đã được nhúng trong một sự vật hữu hình bất kì)

Hình 1.1 Internet of Thing 1.1.2 Lịch sử hình thành của IoT Ý tưởng về một hệ thống mạng lưới các thiết bị kết nối không dây với nhau đã được manh nha xuất hiện vào đầu thế kỷ trước

Năm 1926, Nikola Tesla – nhà sáng chế, nhà khoa học vĩ đại người Mỹ đã từng nói: “When wireless is perfectly applied, the whole Earth will be converted into a huge brain, which in fact it is, all things being particles of a real and rhythmic whole” (Khi mạng không dây được áp dụng một cách hoàn hảo, Trái Đất khi ấy sẽ tựa như một bộ não khổng lồ, vạn vật đều là những phần nhỏ của 1 tổng thể nhịp nhàng)

Xuyên suốt cả thời kỳ Chiến tranh lạnh, các ý tưởng về IoT liên tục được bàn tán, nghiên cứu, song hành với sự phát triển của máy tính Năm 1966, Karl Steinbuch – nhà khoa học máy tính tiên phong đưa ra dự đoán:

“ Chỉ vài thập kỷ nữa, máy tính sẽ len lỏi và có mặt trong hầu khắp các sản phẩm công nghiệp” (nguyên văn: "In a few decades time, computers will be interwoven into almost every industrial product")

Cho đến những năm 90 của thế kỷ trước, khi mà các điều kiện về khoa học công nghệ dần đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật, cùng với sự phổ biến của máy tính cá nhân, các loại chip, bộ xử lý ngày càng tinh vi, nhỏ gọn và được sản xuất đại trà với giá thành có phần rẻ mạt, IoT dần được thành hình và phát triển Năm 1990, thiết bị được xem là “first IoT device” – thiết bị IoT đầu tiên được tạo ra bởi John Romkey Đó là 1 chiếc máy nướng bánh mì có khả năng bật/tắt thông qua Internet, được kết nối tới máy tính thông qua giao thức TCP/IP, với cơ sở thông tin SNMP MIB để bật nguồn Đầu thế kỉ XXI, IoT có những bước tiến lớn khi lần lượt được thành lập các đề tài, hội nghị lớn bởi các đơn vị có uy tín như ITU (International Telecomunications Union – Liên minh Viễn thông Quốc tế), EU,… vào các năm từ 2005 – 2008 Cho đến cuối 2008 – 2009, Internet kết nối vạn vật chính thức được ra đời, kèm theo các tiêu chuẩn, thuật toán, công nghệ (LoPWan, IPv6,…) và phát triển không ngừng cho đến tận ngày hôm nay

IoT dù đơn giản hay phức tạp, về cơ bản là một hệ thống có tính linh hoạt cao, “thiên biến vạn hóa” Sự đa dạng trong việc ứng dụng giải pháp IoT, cũng như sự đa dạng trong các phương thức triển khai, sẽ đi kèm theo nhiều yêu cầu và ràng buộc khác nhau Việc cố gắng tạo ra một kiến trúc độc nhất, sẽ dẫn đến nhiều vấn đề phát sinh Do đó, kiến trúc IoT sẽ được xây dựng phụ thuộc vào từng vấn đề, ứng dụng cụ thể với độ chi tiết, phức tạp khác nhau

Năm 2014, Ủy ban kiến trúc IoTWF (Internet of Things World Forum) do các tập đoàn lớn, có uy tín cao và tầm ảnh hưởng sâu rộng chi phối ngành Viễn thông thế giới (Cisco, IBM, Rockwell Automation,…) đã xuất bản mô hình tham chiếu kiến trúc IoT 7 lớp (7-layers) Đây có thể được coi là kiến trúc có tính tổng quát nhất, đưa ra một góc nhìn đơn giản, tương đối đầy đủ bao gồm các thiết bị thường được sử dụng, các chức năng chính của một hệ thống IoT cần có

Hình 1.3 Mô hình tham chiếu kiến trúc IoT 7 lớp của IoTWF

- Lớp đầu tiên: Lớp Thiết bị vật lý và Bộ điều khiển (Physical Devices and Controllers Layer) Lớp này là nơi chứa “things” trong IoT, bao gồm các thiết bị đầu cuối và cảm biến khác nhau gửi và nhận thông tin Kích thước của “things” không bị giới hạn, từ những cảm biến cực nhỏ mắt thường không nhìn thấy, cho đến những cỗ máy khổng lồ trong các ngành công nghiệp, nhà máy Chức năng chính của chúng là tạo ra dữ liệu từ thông tin thu về của môi trường và có khả năng truy vấn, kiểm soát qua mạng

- Lớp thứ 2: Lớp kết nối (Connectivity Layer) Như tên gọi, trọng tâm của lớp này là khả năng kết nối Chức năng quan trọng nhất của lớp IoT này là truyền dữ liệu đáng tin cậy và kịp thời Cụ thể hơn, chức năng này bao gồm truyền giữa các thiết bị ở Lớp 1 và mạng cũng như giữa mạng và quá trình xử lý thông tin tại

Lớp 3 (lớp điện toán biên) Lớp Kết nối bao gồm tất cả các thành phần mạng, không phân biệt các mạng với nhau (mạng chặng cuối, mạng cổng,…) Ngoài ra, lớp này còn có chức năng chuyển đổi giữa các thuật toán, hay bảo mật mạng

Hình 1.4 Chức năng của Lớp Kết nối

Giới thiệu hệ thống tưới cây tự động ứng dụng IoT

1.2.1 Thế nào là hệ thống tưới cây tự động áp dụng IoT a Định nghĩa một hệ thống tự động

Về cốt lõi, một hệ thống tự động biểu hiện dưới dạng sự kết hợp của các thành phần được hiệu chỉnh chính xác, bao gồm hàng loạt các cảm biến dùng để thu thập dữ liệu từ môi trường, một bộ điều khiển phức tạp hoạt động như kết nối thần kinh trong não bộ, và các bộ truyền động giúp thực hiện thao tác ngược lại với môi trường từ những chỉ thị tính toán đã được xử lý

Tính ứng dụng của một hệ thống tự động là tương đối cao, áp dụng trong rất nhiều lĩnh vực Có thể coi hệ thống này là sự tăng cường mang tính chiến lược của các quy trình công nghiệp, chúng điều phối độ chính xác trong dây truyền lắp ráp, tối ưu hóa các biện pháp kiểm soát chất lượng và khâu hậu cần Ngoài ra, có thể kể đến ứng dụng tích cực trong y sinh, các thiết bị y tế được tích hợp các hệ thống tự động, giúp đảm bảo độ chính xác, độ tin cậy Lĩnh vực hàng không và ô tô còn thể hiện tính chất thích ứng của hệ thống tự động của hệ thống tự động, góp phần cải thiện độ an toàn và giảm tải trách nhiệm cho người điều khiển

Ngày nay, các hệ thống tự động được tích hợp thêm nhiều những công nghệ hiện đại Một hệ thống M2M (Machine to machine – máy móc giao tiếp lẫn nhau) đã có phần tụt lại so với yêu cầu ngày một lớn tới từ người dùng đa lĩnh vực, đặc biệt là trong bối cảnh Internet phổ biến toàn cầu Các công nghệ, thiết bị IoT nhanh chóng được đưa vào các hệ thống tự động hóa, giúp con người có khả năng kiểm soát từ xa, đảm bảo tính an toàn, tiết kiệm chi phí, tài nguyên, cũng như tăng hiệu quả, độ chính xác trong từng khâu sản xuất b Hệ thống tưới tiêu tự động ứng dụng IoT

Việc áp dụng một hệ thống tự động tích hợp công nghệ IoT đã được triển khai trên nhiều quốc gia, với đa dạng quy mô, hình thức cũng như cấu trúc khác nhau Dưới đây là một vài hệ thống tưới nước cơ bản:

Hình 1.11 Hệ thống tưới nước phun mưa

Như tên gọi, hệ thống tưới nước phun mưa được thiết kế phù hợp trong việc tạo ra các luồng nước mô phỏng mưa Nước được phun trực tiếp lên lá cây thông qua đầu phun tạo mưa được thiết kế đặc biệt để các tia nước bắn ra xung quanh

Hệ thống tưới phun mưa được áp dụng phổ biến nhất trên nhiều quy mô to nhỏ, phù hợp với nhiều mô hình nông nghiệp hiện đại Hệ thống có khả năng tùy chỉnh dạng mưa, mật độ phun, tốc độ cũng như diện tích làm ướt phù hợp Lượng nước cũng được phân bố, dàn trải đều, năng suất tưới được nâng cao Tuy nhiên, hệ thống có yêu cầu cao về chi phí vận hành, lắp đặt so với các hệ thống tưới khác

- Tưới nhỏ giọt: Đây là hệ thống có phần đơn giản hơn về mặt kỹ thuật, tuy nhiên, dưới góc độ sinh học, hệ thống tưới nhỏ giọt vẫn đảm bảo độ hiệu quả và được áp dụng rộng rãi Nguồn nước thông qua hệ thống được đưa tưới lên phần gốc cây thay vì bề mặt lá, trực tiếp làm ẩm bề mặt của đất từ các đầu vòi dạng sợi Hạt nước nhỏ với tốc độ chậm, do đó lưu lượng nước được luân chuyển sao cho đất trồng được tiếp nhận toàn bộ, sự hao hụt tài nguyên nước được giảm tối đa Lãng phí phần nước tồn đọng trên mặt lá như khi sử dụng các dạng tưới trực tiếp cũng được giải quyết

Hệ thống tưới nhỏ giọt luôn đảm bảo độ ẩm được kiểm soát tối đa, cung cấp lượng nước vừa đủ cho cây trồng sinh trưởng

Hình 1.12 Hệ thống tưới nước nhỏ giọt c Các hệ thống tưới tiêu tự động được triển khai trong thực tế

Dưới đây là một vài sản phẩm, hệ thống nổi bật, được công nhận và triển khai rộng rãi ở nhiều nước phát triển, tích hợp nhiều công nghệ hiện đại:

- FieldNet by Lindsay là một nền tảng quản lý tưới tiêu, dựa trên IoT cho phép người sử dụng giám sát, điều khiển từ xa hệ thống tưới tiêu Bên cạnh đó, FieldNet được tích hợp thêm rất nhiều công nghệ hiện đại, bao gồm thu thập dữ liệu đất tự động, phân tích và đưa ra tùy chỉnh trong từng điều kiện đất cụ thể Không những thế, hệ thống này còn có khả năng phân tích lịch sử nguồn nước của khu vực canh tác, từ đó đưa ra dự báo về lượng mưa, kết hợp với công nghệ AI tích hợp sẵn để đưa ra các khuyến nghị tưới tiêu hợp lý

Hình 1.13 Hệ thống 4-in-1 của FieldNet sản xuất bởi Lindsay

- FarmBot Genesis là robot công nghệ cao do FarmBot Inc phát triển, có mã nguồn mở, tích hợp công nghệ IoT vào phục vụ sản xuất nông nghiệp, được giới thiệu lần đầu vào năm 2016 FarmBot Genesis được trang bị các công cụ hiện đại, có khả năng gieo hạt chính xác đến từng milimeter, các cảm biến độ ẩm, nhiệt độ, camera cũng được lắp đặt để hỗ trợ tính toán lượng nước sử dụng, xác định sâu bệnh, cỏ dại để đưa ra các giải pháp hợp lý Giao diện của FarmBot được thiết kế thân thiện với người dùng, có thể phục vụ giáo dục ở nhiều độ tuổi Hiện nay, phiên bản mở rộng là FarmBot Genesis XL đã được công bố và sử dụng rộng rãi, với kích thước lớn gấp 4 lần và đạt độ hiệu quả vượt trội so với phiên bản tiền nhiệm

Hình 1.14 Giao diện và khu vườn tích hợp FarmBot Genesis

Kết luận chương 1

Tóm lại, việc trình bày đầy đủ lý thuyết về một hệ thống IoT nói chung và hệ thống tưới cây tự động ứng dụng công nghệ IoT nói riêng giúp cung cấp hiểu biết và cái nhìn tổng quát cho đồ án Điều này góp phần hình thành kiến thức nền tảng và cơ sở cho việc xây dựng và hoàn thành hệ thống trong các chương tiếp theo

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH MÔ HÌNH HỆ THỐNG, LỰA CHỌN

Giới thiệu về quy mô hệ thống tưới cây tự động, các thiết bị được sử dụng trong hệ thống và lý giải cho từng lựa chọn.

Quy mô đồ án

Dựa trên các điều kiện về mặt nhân lực, kèm theo các tính toán về chi phí, thời gian nghiên cứu cũng như tiến hành thi công hoàn thiện đồ án đảm bảo trong khả năng cho phép, cùng với chủ trương trình diện sản phẩm cụ thể lên hội đồng, việc xây dựng những hệ thống đồ sộ, có quy mô rộng lớn tương tự như các mô hình đã được giới thiệu là bất khả thi Do đó, để đáp ứng các điều kiện kể trên, đồ án cần phải đáp ứng hai yếu tố:

1 Nhỏ, gọn, trên một khu vực tương đối hẹp

2 Dễ lắp đặt, dễ sử dụng, không đòi hỏi các công nghệ quá tối tân để phù hợp với chi phí

“Hệ thống tưới cây tự động ứng dụng công nghệ IoT phục vụ tưới tiêu ban công, vườn nhà” đáp ứng được hoàn toàn cả hai yếu tố trên, vì vậy được lựa chọn làm quy mô của đồ án.

Lựa chọn công nghệ, linh kiện, thiết bị IoT

2.2.1 Cơ sở lựa chọn giao thức a Cở sở lý thuyết

Công nghệ, giao thức kết nối với Internet luôn cần được chú trọng ưu tiên trong bất cứ dự án nào Việc đảm bảo hệ thống, thiết bị kết nối trơn tru luôn là nhiệm vụ hàng đầu của các kỹ sư công tác trong ngành Viễn thông Do đó, nắm bắt lý thuyết, có những hiểu biết kỹ thuật về các công nghệ là hết sức cần thiết Ngoài ra, công việc kỹ thuật linh hoạt trong ứng dụng, lựa chọn các công nghệ này phù hợp với từng sản phẩm, giải pháp

Dưới đây là 2 giao thức kết nối được cân nhắc sử dụng trong hệ thống mà đồ án triển khai i Wi-fi (Wireless Fidelity) là một công nghệ cho phép các thiết bị kết nối và truyền thông không dây nội bộ hoặc kết nối vào Internet Wi-fi đã trở thành một phần không thể thiếu trong máy tính và truyền thông hiện đại, cho phép kết nối một cách thuận lợi và linh hoạt mà không cần sử dụng tới cáp vật lý Giao thức này được vận hành dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.11 – định nghĩa thông số kỹ thuật cho lớp vật lý (cách dữ liệu được truyền đi trong không khí) và cách các thiết bị giao tiếp trong mạng Wi-Fi xếp vào mạng LAN không dây hay WLAN ( Wireless Local Area Network), sử dụng sóng radio để đạt được chức năng tương tự mạng LAN nối dây, cho phép người dùng di chuyển trong một phạm vi hẹp (nhà, văn phòng,…) mà vẫn kết nối được

- Thiết bị Wi-fi thông thường sử dụng băng tần 2.4GHz và 5GHz Băng tần 2.4GHz thì sở hữu độ phủ sóng rộng lớn hơn, đồng thời cũng dễ bị nhiễu hơn, trong khi 5GHz cung cấp dữ liệu chất lượng cao hơn và ít bị tắc nghẽn

- Tốc độ truyền tải dữ liệu mạng của Wi-Fi phụ thuộc vào từng phiên bản giao thức IEEE 802.11, các phiên bản càng về sau sẽ sở hữu công nghệ mới cùng với tốc độ cải thiện vượt trội

Bảng 2.1 Các phiên bản IEEE 802.11 Wi-Fi được phát hành qua các năm

Phiên bản Năm phát hành Băng tần Tốc độ tối đa

IEEE 802.11n 2009 2.4 GHz và 5 GHz 600 Mbps

IEEE 802.11ax 2019 2.4 GHz và 5 GHz Lên tới 10 Gbps Ưu điểm và nhược điểm: Ưu điểm:

- Sự thuận tiện và tính linh động:

Như đã đề cập ở trên, công nghệ Wi-Fi vượt trội trong việc cung cấp cơ sở hạ tầng không dây, giảm thiểu tối đa sự phiền phức của các loại dây cáp vật lý, dễ dàng kết nối, truy cập vào mạng mà không gặp phải hạn chế về không gian Nhờ đó, các thiết bị có thể dễ dàng kết nối từ nhiều vị trí khác nhau trong phạm vi phủ sóng của mạng

- Dễ dàng lắp đặt, mở rộng và tối ưu chi phí: Đây là một trong những yếu tố quan trọng khiến công nghệ này trở nên hết sức phổ biến trên thế giới Mạng Wi-Fi có thể dễ dàng lắp đặt tại nhà hay bất cứ đâu có đường dây điện Bên cạnh đó, việc tăng hoặc giảm quy mô mạng dựa trên số lượng thiết bị được kết nối cũng tương đối đơn giản, không đòi hỏi phức tạp về các hệ thống dây cáp Do đó, chi phí lắp đặt cũng như bảo trì, bảo dưỡng định kì cũng trở nên dễ tiếp cận

- Hỗ trợ nhiều thiết bị đồng thời, dễ dàng thiết lập:

Một đặc tính đặc trưng nữa của Wi-Fi là hỗ trợ kết nối đồng thời nhiều thiết bị, thúc đẩy truyền tiếp và chia sẻ dữ liệu một cách hiệu quả Bên cạnh đó, giao diện cũng như thiết kế thân thiện với người dùng, giúp đơn giản hóa quá trình thiết lập, nhờ đó mà có thể dễ dàng triển khai trên nhiều quy mô lớn nhỏ khác nhau từ hộ gia đình cho đến các doanh nghiệp, bệnh viện,…

- Tín hiệu bị biến đổi:

Tín hiệu Wi-Fi rất dễ bị làm nhiễu từ nhiều nguồn khác nhau, có thể kể đến như thiết bị điện tử hay các rào cản vật lý như tường, mưa,… Các tác nhân này có thể làm suy giảm tốc độ kết nối, gián đoạn đường truyền, cường độ tín hiệu không nhất quán Điều này dẫn đến hiệu suất mạng tổng thể bị ảnh hưởng đáng kể

Hình 2.1 Một số đồ đạc thiết bị trong nhà gây cản trở tín hiệu Wi-Fi như TV, lò vi sóng,…

Một trong những lý do khiến cho công nghệ Wi-Fi không được đánh giá cao về mặt kỹ thuật mặc dù sự phổ biến của chúng là không thể bàn cãi Đây luôn là vấn đề tương đối nhức nhối, được quan tâm hàng đầu Các biện pháp bảo mật không đầy đủ, kèm theo việc dễ dàng truy cập dẫn tới mạng có thể bị truy cập trái phép, vi phạm dữ liệu cũng như xâm phạm vào quyền riêng tư Các giao thức bảo mật mạnh như mã hóa, mật khẩu an toàn được áp dụng như một biện pháp bắt buộc, song vẫn có thể dễ dàng bị thay đổi hoặc bị hack thông qua nhiễu, vốn tồn tại rất nhiều trong tín hiệu

- Giới hạn khoảng cách và chất lượng phát sóng:

Tín hiệu Wi-Fi có tầm phủ sóng không quá rộng lớn, ở hai phiên bản phổ biến nhất hiện nay là Wi-Fi 5 và 6, khoảng cách hoạt động lớn nhất lần lượt là 25 mét và 45 mét trên từng bộ truy cập Do đó, mở rộng quy mô hoạt động sẽ đòi hỏi lắp đặt thêm những điểm truy cập, hoặc các thiết bị tăng cường tín hiệu để đảm bảo phủ sóng toàn diện, có thể kể tới Wi-Fi mesh Đi kèm theo đó là chi phí lắp đặt, thi công cũng như bảo dưỡng sẽ cần phải tính toán thêm Bên cạnh đó, công nghệ này có thể gặp gián đoạn liên tục trong quá trình sử dụng, tín hiệu chập chờn, độ tin cậy không cao và là một điểm trừ lớn nếu so với các loại kết nối có dây vốn rất ổn định ii Zigbee

ZigBee là một giao thức tuyền thông bậc cao, sử dụng tín hiệu radio cho các mạng cá nhân PAN (Personal Area Network), phục vụ các kết nối giữa các thiết bị cá nhân, M2M với phạm vi truyền thông tương đối ngắn, hoạt động hiệu quả chỉ khoảng vài mét tới vài chục mét Là công nghệ ra đời nhằm mục đích thế chỗ 2 công nghệ phổ biến bậc nhất là Wi-Fi và Bluetooth do nhận thấy những hạn chế cố hữu của các công nghệ này Zigbee được vận hành theo chuẩn truyền thông không dây IEEE 802.15.4, nổi bật với các kết nối tiết kiệm điện năng, tốc độ dữ liệu thấp và sử dụng các giao thức mạng dạng lưới (mesh network) Đặc điểm chung của Zigbee:

- Tiêu thụ điện năng ở mức thấp

- Tốc độ dữ liệu thấp: 20-250 kbps

- Tầm hoạt động truyền thông ngắn: tối đa 75-100m

- Thời gian tham gia hoạt động mạng: ~30 mili giây

- Hỗ trợ mạng: tối đa 65000 trên lý thuyết, tối ưu trên thực tế 240 thiết bị

- Chi phí sản phẩm thấp và triển khai rẻ với giao thức nguồn mở

- Chu kỳ làm việc cực kỳ thấp

Dải tần: (chỉ một kênh được chọn sử dụng trong mạng)

- Dải 868 MHz cho khu vực Châu Âu và Nhật: chỉ có 1 kênh với tốc độ truyền khá thấp (20kb/s)

- Dải 915 MHz cho khu vực Bắc Mỹ: 10 kênh tín hiệu với dải từ 1-10 và tốc độ khoảng 40kb/s

- Dải 2.4GHz ở các nước còn lại: Có tới 16 kênh tín hiệu từ 11-26 và tốc độ truyền tải rất cao lên tới 250kb/s Ưu điểm và nhược điểm: Ưu điểm:

- Tiêu thụ điện năng thấp:

Một trong những tiêu chí nổi bật nhất của Zigbee là năng lượng yêu cầu thấp, hỗ trợ rất tốt cho các thiết bị sử dụng pin, acquy Không chỉ tiết kiệm năng lượng đáng kể, tiêu chí này còn giúp kéo dài tuổi thọ cho pin, acquy

Zigbee nổi bật với khả năng kết nối, trao đổi dữ liệu trong các phạm vi vừa và hẹp Giao thức này cung cấp các phương tiện hiệu quả giúp các thiết bị dễ dàng giao tiếp một cách hiệu quả trong các cự li ngắn, quy mô nhỏ, vừa đảm bảo về các tiêu chí điện năng tiêu thụ, cũng như độ ổn định của tín hiệu

- Mesh Networking (mạng lưới truy cập):

Ngay từ những phiên bản tiêu chuẩn của Zigbee, công nghệ này đã có khả năng triển khai giao thức mạng lưới truy cập, cho phép các thiết bị giao tiếp với nhau thông qua các nodes mạng Chức năng này hỗ trợ tối đa độ tin cậy của sóng, cũng như cải thiện hạn chế về phạm vi phủ sóng của Zigbee Dữ liệu được chuyển tiếp cũng được bảo mật và hạn chế các rủi ro về nhiễu, gián đoạn, từ đó tối ưu hóa hiệu suất mạng Đây là một điểm cộng so với Wi-Fi, khi mà các thiết bị router Wi-

Fi muốn triển khai mesh networking cần bỏ thêm những chi phí nhất định

- Tốc độ truyền dữ liệu hạn chế:

Việc năng lượng tiêu thụ yêu cầu được giữ ở mức thấp cũng như tập trung vào các giao tiếp, trao đổi dữ liệu ở phạm vi gần và hẹp đồng nghĩa với việc tốc độ truyền tải dữ liệu của Zigbee sẽ khá hạn chế Với các ứng dụng đơn giản, không đòi hỏi thông lượng cao, công nghệ này hoàn toàn có thể đáp ứng tốt, song với những đòi hỏi về tốc độ truyền tải ngày một lớn, Zigbee có thể sẽ còn trở nên không phù hợp Bên cạnh đó, những hạn chế về tốc độ truyền đi kèm với những độ trễ không mong muốn sẽ gây ra ảnh hưởng tiêu cực tới người dùng

THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI CÂY ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ IOT

Sơ đồ hệ thống

Tổng quan mô hình hệ thống tưới tiêu tự động IoT mà đồ án triển khai bao gồm 5 khối:

Khối nguồn 5V, 2A, khối Cảm biến (DHT11, FC-28, đồng hồ thời gian thực), khối màn hình hiển thị (LCD1602), khối bơm, khối vi điều khiển (ESP8266)

Hình 3.3 Sơ đồ khối hệ thống tưới tiêu tự động IoT

- Khối nguồn adapter 5V, 2A lấy điện có chức năng chuyển đổi từ điện xoay chiều dân dụng thành điện 1 chiều để sử dụng cho hệ thống

- Khối Cảm biển bao gồm các loại cảm biến được ứng dụng trong hệ thống: DHT11 để đo nhiệt độ và độ ẩm không khí, FC-28 (cảm biến độ ẩm đất) sẽ cắm trực tiếp vào đất để đo độ ẩm của đất, module đồng hồ đóng vai trò cập nhật giờ giấc tưới tiêu theo thời gian thực

- Khối màn hình hiển thị LCD1602 hiện các thông số được đo bởi khối cảm biến

- Khối bơm bao gồm bơm và vòi nước

- Khối vi điều khiển là khối trung tâm, sử dụng vi điều khiển ESP8266 để kết nối và điều khiển toàn bộ hệ thống

Hình 3.4 Sơ đồ mạch hệ thống tưới tiêu tự động IoT

Sơ đồ mạch cho hệ thống đưa ra những hình dung cơ bản nhất của mạch hoàn chỉnh sẽ được trình bày cụ thể trong phần sau.

Nguyên lý hoạt động cơ bản

- Khối nguồn đóng vai trò cung cấp nguồn điện chính cho khối bơm hoạt động thông qua transistor TIP122 và vi điều khiển ESP8266

- Các cảm biến hoạt động dựa trên điện năng lấy từ các chân I/O trên ESP8266 đã được cấp điện từ khối nguồn, tương tự với màn hình hiển thị LCD1602

- Các cảm biến tiến hành đo và đọc nhiệt độ, độ ẩm, cung cấp cho vi điều khiển để tiến hành thực hiện các hành động đã được lập trình

3.3 Thiết kế mạch điều khiển.

Khối vi điều khiển

Đây là khối quan trọng nhất, đóng vai trò trung tâm của toàn bộ hệ thống Các khối còn lại sẽ được xây dựng xung quanh và kết nối với vi điều khiển

Hình 3.5 Sơ đồ chân của ESP8266

- Điện năng sẽ được cấp thông qua chân VIN với điện áp là 5V

- Các chân A0, D1, D2, D6 được kết nối với khối cảm biến và hiển thị Về cơ bản, các chân D (data) có chức năng như nhau, chỉ khác nhau về tên gọi, do đó việc sử dụng chân GPIO data nào phụ thuộc vào việc sắp xếp mạch sao cho tối ưu, không bị chồng chéo lên nhau

- Chân D5 nối với Transistor TIP122 (chân Base)

- Chân D7 nối với LED xanh cùng với một điện trở 4,7k Ohm để báo hiệu Wi-Fi đã được kết nối thành công

- Chân GND nối xuống đất

Khối nguồn

Như đã trình bày ở phần trước, khối nguồn sẽ đóng vai trò cung cấp nguồn điện chính cho hệ thống

Hình 3.7 Sơ đồ khối nguồn

- Khối nguồn cấp điện cho khối vi điều khiển thông qua chân Vin với điện áp là 5VDC

- Trong quá trình lắp đặt và chạy thử mạch, hay là quá trình bảo dưỡng hệ thống sau này, các sai sót hoàn toàn có thể xảy ra bởi nhiều lý do Việc đấu nguồn ngược là hết sức nguy hiểm, hoàn toàn có thể làm thiệt hại các linh kiện thiết bị phía bên trong, khó có thể sửa chữa, cũng như tiềm ẩn các nguy cơ cháy nổ khác

Do đó, diode 1A được sử dụng để bảo vệ cho hệ thống, tránh việc cắm ngược nguồn này Ưu điểm là dễ dàng lắp đặt, dễ sử dụng, song nhược điểm lại gây tụt áp tương đối lớn, có thể lên đến 10% Tuy nhiên, yêu cầu về nguồn của hệ thống là không quá cao, vì vậy sử dụng diode vẫn được tối ưu

- Trên lý thuyết, adapter đã chuyển đổi dòng AC thành DC, tương tự như một nguồn điện 1 chiều Tuy nhiên trong thực tế, nhiễu dao động tại điện áp đỉnh vẫn tồn tại, do đó, hệ thống sẽ được lắp đặt 2 tụ điện (100pF và 10uF) để “là phẳng” nhiễu từ nguồn điện, ổn định điện áp dựa vào nguyên lý nạp và xả của tụ điện

- Ngoài ra, bên cạnh việc lắp đặt diode để bảo vệ thiết bị, LED đỏ cũng được đấu nối để báo hiệu nguồn đã được cắm chính xác, đảm bảo an toàn tối đa cho hệ thống.

Khối cảm biến và khối hiển thị

Các linh kiện, cảm biến được sử dụng trong hai khối này chủ yếu được kết nối với các chân GPIO data tại vi điều khiển:

Hình 3.8 Sơ đồ chân cảm biến DHT11 + Chân VCC: cấp nguồn, nối với chân Vin tại vi điều khiển

+ Chân Data nối với chân D6 tại ESP8266

- Cảm biến đo độ ẩm đất FC-28

Hình 3.9 Sơ đồ chân cảm biến FC-28 + Cũng được cấp nguồn tại chân VCC tương tự như cảm biến DHT11 + Chân GND nối đất

+ Chân A0: hay chân Analog, nối với chân A0 của vi điều khiển Dựa theo nguyên lý đọc đã được trình bày ở chương 2, các giá trị điện áp sẽ được thể hiện qua các bit Độ phân giải chân A0 là 10 bit, do đó sẽ có 1024 giá trị từ 0 đến 1023 tương ứng với giá trị điện áp từ 0 đến 3,3V (3V3)

- Đồng hồ thời gian thực DS1307 và màn hình hiển thị LCD1602 Cả hai linh kiện này đều sử dụng giao tiếp I2C, bao gồm quá trình truyền nhận dữ liệu giữa các thiết bị chủ - tớ (Master – Slave) với thiết bị chủ là vi điều khiển ESP8266 thông qua 2 chân SDA và SCL

+ Chân VCC: Cấp nguồn tương tự cảm biến

+ Chân SDA: nối với chân D2 tại ESP8266

+ Chân SCL: nối với chân D1 tại ESP8266

+ Chân GND (VSS ở màn hình LCD) nối đất

Hình 3.10 Sơ đồ chân của DS1307 RTC

Hình 3.11 Sơ đồ chân màn hình LCD1602 I2C

Khối bơm

Khác với khối cảm biến và khối hiển thị với thành phần chủ yếu là các linh kiện điện tử, phần lớn các yêu cầu liên quan đến dữ liệu, khối bơm gồm các thiết bị điện và cơ học, do đó các yêu cầu về lắp đặt, nguồn điện sẽ cần chú trọng hơn

Hình 3.12 Sơ đồ chân của khối bơm

Về nguyên lý hoạt động: Dòng điện từ chân vi điều khiển ESP8266 chỉ cung cấp tối đa 12mA (dựa trên thông tin của nhà sản xuất) Trong khi đó, bơm mini được sử dụng trong hệ thống yêu cầu điện áp nhỏ nhất là 5V cũng cần tới 0,5 – 0,7A cường độ dòng để hoạt động ổn định Do vậy, sử dụng nguồn điện trực tiếp thông qua điện áp từ chân vi điều khiển sẽ là không khả thi, dòng điện quá yếu không đủ để vận hành bơm nước, đòi hỏi một giải pháp thay thế

Như đã trình bày ở chương 2, Relay cũng là một lựa chọn phổ biến trong các trường hợp đang được đề cập tới, song xét trên nhiều yếu tố, Transistor TIP122 sẽ được lựa chọn bởi tính tiện lợi, nhỏ gọn, dễ sử dụng, cùng với khối nguồn adapter giá trị điện áp 5V, dòng 2A đã được xây dựng

Giắc cắm chuẩn 5.5x2.1mm cái gồm hai cực lần lượt được kết nối, cực dương nối với chân collector (C) của TIP122, cực âm nối với chân GND của ESP8266 và chân emmitter (E) của transistor

Chân base (B) của Transistor nối với chân D5 của vi điều khiển qua một điện trở 1 kOhm để giới hạn dòng

Cực dương của bơm đấu với chân collector (C) của Transitor Cực âm của bơm đấu với cực âm của nguồn (giắc cắm cái).

Hoàn thiện thiết kế

Hình 3 14 Mặt trước của mạch hoàn thiện 3D

Hình 3 15 Mặt sau của mạch hoàn thiện 3D

Thiết kế mạch toàn bộ được thực hiện trên ứng dụng Altium Designer

R1, R2, R3: Điện trở lần lượt với các giá trị: 1k, 10k, 4.7k (Ohm)

C1, C2: Tụ điện lần lượt với các giá trị: 100pF, 10uF

HUMGr: cảm biến đo độ ẩm đất FC-28

RTC: Đồng hồ DS1307 thời gian thực

DHT11: cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm không khí

LCD: màn hình hiển thị LCD1602

LED Pow: LED đỏ báo nguồn, LED: LED xanh báo kết nối Wi-Fi

Thiết kế mạch là một khâu tương đối phức tạp, tuy không đòi hỏi quá nhiều công sức, song yêu cầu về kiến thức, kinh nghiệm về lý thuyết mạch, kỹ năng thao tác trên các phần mềm ứng dụng như Fritzing hay Altium Designer để có thể thiết kế được một mạch hoàn chỉnh, có tính ứng dụng cao trong thực tiễn Trong quá trình thiết kế mạch, ngoài việc lắp đặt chính xác những linh kiện, một yêu cầu khác là tối ưu các đường dẫn, không để chồng chéo dây dẫn, gây cản trở thi công, thậm chí đoản mạch dẫn tới hỏng hóc Do đó, người thực hiện cần xem xét kỹ lưỡng, đảm bảo tiêu chí chính xác, an toàn.

THI CÔNG LẮP ĐẶT HỆ THỐNG TƯỚI CÂY ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ IOT

Lưu đồ thuật toán

Hình 4.6 Lưu đồ thuật toán chi tiết toàn bộ hệ thống

Giải thích lưu đồ thuật toán:

START: Bắt đầu chương trình, sau khi nhận được tín hiệu mạng và điện từ nguồn cấp, hệ thống sẽ kết nối tới phần mềm ứng dụng Blynk (Connected to BLYNK) Kết nối sẽ được thực hiện liên tục cho đến khi hoàn thành kết nối tới phần mềm Sau đó, các cảm biến sẽ được tiến hành đo đạc và quá trình đọc dữ liệu sẽ diễn ra (Read Data From Sensors) Toàn bộ dữ liệu thu được sẽ được gửi tới trung tâm dữ liệu của Blynk (Send data to BLYNK) và hiển thị trên màn hình LCD các dữ liệu được đo đạc, cập nhật liên tục 30 giây một lần (Display Data to LCD, data->time per 30s)

Như đã trình bày ở phần trước, hệ thống tưới tiêu tự động IoT được cài đặt hai chế độ bơm: bơm thủ công và bơm tự động theo thời gian thực Một điều cần lưu ý, khi muốn sử dụng chế độ bơm thủ công thì người dùng tắt chế độ bơm tự động

Sau khi xác định được chế độ muốn sử dụng (Read mode from BLYNK):

- Nếu chế độ tự động được bật (Mode = Auto), hệ thống sẽ xác định thời gian tưới đã được thiết lập sẵn trong hệ thống Ở đây, hệ thống đã thiết lập thời gian tưới là từ 6 giờ sáng đến 11 giờ trưa và 14 giờ chiều đến 23 giờ đêm (6

Ngày đăng: 19/04/2024, 23:58

TÀI LIỆU CÙNG NGƯỜI DÙNG

TÀI LIỆU LIÊN QUAN

w