hệ thông giám sát chất lượng nước trong ao nuôi thủy sản

Thiết kế xây dựng mạch thứ hai sử dụng Blue PiIl có khả năng nhận các giá trị từ thiết bị thứ nhất thông qua giao thức LoRa sau đó xử lý để hiển thị các giá trị lên LCD.. Voi kién trac 3

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP HO CHI MINH

TRUONG DAI HOC BACH KHOA KHOA DIEN - ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ

TP.HCM

LUẬN VĂN TÓT NGHIỆP ĐẠI HỌC

HỆ THÔNG GIÁM SÁT CHÁT LƯỢNG NƯỚC TRONG

AO NUOI THUY SAN

GVHD: ThS Bui Quoc Bao

SVTH: Pham Huynh Thanh Tan MSSV: 1710282

TP HO CHi MINH, THANG 9 NAM 2023

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP.HÔ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do — Hạnh phúc

Khoa: Điện — Điện tử

Bộ Môn: Điện Tử

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TÓT NGHIỆP

1 HỌ VÀTÊN: Phạm Huỳnh Thanh Tân MSSV: 1710282

3 Đề tài: Hệ thống giám sát chất lượng nước trong ao nuôi thủy sản

4 Nhiệm vụ: (Yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu):

5 Ngày giao nhiệm vụ luận van: 01/06/2023

6 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 30/8/2023

7 Họ và tên người hướng dẫn: Th§ Bùi Quốc Bảo

Nội dung và yêu cầu LVTN đã được thông qua Bộ Môn

PHAN DANH CHO KHOA, BO MON:

Nơi lưu trữ luận văn:

-Lời cảm ơn GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo

LỜI CẢM ƠN

Đâu tiên em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn của mình đối với thầy hướng dẫn của

em, thây Bùi Quốc Bảo Và có lẽ rằng, em thật sự sẽ không thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp nếu không có sự đồng hành, sự thông cảm, và những cơ hội mà thấy trao cho em trong suốt

một năm qua

Em đã từng là một học sinh khá giỏi khi còn học cấp ba, nhưng em dân mất đi nhiệt

huyết của chính mình khi bước vào cánh cửa đại học Em đã muốn từ bỏ rất nhiễu lần, vì mắt

đi định hướng và khủng hoảng về tương lai Việc nhìn bạn bè 4 năm đã ra trường và có rất nhiều công việc, em bân khuân và sợ hãi 6 năm dần trôi qua, và ngay ở những giây phút cuỗi cùng giữa ngã rẽ "đại học thất bại" và con đường sự nghiệp dài phía trước mà nhò tắm bằng

đại học mở ra em đã có được sự thông cam, thấu hiểu của rất nhiều người mà em phải biẾt ơn Nhân đây, con cũng xin cắm ơn ba, mẹ đã luôn thông cam, thấu hiểu, động viên và làm

hậu phương vững chắc Cám ơn mẹ vì đã cỗ vũ và xuất hiện những khi con cảm thấy khó khăn nhất Cám ơn các bạn bè và thấy cô đã cùng đồng hành với em, giúp đồ em trong suốt những

năm đại học vừa qua

Cuối cùng, em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đổi với tắt cả các thấy cô trong bộ môn Điện tử, các bạn trong phòng thí nghiệm 209B3 đã cô vũ và giúp đỡ em hoàn thành khóa

luận này một cách tron ven nhất

Tp Hồ Chí Minh, ngày 06 tháng 09 năm 2023

Sinh viên Phạm Huỳnh Thanh Tân

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th§, Bùi Quốc Bảo,

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Đề tài tập trung vào việc thiết kế và triển khai một hệ thống giám sát môi trường nước trong các ao nuôi thủy sản Hệ thống này nhằm thu thập và giám sát các chỉ số chất lượng nước quan trọng như nhiệt độ, lượng Oxy hòa tan trong nước, độ pH trong môi trường ao nuôi Mục tiêu của đề tài

là cung cấp một phương pháp đáng tín cậy và hiệu quả dé theo dõi chất lượng nước trong ao nuôi nhằm

đưa ra những đối phó kịp thời khi nhận thấy sự thay đối tiêu cực

Hệ thống được chia làm hai phan:

- Phần thứ nhất được lắp đặt ngoài ao nuôi Có nhiệm vụ ổo các thông số về chất lượng nước sau đó gửi dữ liệu thu thập được về cho phần thứ hai thông qua giao thức LoRa Ngoài ra có thể điều khiển một tải được kết nói qua relay

- _ Phần thứ hai được được lắp đặt trong nhà có nhiệm vụ xử lý các giá trị từ phan thứ nhất Sau đó hiển thị lên LCD Đồng thời có thê đưa ra những phả ứng kịp thời sau khi có những thay đổi xảy ra

Ngoài ra phần thứ hai còn có khả năng đưa dữ liệu lên webserver stv dung platform Thingsboard Điều này cho phép người dùng có thé theo déi chất lượng nước ao môi từ xa thông qua giao diện trực quan và đễ sử dụng Cũng như có thể điều khiển được tải thông qua platform

11 Tổng quan 252 2 22122111211122712110211222221122221 22121 2222222121222 2e 1 1.2 Nhiệm vụ luận văn I Q2 0.02002122112112 122122 11151111 2n 1n 1 1n n1 t1 xnxx n x1 nhe 1

LÝ THUY TH Q.0 SH 21 1221k 2 2.1 Phẩầncứng 2220222222022 022 n2 H2 n 2222 221222222 2 2.1.1 Kitphát triển STM32F103C8T6 Blue Pil 52222222222 22222 2222222222222 xe 2 2.12 Cảm biến RK§00-04 220222002 22012 nn 2n H2 2n 2222221221222 xe 3 2.1.3 Mạch giao tiếp TTL MAX485 UART 20 222 2222222221222 2222 21g22 sec 4 2.1.4 Mạchhạ áp DC LM2596 3A Q.0 H2 H 2222 2222222 sc 5 2.15 Mach Thu Phat RF UART Lora EBYTE E32-433T20D 222 2211212 1228 822 xe 5 2.1.6 Module4G SIMCOM A7670C-LASS 0.0002 0212222 2H22 2222k 6 2.17 — Giao tiếp UART 220222222 2201220120122 H2 HH2 n2 22222 xe 7 2.18 — Chuẩn giao tiếp RS485 2.02220222221222 2xx xe §

2.19 Chuẩn giao tiếp LoRa 2 2211221122112 2122221222222 2222221222 xe 8

2.2 Pha ieee cee cee esse eeere ee tees eet teeter eetntevttvitiens ttarstitssttaresvetteres setters ye 9

2.2.1 Giao thite Modbus occ 0 2212212112112 x 1n xnxx tk kh xxx kh xu 9

Transistor C18§]5 Q0 1122112222 1222 n5 n5 Hx nh HH tàn Hàn HH Hàn Hà HH Hàn Ho HH Hàn HH Hàn HH k 14

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th$, Bùi Quốc Bảo,

3.13 Sơ đồnguyên lý 2.0.22022 021212122222 H 222222122222 raa 14

3.1.4 Chức năng của từng khối chức năng 2222222112 111211228 1222222222222 22x xxe 14

32.1 Sơđồkhối 202202 2201202222222 2222212 ye 15

3.2.2 Danh sách linh kiện và module chính - 1 2221221 1221221111121 1211511111211 511 5H11 Hà 15

N0) 090/01 - 15 Mach Thu Phat RF UART Lora EBYTE E32-433T20D.o.0 cscecccssesessveessesseesineterivterentserensterentarensearensee 15 Biển trở cúc áO s2 c2 010 212221212222 222122 2222221 2121222222222 22x u 15 3.23 Sơ đồnguyên lý Q.2 022 2n 12H22 22222222222 raa 16

3.2.4 Chức năng của từng khối chức năng 2222222112 111211228 1222222222222 22x xxe 16

4 THIẾT KẺÉ VÀ THỤC HIỆN PHÂN MỄM 0 0 0 1122112212112 2x21 ca 17

4.1 Mạch đọc cảm biến 0 0 2n 2n HH HH H2 HH ng tt 2 HH 2n ya 17

4.1.1 Đọc đữ liệu từ cảm biến RK500-04 Q00 2 2222222222222 22222222122 re 17

4.1.2 Giao tiếp truyền nhận LoRa với gateWay 0 0 n2 21 222222222122 18

4.2.1 Giao tiép với mạch đọc cảm biỂn 0 SH HH HH HH2 HH ườn 19

42.2 Hiển thị các giá trị lên LCD Q22 2 2221222112 122222 2221222222222 22121222 eu 20

423 Giao tiếp truyền nhận với Thingsboard thông qua MQTT 222 2222222211221 e2 20

4.24 Lưu đồ của chương trình 222 2212221122112 22 22 E22 22x ee 21

3 KẾT QUÁ THỤC HIỆN S0 HH1 H112 eo 23

5.1 Két quả thực hiện phần CỨNH Q.0 2 2000 1n HH HH HH tk Hà HH HH HH nhà HH 23

5.1.1 Một số vân đề khi thực hiện phần cứng 2222 2221221212221 211222222 1222222222222 xe 23 5.1.2 Kết quả thi công S2 22222212 1122221211012 2212208222222 222221222212 se 23

5.2 Kết quả thực hiện phần mềm Q2 22 2211221122122 22112222112 122222 222222222 saa 27

6 KET LUAN VA HUONG PHAT TRIỀN à SG H222 caa 29

GL Ket a ccc cece cess terse tt ttaretettivtaris n2 HH 222222222222 ga 29 6.2 Hưởng phát triển 22222 2222212221122 2822222222122 a 29

7 TAT LIEU THAM KHẢO 0 S2 0H H1 rai 30

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th$, Bùi Quốc Bảo,

DANH SÁCH HÌNH MINH HỌA

Hình 2.1 Kit phát triên STM32F103C8T6 Blue Pill 22 2225222512112 221181222212 222221222 re 2 Hình 2.2 Cảm biến RK500-04 0Q 25 2222222222 1122222 2122222222221 222221212122 g2 ye 3 Hình 2.3 Mạch giao tiếp TTL MAX485 UART 52225 222121122112211222121122222221 2222221212222 4 Hình 2.4 Mạch hạ áp DC LM2596 3A Q.0 nh HH HH HH HH HH HH HH HH ghe 5

Hình 2.6 Module 4G SIMCOM A7670C-LASS 2 2.02 ch HH HH HH nh HH HH Hot ee 6

Hình 2.7 Câu trúc một gói tin UART - 252 222222122212221121112222 22121221 2822122212212 xe § Hình 2.8 Câu trúc gói tin Modbus RTU 22 22212 221221212221 2211222221 2222221122282 212 xe 10

Hinh 2.9 00216 0n ga 11

Hình 3.1 Sơ đồ khối mạch đọc cảm biến Q0 ST SH n HH HH HH ng ng tt 22t t2 ng ung 13

Hình 3.2 Sơ đỗ nguyên lý mạch đọc cảm biến 2 52222 221221102122 2281222222122 2122222222 14 Hình 3.3 Sơ đỗ khối mạch Gafeway 22 22212 222222222222 2222212222222 xe 15 Hình 3.4 Sơ đỗ nguyên lý mạch GateWay 00 2202202222222 2222222222222 xe 16

Hình 4.1 Lưu đồ giải thuật đọc cảm biến RK500-04 S22 2211221121222 2222222222222 xe 18 Hình 4.2 Lưu đồ giải thuật điều khiển Relay 222 2 2222221221122 2222 222222222222 xe 19

Hình 4.3 Lưu đồ giải thuật giao tiếp LoRa với mạch đọc cảm biến 5 2 2 2222211221181 22 E1 ee 20

Hinh 5.1 Layout mach doc cam 0 cecc ce cscecceesesevssesseseesevsevssetevsrteerssssieerteessetststessetsesitetteesisenswees 24 Hinh 5.2 Layout 3D mach doc cam 70 cceceeccecseveesesseveseesevevesseserssvearsessesrssvesessrttsssietetsevseitevseuteresvees 25

Hinh 5.3 Két quả thi công mạch đọc cảm biến - Q2 2 2222221 22122122222 2212222 2122222222 xe 26 Hình 5.4 Kết quả thực hiện phần mềm gafeWay - 2 2 21212 22222222222 2122221222222 xe 27 Hình 5.5 Kết quả trên thingsboard -22- 2 22112211121112211211122 2112222122222 212221222 e 28

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th$, Bùi Quốc Bảo,

DANH SÁCH BẢNG SO LIEU

Bảng 3.1 Danh sách linh kiện va module chính của mạch đọc cảm biến

Bảng 3.2 Danh sách linh kiện và Module chính mạch Gateway

Luân văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bui Quốc Bảo,

1 GIOI THIEU

1.1 Tổng quan

Mô tả tổng quan về lĩnh vực liên quan đến đề tài và những mục tiêu cần nghiên cứu Từ đó giới

thiệu nhiệm vụ cân đặt ra cho đề tài luận văn

Ngày nay việc áp dụng công nghệ vào canh tác thủy sản đã không còn hiếm Đặc biệt là các hệ thông IoT Các ưu điểm có thê dễ đàng nhận thấy như:

© - Dễ đàng theo dõi, giám sát: Hệ thông với nhiều thiết bị giảm sát như LCD hay qua điện thoại hay máy tính với giao điện trực quan, dé quan sát

e Báo cáo hoạt động: Hệ thông có khả năng lưu trữ các đữ liệu từ có thể đánh giá cải tiến hoạt động môi trồng

© Khả năng tự động hóa: Dễ đàng vận hành điều khiển các thiết bị ngoại vi cũng như đưa ra những đáp ứng kịp thời với sự thay đôi bất thường của môi trường

Do đó ta dễ dàng thấy được các hệ thống IoT đem lại nhiều lợi ích trong canh tác nuôi trồng thủy sản, giúp cải thiện hiệu quả, nâng cao năng xuất

1.2 Nhiệm vụ luận văn

Hệ thống được thiết kế sẽ bao gồm hai phần Phần thứ nhất có nhiệm vụ thu thập các giá trị của cảm biến sau đó gửi cho phần thứ hai Tại đây đữ liệu được hiển thị lên LCD Hệ thống cũng có khả năng đưa đữ liệu lên webserver để có cái nhìn trực quan về các thông số chất lượng nước

Đề tài yêu cầu các nhiệm vụ sau sử dụng Blue PiIl giao thức truyền LoRa giữa hai thiết bị và

sử đụng platform Thingsboard để xây dựng server

Thiết kế xây dựng mạch thứ nhất sử dụng Blue PiII có khả năng đọc các giá trị từ cảm biến sau

đó gửi cho thiết bị thứ hai Đồng thời có thể điều khiên một tải được kết nối thông qua relay

Thiết kế xây dựng mạch thứ hai sử dụng Blue PiIl có khả năng nhận các giá trị từ thiết bị thứ nhất thông qua giao thức LoRa sau đó xử lý để hiển thị các giá trị lên LCD Ngoài ra còn có thê gửi các giá trị này lên server Thingsboard thông qua module stm A7670C théng qua giao thức MOTTT Phát triển xây dựng Thingsboard đề có thê theo dõi các thông số chất lượng nước Ngoài ra còn có thê điều khién relay trực tiếp từ day

Luận văn tốt nghiệp GVIID: Th$, Bùi Quốc Bảo,

2 LY THUYET

2.1 Phần cứng

2.1.1 Kit phat trién STM32F 103C8T6 Blue Pill

Hinh 2.1 Kit phát trién STM32F103C8T6 Blue Pill

Kit phat trién Blue Pill duoc x4y dung trén vi diéu khién chinh 1a STM32F103C8T6 STM32F103C8T6 là mét trong nhimg déng vi diéu khién 32-bit ARM Cortex-M3 cua hang STMicroelectronics Voi kién trac 32-bit và tốc độ xử lý lên đến 72 MHz, STM32F103C§T6 là

một trong những chip vi điều khiển phổ biến và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng nhúng

như thiết bị đo lường, hệ thống điều khiến nhiệt độ, và các thiết bị IoT

Thông số kĩ thuật bao gồm:

- _ Vi điều khiển chính: STM32F103C8T6

- _ Điện áp cấp cấp 5VDC qua công Micro USB sẽ được chuyển đổi thành 3.3VDC qua IC nguồn

và cấp cho Vi điều khiển chính Hoặc cấp trực tiếp 5/3.3VDC vào chân nguồn của kít

- _ Dòng cấp vào: 150mA, dòng ra chân IO: 25mA

- Tich hop san thach anh 8Mhz

- _ Tích hợp sẵn thạch anh 32Khz cho các ứng dụng RTC

- Cac giao thire: SPI, I2C, UART, USB 2.0 Full speed, Can 2.0B

Luân văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bui Quốc Bảo,

2.1.2 Cảm biến RK500-04

Hình 2.2 Cảm biến RK500-04 Cảm biến RK500-04 có chức năng đo nồng độ oxy hòa tan trong nước, đồng thời có tích hợp

đo nhiệt độ Cảm biến thiết kế chắc chắn, cung cấp đữ liệu oxy hòa tan (DO) chính xác trên phạm

vi đo rộng Dồng thời tối ưu chỉ phí bảo trì

Cảm biến RK500-04 được sử dụng rộng rãi trong phân bón hóa học, luyện kim, bảo vệ môi trường kỹ thuật xử lý, dược phâm, hóa sinh, thực phâm, nuôi trồng thủy sản Cụ thể là, trong canh tác thủy hải sản, cảm biến RK500-04 được sự dụng với mục đích theo dõi liên tục lượng oxy hòa tan trong dung dịch

RK500-04 được thiết kế dựa trên nguyên lý huỳnh quang và hiệu suất cao qua màng oxy với thời gian đáp ứng ngắn, độ chính xác của phép đo và hiệu suất ôn định

Thông số kĩ thuật bao gồm:

- _ Điện áp hoạt động: từ 12V đến 24V

- _ Công xuất tiêu thụ: nhỏ hơn 0.2W

- _ Đo nồng độ oxy hòa tan: Khoảng đo 0 — 20mg/L, độ chính xác +0.5%FS

- _ Đo nhiệt độ: Khoảng đo 0-60°C, độ chính xác +0.5°C

- _ Thời gian đáp ứng: nhỏ hon Ì giây

- _ Đầu ra tín hiệu RS485, 4— 20 mA

- _ Tiêu chuẩn bảo vệ IP68

Luân văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bui Quốc Bảo,

UART TTL (vi điều khiển, máy tính nhúng, .) sang chuân giao tiếp RS485 và ngược lại Mạch

được thiết kế với khả năng chống nhiễu cao, đồng thời được thiết kế để các điêm có thê nồi “nóng”

mà không sợ module bị chết khi chưa ngắt đường truyền tổng

Thông số kĩ thuật:

- _ Điện áp hoạt động: 3 - SVDC

- _ Điện áp giao tiếp TTL: 3 - SVDC

- _ Khoảng cách truyền RS485 có thể lên đến 1km (khuyến nghị sử dụng dưới 800m và dây bus chuyên dụng cho RS485)

Luận văn tốt nghiệp GVIID: Th$, Bùi Quốc Bảo, 2.1.4 Mạch hạ áp DC LM2596 3A

Hình 2.4 Mạch hạ áp DC LM2596 3A Mạch hạ áp DC LM2596 có kích thước nhỏ gọn có khả năng giảm áp từ 30VDC xuống 1.5VDC

mà vẫn đạt hiệu suất cao (92%), thích hợp cho các ứng dụng chia nguồn, hạ áp, cấp cho các thiết bị như camera, robot,

Thông số kĩ thuật:

- _ Điện áp đầu vào: Từ 3V đến 30V

- _ Điện áp đầu ra: Điều chỉnh được trong khoảng I.5V đến 30V

- Dong dap ứng tối đa là 3A

- Hiệu suất: 92%,

- Công suất: ISW,

2.1.5 Mach Thu Phat RF UART Lora EBYTE E32-433T20D

Hinh 2.5 Mach Thu Phat RF UART Lora EBYTE32-433T30D

Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bui Quốc Bảo, Mach thu phat RF UART LoRa sử dung chip $X1278 cia nha sản xuất SEMTECH chuân giao tiếp LoRa, chuẩn LoRa mang đến hai yếu tổ quan trọng là tiết kiệm năng lượng và khoảng cách phát siéu xa (Ultimate long range wireless solution), ngoài ra nó còn có khả năng cấu hỉnh dé tạo thành mạng nên hiện tại được phát triển và sử dụng rất nhiều trong các nghiên cứu về IơT Ngoài ra mạch sử

dụng giao tiếp UART giúp dễ đàng kết nói với vi điều khiển hoặc máy tính nhúng

- 512 bytes bộ đệm, Hỗ trợ 65536 địa chỉ cau hinh

2.1.6 Module 4G SIMCOM A7670C-LASS

- Mang su dung: 4G Cat.1

- Dién áp hoạt động: 4.5-16V

Luân văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bui Quốc Bảo,

- Giao tiép UART Data bits 8, Parity none

- _ Giao thức hỗ trợ: TCP/IP/IPV4/IPV6/Multi-PDP/FTP/FTPS/HTTP/HTTPS/DNS

2.17 Giao tiếp UART

Chuẩn giao tiếp UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter — Bộ truyền nhận đữ

liệu nối tiếp bất đồng bộ) là một trong những giao thức truyền thông giữa thiết bị với thiết bị được sử

dụng nhiều nhất Ta có thé thấy giao tiếp UART được sử dụng nhiều trong các img dung dé giao tiếp với các module như: Wiñ, Bluetooth, Xbee, module đầu đọc thẻ RFID với Raspberry Pi, Arduino hoặc

vi điều khiển khác Đây cũng là chuẩn giao tiếp thông dụng và phô biến trong công nghiệp từ trước đến nay

Chuẩn giao tiếp UART sử dụng 2 dây để truyền và nhận dữ liệu giữa các thiết bị: TX (Transmiter) — Day truyền đữ liệu va RX (Receiver) — Dây nhận đữ liệu Ngoài ra nó còn sử dụng một

đồng hồ đề đồng bộ hóa tốc độ truyền giữa các thiết bị Tốc độ truyền dữ liệu được đo bằng bít mỗi

giây (baud rate) Đồng hồ của hai thiết bị cần được đồng bộ đề tránh sự chênh lệch tốc độ truyền dữ liệu giữa chúng

UART có hai chế độ truyền thông: đồng bộ và không đồng bộ Trong chết độ đồng bộ, dữ liệu được truyền với đồng bộ hóa theo một tín hiệu clock được gửi kèm theo đữ liệu Trong chế độ không đồng bộ, dữ liệu được truyền mà không có tín hiệu clock đi kèm

UART cũng hỗ trợ các tín hiệu điều khiển, bao gồm tín hiệu Start bít, Stop bít và Parity bít Tín hiệu Start bit được dùng đề bắt đầu một chu kỉ truyền thông, tín hiệu Stop bít được sử dụng để kết

thúc một chu kỳ truyền thông, và tín hiệu Parity bit được dùng để kiểm tra lỗi truyền dữ liệu

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th$, Bùi Quốc Bảo,

Start bit Word data Parity Stop bit

logic 0 | bit logic 1

Start by Incoming data sampled at the bit-pulse center Sample

detecting stop bit

Chuẩn giao tiếp RS485 có các đặt tính như:

- Cáp RS485 là chuẩn giao tiếp duy nhất có thê kết nối cùng lúc nhiều máy phát và máy thu trên cùng một hệ thống mạng

- RS485 là một chuẩn giao tiếp điểm điểm, nghĩa là các thiết bị truyền thông phải được kết nói trực tiếp với nhau

- RS485 có tính năng tự động điều chỉnh đường truyền, giúp giữ cho tín hiệu ôn định và chống nhiễu 2.1.9 Chuẩn giao tiếp LoRa

Công nghệ LoRa (Long Range) được phát triển bởi Semtech là một giao thức không dây mới được thiết kế đề truyền thông tầm xa, năng lương thấp LoRa được xem là một công nghệ truyền dẫn mới và hiệu quả, đặc biệt là trong việc kết nối với các thiết bị địa phương và đảm bảo tính toàn vẹn của đữ liệu Nó được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng Internet of Things (IoT), quan ly tai nguyén

và các hệ thống kết nói không đây khác

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th$, Bùi Quốc Bảo,

Là công nghệ được sử dụng phố biến hiện nay, LoRa có những đặc điểm sau:

- Phạm vi truyền tải rộng: LoRa có thê truyền tải dữ liệu trên khoảng cách rất xa, và có thê đạt được khoảng cách truyền lên đến 15km hoặc nhiều hơn trong một số điều kiện phủ hợp

- Thấu hạn vô tuyến: LoRa có khả năng truyền tải đữ liệu qua các vật cản như tường, cửa số hoặc các tòa nhà

- Sử dụng mức năng lượng thấp: LoRa có thể hoạt động với mức năng lượng thấp, giúp tăng tuôi thọ pin và giảm chỉ phí sử dụng

- Tốc độ truyền tải thấp: Công nghệ dẫn truyền này có tốc độ truyền tải thấp, nhưng vẫn cung cấp đủ băng thông cho các ứng dụng IoT cụ thể như xác định vị trí, theo dõi tài nguyên và gửi thông tin trạng thái

- Khả năng chống nhiễu tốt, độ an toàn cao cũng như giá thành rẻ là một trong những ưu điểm của chuẩn giao tiếp này

2.2 Phần mềm

2.2.1 Giao thức Modbus

Modbus 1a mét giao thức truyền thông dựa trên mô hình master/slave, được sửa dụng trong các ứng dụng kiêm soát và giám sát trong các hệ thống điện, dầu khí, xử lý nước, bảo vệ môi trường, tự động hóa công nghiệp và nhiều ứng dụng khác

Giao thức modbus cho phép truyền thông giữa các thiết bị điều khiển, cảm biến, máy tính và các thiết bị khác nhau thông qua một mạng RS485 Giao thức Modbus hỗ trợ hai loại chính bao gồm Modbus RTU và Modbus TCP Modbus RTU str dung dinh dạng dữ liệu nhị phân đề truyền thông qua mang RS485, trong khi Modbus TCP sử dụng định dạng dữ liệu TCPAP để truyền thông qua mang Ethernet

Modbus RTU được sử rộng rãi trong các ứng đụng điều khiển và giám sát do tính đơn giản và khả năng hoạt động ồn định trong môi trường khắc nghiệt

Modbus RTU sử dụng một số lệnh cơ bản đề thực hiện các hoạt động trên các Slave, bao gồm các lệnh đọc/ghi từ một thanh ghi Mỗi lệnh được gửi qua mạng với định đạng một chuỗi bít, và được

phản hồi lại với một chuỗi bit tương ứng

Câu trúc của một gói tin Modbus RTU bao gồm:

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th$, Bùi Quốc Bảo, Địa chi Slave: Day là địa chỉ của thiết bị nhận hoặc trả lời gói tin Địa chỉ này có thể là một số tir | dén 247

Function code: Function code xác định loại hoạt động được yêu cầu bởi Master

Dữ liệu cần truyền

CRC: Giá trị kiêm tra CRC của gói tin

>< >< >< >

1 byte 1 byte n byte 2 byte

Hinh 2.8 Cấu trúc gói tin Modbus RTU

Cac Function code phé bién cha Modbus bao gém:

Doc Coil Status (0x01): Doe trang thái của cdc dau ra coil

Doc Input Status (0x02): Đọc trạng thái của các đầu vao disk

Doc Holding Registers (0x03): Đọc giá trị của các thanh ghi lưu trữ

Đọc Input Registers (0x04): Đọc giá trị của các thanh ghi đầu vào

Ghi Single Coil (0x05): Ghi gia tri cho một đầu ra coil

Ghi Single Register (0x06): Ghi gia tri cho mot thanh ghi lu trit

Ghi Multiple Coils (0x0F): Ghi giá trị cho nhiều dau ra coil

Ghi Multiple Registers (0x10): Ghi giá trị cho nhiều thanh ghi lưu trữ

Đối với phần data tùy vào đối tượng là Master hay Slave thi sẽ có các cấu trúc khác nhau 2.2.2 Thingsboard

Thingsboard là một nền tảng IoT mả nguồn mở để giám sát, xử lý dữ liệu, trực quan hóa dit liệu cùng với quản lý thiết bị Nó hỗ trợ các giao thức IoT tiêu chuẩn công nghiệp như MQTT, CoAP, HTTP Thingsboard kết hợp khả năng mở rộng, khả năng chịu lỗi và hiệu suất dé thu thập đữ liệu từ các thiết bị dùng cho việc xử lý và giám sát

Ngoài ra Thingsboard cũng cung cấp gateway server có thê giao tiếp với các thiết bị đính kèm Kết hợp với một giao điện đồ họa trực quan giúp người dùng dễ dàng quản lý và giám sát các thiết bị IoT Nó cũng cho phép phát triển ứng dụng trủy chỉnh thông qua các API và các plugin mở rộng Thingsboard có thê được triển khai trên đám mây hoặc trên các máy chủ riêng tư Điều này cho phép người dùng tùy chỉnh các tùy chọn triên khai để đáp ứng nhu cầu của họ

Luân văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bui Quốc Bảo, Với Thingsboard, người dùng có thể giảm thiêu thời gian và chi phí triển khai hệ thong IoT,

đồng thời tăng tính linh hoạt và hiệu quả của hệ thống

4 Sig Fox 5 ThingsBoard Things Board

4 LoRA 5 loT Gateway

MOTT là một giao thức nhắn tin đựa trên các tiêu chuẩn hoặc một bộ các quy tắc được sử dụng cho việc giao tiếp máy với máy Các thiết bị IoT thường phải truyền và nhận dữ liệu qua mạng có tải nguyên và băng thông hạn chế MQTT được sử dụng để truyền đữ liệu vỉ giao thức này để triển khai

và có thê giao tiếp đữ liệu JoT một cách hiệu quả MQTT hỗ trợ nhắn tin giữa các thiết bị với đám mây

và từ đám mây đến thiết bị MQTT đã trở thành một tiêu chuẩn truyền dữ liệu IoT vì giao thức này

mang lại những lợi ích sau:

- _ Gọn nhẹ và hiệu quả: Việc triên khai MQTT trên thiết bị IoT yêu cầu lượng tài nguyên tối thiểu nên thậm chí có thê sử dụng được trên các bộ vi điều khiển nhỏ Ví dụ: một thông điệp kiếm

soát MQTT tối thiểu có thể nhỏ đến hai byte dữ liệu Tiêu đề thông điệp MQTT cũng nhỏ nên

bạn có thể tối ưu hóa băng thông mạng

- _ Quy mô linh hoạt: Việc triển khai MQTT yêu cầu một lượng mã tối thiêu tiêu thụ rất ít năng lượng trong các hoạt động Giao thức này cũng có các tính năng tích hợp đề hỗ trợ giao tiếp

với một lượng lớn các thiết bị loT Do đó, bạn có thê triển khai giao thức MQTT đề kết nối với

hàng triệu thiết bị nay

- _ Độ tin cậy: Nhiều thiết bị IoT kết nối qua mạng di động không đáng tin cậy với băng thông thấp và độ trễ cao MQTT có các tính năng tích hợp giúp giảm thời gian thiết bị IoT cần để kết

nói lại với đám mây MQTT cũng xác định ba mức chất lượng dịch vụ khác nhau để đảm bảo

độ tin cậy cho các trường hợp sử dụng