TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BỘ MÔN KỸ THUẬT MÁY TÍNH – VIỄN THÔNG ---?????--- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỀ TÀI: THIẾT
TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Hiện nay, trong bối cảnh1Công nghiệp hóa - hiện đại hóa, sự kết nối thông minh và giám sát hiệu suất góp phần đến sự thành1công của1nhiều doanh nghiệp công nghiệp Tuy nhiên, nông1nghiệp vẫn có vai trò quan1trọng trong đời sống, không chỉ cung cấp lương thực mà nó còn1góp phần1không nhỏ vào sự phát triển của1kinh tế đất nước Theo thống kê có khoảng 70% người dân làm nông nghiệp và đưa nông nghiệp chếm 20% tổng GDP cả nước.1Công nghiệp hóa – hiện1đại hóa không phải là xóa bỏ nông nghiệp, mà là áp dụng công nghệ, kiến thức khoa học vào nông nghiệp để cho ra năng suất và chất lượng cao hơn và tiết kiệm chi phí Đặc biệt là trong hoàn cảnh biến đổi khí hậu ngày nay, những kĩ thuật canh tác ngày trước không còn phù hợp thì những công nghệ sẽ thay thế để giải quyếtđược những vấn đề này
IoT trong nông nghiệp đã có nhiều đề tài làm qua Tuy nhiên, các hệ thống giám sát truyền thống vẫn còn gặp nhiều khó khăn, đặc biệt là khi cần truyền dữ liệu khoảng cách xa với công suất thấp Hệ thống giám sát truyền thống thường gặp khó khăn khi kết nối và quản lý cả các thiết bị có dây cũng như không dây một cách hiệu quả Ngoài ra, trong môi trường nông nghiệp hiện đại, việc quản lý và giám sát hàng trăm, thậm chí hàng nghìn thiết bị, cảm biến, cây trồng, khoảng đất là một thách thức đáng kể Hệ thống giám sát hiện tại thường gặp khó khăn trong việc kết nối và quản lý với các thiết bị phân tán, khoảng cách xa vì các nông trường rộng, làm giảm hiệu suất toàn hệ thống và tăng chi phí duy trì Đồng thời, sự phát triển của mạng1không dây đã tạo ra những thay đổi mới, có thể quản lý cùng lúc nhiều thiết bị và truyền xa hơn Cùng với đó là những thách thức về tính ổn định và bảo mật của hệ thống
Hệ thống quản lý giám sát bằng công nghệ mạng LoRa kết hợp cùng với Wifi sẽ giải quyết những khó khăn ở trên trên bằng cách tạo ra một giải pháp mới an toàn, chi phí thấp và bảo mật cao hơn Từ đó, sinh viên thực hiện đã quyết định chọn đề tài “Thiết kế và thi công hệ thống quản lý nông nghiệp thông minh ứng dụng công nghệ LoraWan” để nghiên cứu và phát triển
Mục tiêu thực hiện
Thiết kế và thi1công mô hình quản lý giám sát các1thông số môi trường và điều khiển động cơ là máy bơm tưới nước cho nông nghiệp từ xa bằng công nghệ LoraWan Đo được các thông1số môi1trường như nhiệt độ, độ ẩm, độ ẩm đất, độ PH sau đó gửi tín hiệu bằng công nghệ LoraWan, dữ liệu được gửi lên website qua iot – server Nếu điều kiện1môi trường thay đổi đột ngột sẽ gửi cảnh báo về điện thoại người dùng qua ứng dụng telegram để người dân có thể thực hiện điều chỉnh việc tưới cây với lượng nước phù hợp Người dùng có thể điều khiển máy bơm thông qua 2 chế độ lựa chọn:cơ chế tự động và thủ công Với cơ chế tự động, người dùng sẽ điều chỉnh đặt trước các thông số về độ ẩm, nhiệt độ, độ ẩm đất, độ pH để hệ thống có thể tự động bật tắt các thiết bị Trong khi đó với cơ chế thủ công, người dùng sẽ tự tay bật/tắt các thiết bị Ngoài ra, website sẽ cung cấp thông tin về cây trồng tùy theo sự lựa chọn1của người1dùng, sẽ cho biết kĩ thuật canh1tác phù hợp trong từng giai đoạn của cây cho người1dùng.
Nội dung thực hiện
Trong quá trình thực hiện1đề tài: “Thiết kế và thi công mô hình quản lý nông nghiệp ứng dụng công nghệ LoRaWAN” Sinh viên thực hiện đã nghiên cứu và thực hiện những nội dung sau:
NỘI DUNG 1: Tìm hiểu về các điều kiện môi trường làm ảnh hưởng đến sự phát triển của cây trồng nông nghệp
NỘI DUNG 2: Tìm hiểu về các công nghệ đang được áp dụng trong nông nghiệp hiện nay NỘI DUNG 3: Viết đề cương tóm tắt của đề tài
NỘI DUNG 4: Vẽ các sơ đồ khối, giải thích và lựa chọn linh kiện phù hợp cho các khối
NỘI DUNG 5: Vẽ sơ đồ nguyên lý cho mạch và giải thích các nguyên lý hoạt động
NỘI DUNG 6: Vẽ PCB và thi công mạch
NỘI DUNG 7: Viết chương1trình1giao tiếp cũng như điều khiển1các thiết bị ngoại vi
NỘI DUNG 8: Thiết kế Website và phần cảnh báo đến úng dụng Telegram
NỘI DUNG 9: Thực hiện mô hình và điều khiển các thiết bị qua Website
NỘI DUNG 10: Chạy thử nghiệm mô hình và tiến hành đo đạc, so sánh kết quả và đưa ra cải tiến cho hệ thống
NỘI DUNG 11: Hoàn thiện và tối ưu chương trình
NỘI DUNG 12: Viết luận văn
NỘI DUNG 13: Bảo vệ đề tài.
Giới hạn
Đề tài chỉ chưa có tính ứng dụng nhiều cho người dân, chỉ hoàn thành việc quản lý giám sát các thông số1môi trường1như nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất, pH
Không thể gửi tín hiệu thông báo trạng thái của thiết bị đến người dùng khi thiết bị gặp tình trạng hư hỏng, không hoạt động
Sử dùng nguồn điện trực tiếp nên chưa có sự linh hoạt và tiết kiệm năng lượng.
Bố cục
Chương này giới thiệu tổng quan đề gồm đặt vấn đề, mục tiêu, nội dung thực hiện, giới hạn đề tài1và bố cục của luận văn.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tổng quan về hệ thống
Dưới đây là sơ đồ tổng quát của một hệ thống quản lý nông nghiệp ứng dụng công nghệ LoRa ở hình 2.1
Hình 2.1: Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống
Nguyên lý hoạt động của hệ thống:
Khi mạch được cấp1nguồn thì cảm1biến sẽ đo đạc giá trị của môi trường đưa về khối xử lý trung tâm để xử lý, sau đó giá trị được đưa đến Module LoRa và được truyền đến Gateway nhờ mạng LoRa Tại đây dữ liệu tiếp tục được gởi đến LoRaWAN Server và Cloud Server các thông tin, giá trị được lưu trữ tại đây, thuật toán điều khiển và AI phân tích cũng được xây dựng tại Cloud Server Người dùng cần cài đặt web và app để có thể đọc được các giá trị cảm biến đưa về cũng như là các cảnh báo Tại đây, những chỉ thị được lập trình trước của hệ thống trong Cloud Server sẽ gởi lệnh xuống cho Gateway, truyền xuống EndNode để điều khiển các thiết bị Quá trình thay đổi điều kiện môi trường trong quá trình hoạt động cũng được cập nhật lên Website, app để người dùng theo dõi Ngoài việc sử dụng Website, app thì người dùng còn có thể xem các giá trị cảm biến gởi về thông qua màn hình OLED tại EndNode
Công nghệ Lora
Công nghệ LoRa hay “Long Range Radio” là một công nghệ điều chế dành cho mạng diện rộng công suất thấp (LPWAN) LoRa là một bước tiến lớn dành cho những công trình cần tiết kiệm năng lượng và phạm vi hoạt động rộng LoRa mã hóa thông tin trên sóng vô tuyến bằng các xung chirp tương tự như cách giao tiếp của các loài động vật như dơi, cá heo Tín hiệu truyền đi được chống nhiễu tốt và thu được ở khoảng cách xa
LoRa là giải pháp lý tưởng dành cho các ứng dụng, công trình cần truyền những gói dữ liệu nhỏ với tốc độ bit thấp So với các công nghệ hiện nay như WiFi, Bluetooth, ZigBee thì LoRa có thể truyền ở khoảng cách xa hơn Khoảng cách có thể lên đến 5km ở khu vực thành thị và 15km ở khu vực nông thôn tính theo đường ngắm LoRa cho phép các thiết bị hoạt đồng bằng pin có tuổi thọ lâu dài có thể lên tới 10 năm Vì vậy, đặc điểm của các giải pháp, công trình ứng dụng LoRa là sử dụng mức năng lượng thấp Với những tính năng này, LoRa rất phù hợp với các cảm biến và bộ truyền hoạt động tiết kiệm năng lượng như các lĩnh vực nhà thông minh, nông nghiệp thông minh,…
LoRa có thể vận hành trên các dải băng tần khác nhau tùy vào khu vực trên thế giới:
● Khu vực Trung Quốc: 780 MHz
● Khu vực Châu Âu: 866 MHz
• Có thể kết nối thiết bị ở khoảng cách xa, vùng phủ sóng lên đến vài km
● Bảo mật cao với hai lớp bảo mật mã hóa AES, đảm bảo an toàn
● Dữ liệu có thể truyền tải liên tục, số lượng tin nhắn gửi đi trong này rất lớn gần như không giới hạn
● Mức tiêu thụ năng lượng thấp
● Tần số hoạt động miễn phí không cần trả phí cấp phép
● Kết nối hàng nghìn thiết bị đầu cuối chỉ với một Gateway
● Có thể gặp nhiễu sóng khi hoạt động trong môi trường có nhiều tần số mở
● Tốc độ truyền dữ liệu chậm nên không phù hợp với các ứng dụng băng thông cao
● Tải trọng dữ liệu hạn chế ở mức 100 byte nên không dành cho truyền dữ liệu tải trọng lớn Ứng dụng:
LoRa thường được ứng dụng vào các công trình như:
● Quản lý giao thông, năng lượng, hệ hống đèn công cộng trong thành phố
● Trong nông nghiệp, LoRa được ứng dụng để giám sát thời tiết, theo dõi sức khỏe vật nuôi và bảo vệ an ninh trang trại
● Ở các tòa nhà, LoRa được dùng để giúp phát hiện sớm rò rỉ nước, hỏa hoạn và giám sát an ninh
Hình 2.3: Mô hình ứng dụng Lora giám sát chỉ số môi trường
Mô hình Lora giám sát tương tự như hình 2.3 là một mô hình tiêu biểu Mô hình được dùng để đo các thông số của môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, mưa,… và điều khiển thiết bị Các thông số đó sẽ được truyền qua Lora Gateway đến Cloud Sever
2.2.2 Mạng truyền thông không dây diện rộng công suất thấp LoRa
LoRa là một công nghệ truyền thông không dây dựa trên kỹ thuật điều chế Spread- Spectrum, cụ thể là Chirp Spread Spectrum (CSS) Nhờ đặc tính này, LoRa có thể đạt được phạm vi phủ sóng lên đến hàng km mà không cần sử dụng các mạch khuếch đại công suất, giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể khi truyền và nhận dữ liệu Băng tần hoạt động của LoRa nằm trong khoảng từ 433MHz đến 915MHz, tùy thuộc vào từng khu vực trên thế giới Ở châu Á, băng tần 433MHz được sử dụng
Một đặc điểm nổi bật của công nghệ LoRa là khả năng cho phép nhiều thiết bị cùng hoạt động trong cùng một khu vực mà không gây nhiễu lẫn nhau Điều này được thực hiện thông qua việc sử dụng các tín hiệu Chirp với các tốc độ (Chirp rate) khác nhau, mỗi thiết bị sẽ hoạt động trên một kênh riêng biệt.[4]
Các đặc trưng của điều chế LoRa:
● Khả năng mở rộng băng thông: LoRa có thể được sử dụng cho cả ứng dụng băng hẹp (narrowband) cũng như băng rộng (wideband), mang lại linh hoạt trong thiết kế
● Công suất phát thấp: Việc sử dụng tín hiệu Chirp giúp tín hiệu LoRa có thể dễ dàng được thu nhận, do đó công suất phát chỉ cần ở mức thấp, tiết kiệm năng lượng
● Khả năng chống nhiễu tốt: Đặc tính của tín hiệu Chirp giúp LoRa có khả năng chống lại nhiễu tốt
● Chống lại hiện tượng hao hụt tín hiệu (fading): Do băng thông tương đối rộng của tín hiệu Chirp, LoRa có khả năng chống lại hiện tượng hao hụt tín hiệu tốt hơn
Một số tham số của LoRa
● Hệ số lan truyền (Spreading Factor - SF): Tham số này xác định số lượng tín hiệu
"chirp" được sử dụng để mã hóa từng bit dữ liệu, dao động từ 7 đến 12 Khi SF càng cao, tín hiệu càng được "lan rộng" và khả năng chống nhiễu càng tốt, nhưng tốc độ dữ liệu sẽ giảm
● Băng thông (Bandwidth - BW): Tham số này xác định độ rộng về tần số của mỗi tín hiệu "chirp", thường là 125 kHz, 250 kHz hoặc 500 kHz Băng thông càng rộng, tốc độ dữ liệu càng cao
● Tỷ lệ mã hóa (Coding Rate - CR): Là tỷ lệ bit dữ liệu thực tế so với tổng số bit được truyền, giúp khả năng sửa lỗi tốt hơn nhưng làm giảm tốc độ dữ liệu
● Chỉ số cường độ tín hiệu nhận được (Received Signal Strength Indicator - RSSI): Là chỉ số đo mức công suất tín hiệu thu được, thường được đo bằng đơn vị dBm Giá trị RSSI càng cao, tín hiệu càng mạnh
● Tốc độ dữ liệu (Data Rate): Là số lượng bit được truyền trong một đơn vị thời gian, phụ thuộc vào các tham số trên
● Symbol rate: đại diện cho 1 hoặc nhiều bit tín hiệu
LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế Chirp Spread Spectrum (CSS) Trong đó, dữ liệu sẽ được "băm" thành các xung cao tần1để tạo ra tín hiệu có dải tần số rộng hơn so với tín hiệu gốc Sau đó, tín hiệu này sẽ được mã1hóa dưới dạng các "chirp signal" - các tín hiệu hình sin với tần số thay đổi theo thời gian.Có hai loại chirp signal được sử dụng: up-chirp (tần số
10 tăng dần) và down-chirp (tần số giảm dần) Các bit dữ liệu sẽ được biểu diễn bằng hai loại chirp này: Bit 1 sẽ dùng up-chirp, bit 0 sẽ dùng down-chirp Các chirp signal này sẽ được truyền đi qua ăng-ten, tạo ra một tín hiệu lan rộng về tần số Việc sử dụng CSS giúp tín hiệu LoRa có khả năng chống nhiễu và xuyên qua các vật cản tốt hơn so với các kỹ thuật điều chế truyền thống khác
Hình 2.4: Tín hiệu up- chirp
Theo Semtech, việc sử dụng CSS trong LoRa giúp giảm đáng kể độ phức tạp và yêu cầu độ chính xác cao của mạch thu tín hiệu Mạch thu không cần phải có độ phức tạp và độ chính xác quá cao để có thể giải mã và điều chế lại dữ liệu từ tín hiệu LoRa
Công nghệ giao thức LoRaWAN
Giao thức LoRaWAN là một giao thức mạng không dây được phát triển để kết nối các thiết bị sử dụng công nghệ truyền thông tầm xa và tiết kiệm năng lượng Nó áp dụng công nghệ LoRa và được chính thức quy định trong các thông số kỹ thuật LoRaWAN Một
11 điểm đáng chú ý về LoRaWAN là nó hoạt động trong phổ tần số vô tuyến không cần cấp phép, tương tự như WiFi Tuy nhiên, LoRaWAN sử dụng tần số thấp hơn, cho phép phạm vi truyền dẫn xa hơn Điều này cũng đi kèm với những hạn chế về quản lý tần số khác nhau giữa các khu vực trên thế giới, đòi hỏi LoRaWAN phải tuân thủ các thông số kỹ thuật khu vực cụ thể
Mạng LoRaWAN thường được triển khai theo cấu trúc liên kết hình sao, phù hợp với các nút cuối có khả năng năng lượng hạn chế Các nút cuối này chỉ cần truyền các thông điệp của chính chúng, thay vì phải chuyển tiếp các thông báo từ các nút xung quanh Mạng LoRaWAN được kết nối với một bộ điều phối mạng trung tâm, hay còn gọi là máy chủ mạng Một ưu điểm của LoRaWAN là các cổng truy nhập có cấu trúc đơn giản hơn và chi phí thấp hơn so với các trạm gốc di động phức tạp Các cổng này đơn giản chỉ nhận và chuyển các thông điệp LoRa từ các nút cuối trong phạm vi của chúng
Hình 2.5: Mạng hình sao LoraWan 2.3.2 Cấu trúc hệ thống LoRaWAN
Kiến trúc của hệ thống LoRaWAN được triển khai theo cấu trúc liên kết hình sao bao gồm:
● Nodes: Các thiết bị cảm biến thu thập dữ liệu từ môi trường, mã hóa dữ liệu thành các gói tin và gửi về Gateway
● Gateways: Đóng vai trò trung gian, nhận các gói tin từ các Node và chuyển tiếp chúng đến Network Server
● Network Server: Nơi quản lý, xử lý các gói tin được nhận từ các Gateway Nó loại bỏ các gói tin trùng lặp, giải mã dữ liệu và chuyển đến Application Server
● Application Server: Cung cấp giao diện, ứng dụng cho người dùng để truy cập và xem các dữ liệu từ hệ thống
2.3.3 Ưu nhược điểm hệ thống LoRaWAN
● Hoạt động trên tần số miễn phí, không cần cấp phép
● Một Gateway LoRa có thể phục vụ hàng ngàn thiết bị đầu cuối
● Tầm phủ sóng rộng, lên đến hàng chục km, phù hợp với các ứng dụng như thành phố thông minh, nông nghiệp thông minh
● Tiết kiệm năng lượng, kéo dài tuổi thọ pin
● Đảm bảo bảo mật gói tin
● Không phù hợp với các ứng dụng yêu cầu truyền tải dữ liệu thời gian thực và băng thông cao
● Tốc độ truyền không ổn định do sử dụng tần số mở, có thể bị nhiễu.
Các giao thức được sử dụng
2.4.1 Giao thức SPI a) giới thiệu
SPI là giao thức truyền thông đồng bộ phổ biến được nhiều thiết bị khác nhau sử dụng SPI có thể truyền dữ liệu đi mà không bị gián đoạn Bất kì số lượng bit nào cũng có thể đưọc gửi và nhận trong một luồng liên tục không bị giới hạn như I2C và UART Sinh viên thực hiện đề tài sử dụng giao thức để kết nối giữa Esp32 và Module Lora
13 b) Kiến trúc của giao thức SPI:
Hình 2.6: Mô hình kiến trúc SPI
SPI hoạt động giữa các thiết bị có mối quan hệ Master (thường là vi điều khiển) và
Slave (Cảm biến, LCD, chip bộ nhớ) Một Master có thể giao tiếp với một hoặc nhiều
Slave Kiến trúc của SPI được thể hiện như hình 2.6, trong đó:
- MOSI : dữ liệu được truyền từ Master tới Slave
- MISO: dữ liệu được gửi từ Slave đến Master
- SCLK: Tín hiệu đồng hồ
- SS/CS: tín hiệu chọn Slave để giao tiếp với Master.[5] c) Ưu và nhược điểm của giao thức SPI:
● Không cần bit bắt đầu1và dừng, do đó dữ liệu được truyền liên tục mà không bị gián đoạn
● Không có hệ thống định địa chỉ Slave phức tạp như giao thức I2C
● Tốc độ truyền dữ liệu cao hơn so với I2C, gần gấp đôi
● Các đường truyền (MISO) và nhận (MOSI) dữ liệu là riêng biệt, cho phép truyền và nhận cùng một lúc
● sử dụng 4 dây truyền dữ liệu, trong khi I2C1và UART1chỉ sử dụng 2 dây
● Không có cơ chế xác nhận dữ liệu đã được nhận thành công như trong I2C
● Không có phương thức kiểm tra lỗi như bit chẵn lẻ trong UART
● Chỉ cho phép một Master duy nhất trong mỗi hệ thống.[6]
Giao thức UDP (User Datagram Protocol) là một giao thức cốt lõi của giao thức TCP/IP, được sử dụng để thiết lập các kết nối có độ trễ thấpavà giảm mất mát giữa các ứng dụng trên Internet Giao thức UDP cung cấp hai dịch vụ chính:
● Cung cấp các số hiệu cổng (port number) để giúp phân biệt các yêu cầu khác nhau từ người dùng
● Sử dụng một thuật toán checksum để kiểm tra tính toàn vẹn của dữ liệu Những dịch vụ này không được cung cấp bởi lớp IP, do đó UDP đóng vai trò quan trọng trong việc tạo kết nối1và truyền1dữ liệu giữa các ứng dụng trên Internet
Hình 2.7: Sự khác nhau giữa TCP và UDP Protocol UDP (User Datagram Protocol) và TCP (Transmission Control Protocol) đều hoạt động trên lớp IP và có thể được gọi là UDP/IP hoặc TCP/IP Mặc dù cùng hoạt động trên giao thức IP, nhưng UDP và TCP có những khác biệt quan trọng:
● TCP hỗ trợ giao tiếp máy chủ-máy chủ (host-to-host) TCP được coi là phương thức vận chuyển dữ liệu bảo mật và đáng tin cậy, nhưng có tốc độ truyền chậm hơn TCP chia nhỏ các tập tin dữ liệu lớn thành các gói tin riêng lẻ, đảm bảo lưu lượng và kiểm soát lỗi, thực hiện gửi lại các gói tin bị mất và đảm bảo gửi theo đúng thứ tự
● Trái lại, UDP cho phép giao tiếp quy trình-quy trình (process-to-process) UDP chỉ gửi các gói tin được gọi là datagram, các gói tin này được truyền đi theo các đường dẫn khác nhau giữa người gửi và người nhận Điều này có nghĩa là UDP có khả năng
15 làm mất dữ liệu hoặc truyền dữ liệu không theo thứ tự, tuy nhiên UDP sử dụng băng thông và độ trễ thấp hơn [7]
2.4.3 Giao thức MQTT a) Giới thiệu
MQTT là một giao thức truyền tin cho phép thiết bị giao tiếp với nhau Thiết kế của nó cụ thể dành cho các môi trường có băng thông hạn chế và độ trễ cao MQTT hoạt động dựa trên mô hình publish-subscribe, cho phép các thiết bị gửi tin nhắn trên các chủ đề cụ thể, trong khi các thiết bị khác có thể đăng ký theo dõi những chủ đề đó để nhận các tin nhắn Các thiết bị có thể gửi và nhận tin nhắn, cho phép chúng trao đổi thông tin và tương tác với nhau
MQTT được thiết kế đặc biệt để hoạt động hiệu quả trong các môi trường có điều kiện kết nối không tối ưu, như các ứng dụng Internet of Things (IoT) Mô hình này giúp tăng tính linh hoạt và mở rộng của các hệ thống IoT bằng cách cho phép các thiết bị kết nối và trao đổi dữ liệu mà không cần biết trước danh tính của nhau b) Kiến trúc của giao thức MQTT
Hình 2.8: Mô hình Publisher – Subscriber
MQTT sử dụng mô hình publish-subscribe hoặc pub-sub như hình 2.8 Đây là một mô hình truyền tin liên quan đến các client (thiết bị kết nối với broker) gửi hoặc nhận tin nhắn trên các chủ đề (topic)
Các thành phần chính trong mô hình MQTT bao gồm:
● Nhà phát hành (Publishers): Các thiết bị hoặc ứng dụng gửi tin nhắn chứa dữ liệu đến các chủ đề cụ thể, mà không cần biết về những người nhận (subscriber)
● Người đăng ký (Subscribers): Các thiết bị hoặc ứng dụng thể hiện sự quan tâm trong việc nhận dữ liệu được phát hành trên các chủ đề cụ thể bằng cách "đăng ký" vào các chủ đề này
● Máy chủ trung gian MQTT (MQTT Broker): Là thành phần trung tâm nhận tin nhắn từ các phát hành và giao tin cho các đăng ký dựa trên đăng ký của họ Nó sử dụng một quá trình gọi là tách rời (decoupling) để đảm bảo phân phát tin nhắn mà không cần tương tác trực tiếp giữa các phát hành và đăng ký.[8]
Mô hình này cho phép các thành phần tham gia không cần biết về nhau, giúp giảm sự phụ thuộc và tăng tính linh hoạt cho hệ thống c) Ưu điểm và nhược điểm
● Nhẹ: Thiết kế tin nhắn MQTT rất nhỏ, giúp tối ưu hóa băng thông và phù hợp với các ứng dụng IoT có băng thông hạn chế
● Độ tin cậy: MQTT cung cấp các mức Chất lượng Dịch vụ (QoS) khác nhau, cho phép điều chỉnh độ tin cậy của việc gửi tin nhắn Nó còn hỗ trợ các phiên MQTT liên tục để đảm bảo tin nhắn được gửi đến khi thiết bị trực tuyến trở lại
● Giao tiếp an toàn: MQTT hỗ trợ các biện pháp bảo mật như xác thực người dùng, mã hóa TLS và danh sách kiểm soát truy cập để bảo vệ các thiết lập MQTT
● Khả năng mở rộng: MQTT cho phép mở rộng theo chiều ngang và chiều dọc, hỗ trợ việc phát triển và mở rộng quy mô các dự án IoT
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
Sơ Đồ Khối Hệ Thống
Hình 3.1 Sơ Đồ Khối Hệ Thống Vai trò của từng khối trong hệ thống:
➢ Khối nguồn: Cung cấp điện năng hoạt động cho Endnode
➢ Khối cảm biến: Đo các thông số nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất pH,… gửi dữ liệu1về khối xử lý1trung tâm
➢ Khối xử lý trung tâm: Xử lý các giá trị từ cảm biến đưa về sau đó truyền sang module Lora
➢ Khối hiển thị: Hiển thị các thông số môi trường từ cảm biến gửi về lên LCD
● Khối Gateway: là trung gian tieps nhận dữ liệu từ node, sau đó gửi dữ liệu lên LoRaWAN Server.
● Khối LoRaWAN Server:Nhận dữ liệu được gửi từ Gateway, lưu trữ dữ liệu và hiển thị khả năng hoặt động của hệ thống.
● IoT Server: Lưu trữ dữ liệu, thực hiện các Rulechain để xuất cảnh báo cũng như cấp API để tạo Website.
● Khối Application: Website hiển thị giao diện cho người dùng, cung cấp biểu đồ thể hiện sự thay đổi của thông số môi trường, cảnh báo cho người dùng.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống:
Khi mạch được cấp nguồn thì cảm biến sẽ đo đạc lấy giá trị của môi trường gửi về vi điều khiển trung tâm để xử lý, sau đó giá trị được đưa đến module LoRa và được truyền đến Gateway nhờ mạng LoRa Tại đây giá trị tiếp tục gửi đến LoRaWAN Server các thông tin, giá trị được lưu trữ trên server, người dùng cần cài đặt app hoặc web để có thể đọc được các giá trị của cảm biến đưa về cũng như các cảnh báo Ngoài việc sử dụng app hoặc web thì người dùng còn có thể xem các giá trị của cảm biến gửi về thông qua một màn hình OLED.
THI CÔNG HỆ THỐNG
Thi công phần cứng
Về phần cứng, sinh viên thực hiện đề tài sẽ thiết kế mạch cho 2 Endnode với layout mạch giống nhau vì chức năng của 2 node là như nhau
Hình 4.1 mô tả lay out mạch của Endnode bao gồm vị trí các linh kiện và vị trí hàn chân linh kiện Hình ảnh 3D Endnode sau khi lắp ráp linh kiện được như hình 4.2
Hình 4.2: Hình ảnh 3D Endnode Thi công phần cứng:
Hình 4.3: Mạch PCB mặt sau EndNode
Mạch PCB mặt sau của Endnode sau khi thi công sẽ có sơ đồ chân như hình 4.3
Dưới đây là mô hình Endnode sau khi lắp ráp linh kiện bao gồm esp32, module lora, màn hình oled, relay bật tắt máy bơm và các cảm biến độ ẩm đất, DHT11, PH được thể hiện trong hình 4.4
Hình 4.4: EndNode sau khi hoàn thành
Thiết kế và thực hiện phần mềm
4.2.1 Lưu đồ giải thuật hệ thống
Hệ thống của sinh viên thực hiện đề tài có các yêu cầu bao gồm:
- Đo các thông số nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ pH, độ ẩm đất
- Gửi dữ liệu lên LoRaWAN server thông Gateway làm trung gian
- Gửi dữ liệu lên IoT Server và hiển thị dữ liệu lên Website
Từ những yêu cầu đó, sinh viên thực hiện đề tài xây dựng được lưu đồ giải thuật chính như sau:
Hình 4.5: Lưu đồ giải thuật chính của hệ thống 4.2.2 Khối EndNode
Khối này có chức năng thực đọc giá trị cảm biến nhiệt độ và độ ẩm, bật tắt Relay khi giá trị nhiệt độ và độ ẩm, pH khi vượt ngưỡng và khi nhận được lệnh từ Gateway thì nó sẽ phân tích lệnh và trả về thông tin mà Gateway yêu cầu
Các EndNode sẽ tiến hành thu thập dữ liệu của các cảm biến Sau đó lưu trữ dữ liệu của các cảm biến vào mảng theo khung truyền đã quy định sẵn và truyền dữ liệu đó lên LoRaWAN Server 20 giây một lần Tiếp theo EndNode sẽ tiến vào trạng thái ngủ để tiết
44 kiệm năng lượng Sau 20 giây, MCU sẽ thức dậy và thực hiện lại công việc gửi dữ liệu
Lưu đồ giải thuật của EndNode: Ở khối EndNode, sinh viên thực hiện đề tài sử dụng Arduino IDE để lập trình cho ESP32 Giải thuật cho việc phân tích xử lí lệnh của khối này như hình sau:
Hình 4 6: Lưu đồ giải thuật cho khối EndNode
Hệ thống bắt đầu chia làm 3 luồng hoạt động như sau:
• Luồng đầu tiên, MCU sẽ đọc dữ liệu nhận về từ các cảm biến Ta sẽ đọc lần lượt cảm biến độ ẩm đất, DHT11 và cảm biến pH Sau đó với mỗi thời gian nghỉ 10 giây, tiếp tục đọc cảm biến theo thứ tự
• Luồng thứ 2, ta sẽ hiển thị dữ liệu đọc về từ cảm biến lên OLED, thông qua I2C Ta sẽ cho thời gian nghỉ 5 giây để xóa giá trị cũ và cập nhập giá trị mới, sau đó hiển thị lên OLED
• Luồng thứ 3: Khi thời gian chờ lớn hơn 20 giây, hệ thống sẽ cập nhập gói tin và gởi một tin nhắn lên Gateway, sau đó chờ xem có lệnh từ Gateway gởi xuống hay là không Nếu thời gian chờ chưa được 20 giây, sẽ vẫn chờ xem có lệnh từ Gateway gởi xuống hay là không Nếu nhận lệnh, tùy vào lệnh đó thì sẽ bật tắt relay Sau đó, quay về trạng thái chờ Nếu không có lệnh từ Gateway truyền xuống thì quay lại trạng thái chờ 20 giây sau đó tiếp tục vòng lặp
Khối Gateway có nhiệm vụ gửi yêu cầu và nhận lại phản hồi từ các khối trên, cũng như xử lí dữ liệu nhận được từ các khối Node Cũng như là đẩy dữ liệu lên Server và nhận lệnh từ Server trả về và xử lý Kết nối Gateway với mạng internet thông qua Wifi hoặc ethernet
Kết nối và cấu hình LPS8N LoRa GateWay:
- Đầu tiên kết nối máy tính với Wifi của Module LPS8N phát ra (Dựa trên tên và password của Module)
- Sau khi kết nối Wifi, ta truy cập ip: 10.130.1.1
Hiện lên giao diện sau và ta đăng nhập với Name: root và Password là dragino
Hình 4 7: Login vào Local Dragino LoRaWAN Gateway
Sau khi Login, ta có giao diện như sau:
Hình 4 8: Giao diện sau khi Login
Ta vào Tag LoRa, sau đó chọn tần số tương thích 923Mhz với Module LoRa EndNode như hình 4.9
Hình 4 9: Chọn tần số 923Mhz
Ta đã có phần LoRaWAN Network Server cho Gateway chính là của Chirpstack
Hình 4.10: Giao diện Chirpstack (Lorawan Server)
Ta sẽ cấu hình kết nối giữa GateWay và Chirpstack
Hình 4.11: Thông tin Gateway trong Chirpstack
Bước 1: Vào trang LoRaWAN để lấy GateWay EUI
Hình 4.12: Lấy Gateway EUI từ LoRaWAN
Bước 2: Tạo Device Profile, Gateway Profile
● Tạo Gateway Profile: để cho mục đích tạo Profile cho Gateway devices, đăng ký các tần số đã sử dụng:
Hình 4.14: Đăng ký hồ sơ cho Gateway Profile
● Tạo Device Profile: Mục đích là đăng ký cấu hình cho các devices, cấu hình liên quan đến xác thực kết nối OTAA/ABP, lớp được sử dụng cũng như phương pháp mã hóa và giải mã dữ liệu
Hình 4.15: Đăng ký hồ sơ Device Profile
Bước 3: Tạo Gateway: nhấp vào Gateway sau đó Add Gateway để mở ra trang sau
Hình 4 16: Đăng ký cho Gateway Bước 4: Cấu hình Gateway kết nối với ChirpStack Server
Nhập ID Gateway nhận được trong bước 1 vào ô Gateway EUI Sau đó, lấy IP của ChirpStack Network Server, bỏ vào phần Server Address, sau đó Save&Apply như sau:
Hình 4.17: Điền địa chỉ của Gateway Server
Bước 5: Tạo Application và Device
Tạo một End device cho LoRaWAN Node để gửi data lên ChirpStack Server:
Hình 4.20: Data device Chirpstack – Thông số gói tin
Hình 4.21: Các gói tin được gửi đến
Từ đó ta đã hoàn thành xong việc cấu hình LoRaWAN Gateway và kết nối được nó với LoRaWAN Network Server tức là ChirpStack
Hình 4.22: Kết nối Gateway lên Server thành công
Cấu hình ChirpStack để tích hợp với Thingsboard
ChirpStack sẽ tích hợp với ThingsBoard thông qua giao thức Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) để đẩy các gói tin qua Thingsboard
Bước 1: Sau khi đăng ký tài khoản và thực hiện các cấu hình trên ChirpStack, chọn Application, đi tới Integration, sau đó chọn ThingsBoard
Hình 4.23: Chọn Integration ThingsBoard.io
Bước 2: Truy cập vào https://thingsboard.cloud/, đăng nhập vào tài khoản ThingsBoard của
54 bạn Trên trang ThingsBoard, tạo một thiết bị và sao chép Token để gán vào Thingsboard
Hình 4.24: Tạo device trên Thingsboard
Hình 4.25: Lấy Token của Device trên Thingsboard
Bước 3: Assign Token value to ChirpStack Integration.
Hình 4.26: Assign Token to ChirpStack
Bước 4: Để xem dữ liệu từ ChirpStack gửi đến ThingsBoard, chọn group Device, sau đó chọn biểu tượng mở, chọn thiết bị mới được tạo và sau đó chuyển sang tab Latest Telemetry Bạn cũng có thể tạo một Bảng điều khiển để hiển thị dữ liệu một cách trực quan hơn.
Hình 4 27: Xem data được đẩy lên ThingsBoard
Sinh viên thực hiện đề tài viết web để hệ thống có thể được giám sát một cách dễ dàng và trực quan, người dùng có thể đăng nhập để vào xem được dữ liệu được gởi từ EndNode lên để biết được tình trạng môi trường của cây trong đang như thế nào Cũng như có thể tùy chỉnh auto-manual để bặt tắt motor bằng nút nhấn hay để nó hoạt động theo lập trình, gởi tin LoRa từ cloud xuống EndNode để thực thi lệnh a) Phần đăng nhập
Hình 4 28: Giao diện phần đăng nhập b) Giao diện người dùng
Các khối hiển thị điều kiện môi trường của EndNode 1 và EndNode 2, cùng với tùy chỉnh chế độ Auto-Manual, hiển thị thời gian thực
Hình 4.29: Giá trị điều kiện môi trường
Hình 4.30: Timesiere Table của EndNode 1
4.6.2.2Thiết kế cảnh báo cho người dùng qua Telegram a) Hỗ trợ của Telegram
Telegram cung cấp khả năng tạo ra các Bot Telegram, được xem như là các ứng dụng bên thứ ba Vì vậy, trong bài hướng dẫn này, sinh viên thực hiện đề tài sẽ thể hiện cách bạn có thể tạo một Bot Telegram và cấu hình Rule Engine của ThingsBoard để có thể gửi thông báo đến ứng dụng Telegram bằng cách sử dụng phần mở rộng gọi là API Rest
Sinh viên thực hiền đề tài sẽ cấu hình Rule Engine ThingsBoard để:
• Gửi thông báo tin nhắn cho người dùng nếu cảnh báo được tạo ra
• Thêm loại cảnh báo hiện tại và người tạo ra nó vào nội dung thông báo bằng cách sử dụng Script Transform Node
Về phần Flow Message, ta sẽ giải thích mục đích của mỗi Node:
• Node A: Script Transform Node Nút này sẽ được sử dụng để tạo nội dung của thông báo tin nhắn Telegram
• Node B: REST API Node Node này sẽ gửi dữ liệu tin nhắn Telegram đến điểm cuối REST được cấu hình b) Tạo Bot Telegram
BotFather là bot chính sẽ giúp bạn tạo ra các bot mới và thay đổi cài đặt của chúng
● ThingsBoard đã được khởi chạy và hoạt động
● Bot Telegram đã được tạo ra
Khi quá trình tạo bot hoàn tất, ta có thể tạo ra một mã thông báo ủy quyền cho bot mới của bạn Mã thông báo là một chuỗi có dạng như ảnh sau, cần thiết để ủy quyền cho bot
Hình 4.31 :Tạo bot mới Telegram
59 c) Lấy ID của Boxchat IoT Agriculture Đến dây, sinh viên thực hiện đề tài cần truy xuất ID của ChatBox, bởi vì cần có ID của ChatBox để gửi tin nhắn qua API HTTP Ta gởi tin nhắn bắt đầu trong Telegram:
Hình 4.32: Bắt đầu tin nhắn trong ChatBox mới được tạo IoT Agriculture
Tiếp đến, và nhập URL như sau, trong đó phần Token đổi thành phần Token của thiết bị được lấy trong phần BotFather:
Hình 4.33: Lấy ID của ChatBox IoT Agriculture
Dòng dãy số được bôi đen chính là ID của ChatBox IoT Agriculture Sau bước này, ta có thể cấu hình Rule Chains để sử dụng REST API call Extension c) Cấu hình Rule Chains
Trong phần này sinh viên thực hiện đề tài sẽ cấu hình các Block để tạo thành các tin nhắn cảnh bảo, để được như vậy thì cần phân tích từ dữ liệu Input (Các giá trị nhiệt độ, độ ẩm, pH từ Gateway gởi lên Thingsboard).
Hình 4.34: Cấu hình Rule Chains trong Thingsboard để thông báo lên Telegram
Nội dung trong các khối Switch sẽ quyết định chọn Script nào để REST API CALL đến Telegram.
Hình 4.35: Chương trình phân loại cảnh báo
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Vị trí thực hiện
Sinh viên thực hiện đề tài chọn đo đạc ở Công viên phần mềm Quang Trung Quận 12 có quan cảnh như hình 5.1 và sinh viên thực hiện đề tài chọn đặt Gateway ở vị trí như hình 5.2
Hình 5.1 Khu vực thực hiện đo đạt
Hình 5.2 Vị trí đặt Gateway
66 Địa hình khu vực đo đạc nhìn trên bản đồ và điểm đặt Gateway có đánh dấu sao như hình 5.3
Hình 5.3 địa hình khu vực đo đạc trên bản đồ và vị trí đặt Gateway
• Vị trí 1: cách Gateway 80m và không có vật cản, vật được đặt như hình 5.4 và vị trí đặt Endnode nhìn trên bản đồ như hình 5.5
Hình 5.4: vị trí đặt EndNode lần 1
Hình 5.5: Khoảng cách 80m giữa EndNode và Gateway trên bản đồ
• Vị trí 2: Cách Gateway 159m, EndNode được đặt ở nơi có thể nhìn thấy máy phát ở tầm nhìn thẳng Vị trí đặt như hình 5.7
Hình 5.6: Vị trí đặt EndNode lần 2
Hình 5.7 Khoảng cách 159m giữa EndNode và Gateway trên bản đồ
• Vị trí 3: cách Gateway 316m, tại nơi này đã bắt đầu xuất hiện vật cản và không thể nhìn thấy Gateway
Hình 5.8 Vị trí đặt EndNode lần 3
Hình 5.9: Khoảng cách 316m giữa EndNode và Gateway trên bản đồ
• Vị trí 4: cách máy phát 757m đặt như hình 5.10, tại nơi này không còn nhìn thấy vị trí đặt Gateway, và có rất nhiều vật cản là cây và môt vài tòa nhà như hình 5.11
Hình 5.10: Vị trí đặt Endnode lần 4
Hình 5.11 Khoảng cách 757m giữa EndNode và Gateway trên bản đồ
Tiến hành đo đạc
Ở mỗi vị trí, ta cho EndNode gửi và Gateway nhận 50 gói tin Thời gian giãn cách mỗi gói tin là 20s Trong quá trình đó ta có thể thay đổi các giá trị điều kiện môi trường như thêm nước đối với cảm biến độ ẩm đất, nước và nước chanh trong đối với cảm biến pH, còn bật lửa thay đổi nhiệt độ với DHT11
Hình 5.12: Vận hành hệ thống cùng điều kiện môi trường thay đổi
Trong mạng LoRa, một giá trị RSSI từ -80 dBm đến -100 dBm vẫn được coi là chấp nhận được để duy trì kết nối, tuy nhiên, càng gần -80 dBm thì càng tốt Và cũng trong mạng LoRa, SNR lớn hơn 0 dB cho thấy tín hiệu luôn mạnh hơn nhiễu.
Kết quả đo đạc
Hình 5.13: Kết quả thực nghiệm vận hành ở vị trí 1
Nhận xét: Ở hình 5.13 ta thấy được vị trí 1 nhận đủ 50 gói tin Các giá trị RSSI và SNR trung bình lần lượt là -78.22 dBm và 6.36 dB
Giá trị RSSI -78.22 dBm này cho thấy tín hiệu nhận được ở mức độ khá ổn định và đủ mạnh để duy trì một kết nối không dây hiệu quả
Giá trị SNR 6.36 dB cho thấy tín hiệu tương đối rõ ràng so với nhiễu Mặc dù không phải là lý tưởng nhất, nhưng vẫn đủ để đảm bảo truyền thông liệu hiệu quả trong hầu hết các điều kiện
Hình 5.14: Kết quả thực nghiệm vận hành ở vị trí 2
Nhận xét: Ở hình 5.14 ta thấy được vị trí 2 nhận đủ 50 gói tin Các giá trị RSSI và SNR trung
73 bình lần lượt là -75,66 dBm và 4,9 dB
RSSI ở mức này thường đảm bảo rằng tín hiệu được thu nhận khá tốt, không quá yếu và đủ mạnh để có thể xử lý trong các điều kiện bình thường của mạng LoRa
Giá trị SNR này vẫn còn khá tốt, cho thấy tín hiệu có thể vượt trội so với nhiễu, dù không cao như lý tưởng
Hình 5.15: Kết quả thực nghiệm vận hành ở vị trí 3
Nhận xét: Ở hình 5.15 ta thấy được vị trí 3 vẫn nhận đủ 50 gói tin Các giá trị RSSI và SNR trung bình lần lượt là -77,3 dBm và 4,0 dB
74 Giá trị RSSI này cho thấy rằng, ngay cả ở khoảng cách 500 mét, tín hiệu vẫn được thu nhận với mức độ khá tốt
SNR ở mức 4.0 dB cũng là một chỉ số tương đối tốt, cho thấy tín hiệu vẫn có thể phân biệt rõ ràng so với nền nhiễu ngay cả ở khoảng cách xa Điều này là quan trọng vì nó đảm bảo rằng dữ liệu có thể được truyền một cách đáng tin cậy mà không bị ảnh hưởng quá nhiều bởi nhiễu
Hình 5.16: Kết quả thực nghiệm vận hành ở vị trí 4
Nhận xét: Ở hình 5.14 ta thấy được vị trí 4 chỉ nhận được 20 gói tin Các giá trị RSSI và SNR trung bình lần lượt là -101,1 dBm và -14,2 dB
Giá trị RSSI này cho thấy rằng tín hiệu rất yếu Khi RSSI đạt mức xấp xỉ -101 dBm hoặc thấp hơn, điều này chỉ ra rằng tín hiệu đang ở ngưỡng cực kỳ yếu, và việc duy trì kết nối đáng tin cậy trở nên khó khăn
Giá trị SNR âm, đặc biệt là -14.2 dB, cho thấy tín hiệu hiện tại yếu hơn nhiều so với nền nhiễu Điều này có nghĩa là tín hiệu hầu như không thể phân biệt được so với nhiễu, làm giảm đáng kể khả năng truyền dữ liệu một cách hiệu quả và đáng tin cậy
Việc chỉ nhận được 20 trên 50 gói tin gửi đi là chỉ báo của một tỷ lệ mất mát gói rất cao,
75 khoảng 60% Điều này cho thấy kết nối rất không ổn định và không đáng tin cậy ở khoảng cách và điều kiện này.
