Trong chế độ điều khiển “tự động” thì hệ thống sẽhoạt động một cách tự động hoàn toàn, hệ thống sẽ tự tính toán dựa vào các dữ liệu thu thập được ma điều chỉnh Motor hoạt động hay tắt, n
M6 dau 08
Lý do chọn đề tai ceccccccccccccssesssssessesssessessusssecsesssessecsussuessessusesessecsuesseesesaseess 3 1.2 Muc dich nghién ctu 8 aa
Sức khỏe người tiêu dùng đang bị ảnh hưởng bởi tình trạng rau khô héo do ngâm hóa chất, gây nguy hiểm khi tiêu thụ Nhận thức được điều này, nhiều hộ gia đình đang chuyển sang trồng rau tại nhà Việc trồng rau sạch không chỉ đảm bảo sức khỏe với thực phẩm tươi ngon, an toàn mà còn mang lại lợi ích kinh tế đáng kể.
Ngày nay, con người ngày càng bận rộn với công việc, dẫn đến việc thiếu thời gian chăm sóc cho khu vườn của mình, ảnh hưởng đến chất lượng và sự phát triển của cây trồng Việc trồng cây yêu cầu phải có sự chăm sóc và tưới nước đều đặn, nhưng hiện tại, phương pháp tưới cây chủ yếu vẫn là thủ công, gây ra nhiều hạn chế Tưới không đủ nước sẽ làm cây dễ bị khô hạn, giảm chất lượng và sản lượng, trong khi tưới quá mức lại có thể gây bệnh cho cây, ngập úng và lãng phí nước.
Việc áp dụng công nghệ vào nông nghiệp đang trở thành xu hướng quan trọng, với sự phát triển nhanh chóng của trí tuệ nhân tạo (AI) và Internet of Things (IoT) mở ra nhiều cơ hội mới Những thách thức từ thiên nhiên như biến đổi khí hậu, thiếu hụt nguồn nhân lực và nhu cầu lương thực ngày càng tăng đòi hỏi các giải pháp công nghệ cao để nâng cao hiệu quả sản xuất Do đó, nhóm đã thực hiện nghiên cứu Khóa Luận Tốt Nghiệp với đề tài “Thiết Kế Hệ Thống Tưới Cây Sử Dụng Cho Vườn Thông Minh” nhằm giải quyết những vấn đề này.
Trong bài khóa luận này, nhóm nghiên cứu phát triển hệ thống tưới cây thông minh nhằm khắc phục những hạn chế của phương pháp tưới truyền thống và cải thiện hiệu quả quản lý cây trồng Hệ thống này sẽ tự động hóa quy trình tưới tiêu, giúp người dùng tiết kiệm công sức và tối ưu hóa hiệu suất tưới.
Nhóm sẽ tích hợp các cảm biến để theo dõi các thông số quan trọng như nhiệt độ và độ ẩm của đất Đồng thời, một website sẽ được xây dựng nhằm cung cấp thông tin chi tiết về tình trạng khu vườn, hỗ trợ người dùng trong việc giám sát và điều chỉnh hệ thống tưới tiêu.
Tổng quand ecceccescessesssessesssessessesssessessusssessesssessessesssessesssessessesaseesesseseseess 5 2.1 Một số sản phẩm đã có hiỆn MAY - Ác vn HH ng ng rưy 5 2.1.1 MimosaTEK — Nông nghiệp chính xác, vụ mùa bội thu [3]
NextX NextFarm — Hệ sinh thái nông nghiệp thông minh [4]
NextFarm mang đến các giải pháp công nghệ hiện đại cho nông nghiệp thông minh, tích hợp IoT và AI Sản phẩm của họ bao gồm hệ thống kiểm soát dinh dưỡng tự động, giám sát nông nghiệp từ xa, hệ thống chăm sóc chăn nuôi tự động, cùng với phần mềm truy xuất nguồn gốc và quản lý trang trại hiệu quả.
Ngoài ra, NextFarm hiện tai cũng phat triển nền tảng trí tuệ nhân tạo dé dự báo sản lượng và phát hiện bệnh cây trồng.
Một số sản phẩm của NextFarm:
Hệ thống châm phân tự động NEXTX NEXTFARM FERTIKIT 4G tự động hút phân bón từ bồn chứa và hòa tan vào nước tưới theo tỷ lệ đã cài đặt, cung cấp nước dinh dưỡng cho cây trồng qua béc tưới và hệ thống đường ống Hệ thống này giúp nông dân tự động cung cấp chất dinh dưỡng và nước, giảm thiểu công sức lao động và thời gian Đồng thời, nó đảm bảo cung cấp đầy đủ dinh dưỡng phù hợp cho từng giai đoạn sinh trưởng của cây, giúp cây hấp thụ tối đa chất dinh dưỡng và hạn chế lãng phí phân bón.
Hình 2.4 Hệ thống châm phan tự động NEXTX NEXTFARM FERTIKIT 4G
Hệ thống giám sát nông nghiệp NEXTX NEXTFARM NMC bao gồm cảm biến, bộ lấy dữ liệu, bộ điều khiển trung tâm và ứng dụng di động, cho phép tự động thu thập và phân tích dữ liệu môi trường Hệ thống này cung cấp cảnh báo và đề xuất cho người dùng, phù hợp với nhiều loại cây trồng như cây ngắn ngày, cây dài ngày, trồng ngoài trời và trong nhà kính.
Giải pháp dự báo sâu bệnh NextX.ai — NextFarm là một công nghệ tiên tiến trong nông nghiệp, ứng dụng trí tuệ nhân tạo để dự đoán và quản lý sâu bệnh cho cây trồng Hệ thống này tận dụng các thuật toán học máy cùng với dữ liệu thời tiết để dự báo sự xuất hiện của sâu bệnh, từ đó hỗ trợ nông dân trong việc bảo vệ mùa màng hiệu quả hơn.
Giải pháp dự báo sâu bệnh từ NextX.ai - NextFarm mang lại nhiều ưu điểm cho nông dân NextFarm tự động hóa các khía cạnh chăm sóc cây trồng như tưới nước, điều khiển nhiệt độ và độ ẩm, giúp giảm thiểu công sức và thời gian lao động Bên cạnh đó, NextFarm còn cung cấp ứng dụng điều khiển trên điện thoại với giao diện dễ sử dụng, cho phép nông dân theo dõi và quản lý cây trồng một cách hiệu quả.
Các sản phẩm của NEXTFARM có một số nhược điểm đáng lưu ý, bao gồm chi phí ban đầu cho việc thiết lập hệ thống khá cao Thêm vào đó, do việc sử dụng công nghệ IoT, hệ thống của NextFarm yêu cầu kết nối internet ổn định để đảm bảo hoạt động chính xác.
2.2 Các dé tài nghiên cứu của một số tác giả trước đây Ứng dụng công nghệ trong lĩnh vực nông nghiệp ngày càng trở nên phổ biến, với nhiều nghiên cứu được thực hiện bởi các tác giả trên thế giới.
N.Rajput và một số đồng tác giả đã trình bày một mạng cảm biến không dây (WSN) sử dụng cho việc quản lý và trồng táo ở Ấn Độ [5] - một đất nước mà ngành nông nghiệp có tỉ trọng khá cao trong nền kinh tế Hệ thống này lay các dit liệu từ vườn táo và gửi các dữ liệu đó đến người nông dân Nghiên cứu này nhẫn mạnh vào việc triển khai các cảm biến xung quanh các vườn trồng táo đề đo lường và giám sát dữ liệu khác như nhiệt độ, độ âm, ánh sáng Các tác giả đã nêu rõ các vấn đề quan trong dé phát triển ngành nông nghiệp ở An Độ, và nói về các điểm thách thức trong việc ứng dụng mạng không dây trong việc quản lý khu vườn táo Tuy nhiên, điểm yếu của nghiên cứu là nó vẫn đang ở giai đoạn khái niệm và chưa trình bày rõ ràng về triển khai các công nghệ không dây cụ thé Bài báo chưa nghiên cứu chỉ tiết về lựa chọn các công nghệ này dé ung dung trong thuc té va dap ứng những yêu cầu của ngành trồng trọt.
Jumras và các đồng tác giả đã thực hiện nghiên cứu về việc ứng dụng cảm biến DHT11 trong trang trại, với mục đích đo độ ẩm không khí, độ ẩm đất và lượng nước trong bề tưới Các dữ liệu thu thập từ cảm biến được truyền trực tiếp đến Server ThingSpeakTM thông qua mô-đun Wi-Fi ESP8266 Tuy nhiên, hệ thống này không phù hợp cho các vùng trồng trọt lớn do yêu cầu về phủ sóng Wi-Fi rộng khắp khu vực nông nghiệp.
Các tác giả Ravi Kishore Kodali, Vishal Jain và Sumit Karagwal đã đề xuất một hệ thống IoT cho nhà kính, sử dụng các cảm biến như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm đất và ánh sáng (LDR) Dữ liệu thu thập sẽ được truyền qua mạng GPRS, đồng thời hệ thống sẽ tự động gửi email cho người mua để chia sẻ thông tin về số lượng hàng hóa Mục tiêu của phương án này là giảm thiểu sự can thiệp của người mua bán trung gian, từ đó giảm thiểu tác động tiêu cực và đảm bảo lợi ích cho người tiêu dùng.
Nghiên cứu so sánh giữa các công nghệ như LoRa, Sigfox, NB-IoT và GSM cho thấy LoRa, Sigfox và NB-IoT có hiệu suất vượt trội hơn GPRS, đặc biệt trong điều kiện ngoài trời hoặc bên trong.
2.3 Các vấn đề nghiên cứu Sau khi xem xét các sản phẩm trên thị trường va một số dé tài đã nghiên cứu, nhóm đã tổng hợp lại các đặc điểm nồi bật và nhận thấy một số điểm cần quan tâm dé hoàn thành một hệ thống được hoàn chỉnh.
Nhóm đã đặt ra các van đề cần phải giải quyết như sau:
Thiết kế một mô hình hoàn chỉnh bao gồm các Node và Gateway là cần thiết Mô hình này sẽ có nhiều Node được lắp đặt tại các vị trí cần theo dõi, cùng với một Gateway để thu thập và truyền dữ liệu đo được đến hệ thống xử lý.
Sử dụng cảm biến phù hợp trong nông nghiệp là rất quan trọng Nhóm nghiên cứu cần lựa chọn các loại cảm biến để đo lường các thông số quan trọng như độ ẩm của đất và nhiệt độ môi trường Việc đảm bảo dữ liệu thu thập được hiệu quả trong điều kiện nông nghiệp sẽ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất.
Xây dựng server và cơ sở dữ liệu để quản lý dữ liệu từ các cảm biến là rất quan trọng Server và cơ sở dữ liệu sẽ được thiết lập nhằm lưu trữ, xử lý và quản lý thông tin, từ đó giúp theo dõi và phân tích các tình huống có thể phát sinh.
Các đề tài nghiên cứu của một số tác giả trước đây -:- s2 10 2.3 Các van dé nghiên CỨU - 2-5 SE‡Ek‡EESEEEEEEEEEE121121121121111 111.1 xe 11 Chương 3 Cơ sở lý thuyét c cccccccccccsssssesssesssessussseessecssscssscssecsuesssecsussssessecssecssecsses 12 3.1 Internet Of Things c1 11H HH HH kh 12 3.1.1 GiGi thiệu S⁄⁄ sấế À À ii 12 3.1.2 Ung dụng của IoT trong đời sống ¿©2©2s©5z+cs+cxcss 12 3.1.3 Kiến trúc IOT -cccvccrrrtiirrrriirrrriiirrrrirrrrre 13 3.2 Giao thức truyền nhận dữ liệu không dây Lora .-. : ¿+s+¿ 15 k5: ii nh Sẽ Ýđ
thoại thông minh, máy tính Ngoài ra, các ứng dụng có thể sử dụng Machine
Learning hoặc AI hỗ trợ đưa ra quyết định, sau đó truyền những quyết định đó lại cho các thiết bị IoT để thiết bị phản hồi.
3.2 Giao thức truyền nhận dữ liệu không day Lora
LoRa, viết tắt của "Long Range", là một giao thức truyền thông được phát triển bởi công ty Cycelo của Pháp và sau đó được Semtech mua lại vào năm 2012 LoRa đại diện cho tầng vật lý trong mô hình OSI, chịu trách nhiệm truyền tín hiệu qua sóng vô tuyến Ban đầu, LoRa được phát triển cho ứng dụng radar để gửi và nhận các ký hiệu dữ liệu Để chuẩn hóa và đảm bảo an toàn cho dữ liệu, mạng LoRaWAN ra đời, hoạt động ở tầng MAC, quản lý việc trao đổi và kết nối dữ liệu giữa Node và Gateway.
Trong khóa luận này, nhóm nghiên cứu và sử dụng giao thức LoRa lớp vật lý dé gửi và nhận dit liệu.
3.2.2 Đặc điểm lợi ích của giao thức Lora
LoRa có thể truyền tải tín hiệu ở một khoảng cách rất xa, đo được lên đến 4.3 km trong khu vực đô thị và 9.7 km trong khu vực mở [10]
Một trong những lợi ích nổi bật của công nghệ LoRa là khả năng truyền tín hiệu với công suất thấp Điều này cho phép các thiết bị sử dụng LoRa hoạt động bền bỉ trong thời gian dài, từ đó tiết kiệm chi phí nhờ giảm tần suất thay pin.
LoRa áp dụng cơ chế Chirp Spread Spectrum (CSS), nâng cao khả năng chống nhiễu và cho phép truyền dữ liệu qua các vật cản như tường và tòa nhà Công nghệ này là lựa chọn lý tưởng cho các hệ thống không yêu cầu dữ liệu thời gian thực hoặc độ phân giải cao, chẳng hạn như trong quản lý nông nghiệp, xây dựng thành phố thông minh và theo dõi môi trường.
3.2.3 Các thông số quan trọng trong LoRa Carrier Frequency: là tan số mà tín hiệu LoRa có thé trao đổi dữ liệu Các thông số phổ biến cho tần số sóng LoRa là 868 MHz ở Châu Âu, 915 MHz ở Bắc
Tần số 433 MHz tại Châu Á có ảnh hưởng lớn đến khả năng xuyên qua vật cản và khoảng cách truyền tín hiệu Các tần số thấp hơn thường cho phép truyền tín hiệu xa hơn và hiệu quả hơn trong việc vượt qua các vật cản.
Băng thông là yếu tố quyết định khả năng truyền nhận dữ liệu, với các thông số phổ biến trong LoRa là 125 kHz, 250 kHz và 500 kHz Băng thông rộng hơn cho phép truyền dữ liệu nhanh hơn, nhưng đồng thời cũng tiêu tốn nhiều năng lượng hơn và dễ bị nhiễu từ các tín hiệu khác Do đó, việc lựa chọn băng thông cần được cân nhắc kỹ lưỡng giữa nhu cầu về tốc độ truyền nhận dữ liệu, mức tiêu thụ năng lượng và điều kiện môi trường hoạt động.
Coding Rate: là mức độ bảo vệ lỗi được thêm vào dữ liệu trước khi truyền.
Tỷ lệ mã hóa phổ biến trong LoRa bao gồm 4/5, 4/6, 4/7 và 4/8 Tỷ lệ mã hóa cao hơn mang lại khả năng bảo vệ lỗi tốt hơn và tăng cường độ tin cậy của dữ liệu, tuy nhiên, điều này cũng có thể làm giảm tốc độ truyền tải Do đó, việc lựa chọn tham số Coding Rate cần được xem xét kỹ lưỡng để cân bằng giữa độ tin cậy và tốc độ gửi nhận dữ liệu.
Spreading Factor (SF) là số lượng bit được sử dụng để mã hóa dữ liệu gốc trong công nghệ LoRa, với giá trị phổ biến dao động từ SF7 đến SF12 Giá trị SF cao hơn giúp tăng khoảng cách truyền tải dữ liệu và cải thiện khả năng chống nhiễu, nhưng đồng thời cũng làm giảm tốc độ truyền tải do mỗi bit cần nhiều thời gian hơn để mã hóa Do đó, việc lựa chọn tham số Spreading Factor là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất tối ưu trong hệ thống LoRa.
3.2.4 So sánh giao thức LoRa với một số giao thức không dây khác Dựa vào các thông tin tìm hiểu được, nhóm lập bảng 3.1 so sánh giữa các giao thức truyền thông không dây [12] [13] Các yếu tố được so sánh bao gồm tần
SỐ, phạm vi phủ sóng, tốc độ dữ liệu, năng lượng tiêu thụ, băng thông, độ trễ và bảo mật ^
Bảng 3.1 Bảng so sánh giữa các giao thức truyền thông không dây
LoRa Wi-Fi Bluetooth Zigbee NB-IoT
, | 433/868/915 600MHZ Tan sô 2.4/5 GHz 2.4 GHz 2.4 GHz
Phạm vi | Lên đến Lên đến Lên đến 17-20
Lên đên 90m phủ sóng 15km 100m 90m km
Tốc độ Lên đến 20-250 | Lên đến
; 0.3 - 50 kbps 1-3 Mbps dir liệu 9.607 Gbps kbps 250 kbps
Nang luong Rat thap Cao Thap Thap Rat thap tiéu thu
1 Mhz 0.3-2 Mhz | 180 khz thông 500 khz Mhz
* l , Trung Độ tré Cao Thap Thap Trung binh binh
AES 128- LTE Bao mat | AES 128-bit | WPA2/WPA3 | AES 128-bit bit Security
Qua bang tóm tat so sánh trên, nhóm nhận thay được nhiêu ưu điêm cua
LoRa so với các giao thức khác khi áp dụng trong môi trường nông nghiệp:
LoRa có khả năng phủ sóng lên đến 15 km, vượt trội hơn so với các công nghệ như Wi-Fi, Bluetooth và Zigbee, vốn chỉ có phạm vi ngắn Nhờ vào khả năng này, LoRa có thể bao phủ các khu vực nông nghiệp rộng lớn mà không cần nhiều thiết bị trung gian hay trạm phát.
LoRa tiêu thụ năng lượng rất thấp, các cảm biến và thiết bị IoT sử dụng
LoRa có khả năng hoạt động lâu dài mà không cần sạc hoặc thay pin, điều này tạo nên lợi thế lớn cho công nghệ này so với các giao thức khác như Wi-Fi và Bluetooth, vốn tiêu tốn nhiều năng lượng hơn.
LoRa hoạt động ở tần số thấp, giúp truyền tín hiệu xuyên qua vật cản hiệu quả hơn so với các giao thức tần số cao, điều này rất quan trọng trong môi trường nông nghiệp với nhiều chướng ngại vật như cây cối và địa hình gồ ghề Hơn nữa, chi phí triển khai của LoRa thường thấp hơn so với NB-IoT và các công nghệ khác, tạo lợi thế trong việc giảm chi phí cho các giải pháp IoT trong nông nghiệp.
Giao thức truyền nhận dữ liệu cú dõy ô+ -s + xssksskseseresres 18 1 Giao thức SP| - Ăn ng HH ngàn ng 18 2 Giao thức ONEWIRE Ăn TT nhiệt 20 3.4 Giao thc MANY na
SPI, hay Giao thức Giao tiếp Ngoại vi Chuỗi, là một giao thức đồng bộ được sử dụng để trao đổi dữ liệu giữa vi điều khiển và các thiết bị ngoại vi Được phát triển bởi Motorola vào những năm 1980, SPI nhanh chóng trở thành một trong những giao thức phổ biến nhất trong các ứng dụng nhúng và hệ thống tự động hóa công nghiệp Tốc độ truyền dữ liệu của SPI có thể đạt tới 10Mbps.
SPI hoạt động theo mô hình Master-Slave, trong đó một thiết bị Master điều khiển nhiều thiết bị Slave Điều này cho phép vi điều khiển giao tiếp với nhiều thiết bị ngoại vi khác nhau Nhờ vào hai đường truyền dữ liệu MOSI và MISO, dữ liệu có thể được gửi và nhận đồng thời.
Giao thức SPI hoạt động theo cơ chế 1 Master - 1 Slave, tuy nhiên, nó có một số hạn chế như thiếu cơ chế đảm bảo việc truyền nhận dữ liệu thành công và yêu cầu sử dụng nhiều dây kết nối.
Để kết nối với nhiều Slave trong giao tiếp, cần sử dụng nhiều chân Slave Select, điều này sẽ làm tiêu tốn chân của vi điều khiển Các thiết bị có thể được kết nối theo quy ước Master với nhiều Slave, như thể hiện trong hình 3.4.
Hình 3.4 Một Master kết nối với nhiều Slave
- Duong truyền dữ liệu: o MOSI (Master Out Slave In): Dữ liệu được gửi từ Master đến
Slave thông qua dây này. o MISO (Master In Slave Out): Dữ liệu được gửi từ Slave đến
Master thông qua dây này. o SCK (Serial Clock): Đây là tín hiệu xung Clock được xuất ra bởi
Master dé đồng bộ dữ liệu o SS (Slave Select): Chân chọn slave, do master điều khiển chọn slave cu thé dé giao tiép
- Dac diém: o SPI có bốn chế độ truyền dữ liệu, nhờ vào hai tham số: CPOL
(Clock Polarity) và CPHA (Clock Phase) [15] Các chế độ này
19 xác định sự liên quan giữa xung clock va dit liệu Hình 3.5 thé hiện các chế độ đề truyền dữ liệu trong giao thức SPI.
First Edge Sampling Second Edge Sampling
First Edge Sampling Second Edge Sampling
Chế độ truyền dữ liệu trong SPI được xác định bởi hai yếu tố quan trọng: CPOL, quyết định trạng thái hoạt động khi truyền dữ liệu, và CPHA, xác định cạnh clock (lên hoặc xuống) khi dữ liệu được gửi đi.
Bảng 3.2 thể hiện các chế độ truyền đữ liệu của giao thức SPI
Bảng 3.2 Chế độ truyền dữ liệu
One-Wire is a data transmission protocol developed by Dallas Semiconductor Corp This protocol is notable for its unique feature of utilizing only a single wire for communication, making it efficient and cost-effective for various applications.
Giao thức 20 truyền và nhận dữ liệu là một giao thức không đồ bộ bán song công, cho phép chỉ một bên thực hiện việc gửi hoặc nhận dữ liệu tại một thời điểm Do có chỉ một đường truyền, nên khi không có dữ liệu được truyền, hệ thống cần được đưa lên mức cao để sẵn sàng cho việc truyền tiếp theo.
Mô hình Master-Slave trong giao thức ONE-WIRE cho phép nhiều thiết bị Slave kết nối trên một đường truyền dữ liệu duy nhất, trong khi chỉ có một thiết bị Master Hình 3.6 minh họa cách kết nối trong giao thức này.
Giao thức hoạt động với hai chế độ:
- _ Chế độ Standard: truyền dữ liệu với có tốc độ là 15.4 kbps.
- _ Chế độ Overdrive: truyền dữ liệu với tốc độ là 125 kbps.
Hình 3.6 Giao thức 1-WIRE hoạt động theo mô hình | master — nhiều slave
Có ba hoạt động cơ bản trong giao thức 1-Wire:
Trong quá trình truyền dữ liệu, Master sẽ kéo đường giao tiếp xuống mức thấp để ghi bit 1 trong khoảng thời gian từ 1µs đến 15µs, sau đó đưa về mức cao Đối với ghi bit 0, Master sẽ kéo đường giao tiếp xuống mức thấp trong khoảng từ 60µs đến 120µs trước khi đưa về mức cao Giữa hai lần truyền bit liên tiếp, sẽ có một khoảng thời gian nghỉ nhất định.
- Read: o Master chủ động đưa tín hiệu xuống mức thấp trong khoảng từ
Khi Slave gửi bit 1, nó sẽ kéo đường giao tiếp dữ liệu trở về mức cao Ngược lại, khi Slave gửi bit 0, nó sẽ giữ đường giao tiếp dữ liệu ở mức thấp trong khoảng thời gian từ 15 ps đến 60 µs.
Khi thực hiện quá trình Reset, Master sẽ kéo đường tín hiệu xuống mức thấp và duy trì trong khoảng thời gian từ 480 micro giây đến 640 micro giây Nếu trong khoảng thời gian này có thiết bị kết nối, tín hiệu present sẽ được gửi đi bằng cách kéo tín hiệu xuống mức thấp và giữ trong khoảng từ 60 pico giây đến 240 micro giây Nếu không có tín hiệu present, Master sẽ nhận biết rằng không có thiết bị nào được kết nối.
MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) là một giao thức truyền thông nhẹ và đơn giản, được thiết kế để đảm bảo việc truyền tải tin nhắn hiệu quả và đáng tin cậy giữa các thiết bị Giao thức này đặc biệt phù hợp cho các môi trường mạng có băng thông thấp và không ổn định, do đó, MQTT được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực Internet of Things (IoT).
MQTT là một giao thức hoạt động theo mô hình publisher-subscriber, trong đó các thiết bị gửi thông điệp đến một trung tâm tin cậy gọi là broker, và các thiết bị khác đăng ký để nhận những thông điệp mà họ quan tâm Giao thức này giúp các thiết bị IoT hoạt động với mức tiêu thụ năng lượng thấp và có khả năng hoạt động hiệu quả trong các môi trường mạng không ổn định Hình 3.6 dưới đây minh họa cách thức hoạt động của giao thức MQTT.
MQTT Client MQTT Broker er
Publisher: Temperature Sensor — ễỄ Subs
= Mobile device Subscribe to topic: temperature
Hình 3.7 Cách hoạt động cua giao thức MQTT
HTTP (Hypertext Transfer Protocol) là giao thức mạng dùng dé truyền tai dữ liệu trên web HTTP được sử dụng phổ biến trong việc giao tiếp giữa Client và
Giao thức HTTP hoạt động theo mô hình yêu cầu-phản hồi, trong đó máy khách gửi yêu cầu HTTP đến máy chủ để lấy trang web hoặc gửi dữ liệu Khi nhận được yêu cầu, máy chủ sẽ xử lý và trả về phản hồi HTTP chứa dữ liệu yêu cầu hoặc thông báo lỗi Client và Server giao tiếp thông qua các thông điệp, bao gồm yêu cầu và phản hồi Yêu cầu là thông điệp từ Client đến Server để yêu cầu tài nguyên hoặc thực hiện hành động, trong khi phản hồi là thông điệp từ Server trả lời cho yêu cầu của Client.
Một yêu cầu HTTP bao gồm các thành phần như:
- Phuong thức (method): Xác định hành động mà máy khách muốn thực hiện trên máy chủ, ví du: GET, POST, PUT, DELETE.
- URI (Uniform Resource Identifier): Là định danh của tài nguyên ma yêu cầu đang hướng đến.
- Header: Chứa thông tin bố sung về yêu cầu như thông số, định dạng dữ liệu mong muốn, thông tin xác thực, v.v.
- Body: Chứa dữ liệu gửi đi (thường được sử dụng trong yêu cầu POST hoặc PUT).
Phản hồi HTTP bao gồm mã phản hồi chỉ thị kết quả của yêu cầu, như mã thành công, mã lỗi và mã chuyển hướng Ngoài ra, phản hồi còn có tiêu đề phản hồi và thân phản hồi chứa dữ liệu từ máy chủ.
KẾt quả . 2-©22-©E+SE£2EESEESEEEEEEEEE2E1E71211271712211 111.1 58 5.1 ca ch a
Kiểm thử chức năng -:- + s+SE9Ek+Sk+EE‡EkEEEEEEEEEEEEEEEEE1111 1.1 cree 62 1 Chế độ bán tự động - - 2< cE+ESEEEEEEErrrrrrrrres 62 2 — Chế độ tự động -:+Et+ck SE EEEEEEEErrrrrrrree 64 3 Kiểm thử Website COnfig :-5c-5cccccceEererrrrrsereres 66 5.5 Kiểm thử hệ thong coccccccesesccssesscescesecseesessessessessessesscsssssessessesussscsecsessessecsesees 69 5.5.1 — Đo các thông SỐ c-ckEE+EkEEEEEEEEEEEEErrrrerrrree 69 5.5.2 Dong tiêu thu và ước tính thời gian hoạt động
5.4.1 Chế độ bán tự động
- Cấu hình: o Cấu hình chế độ tự động bằng cách chon “Automatic” ở phan “Select mode”, ở phân này không cân điêu chỉnh các giá trị ở thẻ khác.
Select mode Water when soil measure is less than Don't water when soil measure more than
Hình 5.9 Cấu hình chế độ Manual
Kết quả: o Nhân bật Relay 1 trên web. © Server sẽ gửi lệnh “ON_ID1” cho Gateway thông qua MQTT và
The Gateway will transmit the command to the Node via LoRa In Figure 5.11, the segment “DATA=ON_ID1” represents the message sent from the Server to the Gateway The section labeled “LORA_SEND_PACKET” indicates the message that the Gateway sends out.
T (130873) LORA SEND PACKET: Sending packet: ON ID1
I (1308970) LŨRA: 19 byte packet received: [{"ID":1,"relay":1}]
I (1309010) LORA SEND PACKET: Sending packet: 200
Hinh 5.10 Tin nhan yéu cau bat Relay o Node | sé bật Relay và gửi dit liệu về cho Gateway mỗi 5 giây.
I (232060) LORA SEND PACKET: Sending packet: ON ID1
I (235520) LORA: 48 byte packet received:[{"ID":1, “temp":28,
I (235568) LORA SEND PACKET: Sending packet: 200
I (239130) LORA: 40 byte packet received:[{"1D":1, “temp”: 29,"
I (239170) LORA SEND PACKET: Sending packet: 200
I (242740) LORA: 48 byte packet received:[{"ID":1, "temp":29,"
I (242780) L0RA SEND PACKET: Sending packet: 200
I (245748) LORA SEND PACKET: Sending packet: GET ID
I (246340) LORA: 48 byte packet received:[{"ID":1, “temp":29,
I (246400) LORA_SEND PACKET: Sending packet: 200
I (249958) LORA: 4ð byte packet received:[{"ID":1,"temp":29,"
Hình 5.11 Dữ liệu được Node gửi về sau khi bật Relay
63 o_ Nhấn nút tắt Motor ở Relay 1:
Hinh 5.12 Tat Relay 1 o Tương tự như trên mô ta ở phan bật Relay Sau khi người dùng nhấn tắt Relay, Server sẽ gửi lệnh “OFF_ID1” cho Gateway và Gateway sẽ gửi lai tin nhắn đó cho Node thực thi Node sẽ gửi lại một tin nhắn dé báo cho Gateway và Server biết là đã tắt Relay.
TOPIC=/flespi/gosi DATA=OFF_ID1
Để cấu hình chế độ "Automatic" trong hệ thống, cần chọn thẻ “Select mode” Đồng thời, sử dụng hai thẻ để điều khiển bật/tắt Relay: thẻ màu đỏ sẽ bật Relay khi độ ẩm đất nhỏ hơn 31%, trong khi thẻ màu vàng sẽ tắt Relay khi độ ẩm ở độ sâu 4m vượt quá 46%.
Select mode Water when soil measure is less than Don't water when soil measure more than
Water when today's forecast temparature is Water when today's forecast temparature is more more than than
Hình 5.14 Cấu hình cho chế độ Automatic
Kết quả cho thấy, theo hình 5.15, Relay được bật khi độ ẩm đất nhỏ hơn 31% và motor sẽ tắt khi độ ẩm đất lớn hơn 46% Cụ thể, giá trị độ ẩm đất tại Node 1 là 3%, thấp hơn mức 31% đã cài đặt, do đó Server tự động gửi gói “ON_IDI” yêu cầu Node bật Relay.
Sau khi Node bật Relay thì sẽ gửi lại gói tin xác nhận là “{“ID”:
1,”Relay”: 1}” dé báo cho Gateway biết là đã bật Relay.
Hình 5.15 Kết quả tự động bat Relay
65 o Node I sẽ bat Relay va gửi dữ
I (232000) LORA_SEND_PACKET: Sending packet:
LORA_SEND PACKET: Sending packet:
LORA_SEND_ PACKET: Sending packet:
LORA_SEND PACKET: Sending packet
LORA_SEND_PACKET: Sending packet:
LORA_SEND PACKET: Sending packet: liệu về cho Gateway mỗi 5 giây.
ON_ID1 byte packet received:[{”
Sau một thời gian tưới, độ ẩm đất đã đạt 50%, dẫn đến việc server gửi lệnh tắt cho Node Sau khi Node thực hiện lệnh tắt, nó sẽ gửi lại gói tin xác nhận.
I (902280) LORA_SEND PACKET: Sending packet:
I (906670) LORA_SEND PACKET: Sending packet:
I (911118) LORA SEND PACKET: Sending packet:
I (911400) LORA_SEND PACKET: Sending packet: ending packet: cho gateway biét la da tat Relay.
"ID" :1, “temp”: 29, “hum”: 99, ”"adc_val”:5
Hình 5.17 Kết quả tự động tắt Relay
- Đầu tiên ta cần kết nối đến WiFi của ESP32 ở chế độ Access Point.
- Sau khi khởi động WiFi ta sẽ truy cập trang web Gateway Configuration băng IP mà ta đã thiệt lập trong chê độ
I (1119) esp_netif_lwip: DHCP server start
Access Point. ed on interface WIFI_AP_DEF with IP: 1 Ở đây ta truy cập trang web bang IP đã config là 192.168.0.1 như trên.
Node quantity ESP32 WiFi Connect ESP32 MQTT Connect
Hai Nam matt//matt.fiespi.io
Submit D O Show Password ah2cbuQ57EsGfyGVIW7939tlbBorF a1 7Gwdbie3jcRiG57SHrZduYBRC |
Hình 5.18 Thiết lập các thông số trong Website Gateway Configuration
- Sau đó ta sẽ thiết lập thay đổi các thông số. o GO Node quantity là số lượng Node Ở khóa luận này nhóm sử dụng 3
Để thiết lập Node, cần đặt giá trị là 3 Trong phần WiFi, cần cấu hình tên WiFi và mật khẩu WiFi Đối với phần MQTT, cần cung cấp 4 tham số: URI của MQTT broker (sử dụng Flespi MQTT Broker với URI là mqtt://mqtt.flespi.io), tên Client tự đặt, username, và password.
MQTT Broker nên username này sé là token mà ta đăng ký trên trang web của Flespi, ở đây nhóm không đặt mật khâu nên phan password sẽ dé trồng.
- Kết quả: o Khi kết nối WiFi:
Hình 5.19 Thông báo kết nối WiFi thành công app_nvs_save sta creds: returned ESP OK
Hình 5.20 Kết nối WiFi thành công o_ Khi kết nỗi MQTT mqtt: //mqtt.flespi.1o ah2cbuQ57EsGfyGVtW7939t1bBpr-Fq17Gudbie3cRiG57SHrZduYBRGhotdrrcL
Khoảng cách tối đa cho việc truyền nhận gói tin của LoRa thường không vượt quá 500m Nhóm nghiên cứu đã thực hiện kiểm tra việc truyền nhận gói tin giữa Gateway và một Node, và sau khoảng 3 giây, Gateway sẽ tiến hành gửi gói tin một cách tuần tự.
"GET_IDI" tới Node một sẽ diễn ra trong vòng 5 phút, trong thời gian này, khoảng 100 gói tin sẽ được truyền nhận Tỷ lệ rớt gói tin được tổng hợp trong bảng 5.1 dưới đây, phản ánh các thông số và điều kiện khi nhóm thực hiện với giá trị SF = 7.
Bang 5.1 Ty lệ rớt gói tin
Khoảng cách | Môi trường | Thời gian đo s Sô gói nhận gửi
300~400m Sài 5 phút 100 92 can, cay col
Trên 600m h 5 phút 100 0 can, cây côi
Trong môi trường thực tế ngoài trời, nhiều vật cản làm giảm khoảng cách truyền nhận dữ liệu xuống dưới 600m Tỉ lệ truyền nhận dữ liệu đảm bảo đạt 100% khi khoảng cách dưới 200m Với khoảng cách truyền nhận khoảng 600m, hệ thống phù hợp cho diện tích khu vườn lớn Hình 5.8 minh họa hiện tượng mất dữ liệu khi truyền và nhận ở khoảng cách xa.
Hình 5.22 Bi mat gói dữ liệu
5.5.2 Dòng tiêu thụ và ước tính thời gian hoạt động
* Theo thực tế: Nhóm sử dung VOM dé do dong tiêu thụ của từng trạng thái hoạt động như sau:
Nhóm sẽ thực hiện đo lường với quy chiếu sau 30 giây, khi đó Gateway sẽ gửi gói tin “GET_IDx” đến Node một lần Sau khi nhận được dữ liệu, Gateway sẽ yêu cầu bật Relay trong khoảng thời gian 20 giây.
- Khi vi điều khiển ở chế độ bình thường tiêu thụ khoảng 30mA.
Sau 30 giây, khi nhận tín hiệu “GET_IDx” từ Gateway, vi điều khiển sẽ đo nhiệt độ và độ ẩm đất, sau đó gửi dữ liệu qua module LoRa với mức tiêu thụ khoảng 60mA trong 0.5 giây, rồi chuyển sang chế độ ngủ.
- _ Khi bật relay thì vi điều khiển sẽ tiêu thụ khoảng 100mA.
Bảng 5.2 Dòng tiêu thụ khi đo thực tế Chế độ hoạt động | Dòng điện tiêu thụ | Thời gian Don vi do dòng
- Khi đọc giá trị từ | 60 0.5s cảm biến và truyền mA dữ liệu
- Tổng dong điện tiêu thụ trung bình:
- Sử dung 1 viên 18650 1800mAh cấp dòng cho mach:
=> Thời gian hoạt động cua 1 Node: 1800/58,83 ~ 33.4 giờ.
5.5.3 Sản phẩm thực tế Hình 5.9 thể hiện sản pham mà nhóm đã hoàn thành.
Hình 5.23 Sản pham Node Hình 5.24 thé hiện hình ảnh kết nối bên trong mỗi Node
Hình 5.24 Cấu trúc bên trong một Node Hình 5.25 là hình ảnh thực tế của 3 Node mà nhóm đã đóng gói hoàn chỉnh
Hình 5.26 là hình kết nối trong Gateway mà nhóm đã đóng gói.
Chương 6 Kết luận và hướng phát triển
6.1 Kết luận Sau thời gian 3 tháng nghiên cứu và triển khai đề tài, nhóm đã hiện thực được một sô các yêu câu đê ra:
* Các yêu cầu về lý thuyết:
Nhóm đã tiến hành nghiên cứu tổng quan về tình trạng nông nghiệp hiện nay, nhấn mạnh tầm quan trọng của việc chăm sóc rau sạch trong việc bảo vệ sức khỏe cộng đồng.
Nhóm nghiên cứu đã tiến hành khảo sát các lý thuyết liên quan để xây dựng kế hoạch thực hiện đề tài, đồng thời lựa chọn các phần cứng cần thiết cho quá trình triển khai.
Nhóm đã tiến hành phân tích và thiết kế mô hình tổng quan cho hệ thống, dựa trên các nghiên cứu hiện có Qua đó, nhóm xác định những điểm hạn chế và xây dựng mô hình tổng quan cho từng khối, đồng thời thiết kế các giải pháp và cấu trúc dữ liệu phù hợp.
* Các yêu câu vê triên khai:
Triển khai một hệ thống bao gồm một Gateway và ba Node, trong đó các Node có nhiệm vụ thu thập dữ liệu và gửi về Gateway Gateway sẽ truyền tải dữ liệu lên Server để xử lý và lưu trữ.
Xây dựng Server: Xây dựng thành công một Server bằng nền tảng NodeJS dé xử lý va quan lý dữ liệu.