Trong những năm gần đây, một xu hướng đầy thách thức liên quan đến việc chuyển giao các công nghệ liên quan đến Internet of Things IoT như cảm biến, bộ điều khiển vi mô, giao thức truyền
TỔNG QUAN
ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay, trong thời kỳ công nghệ 4.0, máy móc ngày càng hiện đại đang thay thế sức lao động con người trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là nông nghiệp Với hơn 65,4% dân số sống ở vùng nông thôn và 42% lực lượng lao động làm trong nông nghiệp, việc áp dụng nông nghiệp công nghệ cao trở nên cần thiết Nông nghiệp công nghệ cao sử dụng các công nghệ tiên tiến để nâng cao chất lượng và năng suất nông sản, đồng thời giảm bớt sức lao động Điều này được thực hiện thông qua việc giám sát các yếu tố như ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm và lượng mưa, cũng như điều khiển các thiết bị như đèn, quạt và bơm nước.
Trong những năm qua, việc tìm kiếm giải pháp mới để ổn định và nâng cao chất lượng nông sản, cũng như năng suất thu hoạch, đã trở thành ưu tiên hàng đầu của nhà nước Các ứng dụng công nghệ mới, đặc biệt là IoT (Internet of Things), đã được áp dụng để tối ưu hóa quá trình chăm sóc, thu hoạch và phát hiện vấn đề nguy hại cho cây trồng, từ đó nâng cao năng suất cây trồng một cách đáng kể Nhóm chúng em đã quyết định nghiên cứu và thiết kế mạng cảm biến không dây sử dụng công nghệ Lora và GSM nhằm quản lý trang trại hiệu quả hơn.
MỤC TIÊU
Hệ thống giám sát và điều khiển được thiết kế để theo dõi các thông số nhiệt độ và độ ẩm, cũng như quản lý các thiết bị như đèn và máy bơm trong khu vườn Người dùng có khả năng điều khiển toàn bộ thiết bị trong hệ thống, bao gồm 2 Node được lắp đặt tại hai khu vườn khác nhau.
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Trong quá trình thực hiện Đồ án tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu và thiết kế mạng cảm biến không dây sử dụng công nghệ Lora và GSM cho quản lý trang trại”, nhóm chúng tôi đã tập trung vào việc giải quyết và hoàn thành các nội dung quan trọng liên quan đến việc tối ưu hóa hiệu suất mạng, cải thiện khả năng giám sát và quản lý tài nguyên trong nông nghiệp.
Nội dung 1: Lên ý tưởng thực hiện đồ án, tìm hiểu về linh kiện sử dụng
Nội dung 2: Thiết kế lập trình giao tiếp với các Module cấp trang trại
Nội dung 3: Kết nối NodeMCU ESP32 với internet để cập nhật dữ liệu dùng cho việc hiển thị, truyền nhận thông tin lên ứng dụng Blynk
Nội dung 4: Nghiên cứu xây dựng giao diện web server, cài đặt và kết nối Module
NodeMCU Esp32 với ứng dụng Blynk nhằm giao tiếp với hệ thống thông qua Internet
Nội dung 5: Thiết kế và tiến hành viết chương trình cho vi điều khiển và Blynk
Nội dung 6: Lắp ráp các khối vào mô hình
Nội dung 7: Chạy thử nghiệm, cân chỉnh hệ thống
Nội dung 8: Viết luận văn
Nội dung 9: Báo cáo đề tài tốt nghiệp.
GIỚI HẠN
Board mạch của bộ xử lý trung tâm được đặt trong hộp mica có kích thước 158x90x75mm
Board mạch của bộ xử lý trung tâm và hai bộ xử lý phụ được đặt trong hộp đảm bảo tính thẩm mỹ và an toàn
Mỗi node sẽ dung để đọc dữ liệu cảm biến nhiệt độ, độ ẩm và truyền về gateway, từ gateway điều khiển 1 bơm và 1 đèn ở mỗi node
Hệ thống có thể thêm giám sát bằng camera tại mỗi bộ điều khiển và thêm nguồn dự phòng khi có sự cố mất điện
Phát triển thêm nhiều tính năng tiện ích, ứng dụng trong trang trại IOTs như: Hệ thống cảnh báo sâu bọ, hệ thống tưới tiêu tự động
Tổng quan
Đă ̣t vấn đề, mu ̣c tiêu, nội dung nghiên cứu, giới hạn và bố cu ̣c đề tài
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Trình bày về quy trình hoạt động củ a hệ thống Giới thiệu phần cứng và các phần mềm công cụ được sử du ̣ng trong đề tài.
Tính toán và thiết kế
Giới thiệu về hệ thống, tính toán thiết kế phù hợp, sơ đồ nguyên lý, thi công hệ thống và viết phần mềm.
Thi công hệ thống
Trình bày quá trình thi công mạch, kết quả đạt được.
Kết quả, nhận xét và đánh giá
Trình bày kết quả hoàn thiện, nhận xét ưu điểm, hạn chế và đánh giá mức độ hoàn thành
Trình bày nhận xét các kết quả đạt được từ mô hình, mức độ hoàn thiện đề tài và trình bày kết luận nêu hướng phát triển
Tài liệu tham khảo và phụ lục
Tài liệu tham khảo và phu ̣ lục.
Chương 2 CƠ SỞ LÍ THUYẾT
2.1 GIỚI THIỆU VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
2.1.1 Mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây (WSN) là hệ thống gồm các thiết bị cảm biến phân tán, có nhiệm vụ thu thập, xử lý và truyền dữ liệu qua mạng không dây Các cảm biến này thường nhỏ gọn, tiết kiệm năng lượng và có khả năng giao tiếp không dây, cho phép gửi dữ liệu đến trung tâm điều khiển hoặc các thiết bị khác trong mạng.
Hệ thống mạng cảm biến không dây (WSN) bao gồm các thành phần chính như cảm biến, bộ thu phát, vi xử lý, nguồn năng lượng, bộ lưu trữ, bộ thu thập dữ liệu, trạm cơ sở (gateway), máy chủ trung tâm và phần mềm giao diện người dùng, nhằm mục đích thu thập, xử lý và truyền tải dữ liệu một cách không dây.
Hình 2.1 Mô hình mạng cảm biến không dây
2.1.2 Nguyên lý hoạt động của mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây (WSN) thu thập dữ liệu môi trường thông qua các cảm biến, sau đó xử lý và truyền dữ liệu qua bộ thu phát không dây đến trạm cơ sở hoặc gateway Tại đây, dữ liệu được gửi tiếp đến máy chủ trung tâm để lưu trữ và phân tích.
2.1.3 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây
Các đặc điểm của mạng cảm biến không dây gồm:
Khả năng tự tổ chức
Tiêu thụ năng lượng thấp
Khả năng hoạt động trong môi trường khắc nghiệt
2.1.4 Các loại mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks)
Tùy thuộc vào môi trường, các loại mạng được quyết định để chúng có thể được triển khai dưới nước, dưới lòng đất, trên cạn,…
2.1.4.1 WSN trên cạn (Terrestrial wireless sensor networks)
Mạng cảm biến không dây trên cạn (TWSN) bao gồm các cảm biến lắp đặt trên bề mặt đất để thu thập dữ liệu môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và chuyển động Dữ liệu này được truyền qua các nút mạng đến trạm cơ sở để xử lý và phân tích TWSN thường được ứng dụng trong giám sát nông nghiệp, quản lý tài nguyên và theo dõi môi trường đô thị.
Mạng cảm biến không dây ngầm (UWSN) là hệ thống cảm biến lắp đặt dưới mặt đất nhằm thu thập dữ liệu về các điều kiện ngầm như độ ẩm, nhiệt độ đất, chuyển động địa chất, và mức nước ngầm Dữ liệu này được truyền từ các nút mạng ngầm lên trạm cơ sở trên mặt đất để xử lý và phân tích UWSN được ứng dụng phổ biến trong nông nghiệp thông minh, giám sát hạ tầng ngầm, và cảnh báo sạt lở đất.
Hình 2 2 Mạng cảm biến không dây ngầm (Underground WSN)
2.1.4.3 WSN dưới nước (Underwater WSN)
Mạng cảm biến không dây dưới nước (UWSN) là hệ thống cảm biến triển khai dưới nước nhằm thu thập dữ liệu môi trường như nhiệt độ, độ mặn, áp suất nước và các thông số hóa học Dữ liệu từ các cảm biến này được truyền qua mạng ngầm đến trạm cơ sở trên mặt nước hoặc các thiết bị thu thập dữ liệu khác UWSN có ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu môi trường biển, giám sát sinh thái, quản lý tài nguyên nước và các lĩnh vực quân sự.
Hình 2 3 Mạng cảm biến không dây ngầm (Underground WSN)
2.1.4.4 WSN đa phương tiện (Multimedia WSN)
Mạng cảm biến không dây đa phương tiện (MWSN) là hệ thống cho phép các nút cảm biến thu thập và truyền tải dữ liệu không chỉ về nhiệt độ và độ ẩm mà còn về âm thanh, hình ảnh và video MWSN rất phù hợp cho các ứng dụng giám sát đòi hỏi thông tin đa chiều, cung cấp hình ảnh sắc nét và âm thanh chất lượng cao từ nhiều vị trí khác nhau.
Hình 2 4 Mạng cảm biến không dây đa phương tiện
2.1.5.5 WSN di động (Mobile WSN)
Mạng cảm biến di động bao gồm các nút cảm biến tự di chuyển, cho phép tương tác linh hoạt với môi trường vật lý So với mạng cảm biến tĩnh, mạng cảm biến không dây di động có phạm vi phủ sóng tốt hơn, hiệu quả năng lượng cao hơn và dung lượng kênh vượt trội, giúp triển khai dễ dàng trong nhiều tình huống khác nhau.
2.1.6 Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây được ứng dụng nhiều vào thực tế, trên mọi lĩnh vực:
Trong công nghiệp: Thu thập thông tin và giám sát trạng thái hoạt động của hệ thống trạng thái thiết bị, nhiệt độ và áp suất của nguyên liệu,…
Các ứng dụng ở hộ gia đình:
Cảm biến cửa ra vào và cửa sổ
Bộ điều khiển bóng đèn
Thiết bị cảnh báo nguy hiểm
Thiết bị an ninh Các ứng dụng trong nông nghiệp
Kiểm tra môi trường, không khí, đất trồng, biển,
Phát hiện cháy rừng, lũ lụt, nghiên cứu ô nhiễm mô trường
Tưới cây tự động, tính toán mùa màng
Các ứng dụng trong y tế:
● Hệ thống báo động khẩn cấp
● Thiết bị theo dõi sức khỏe
● Thiết bị theo dõi bệnh nhân
2.2 GIỚI THIỆU CÁC CHUẨN TRUYỀN THÔNG
2.2.1 CHUẨN TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY WIFI
Wi-Fi (Wireless Fidelity) là hệ thống mạng không dây sử dụng các sóng vô tuyến, tương tự như điện thoại di động, truyền hình và radio
Wi-Fi hiện nay là công cụ kết nối thiết yếu cho các thiết bị như điện thoại, máy tính và ứng dụng IoT trong nhà thông minh Công nghệ này hoạt động bằng cách truyền và nhận sóng vô tuyến, chuyển đổi mã nhị phân thành sóng vô tuyến và ngược lại Điểm khác biệt của chuẩn truyền thông Wi-Fi so với các sóng vô tuyến khác là khả năng phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz hoặc 5 GHz, cao hơn so với tần số của điện thoại di động, thiết bị cầm tay và truyền hình Tần số cao hơn cho phép tín hiệu truyền tải nhiều dữ liệu hơn.
Hiện nay, hầu hết các thiết bị WiFi đều tuân theo chuẩn 802.11n, hoạt động ở tần số 2.4GHz với tốc độ tối đa lên đến 300 Megabit/s Kết nối WiFi dựa trên chuẩn IEEE 802.11, chủ yếu phát trên băng tần 54 Mbps và có tín hiệu mạnh nhất trong một khoảng cách nhất định.
UART, viết tắt của Universal Asynchronous Receiver/Transmitter, là một vi mạch có sẵn trong vi điều khiển, khác với các giao thức truyền thông như I2C và SPI Chức năng chính của UART là truyền dữ liệu nối tiếp, cho phép giao tiếp giữa hai thiết bị thông qua hai phương thức: giao tiếp dữ liệu nối tiếp và giao tiếp dữ liệu song song Đây là chuẩn giao tiếp phổ biến, được sử dụng rộng rãi trong việc kết nối giữa các vi điều khiển và các thiết bị khác.
Hình 2.6 Chuẩn truyền thông UART
Trong giao tiếp UART, có hai loại chính là truyền UART và nhận UART, và chúng có thể giao tiếp trực tiếp với nhau Để thực hiện điều này, chỉ cần sử dụng hai cáp kết nối giữa hai UART Dữ liệu sẽ được truyền từ cả hai chân truyền (Tx) và nhận (Rx).
UART là giao thức truyền dữ liệu cho phép truyền tải thông tin từ Tx UART sang Rx UART một cách không đồng bộ, nghĩa là không cần tín hiệu đồng hồ (CLK) để đồng bộ hóa các bit.
Hình 2.7 Giao tiếp UART giữa 2 thiết bị
Một vài thông số trong truyền nhận UART:
Start bit là bit đầu tiên được truyền trong một Frame, có vai trò quan trọng trong việc thông báo cho thiết bị nhận rằng một gói dữ liệu sắp được gửi đến Bit này là yếu tố bắt buộc trong quá trình truyền dữ liệu.
Stop bit là một hoặc nhiều bit được sử dụng để thông báo cho thiết bị nhận rằng quá trình gửi dữ liệu đã hoàn tất Thiết bị nhận sẽ thực hiện việc kiểm tra khung truyền để đảm bảo tính chính xác của dữ liệu, vì vậy bit này là bắt buộc.
Frame: quy định về số bit trong mỗi lần truyền
Parity bit: kiểm tra dữ liệu truyền có đúng không Trên thực tế, bit này không được sử dụng rộng rãi nên không bắt buộc
CƠ SỞ LÍ THUYẾT
GIỚI THIỆU VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
2.1.1 Mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây (WSN) là hệ thống gồm các thiết bị cảm biến nhỏ gọn, tiết kiệm năng lượng, được phân tán để thu thập, xử lý và truyền dữ liệu qua mạng không dây Các cảm biến này có khả năng giao tiếp không dây, cho phép gửi dữ liệu đến trung tâm điều khiển hoặc các thiết bị khác trong mạng.
Hệ thống Mạng Cảm Biến Không Dây (WSN) bao gồm các thành phần chính như cảm biến, bộ thu phát, vi xử lý, nguồn năng lượng, bộ lưu trữ, bộ thu thập dữ liệu, trạm cơ sở (gateway), máy chủ trung tâm và phần mềm giao diện người dùng, nhằm mục đích thu thập, xử lý và truyền tải dữ liệu một cách không dây.
Hình 2.1 Mô hình mạng cảm biến không dây
2.1.2 Nguyên lý hoạt động của mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây (WSN) thu thập dữ liệu môi trường thông qua các cảm biến, sau đó xử lý và truyền tải dữ liệu qua bộ thu phát không dây đến trạm cơ sở hoặc gateway Tại đây, dữ liệu được chuyển tiếp đến máy chủ trung tâm để lưu trữ và phân tích.
2.1.3 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây
Các đặc điểm của mạng cảm biến không dây gồm:
Khả năng tự tổ chức
Tiêu thụ năng lượng thấp
Khả năng hoạt động trong môi trường khắc nghiệt
2.1.4 Các loại mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks)
Tùy thuộc vào môi trường, các loại mạng được quyết định để chúng có thể được triển khai dưới nước, dưới lòng đất, trên cạn,…
2.1.4.1 WSN trên cạn (Terrestrial wireless sensor networks)
Mạng cảm biến không dây trên cạn (TWSN) bao gồm các cảm biến được lắp đặt trên bề mặt đất nhằm thu thập dữ liệu môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và chuyển động Dữ liệu này được truyền qua các nút mạng đến trạm cơ sở để xử lý và phân tích TWSN thường được ứng dụng trong giám sát nông nghiệp, quản lý tài nguyên và theo dõi môi trường đô thị.
Mạng cảm biến không dây ngầm (UWSN) là hệ thống cảm biến lắp đặt dưới mặt đất nhằm thu thập dữ liệu về độ ẩm, nhiệt độ đất, chuyển động địa chất và mức nước ngầm Dữ liệu này được truyền qua các nút mạng ngầm đến trạm cơ sở trên mặt đất để xử lý và phân tích UWSN thường được ứng dụng trong nông nghiệp thông minh, giám sát hạ tầng ngầm và cảnh báo sạt lở đất.
Hình 2 2 Mạng cảm biến không dây ngầm (Underground WSN)
2.1.4.3 WSN dưới nước (Underwater WSN)
Mạng cảm biến không dây dưới nước (UWSN) là hệ thống cảm biến được lắp đặt dưới nước nhằm thu thập dữ liệu môi trường như nhiệt độ, độ mặn, áp suất nước, dòng chảy và các thông số hóa học Dữ liệu từ các cảm biến này được truyền qua mạng ngầm đến trạm cơ sở trên mặt nước hoặc các thiết bị thu thập dữ liệu khác UWSN có ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu môi trường biển, giám sát sinh thái, quản lý tài nguyên nước và các lĩnh vực quân sự.
Hình 2 3 Mạng cảm biến không dây ngầm (Underground WSN)
2.1.4.4 WSN đa phương tiện (Multimedia WSN)
Mạng cảm biến không dây đa phương tiện (MWSN) là hệ thống cho phép các nút cảm biến thu thập và truyền tải dữ liệu không chỉ về nhiệt độ và độ ẩm mà còn về âm thanh, hình ảnh và video MWSN rất phù hợp cho các ứng dụng giám sát yêu cầu thông tin đa chiều, cung cấp hình ảnh rõ nét và âm thanh chất lượng cao từ nhiều vị trí khác nhau.
Hình 2 4 Mạng cảm biến không dây đa phương tiện
2.1.5.5 WSN di động (Mobile WSN)
Mạng cảm biến không dây di động bao gồm các nút cảm biến có khả năng tự di chuyển và tương tác với môi trường vật lý, mang lại sự linh hoạt vượt trội so với mạng cảm biến tĩnh Với khả năng triển khai trong nhiều tình huống khác nhau, mạng cảm biến di động cung cấp phạm vi phủ sóng tốt hơn, hiệu quả năng lượng cao hơn và dung lượng kênh vượt trội.
2.1.6 Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây được ứng dụng nhiều vào thực tế, trên mọi lĩnh vực:
Trong công nghiệp: Thu thập thông tin và giám sát trạng thái hoạt động của hệ thống trạng thái thiết bị, nhiệt độ và áp suất của nguyên liệu,…
Các ứng dụng ở hộ gia đình:
Cảm biến cửa ra vào và cửa sổ
Bộ điều khiển bóng đèn
Thiết bị cảnh báo nguy hiểm
Thiết bị an ninh Các ứng dụng trong nông nghiệp
Kiểm tra môi trường, không khí, đất trồng, biển,
Phát hiện cháy rừng, lũ lụt, nghiên cứu ô nhiễm mô trường
Tưới cây tự động, tính toán mùa màng
Các ứng dụng trong y tế:
● Hệ thống báo động khẩn cấp
● Thiết bị theo dõi sức khỏe
● Thiết bị theo dõi bệnh nhân.
GIỚI THIỆU CÁC CHUẨN TRUYỀN THÔNG
2.2.1 CHUẨN TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY WIFI
Wi-Fi (Wireless Fidelity) là hệ thống mạng không dây sử dụng các sóng vô tuyến, tương tự như điện thoại di động, truyền hình và radio
Wi-Fi hiện nay là công cụ kết nối thiết yếu cho các thiết bị như điện thoại, máy tính và các ứng dụng IoT, nhà thông minh Nó hoạt động bằng cách truyền và nhận sóng vô tuyến, chuyển đổi mã nhị phân thành sóng vô tuyến và ngược lại Chuẩn truyền thông Wi-Fi khác biệt với các sóng vô tuyến khác ở chỗ nó phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz hoặc 5 GHz, cao hơn so với tần số của điện thoại di động, thiết bị cầm tay và truyền hình Tần số cao hơn cho phép tín hiệu truyền tải nhiều dữ liệu hơn.
Hiện nay, hầu hết các thiết bị Wifi đều tuân theo chuẩn 802.11n, hoạt động ở tần số 2.4GHz với tốc độ tối đa đạt 300 Megabit/s Kết nối WiFi dựa trên chuẩn IEEE 802.11, chủ yếu hoạt động với băng thông 54 Mbps và có tín hiệu mạnh nhất trong khoảng cách nhất định.
UART, viết tắt của Universal Asynchronous Receiver/Transmitter, là một vi mạch có sẵn trong vi điều khiển, khác với các giao thức truyền thông như I2C và SPI Chức năng chính của UART là truyền dữ liệu nối tiếp, cho phép giao tiếp giữa hai thiết bị qua hai phương thức: giao tiếp dữ liệu nối tiếp và giao tiếp dữ liệu song song Đây là chuẩn giao tiếp phổ biến, thường được sử dụng trong việc kết nối giữa các vi điều khiển hoặc giữa vi điều khiển với các thiết bị khác.
Hình 2.6 Chuẩn truyền thông UART
Trong giao tiếp UART, có hai loại chính là truyền UART và nhận UART, cho phép giao tiếp trực tiếp giữa chúng Để thực hiện điều này, chỉ cần sử dụng hai cáp kết nối giữa hai UART Dữ liệu sẽ được truyền qua cả hai chân truyền (Tx) và nhận (Rx).
UART là một giao thức truyền dữ liệu cho phép truyền thông không đồng bộ giữa Tx UART và Rx UART mà không cần tín hiệu đồng bộ CLK.
Hình 2.7 Giao tiếp UART giữa 2 thiết bị
Một vài thông số trong truyền nhận UART:
Start bit là bit đầu tiên được truyền trong một Frame, có vai trò quan trọng trong việc thông báo cho thiết bị nhận rằng một gói dữ liệu sắp được gửi đến Bit này là bắt buộc và đảm bảo quá trình truyền dữ liệu diễn ra chính xác.
Stop bit là một hoặc nhiều bit dùng để thông báo cho thiết bị nhận rằng quá trình gửi dữ liệu đã hoàn tất Thiết bị nhận sẽ thực hiện kiểm tra khung truyền để đảm bảo tính chính xác của dữ liệu, và bit này là bắt buộc phải có trong quá trình truyền thông.
Frame: quy định về số bit trong mỗi lần truyền
Parity bit: kiểm tra dữ liệu truyền có đúng không Trên thực tế, bit này không được sử dụng rộng rãi nên không bắt buộc
Dữ liệu là thông tin cần truyền từ bên gửi đến bên nhận, với các bit dữ liệu thực tế Độ dài khung dữ liệu thường nằm trong khoảng từ 5 đến 8 bit, và nếu không sử dụng bit chẵn lẻ, khung dữ liệu có thể dài tới 9 bit Thông thường, bit LSB (Least Significant Bit) được truyền trước, điều này rất hữu ích cho quá trình truyền dữ liệu.
Chuẩn truyền thông RS-485 Modbus là một giao thức mở, dễ sử dụng và cấu hình gọn, hoạt động ổn định, thường được dùng để kết nối máy tính với các thiết bị đầu cuối (RTU) hoặc hệ thống SCADA Có nhiều loại Modbus như Modbus RTU, Modbus ASCII và Modbus TCP/IP Modbus RTU hoạt động theo nguyên tắc Master-Slave, trong đó Master nhận và Slave truyền tín hiệu qua địa chỉ thanh ghi Phương thức truyền của Modbus RTU sử dụng đường truyền vật lý RS232 hoặc RS485, trong khi Modbus TCP/IP truyền qua địa chỉ IT qua Internet.
Có khả năng kết nối các thiết bị Master hoặc Slave thông qua các Bus hoặc Network Cách đấu nối:
A- (Master) A- (Slave) B+ (Master) B+ (Slave) GND (Master) GND (Slave)
Trong các khu vực có nhiều sấm sét, nhiễu phức tạp hoặc khi máy móc hoạt động với dòng lớn, việc nối dây GND là rất cần thiết Điều này giúp đảm bảo tín hiệu thu được chính xác và bảo vệ thiết bị khỏi hư hỏng.
2.2.4 GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ LORA
Mạng LoRa (Long Range) là công nghệ truyền thông không dây tối ưu cho các thiết bị IoT, cung cấp kết nối dài hạn và tiết kiệm năng lượng, đặc biệt phù hợp với những ứng dụng yêu cầu khoảng cách truyền thông lớn và thời gian sử dụng pin kéo dài.
Mô hình sử dụng mạng LoRa và IoT :
Các thiết bị IoT sử dụng vi điều khiển để thu thập dữ liệu và gửi tín hiệu điều khiển đến các nút cảm biến thông qua mạng LoRa, đồng thời có thể giao tiếp qua các phương thức khác.
Wi-Fi hoặc Bluetooth Dữ liệu được gửi lên web server thông qua giao thức MQTT
Module LoRa là thành phần quan trọng trong mạng, cho phép các thiết bị IoT truyền tải dữ liệu từ cảm biến đến hạ tầng mạng LoRa một cách hiệu quả.
Gateway LoRa (LoRa Gateway) là thiết bị trung gian có chức năng nhận dữ liệu từ các thiết bị IoT thông qua các module LoRa và chuyển tiếp dữ liệu này lên mạng internet hoặc mạng nội bộ.
Mạng LoRaWAN (LoRa Wide Area Network) là một hệ thống mạng mở và tiêu chuẩn hóa, cho phép các thiết bị IoT giao tiếp hiệu quả với nhau và với các dịch vụ mạng thông qua các gateway LoRa.
GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG
ESP32 là một vi điều khiển trên chip (SoC) giá rẻ của Espressif Systems, kế thừa từ ESP8266 Nó có cả phiên bản lõi đơn và lõi kép với bộ vi xử lý 32-bit Xtensa LX6, tích hợp Wi-Fi và Bluetooth Một trong những ưu điểm nổi bật của ESP32 là các thành phần RF tích hợp như bộ khuếch đại công suất, bộ khuếch đại nhận tiếng ồn thấp, công tắc ăng-ten, bộ lọc và Balun RF, giúp đơn giản hóa thiết kế phần cứng với ít thành phần bên ngoài.
Module hỗ trợ các chuẩn giao tiếp SPI, UART, I2C và I2S và có khả năng kết nối với nhiều ngoại vi như các cảm biến, các bộ khuếch đại…
Hình 2.13 Board WiFi ESP32 NodeMCU
Điện áp sử dụng: 3 - 3.6VDC
Dòng điện sử dụng: 90mA
448 KB ROM for booting and core functions
Bộ nhớ: 448 Kbyte ROM, 520 Kbyte SRAM, 6 Kbyte SRAM trên RTC và QSPI hỗ trợ đèn flash / SRAM chip16 KB SRAM in RTC
Wi-Fi: 802.11 B/g/n/E/I (802.11N @ 2.4 GHz lên đến 150 Mbit/S)
Bluetooth: 4.2 BR/EDR BLE 2 chế độ điều khiển
2.3.2 MODULE THU PHÁT RF SX1278 LORA E32-433T20D
Mô-đun RF UART Lora SX1278 E32-433T20D sử dụng chip SX1278 của SEMTECH, hỗ trợ giao tiếp LORA (Long Range) Chuẩn LORA mang lại hai yếu tố quan trọng: tiết kiệm năng lượng và khoảng cách phát siêu xa Bên cạnh đó, nó còn có khả năng cấu hình để tạo thành mạng, do đó được phát triển và ứng dụng rộng rãi trong các nghiên cứu về IoT.
Module RF UART Lora SX1278 E32-433T20D tích hợp chuyển đổi giao tiếp SPI sang UART, giúp đơn giản hóa việc giao tiếp và sử dụng Người dùng chỉ cần kết nối với phần mềm của hãng để cấu hình địa chỉ, tốc độ và công suất truyền Lưu ý cần mua thêm mạch chuyển USB-UART để kết nối với máy tính.
Hình 2.14 Module thu phát RF SX1278 Lora E32
IC chính: SX1278 của SEMTECH.
Điện áp hoạt đông: 2.3 – 5.5 VDC
Tốc độ truyền: 0.3 – 19.2 Kbps ( mặc định 2.4 Kbps)
Điện áp giao tiếp: TTL-3.3V
Giao tiếp UART Data bits 8, Stop bits 1, Parity none, tốc độ từ 1200 – 115200
Dung lượng bộ nhớ đệm: 512bytes
Hỗ trợ 65536 địa chỉ cấu hình
Model: E32-433T20D Lora SX1278 433Mhz (TTL-100)
Khoảng cách truyền tối đa trong điều kiện lý tưởng: 3000m
Dòng điện làm việc: 110mA
Các chế độ làm việc:
Bảng 2.1 Các chế độ cài đặt của Lora
Chế độ M0 M1 Mô tả Ghi chú
Mode 0 Normal 0 0 Giao tiếp UART và kênh truyền không dây hoạt động Quá trình truyện nhận dữ liệu hoạt động
Bên nhận phải làm việc ở Mode 1 hoặc Mode 2
0 1 Giao tiếp UART và kênh truyền không dây hoạt động Khác với Mode
0, ở Mode 1 có thêm 1 đoạn mã hóa tự động ban đầu trước khi dữ liệu được truyền đi nên nó có thể thông báo bên nhận làm việc ở chế độ 2
Bên nhận có thể làm việc Mode
Khi UART không hoạt động, module không dây sẽ chuyển sang chế độ hoạt động qua Radio Thiết bị sẽ kích hoạt UART và bắt đầu truyền dữ liệu ngay sau khi nhận được tín hiệu đánh thức.
Bên truyền phải làm việc ở chế độ 1, không làm việc ở chế độ này
Mode 3 Sleep 1 1 Cài đặt thông số
2.3.3 MODULE CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ
2.3.3.1 Cảm biến độ ẩm đất, nhiệt độ đất ES-SM-TH-01
Cảm biến độ ẩm và nhiệt độ đất ES-SM-TH-01 là thiết bị lý tưởng cho việc đo lường và giám sát độ ẩm cũng như nhiệt độ của đất, phục vụ cho các ứng dụng trong nông nghiệp, môi trường và hệ thống giám sát tự động.
Hình 2.15 Cảm biến độ ẩm đất, nhiệt độ đất ES-SM-TH-01 Đặc điểm chính của cảm biến ES-SM-TH-01:
Cảm biến hỗ trợ ba loại kết nối giao tiếp, bao gồm RS485, giúp dễ dàng tích hợp vào các hệ thống giám sát và điều khiển thông qua giao thức RS485 hoặc các tín hiệu điện tương ứng.
Cảm biến đo độ ẩm đất cung cấp thông tin chính xác về lượng nước có sẵn trong đất, từ đó giúp quản lý tưới tiêu và chăm sóc cây trồng một cách hiệu quả hơn.
Cảm biến không chỉ đo độ ẩm mà còn có khả năng đo nhiệt độ đất, cung cấp thông tin quan trọng về nhiệt độ môi trường sống của cây trồng Điều này hỗ trợ việc theo dõi và điều chỉnh các điều kiện môi trường để đảm bảo sự phát triển tối ưu cho cây trồng.
Ứng dụng này rất phù hợp cho các hệ thống tự động hóa nông nghiệp, giám sát và điều khiển môi trường trong nuôi trồng thủy sản, cũng như theo dõi độ ẩm đất tại các khu vực xây dựng và các ứng dụng môi trường khác.
Tín hiệu gõ ra : RS485, dòng điện 4~20Ma
Độ chính xác của nhiệt độ: ± 0,5 ℃
Chiều dài đầu dò: 70mm
Đường kính đầu dò: 3mm
Vật liệu vỏ cảm biến: nhựa epoxy
Hình 2.16 Kết nối cảm biến với máy tính
Kết nối máy tính với cảm biến dễ dàng thông qua bộ chuyển đổi USB-TO-RS485, cho phép người dùng cấu hình các thông số như baud rate và ID, đồng thời đọc thông tin từ cảm biến một cách nhanh chóng.
2.3.3.2 Cảm biến độ ẩm đất, nhiệt độ, độ dẫn điện (EC), độ PH đất
Cảm biến đất 4 trong 1 RS485 đo nhiệt độ, độ ẩm, độ dẫn điện (EC) và pH, mang lại độ chính xác cao và phản ứng nhanh So với các cảm biến nguyên bản của Đức, thiết bị này sử dụng phương pháp làm khô đất để cân hiệu chuẩn thực tế Với hàm lượng muối thấp, cảm biến phù hợp với mọi loại đất Đặc biệt, thiết bị có khả năng chống điện phân, chống ăn mòn và hoàn toàn chống thấm, đảm bảo độ bền khi được chôn lâu trong đất.
Hình 2.17 Cảm biến 4 thông số đất
Điện áp hoạt động: 5-30 VDC
Công suất tiêu thụ tối đa 0,5W*24V DC
Cấp bảo vệ IP68, ngâm lâu trong nước
Chiều dài cáp: Mặc định là 2m (có thể tùy chỉnh)
Môi trường hoạt động: -40oC -80oC
Kích thước tổng thể: 45*15*123mm
Độ ổn định lâu dài: ≤0.1%℃/y
Thời gian đáp ứng: ≤15s Độ ẩm
Độ chính xác: 2% trong khoảng 0-50%, 3% trong khoảng 50-100%
Độ ổn định lâu dài: ≤1%RH/y
Thời gian đáp ứng: ≤4s Độ dẫn điện EC
Phạm vi đo: 0-200000us/cm
Độ chính xác: Phạm vi 0-10000 us/cm là ± 3%; Phạm vi 10000-20000 us/cm là ± 5%
Độ ổn định lâu dài: ≤1%uS/cm
Thời gian đáp ứng: ≤1s Độ PH
Độ ổn định lâu dài: ≤5%/year
CHỨC NĂNG VÀ TÍNH NĂNG
Các cảm biến được thiết kế nhỏ gọn, thuận tiện cho việc di chuyển, lắp đặt và bảo trì Với cấu trúc hợp lý, tuổi thọ của đầu dò được đảm bảo nhờ vào vật liệu thép không gỉ.
Các vùng đất ít bị ảnh hưởng được sử dụng rộng rãi Độ chính xác đo cao, hiệu suất đáng tin cậy, đảm bảo hoạt động đúng
Phản hồi nhanh và hiệu quả truyền dữ liệu cao là những yếu tố quan trọng trong các ứng dụng tưới tiết kiệm nước, trồng rau trong nhà kính, hoa, làm vườn, đồng cỏ, đo tốc độ đất, trồng cây và thử nghiệm khoa học.
2.2.3.3 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm RS485 Modbus RTU ES-TH-01
Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm RS485 Modbus RTU ES-TH-01 là giải pháp lý tưởng cho các ứng dụng công nghiệp và tự động hóa, nhờ vào khả năng đo lường chính xác và giao thức truyền thông đáng tin cậy Sản phẩm này dễ dàng tích hợp vào các hệ thống hiện có, đáp ứng tốt các yêu cầu khắt khe trong việc giám sát và điều khiển môi trường.
Cảm biến sử dụng chip cảm biến cao cấp, mang lại độ chính xác cao trong việc đo nhiệt độ từ -40°C đến 80°C và độ ẩm từ 0% đến 100% RH.
- Giao thức Modbus RTU: Sử dụng giao thức Modbus RTU tiêu chuẩn, cho phép kết nối với nhiều thiết bị khác nhau
- Dễ dàng cài đặt: Cảm biến được thiết kế nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt và sử dụng
- Ứng dụng rộng rãi: Phù hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau như giám sát nhà máy, phòng thí nghiệm, theo dõi môi trường nhà kính, trang trại,…
Bảng 2.2 Kết nối dây của cảm biến
STT Màu dây Tên Kết nối
3 Vàng A+ Tín hiệu RS485 chân A+
4 Xanh B- Tín hiệu RS485 Chân B-
Hình 2.18 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm không khí
• Điện áp định mức: DC 9V - DC 30V
• Phạm vi đo: - Nhiệt độ : -40 ~ 80 ℃
• Độ chính xác - Nhiệt độ +- 0.5 ℃, Độ phân dải: 0.1 ℃
• Độ ẩm: +- 3 %RH, Độ phân dải: 0.1 %RH
• Giao thức truyền thông: Modbus RTU
• Địa chỉ giao tiếp: RS485
• Tốc độ truyền: 1200 bs, 2400 bs, 4800 bs, 9600 bs, 19200bs
• Phương pháp lắp đặt: Trong nhà, ngoài trời, trần nhà
• Kích thước: Dài * Rộng: 75 * 15 mm
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
GIỚI THIỆU
Trong bài viết này, hệ thống bao gồm một LoRa Gateway và hai LoRa Node Mỗi LoRa Node sẽ sử dụng vi điều khiển trung tâm để thu thập dữ liệu từ các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm và độ ẩm đất LoRa Gateway có nhiệm vụ thu thập tất cả thông số từ hai LoRa Node, gửi lệnh điều khiển từ xa và truyền tải dữ liệu lên nền tảng Blynk Khi nhiệt độ và độ ẩm vượt quá ngưỡng cho phép, hệ thống sẽ gửi cảnh báo đến thiết bị di động giám sát qua SMS thông qua module SIM.
Trong chương này sẽ trình bày sơ đồ khối của cả hệ thống, từ đó lựa chọn các linh kiện để thiết kế sơ đồ nguyên lý.
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống
Chức năng của từng khối:
- Khối xử lý trung tâm:
Sử dụng module ESP32 NodeMCU
Khối hoạt động như bộ xử lý trung tâm trong hệ thống, có nhiệm vụ truyền nhận và xử lý dữ liệu từ hai bộ xử lý phụ Nó giám sát và điều khiển toàn bộ thiết bị trong hệ thống, đồng thời gửi dữ liệu lên Blynk để hỗ trợ việc giám sát và điều khiển từ xa.
- Hai khối xử lý phụ:
Sử dụng module ESP32 làm vi điều khiển
Khối này có nhiệm vụ giám sát và điều khiển các thiết bị trong khu vực, đồng thời gửi dữ liệu về bộ xử lý trung tâm Ngoài ra, khối cũng thực hiện các lệnh điều khiển được nhận từ bộ điều khiển trung tâm.
Sử dụng module thu phát RF LORA E32
Khối có chức năng nhận dữ liệu từ vi điều khiển và truyền nhận dữ liệu với các LORA khác thông qua sóng RF
Các loại cảm biến được sử dụng là cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, cảm biến độ ẩm đất chuẩn công nghiệp với truyền thông RS485
Có chức năng đo nhiệt độ, độ ẩm từ môi trường và đưa về vi xử lý để thực hiện công việc giám sát, điều khiển
- Khối hiển thị và điều khiển: Sử dụng màn hình NEXTION để hiển thị các thông số, trạng thái đồng thời điều khiển các thiết bị của hệ thống
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 38
Có chức năng nhận tín hiệu ngõ ra từ vi điều khiển đóng ngắt Relay để điều khiển các thiết bị điện
- Blynk: dùng để giám sát các thông số và điều khiển các thiết bị từ xa thông qua Internet
Đối với khối nguồn của bộ xử lý trung tâm, nguồn 220VAC được sử dụng trực tiếp và chuyển đổi thành 12VDC để cung cấp điện cho toàn bộ mạch.
Chức năng của khối này là cung cấp nguồn điện cho hệ thống hoạt động.
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ
a Thiết kế khối xử lý trung tâm:
Tính toán khối công suất:
Hình 3.2 Mạch xuất tín hiệu để kích Relay
Transistor C1815 được chọn làm transistor kích cho relay nhờ khả năng chịu dòng điện lên đến 150mA và điện áp 50V, phù hợp với nhiều loại relay khác nhau Với hệ số khuếch đại dòng (ℎ 𝑓𝑒) cao, transistor này giúp tăng cường hiệu suất điều khiển relay, đảm bảo hoạt động ổn định và chính xác Việc tính toán phân cực cho C1815 cũng rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.
Theo Datasheet: IRelay (Max) = 70 mA Công thức tính tổng dòng điện trên cực C Transistor: I(𝑆𝑎𝑡) = ∑ 𝑛 𝑘=0 𝐼 𝑛−𝑘 (3.1)
Chọn 𝐼 𝑙𝑒𝑑 = 20 mA = > I(𝑆𝑎𝑡) = 𝐼 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑦 + 𝐼 𝑙𝑒𝑑 = 90 mA Công thức tính điện trở hạn dòng cho led:
𝐼 𝑙𝑒𝑑 (3.2) Điện trở hạn dòng cho led: R3 = 5−0.7−0.7
Để đảm bảo LED hoạt động hiệu quả, chọn R3 = 220 Ω, vì trở này phổ biến trên thị trường Đối với việc điều khiển Relay, Transistor cần hoạt động trong vùng bão hòa hoặc ngưng dẫn, vì vậy nên chọn Transistor NPN C1815.
Transistor dẫn bão hòa: Điều kiện transistor C1815 dẫn: IBB > 0, VBE > 0.7V
Từ công thức (3.4) ta tính được IBB = 90
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 40
3.6×10 −3 = 1.194 KΩ Vậy chọn R1 = 1 KΩ để đảm bảo dòng kích cho Relay và loại trở này thông dụng trên thị trường
=> VCE = 0 có dòng điện chạy qua cuộn dây relay nên relay đóng Transistor ngưng dẫn: Điều kiện transistor C1815 ngưng dẫn: IBB = 0, VBE ≤ 0.7
Khi VCE đạt 5V, không có dòng điện chạy qua cuộn dây relay, dẫn đến việc relay ngắt Mạch còn tích hợp OPTO quang PC817 để cách ly tín hiệu đầu vào và đầu ra, nhằm ngăn ngừa hiện tượng dòng ngược gây hỏng vi điều khiển.
Thiết kế khối điều khiển và hiển thị:
Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển và hiển thị
Màn hình Nextion hoạt động với nguồn 5V và được kết nối với vi điều khiển ESP32 thông qua giao tiếp UART Các chân kết nối bao gồm GND, VCC, TX, RX, với các chân IO17 và IO18 của vi điều khiển tương ứng.
Thiết kế khối thu phát lora:
Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý khối truyền nhận dữ liệu
Module Lora E32 được kết nối với ESP32 qua giao tiếp UART, với các chân được sắp xếp như sau: RXD nối với IO35 (TX của vi điều khiển), TXD nối với IO34 (RX của vi điều khiển), M0 nối với IO33 (chân 22 của vi điều khiển), M1 nối với IO32 (chân 21 của vi điều khiển), và nguồn Vcc cùng Gnd được kết nối với nguồn điện.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 42
Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
Tổng dòng điện tiêu thụ trên khối chính:
Công thức tính dòng tiêu thụ trên borad EPS32: I = N x Ii/o [3.5]
Board ESP32 sử dụng 12 chân (N), dòng tiêu thụ trên mỗi I/O là 40mA(Ii/o)
=> Dòng tiêu thụ trên ESP32 là: I = 12 x 40 = 480 mA
Bảng 3.1 Tổng dòng điện khối chính tiêu thụ
STT Tên Linh Kiện Điện áp
Dòng tiêu thụ(mA) Số lượng Tổng dòng tiêu thụ(mA)
Mạch điện này hoạt động hiệu quả với điện áp 12 VDC và dòng cung cấp khoảng 2A, dựa trên tổng dòng điện tiêu thụ đã tính trong bảng 3.1 Điện áp đầu vào yêu cầu là AC 100V-240V, tần số 50-60Hz Thiết kế khối cảm biến phụ cũng cần được xem xét.
Thiết kế 2 khối xử lý phụ
Sơ đồ nguyên lý của khối xử lý trung tâm:
Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm
Cả 2 bộ xử lý phụ đều sử dụng vi điều khiển trung tâm là NodeMCU ESP32 Chức năng của vi điều khiển là nhận các tín hiệu từ các cảm biến, nút nhấn và Lora về xử lý và điều khiển các thiết bị điện và hiển thị các thông số lên màn hình Đồng thời thì cũng gửi các thông số, các tín hiệu điều khiển đến bộ xử lý chính và nhận các lệnh điều khiển theo chiều ngược lại
Thiết kế khối cảm biến
Sơ đồ nguyên lý của khối cảm biến:
Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến
Cả 2 loại cảm biến trên đều là cảm biến RS485 Modbus RTU vì thế ta sẽ cần thêm 1 module chuyển đổi RS485 to TTL và ngược lại để giao tiếp Module này hoạt động ở mức điện áp 5V, cả 2 cảm biến Mobus RTU đều hoạt động ở mức điện áp là 12VDC, tiến hành nối chân VCC và GND của cảm biến lần lượt với chân VCC (12V ở SN-3000 TR-N01) và chân GND Chân A, B của cảm biến sẽ nối vào chân A, B của module chuyển đổi Chân TX, RX của module của chuyển lần lượt nối với chấn TX1, RX1 của NodeMCU ESP32 Chân VCC và GND của module chuyển đổi lần lượt nối với chấn VCC và GND của vi điều khiển ESP32
Thiết kế khối công suất
Sơ đồ nguyên lý của khối công suất:
Khối ngõ ra công suất điều khiển 2 thiết bị dưới 1KW được kết nối với chân IO5 và IO18 của module ESP32 Khi tín hiệu “ON” (mức cao) được gửi, transistor dẫn điện, dòng điện chạy qua cuộn dây relay làm relay đóng tiếp điểm, bật thiết bị và đèn LED sáng Ngược lại, khi tín hiệu “OFF” (mức thấp) được gửi, transistor ngưng dẫn, cuộn dây relay không có dòng điện, làm tiếp điểm hở ra, tắt thiết bị và đèn LED tắt.
Thiết kế khối truyền nhận dữ liệu Lora
Sơ đồ nguyên lý của khối truyền nhận dữ liệu Lora:
Hình 3.9 Khối truyền nhận dữ liệu Lora
Module Lora E32 kết nối với ESP32 qua giao tiếp UART, với các chân được sắp xếp như sau: RXD nối với IO21 (TX của vi điều khiển), TXD nối với IO19 (RX của vi điều khiển), và Vcc cùng Gnd được kết nối với nguồn.
ESP32 được sử dụng 13 chân I/O, dòng tiêu thụ trên mỗi chân I/O là 40 mA Nên, tổng dòng tiêu thụ của Arduino Nano là:
Bảng 3.2 Dòng tiêu thụ của hệ thống phụ
STT Tên linh kiện Dòng điện
Tổng dòng tiêu thụ (mA)
2 Cảm biến nhiệt độ độ ẩm không khí RS485
3 Cảm biến độ ẩm đất RS485
Tổng dòng tiêu thụ 1.437 mA
Với tổng dòng điện tiêu thụ như đã tính ở bảng 3.1 thì mạch điện này sẽ hoạt động tốt với điện áp 12VDC và dòng cung cấp khoảng 2A
Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch:
Sơ đồ bố trí linh kiện
Hình 3.11 Sơ đồ bố trí linh kiện khối xử lý phụ
Hình 3.12 Sơ đồ bố trí linh kiện mạch trung tâm
THI CÔNG HỆ THỐNG
GIỚI THIỆU
Sau khi tính toán các thông số và thiết kế hệ thống, nhóm đã lựa chọn linh kiện phù hợp Tiếp theo, họ tiến hành thiết kế PCB, thi công mạch, lắp ráp và hoàn thiện phần cứng Cuối cùng, lập trình và kiểm tra hệ thống để đảm bảo tính hoàn chỉnh của sản phẩm.
THI CÔNG HỆ THỐNG
4.2.1 Thi công phần cứng a Bộ điều khiển trung tâm
Danh sách các linh kiện được sử dụng trong board điều khiển trung tâm:
STT Tên linh kiện Giá trị Số lượng Ghi chú
Bảng 4.1 Danh sách các linh kiện ở bộ điều khiển trung tâm
Từ sơ đồ nguyên lý của bộ điều khiển trung tâm đã thiết kế, ta tiến hành thiết kế PCB
Hình 4.1 Lớp Botton PCB board điều khiển trung tâm
Hình 4.2 Sơ đồ bố trí linh kiện board điều khiển trung tâm b Hai bộ điều khiển phụ
Vì cả 2 bộ điều khiển phụ có chức năng giống nhau nên sẽ thiết kế 1 PCB dùng cho cả 2 bộ
Danh sách các linh kiện được sử dụng trong 2 board điều khiển phụ:
STT Tên linh kiện Giá trị Số lượng
5 4 EDG5.08 - 2 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm không khí và đất
Hình 4.3 Lớp Botton PCB board điều khiển phụ
Hình 4.4 Sơ đồ bố trí linh kiện 2 khối điều khiển phụ
4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra
Sau khi hoàn thành thiết kế PCB, quá trình thi công mạch được thực hiện Nhóm thi công sử dụng phương pháp thủ công, bắt đầu bằng việc in mạch, sau đó tiến hành ăn mòn và khoan lỗ cho linh kiện Tiếp theo, các linh kiện được gắn vào mạch và hàn lại Cuối cùng, quá trình kiểm tra thông mạch được thực hiện để đảm bảo chất lượng, cùng với việc hoàn thiện các mối hàn nếu phát hiện thiếu sót.
Hình 4.5 Hình ảnh board điều khiển trung tâm sau khi hoàn thành
ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH
Sau khi hoàn thiện và kiểm tra mạch hoạt động bình thường, nhóm tiến hành thiết kế và đóng gói mạch trong hộp để bảo vệ mạch.
Hình 4.7 Hình ảnh bên trong board điều khiển trung tâm
Hình 4.8 Hình ảnh bộ điều khiển trung tâm sau khi hoàn thành
Hình 4.9 Hình ảnh bên trong bộ điều khiển phụ
Hình 4.10 Hình ảnh bộ điều khiển phụ sau khi hoàn thành
Hình 4.11 Hệ thống sau khi hoàn thành
LẬP TRÌNH HỆ THỐNG
Lưu đồ giải thuật khối điều khiển chính:
Hình 4.8 Lưu đồ khối điều khiển chính
Khi mạch được cấp nguồn, ESP32 sẽ khởi động và tiến hành khởi tạo các chân port, serial cùng với các chân ngõ, đồng thời thiết lập các trạng thái ban đầu cho các thiết bị trong hệ thống thông qua hàm Void setup().
ESP32 sẽ cố gắng kết nối với mạng Wifi; nếu kết nối thành công, quá trình sẽ tiếp tục, ngược lại nó sẽ chờ hoặc thử lại Hệ thống sẽ thực hiện lệnh kiểm tra để xác định xem đã kết nối Wifi hay chưa.
Sau khi kết nối Wifi thành công, địa chỉ IP của ESP32 được kích hoạt, cho phép ESP nhận tín hiệu từ Lora, màn hình Nextion và SIM Điều này giúp điều khiển các thiết bị và cập nhật trạng thái từ các Node lên Nextion và Blynk.
Khi ESP32 không kết nối Wifi, giá trị trạng thái sẽ không được cập nhật lên Blynk Tuy nhiên, các giá trị trạng thái vẫn được đồng bộ và điều khiển bình thường giữa Gateway và Node trên màn hình Nextion.
Lưu đồ giải thuật khối điều khiển phụ:
Hình 4.9 Lưu đồ khối điều khiển phụ
Khi mạch được cấp nguồn, ESP32 khởi động và thực hiện việc khởi tạo các chân port, serial cũng như các chân ngõ Đồng thời, nó thiết lập các trạng thái ban đầu cho các thiết bị trong hệ thống trong hàm Void setup().
ESP32 sẽ cố gắng kết nối mạng Wifi, và nếu kết nối thành công, quá trình sẽ tiếp tục; nếu không, nó sẽ chờ hoặc thử lại Sau khi xác nhận kết nối Wifi, địa chỉ IP của ESP32 sẽ được kích hoạt.
Sau khi thiết lập trạng thái ban đầu, ESP32 sẽ liên tục đọc giá trị nhiệt độ và độ ẩm, sau đó cập nhật lên màn hình Nextion tại Gateway Trong quá trình này, khối xử lý sẽ cập nhật trạng thái điều khiển lên Nextion nếu nhận tín hiệu từ màn hình Nextion hoặc Blynk Nếu có cảnh báo, tín hiệu sẽ được gửi về Gateway và tin nhắn SMS sẽ được cập nhật đến thiết bị giám sát qua SIMCOM.
Quá trình này sẽ được lặp lại định kỳ với độ trễ từ Lora và màn hình Nextion khoảng 3-5 giây, nhằm đồng bộ hóa trạng thái lên Nextion, Blynk và SMS.
Lưu đồ điều khiển con truyền nhận Lora và điều khiển màn hình Nextion
Hình 4.10 Lưu đồ điều khiển con truyền nhận Lora và màn hình Nextion
Khi được cấp nguồn, màn hình LCD Nextion sẽ tự động cập nhật file TFT và thiết lập mặc định, bao gồm 3 trang: Trang 0 dùng để điều khiển và chuyển đến các trang thiết bị và cảm biến tại các Gateway; Trang 1 hiển thị dữ liệu nhiệt độ và độ ẩm của 2 Node; Trang 2 chứa các thiết bị điều khiển của 2 Node.
Sau khi nhận tín hiệu từ các Node, thông số nhiệt độ và độ ẩm sẽ được cập nhật trên Page 1 Nếu các nút nhấn trên Page 2 được kích hoạt, chuỗi ký tự Lora sẽ được gửi về Node để thông báo rằng các nút đang được nhấn, đồng thời cập nhật trạng thái của các thiết bị trên Blynk cũng như tại các Node.
Quá trình này lặp đi lặp lại sau mỗi 2-3s
Lưu đồ khối con điều khiển thiết bị trên Blynk
Khi ESP32 kết nối với Wifi, địa chỉ IP sẽ được kích hoạt, cho phép chúng ta kết nối Wifi trên ứng dụng Blynk trên điện thoại Sau đó, chúng ta có thể mở giao diện và giám sát thiết bị qua ứng dụng trên điện thoại.
Khi nút nhấn dạng switch trên Blynk được kích hoạt, trạng thái sẽ chuyển từ màu đen sang màu xanh, đồng thời truyền dữ liệu xuống ESP32 để điều khiển các thiết bị ở các Node khác nhau.
Quá trình này sẽ được lặp đi lặp lại nếu nút Switch trên Blynk được nhấn
4.4.2 Lập trình ứng dụng Blynk
Giao diện giám sát và điều khiển thiết bị trên Blynk:
Để bắt đầu, bạn cần tạo một tài khoản Blynk bằng cách đăng ký và đăng nhập vào ứng dụng Blynk trên điện thoại di động Sau khi mở ứng dụng, bạn hãy tạo một dự án mới để tiến hành giám sát và điều khiển.
Chọn Board là ESP32 và kết nối truyền thông là Wi-Fi
Blynk sẽ gửi cho bạn một Auth Token qua email Đây là một chuỗi dài cần thiết để ESP32 có thể kết nối với dự án Blynk
After obtaining the Auth Token and programming the data to be sent to Blynk, the ESP32 will reboot and connect to Wi-Fi and the Blynk Server You can monitor the connection status both on the Blynk App and in the Serial Monitor of the Arduino IDE, provided you have configured the output correctly.
4.5 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC
4.5.1 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng
Bước 1: Sử dụng nguồn điện 220VAC để cung cấp cho cả 3 bộ điều khiển: bộ điều khiển Gateway và 2 bộ điều khiển Node
Bước 2: Điều khiển và giám sát hiển thị
Sau khi được cấp nguồn, ESP32 tại Gateway sẽ tự động kết nối với Wifi trong khu vực, hiển thị dữ liệu từ các cảm biến được gửi từ các Node thông qua giao thức Lora Dữ liệu này sẽ được cập nhật lên Blynk và màn hình điều khiển.
KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
Trong suốt 16 tuần thực hiện đề tài, nhóm đã nghiên cứu và học hỏi nhiều kiến thức mới, đồng thời gặp phải một số sai sót và lỗi Qua quá trình này, nhóm đã rút ra được nhiều bài học kinh nghiệm quý báu.
- Biết cách tìm hiểu, nghiên cứu, phân tích một vấn đề từ đó tìm kiếm giải pháp để có thể xử lý vấn đề một cách nhanh chóng
Tìm hiểu về vi điều khiển ESP32 và cách lập trình chúng, bao gồm giao tiếp với cảm biến công nghiệp, màn hình và LoRa Khám phá cách kết nối ESP32 với Blynk, thiết kế giao diện cho Blynk, và sử dụng màn hình Nextion.
Biết được các chuẩn truyền thông như là Modbus RTU, UART, WiFi cách giao tiếp, kết nối cũng như các ứng dụng của các chuẩn truyền thông này
Mạng LORA là một công nghệ không dây tiên tiến, cho phép truyền nhận dữ liệu với khoảng cách xa và tiêu thụ năng lượng thấp Nguyên lý hoạt động của mạng LORA dựa trên việc sử dụng băng tần thấp và điều chế tín hiệu để đảm bảo khả năng kết nối ổn định Để cấu hình mạng LORA, người dùng cần thiết lập các thông số phù hợp nhằm tối ưu hóa khả năng giao tiếp giữa các thiết bị LORA, từ đó đảm bảo hiệu suất truyền nhận dữ liệu hiệu quả.
Nâng cao kỹ năng về thiết kế mạch nguyên lý, thiết kế PCB, làm mạch, và sử dụng các công cụ hàn, đồng hồ đo.
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Sau quá trình nghiên cứu, thiết kế và thi công, nhóm đã hoàn thành hệ thống Tiếp theo, nhóm tiến hành thử nghiệm, kiểm tra và sửa lỗi, từ đó hoàn thiện sản phẩm và thu được kết quả như sau:
5.2.1 Giám sát và điều khiển tại bộ điều khiển trung tâm
Nếu không thể điều khiển qua Blynk, người dùng có thể giám sát và điều khiển trực tiếp tại bộ điều khiển trung tâm Giao diện trên màn hình rất trực quan, dễ quan sát và điều khiển.
Hình 5.1 Điều khiển và giám sát các thông số tại Gateway
Sau khi cấp nguồn, màn hình sẽ khởi động và sau khoảng 5-10 giây, dữ liệu từ các Node sẽ được gửi về màn hình để người dùng có thể quan sát.
Hình 5.2 Điều khiển các thiết bị tại Node
Màn hình Nextion cho phép điều khiển các thiết bị như đèn và bơm tại các Node Gateway sẽ nhận dữ liệu từ các Node và tự động bật các thiết bị như bơm và đèn khi nhiệt độ và độ ẩm không đạt yêu cầu.
Hình 5.3 Kết quả sau khi thiết bị được điều khiển
Khi thiết bị nhận tín hiệu từ bộ điều khiển trung tâm, chúng sẽ nhanh chóng hoạt động để đáp ứng kịp thời nhu cầu điều khiển.
5.2.3 Giám sát và điều khiển bằng Blynk
Khi ở xa bộ điều khiển trung tâm, người dùng vẫn có thể giám sát và điều khiển hệ thống qua Blynk Giao diện của Blynk rõ ràng và tương tự như màn hình Nextion, giúp việc quan sát và điều khiển trở nên dễ dàng hơn.
Hình 5.4 Đồng bộ trạng thái giữa các bộ điều khiển và Blynk
Hình 5.5 Giao diện giám sát và điều khiển bằng Blynk
Sau khi khởi động bộ điều khiển, người dùng có thể truy cập ứng dụng để giám sát và điều khiển các dự án đang hoạt động Màn hình hiển thị rõ ràng các khu vực cùng với các thông số như nhiệt độ và độ ẩm Để điều khiển, chỉ cần gạt nút trên các thiết bị tương ứng Trong quá trình giám sát, nếu nhiệt độ hoặc độ ẩm tại các Node vượt quá ngưỡng đã thiết lập, hệ thống sẽ gửi tin nhắn SMS cảnh báo đến thiết bị giám sát tại từng Node.
Hình 5.5 Tin nhắn gửi cảnh báo đến thiết bị giám sát
Khi nhận được tin nhắn cảnh báo, hệ thống giám sát sẽ tự động kích hoạt tất cả các thiết bị tưới và sưởi tại các Node cảnh báo, đảm bảo cung cấp nước và nhiệt độ cần thiết cho cây trồng trong trang trại một cách kịp thời.
Bảng 5.1 Đánh giá thực tế
Thời gian trễ Đánh giá Ghi chú Điều khiển từ xa bằng blynk
20 3-7 Đạt Thời gian trễ còn cao Điều khiển trực tiếp trên các bộ thiết bị
20 3-7 Đạt Màn hình đôi lúc bị đơ
Cập nhật giá trị cảm biến
20 3-7 Đạt Tường đối Điều khiển trực tiếp trên bộ điều khiển
20 3-7 Đạt Thời gian trễ tường đối ổn vì không ảnh hương đển wifi
NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ
Sau quá trình tìm hiểu đề tài, nghiên cứu, thiết kế và thi công đề tài thì sau khoảng
Sau 16 tuần, nhóm đã gần như hoàn thành sản phẩm và đáp ứng các yêu cầu ban đầu Tuy nhiên, thời gian hoàn thành mô hình vẫn chưa được gọn gàng như dự kiến trong thời gian biểu.
Hệ thống hiện tại bao gồm một bộ điều khiển trung tâm và hai bộ điều khiển phụ tại hai trang trại, hoạt động ổn định với khả năng truyền nhận dữ liệu hiệu quả trong khoảng thời gian cho phép Màn hình giám sát và điều khiển đơn giản, trực quan, giúp người dùng thao tác dễ dàng và thuận tiện Tuy nhiên, vẫn còn một số khuyết điểm và vấn đề cần được khắc phục để sản phẩm có thể đưa vào sử dụng thực tế.
Hệ thống có một số ưu điểm như sau:
- Giao diện đơn giản, trực quan, dễ dàng thao tác, sử dụng cho người dùng
- Các thiết bị vẫn có thể điều khiển, giám sát khi không có kết nối Internet
- Có thể nhận SMS các cảnh báo từ các Node và kịp thời giám sát
Hệ thống tự động tưới và sưởi bằng đèn hoạt động khi độ ẩm và nhiệt độ trong đất cũng như trong vườn thấp hơn mức đã được cài đặt.
Sau khi thử nghiệm đánh giá, hệ thống hoạt động ổn định và đáp ứng yêu cầu ban đầu Tuy nhiên, vẫn tồn tại vấn đề về độ trễ khi màn hình Nextion gửi dữ liệu đến vi điều khiển, gây khó khăn trong việc điều khiển thiết bị Độ trễ này thường xuất phát từ việc vi điều khiển không tiếp nhận thao tác một cách mượt mà.
Để thiết lập kết nối giao tiếp hiệu quả giữa các thiết bị Lora, cần phải thực hiện nhiều thử nghiệm, trong đó không ít lần không thành công Việc này đòi hỏi nguồn điện và dòng điện ổn định nhằm đảm bảo quá trình truyền nhận diễn ra suôn sẻ.