Giới thiệu và trình bày yêu cầu công năng và yêu cầu kỹ thuật để đi tới thiết kế mô hình tổng thể và sơ đồ khối. Bên cạnh đó, phân tích chức năng các khối để chọn linh kiện phù hợp và vẽ sơ đồ nguyên lý.
Chương 4. Thi công hệ thống
Giới thiệu lại các linh kiện được lựa chọn và trình bày quá trình thiết kế, lắp ráp, đo đạc và kiểm tra hệ thống. Thiết kế lưu đồ, lập trình hệ thống, thiết kế ứng dụng trên điện thoại và trình bày hướng dẫn các thao tác sử dụng.
Chương 5. Kết quả, nhận xét và đánh giá
Trình bày kết quả đã thực hiện, về cả phần cứng lẫn phần mềm. Nêu ra nhận xét và đánh giá.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển.
Tóm tắt kết quả đạt được, nêu ra những hạn chế và các hướng phát triển của đề tài trong tương lai.
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 MÔ HÌNH IOT ỨNG DỤNG TRONG NÔNG NGHIỆP
Nông nghiệp thông minh là một hệ thống công nghệ cao và hiệu quả để làm nông nghiệp và trồng thực phẩm sạch một cách bền vững. Nó là một ứng dụng của việc triển khai các thiết bị kết nối và công nghệ sáng tạo với nhau vào nông nghiệp. Nông nghiệp thông minh chủ yếu phụ thuộc vào IoT, do đó loại bỏ nhu cầu lao động chân tay của nông dân và người trồng trọt và do đó tăng năng suất theo mọi cách có thể.
Với xu hướng nông nghiệp gần đây phụ thuộc vào Internet of Things đã mang lại những lợi ích to lớn như sử dụng nước hiệu quả, tối ưu hóa đầu vào và nhiều lợi ích khác. Điều tạo nên sự khác biệt là những lợi ích to lớn và thứ đã trở thành một nền nông nghiệp được cách mạng hóa trong những năm gần đây.
Nông nghiệp thông minh dựa trên IoT cải thiện toàn bộ hệ thống nông nghiệp bằng cách giám sát đồng ruộng trong thời gian thực. Với sự trợ giúp của các cảm biến và khả năng kết nối lẫn nhau, Internet of Things trong Nông nghiệp không chỉ tiết kiệm thời gian của người nông dân mà còn giảm thiểu việc sử dụng lãng phí các nguồn tài nguyên như nước và điện. Nó giữ cho các yếu tố khác nhau như độ ẩm, nhiệt độ, độ ẩm đất, v.v. được kiểm tra và cho phép quan sát thời gian thực rõ ràng.
Hình 2. 1: Mô hình IoT ứng dụng trong nông nghiệp
4 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
2.1.1 Điều kiện khí hậu
Khí hậu đóng một vai trò rất quan trọng đối với canh tác và việc hiểu biết không đúng về khí hậu sẽ làm suy giảm nghiêm trọng số lượng và chất lượng của sản xuất cây trồng. Nhưng các giải pháp IoT cho phép chúng ta biết điều kiện thời tiết theo thời gian thực. Các cảm biến được đặt bên trong và bên ngoài các cánh đồng nông nghiệp để thu thập dữ liệu từ môi trường được sử dụng để chọn loại cây trồng phù hợp có thể phát triển và bền vững trong các điều kiện khí hậu cụ thể. Toàn bộ hệ sinh thái IoT được tạo thành từ các cảm biến có thể phát hiện các điều kiện thời tiết theo thời gian thực như độ ẩm, lượng mưa, nhiệt độ và rất chính xác hơn. Có rất nhiều các cảm biến có sẵn để phát hiện tất cả các thông số này và định cấu hình phù hợp để phù hợp với yêu cầu canh tác thông minh của nhóm chúng tôi. Các cảm biến này giám sát tình trạng của cây trồng và thời tiết xung quanh chúng. Nếu tìm thấy bất kỳ điều kiện thời tiết đáng lo ngại nào, thì một cảnh báo sẽ được gửi đi.
2.1.2 Canh tác chính xác
Nông nghiệp chính xác, canh tác chính xác là một trong những ứng dụng nổi tiếng nhất của IoT trong nông nghiệp. Nó làm cho canh tác chính xác hơn và được kiểm soát bằng cách hiện thực hóa các ứng dụng nông nghiệp thông minh như giám sát vật nuôi, theo dõi xe cộ, quan sát hiện trường và giám sát hàng tồn kho. Mục tiêu của canh tác chính xác là phân tích dữ liệu, được tạo ra thông qua cảm biến, để phản ứng phù hợp. Canh tác chính xác giúp nông dân tạo dữ liệu với sự trợ giúp của các cảm biến và phân tích thông tin đó để đưa ra các quyết định thông minh và nhanh chóng. Có rất nhiều kỹ thuật canh tác chính xác như quản lý thủy lợi, quản lý vật nuôi, theo dõi phương tiện và nhiều kỹ thuật khác đóng vai trò quan trọng trong việc tăng hiệu suất và hiệu quả. Với sự trợ giúp của canh tác chính xác, chúng ta có thể phân tích điều kiện đất và các thông số liên quan khác để tăng hiệu quả hoạt động. Không chỉ vậy, chúng ta còn có thể phát hiện điều kiện làm việc theo thời gian thực của các thiết bị được kết nối để phát hiện nước và mức dinh dưỡng.
5 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1.3 Giám sát nhà kính.
Để làm cho nhà kính của chúng tôi trở nên thông minh, IoT đã cho phép các trạm thời tiết tự động điều chỉnh các điều kiện khí hậu theo một bộ hướng dẫn cụ thể. Việc áp dụng IoT trong Nhà kính đã loại bỏ sự can thiệp của con người, do đó làm cho toàn bộ quy trình tiết kiệm chi phí và đồng thời tăng độ chính xác. Ví dụ, sử dụng các cảm biến IoT chạy bằng năng lượng mặt trời xây dựng các nhà kính hiện đại và rẻ tiền. Các cảm biến này thu thập và truyền dữ liệu thời gian thực giúp theo dõi trạng thái nhà kính rất chính xác trong thời gian thực. Với sự trợ giúp của các cảm biến, lượng nước tiêu thụ và trạng thái nhà kính có thể được theo dõi qua web, tưới tiêu tự động và thông minh được thực hiện với sự trợ giúp của IoT. Các cảm biến này giúp cung cấp thông tin về mức áp suất, độ ẩm, nhiệt độ và ánh sáng.
Hình 2. 2: Mô hình IoT nhà kính
2.1.4 Phân tích dữ liệu
Hệ thống cơ sở dữ liệu thông thường không có đủ dung lượng lưu trữ cho dữ liệu được thu thập từ các cảm biến IoT. Lưu trữ dữ liệu dựa trên đám mây và nền tảng IoT đầu cuối đóng một vai trò quan trọng trong hệ thống nông nghiệp thông
6 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
minh. Các hệ thống này được ước tính đóng một vai trò quan trọng để có thể thực hiện các hoạt động tốt hơn. Trong thế giới IoT, cảm biến là nguồn chính để thu thập dữ liệu trên quy mô lớn. Dữ liệu được phân tích và chuyển đổi thành thông tin có ý nghĩa bằng cách sử dụng các công cụ phân tích. Phân tích dữ liệu giúp phân tích điều kiện thời tiết, điều kiện chăn nuôi và điều kiện cây trồng. Dữ liệu thu thập được thúc đẩy các đổi mới công nghệ và do đó đưa ra các quyết định tốt hơn. Với sự trợ giúp của các thiết bị IoT, chúng ta có thể biết trạng thái thời gian thực của cây trồng bằng cách thu thập dữ liệu từ các cảm biến. Sử dụng phân tích dự đoán, chúng ta có thể hiểu rõ hơn để đưa ra quyết định tốt hơn liên quan đến việc thu hoạch, phân tích xu hướng giúp người nông dân biết được điều kiện thời tiết sắp tới và thu hoạch cây trồng. IoT trong ngành nông nghiệp đã giúp người nông dân duy trì chất lượng cây trồng và độ phì nhiêu của đất, do đó nâng cao khối lượng và chất lượng sản phẩm.
2.2 CÁC CHUẨN TRUYỀN THÔNG ỨNG DỤNG TRONG IOT
Truyền thông không dây là yếu tố quan trọng trong việc triển khai các hệ thống ứng dụng IoT. Tuy nhiên, tuỳ vào mỗi trường hợp mà việc ứng dụng IoT sẽ có những giải pháp truyền thông không dây khác nhau. Mỗi giải pháp đều có điểm mạnh và điểm yếu riêng khi đề cập đến phạm vi hoạt động, khả năng mở rộng, tính tiện dụng, tốc độ truyền dẫn và chi phí giá cả phù hợp. Hiện nay, có rất nhiều loại chuẩn truyền thông được ứng dụng trong IoT nhưng chủ yếu dựa trên hai chuẩn chính của IEEE là Chuẩn IEEE 802.11 Wifi – Wireless Fidelity và Chuẩn IEEE 802.15 Wireless PAN.
2.2.1 Chuẩn IEEE 802.11 Wifi – Wireless Fidelity
IEEE 802.11 là một tập hợp các chuẩn bao gồm các đặc điểm kỹ thuật liên quan đến hệ thống mạng không dây. Chuẩn IEEE 802.11 mô tả một giao tiếp “truyền qua chân không” sử dụng sóng vô tuyến để truyền nhận tín hiệu giữa một thiết bị không dây và tổng đài hoặc điểm truy cập (access point - AP) hoặc giữa hai hay nhiều thiết bị không dây kết nối với nhau [1].
Trong một cấu hình mạng Wifi, một thiết bị thu phát được gọi một điểm truy cập kết nối với mạng có dây từ một vị trí cố định sử dụng cáp Ethernet chuẩn, điểm
7 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
truy cập nhận lưu vào bộ nhớ đệm và truyền dữ liệu mạng Wifi trên cơ sở mạng nối dây. Một điểm truy cập đơn hỗ trợ một nhóm người sử dụng và vận hành bên trong phạm vi từ vài mét tới vài chục mét. Điểm truy cập thường được gắn trên cao nhưng thực tế được gắn bất cứ nơi nào miễn là trong khoảng vô tuyến cần thu được. Người dùng đầu cuối truy cập mạng Wifi thông qua các card giao tiếp mạng WLAN được thực hiện như các card PC trong các máy tính hoặc sử dụng card giao tiếp ISA hay PCI trong các máy tính để bàn, cáƯc thiết bị tích hợp hoàn toàn bên trong các thiết bị cầm tay. Các card giao tiếp mạng WLAN cung cấp một giao diện giữa hệ điều hành mạng (NOS) và sóng giao tiếp qua một anten [1].
802.11n sử dụng nhiều ăng-ten không dây song song để truyền và nhận dữ liệu. Thuật ngữ MIMO (Multiple Input, Multiple Output) liên quan đề cập đến khả năng của 802.11n và các công nghệ tương tự để phối hợp nhiều tín hiệu vô tuyến đồng thời. 802.11n hỗ trợ tối đa 4 luồng đồng thời MIMO giúp tăng cả phạm vi và thông lượng của mạng không dây. Trong kết nối mạng 802.11a/b/g, mỗi thiết bị 802.11n sử dụng kênh Wi-Fi đặt sẵn để truyền phát. Chuẩn 802.11n sử dụng dải tần số lớn hơn các tiêu chuẩn trước đó, giúp tăng thông lượng dữ liệu [1].
Một số chuẩn kết nối wifi:
Chuẩn 802.11b là chuẩn yếu nhất, hoạt động ở tần số 2.4 GHz, khả năng xử lý 11 Mbps
Chuẩn 802.11g cũng hoạt động ở tần số 2.4GHz nhưng có thể xử lý tới 54 Mbps
Chuẩn 802.11a hoạt động ở tần số 5GHz và tốc độ xử lý 54 Mbps Chuẩn 802.11n hoạt động ở tần số 2.4 GHz nhưng tốc độ xử lý cao nhất, lên đến 300 Mbps
Hiện nay wifi đóng vai trò rất lớn trong lĩnh vực Internet of Things, giúp kết nối mọi thiết bị với nhau. Đây sẽ là lĩnh vực đầy hứa hẹn trong tương lai.
2.2.2 Chuẩn IEEE 802.15 Wireless PAN
IEEE 802.15 là mạng vô tuyến cá nhân không dây (Wireless Personal Area Network) hay PAN là mạng máy tính cho phép giao tiếp giữa các thiết bị máy tính
8 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
ở gần một người. PAN có thể có dây, chẳng hạn như USB hoặc FireWire, hoặc chúng có thể không dây, chẳng hạn như hồng ngoại, ZigBee, Bluetooth và băng thông siêu rộng. Phạm vi của PAN thường là vài mét. Ví dụ về PAN không dây hoặc WPAN, các thiết bị bao gồm tai nghe điện thoại di động, bàn phím không dây, chuột không dây, máy in, máy quét mã vạch và bảng điều khiển trò chơi.
PAN không dây có các thiết bị hoạt động bằng pin sử dụng rất ít dòng điện, chế độ ngủ thường được sử dụng để kéo dài tuổi thọ pin hơn nữa. Các giao thức mạng có xu hướng đơn giản hơn Wi-Fi hoặc WiMAX (để giảm công suất bộ xử lý cần thiết) và công suất truyền thường nhỏ hơn 1 miliwatt [2].
Chuẩn IEEE 802.15 có thể phân ra làm 3 loại mạng WPAN thông qua tốc độ truyền, mức đọ tiêu hao năng lượng và chất lượng dịch vụ [2]:
WPAN tốc độ cao (chuẩn IEEE 802.15.3) phù hợp với các ứng dụng đa phương tiện yêu cầu chất lượng dịch vụ cao.
WPAN tốc độ trung bình (IEEE 802.15.1/Bluetooth): được ứng dụng trong các mạng điện thoại đến máy tính cá nhân bỏ túi và có chất lượng dịch vụ phù hợp cho thông tin thoại.
WPAN tốc độ thấp (IEEE 802.15.4/LR – WPAN): được dùng trong các thiết bị có hạn, các ứng dụng y học yêu cầu độ tiêu hao năng lượng thấp, chính tốc độ truyền dữ liệu thấp cho phép LR – WPAN tiêu hao ít năng lượng. Trong công nghệ này thì Zigbee là một công nghệ tiêu biểu [2].
Bảng 2. 1: So sánh một số thông số giữa Zigbee, Wifi và Bluetooth [2]
Tần số
Tốc độ truyền Khoảng cách truyền
2.3 CÁC CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU TRONG ỨNG DỤNG IOT 2.3.1 Chuẩn giao tiếp UART
UART là viết tắt của Universal Asynchronous Receiver – Transmitter có nghĩa là truyền dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ. Truyền dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ có một đường phát dữ liệu và một đường nhận dữ liệu, không có tín hiệu xung clock nên gọi là bất đồng bộ. Để truyền được dữ liệu thì cả bên phát và bên nhận phải tự tạo xung clock có cùng tần số và thường được gọi là tốc độ baud, ví dụ như 2400 baud, 4800 baud, 9600 baud [3].
Hình 2. 3: Hệ thống truyền dữ liệu bất đồng bộ.
Giao tiếp UART chế độ bất đồng bộ sử dụng một dây kết nối cho mỗi chiều truyền dữ liệu do đó để quá trình truyền nhận dữ liệu thành công thì việc tuân thủ các tiêu chuẩn truyền là hết sức quan trọng. Sau đây là các khái niệm quan trọng trong chế độ truyền thông này [3]:
Baud rate (tốc độ Baud): Để việc truyền và nhận bất đồng bộ xảy ra thành công thì các thiết bị tham gia phải thống nhất với nhau về khoảng thời gian dành cho 1 bit truyền, hay nói cách khác tốc độ truyền phải được cài đặt như nhau trước khi truyền nhận, tốc độ này gọi là tốc độ Baud. Tốc độ Baud là số bit truyền trong một giây. Ví dụ, nếu tốc độ Baud được đặt là 9600 bit/giây thì thời gian dành cho một bit truyền là 1/9600~104.167us.
Frame (khung truyền): Do truyền thông nối tiếp mà nhất là nối tiếp bất đồng bộ rất dễ mất hoặc sai lệch dữ liệu, quá trình truyền thông theo kiểu này phải tuân
10 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
theo một số quy cách nhất định. Bên cạnh tốc độ Baud, khung truyền là một yếu tố quan trọng tạo nên sự thành công khi truyền và nhận. Khung truyền bao gồm các quy định về số bit trong mỗi lần truyền, các bit báo hiệu như bit Start và bit Stop, các bit kiểm tra như Parity, ngoài ra số lượng các bit dữ liệu trong mỗi lần truyền cũng được quy định bởi khung truyền.
Để bắt đầu cho việc truyền dữ liệu bằng UART, một START bit được gửi đi, sau đó là các bit dữ liệu và kết thúc quá trình truyền là STOP bit [3].
Hình 2. 4: Khung truyền dữ liệu trong chế độ bất đồng bộ.
Start bit: Là bit đầu tiên được truyền trong một khung truyền, bit này có chức năng báo cho thiết bị nhận biết rằng có một gói dữ liệu sắp được truyền tới. Start bit là bit bắt buộc phải có trong khung truyền [3].
Data: Data hay dữ liệu cần truyền là thông tin chính mà chúng ta cần gửi và nhận. Dữ liệu cần truyền không nhất thiết phải là gói 8 bit, có thể quy định số lượng bit của dữ liệu là 5, 6, 7, 8 hoặc 9. Trong truyền thông nối tiếp USART, bit có ảnh hưởng nhỏ nhất của dữ liệu sẽ được truyền trước và cuối cùng là bit có ảnh hưởng lớn nhất [3].
Parity bit: Là bit dùng kiểm tra dữ liệu truyền đúng không (một cách tương đối). Có 2 loại parity là parity chẵn và parity lẻ. Parity chẵn nghĩa là số lượng bit
1 trong dữ liệu bao gồm bit parity luôn là số chẵn. Ngược lại, tổng số lượng các
bit 1 trong parity lẻ luôn là lẻ. Ví dụ, nếu dữ liệu của bạn là 10111011 nhị phân,