ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG LORA TRONG hệ THỐNG tự ĐỘNG hóa NÔNG NGHIỆP

GIỚI THIỆU CHUNG

Công nghệ LORA

1.1.1 Giới thiệu về công nghệ a) Khái niệm:

LORA là viết tắt của Long Range Radio được nghiên cứu và phát triển bởi

Cycleo, được Semtech mua lại vào năm 2012, phát triển công nghệ cho phép truyền dữ liệu ở khoảng cách lên đến hàng km mà không cần mạch khuếch đại công suất Công nghệ này giúp tiết kiệm năng lượng trong quá trình truyền và nhận dữ liệu.

LORA sử dụng kỹ thuật Chirp Spread Spectrum để điều chế dữ liệu Nguyên lý này cho phép dữ liệu được băm bằng các xung cao tần, tạo ra tín hiệu có dãy tần số cao hơn tần số gốc Tín hiệu cao tần sau đó được mã hoá bằng các chuỗi chirp signal, bao gồm up-chirp với tần số tăng và down-chirp với tần số giảm Trong quá trình mã hoá, bit 1 sẽ sử dụng up-chirp, trong khi bit 0 sẽ sử dụng down-chirp trước khi được truyền qua anten.

Theo Semtech, nguyên lý này giúp giảm độ phức tạp và nâng cao độ chính xác của mạch nhận, cho phép giải mã và điều chế lại dữ liệu hiệu quả Băng tần hoạt động của LORA dao động từ 430MHz đến 915MHz, tùy thuộc vào từng khu vực trên thế giới.

Hệ số phát tán (Spreading Factor - SF) xác định số lượng tín hiệu chirp trong mã hóa tín hiệu đã được điều chế tần số Cụ thể, nếu SF là 1, mức logic của tín hiệu chirp sẽ được mã hóa bởi 12 xung chirp Giá trị SF càng lớn, thời gian truyền dữ liệu sẽ lâu hơn, nhưng khoảng cách truyền sẽ xa hơn.

Bandwidth – BW: BW xác định biên độ tần số mà chirp signal có thể thay đổi

Bandwidth cao giúp giảm thời gian mã hóa tín hiệu chipped, từ đó rút ngắn thời gian truyền dữ liệu Tuy nhiên, điều này cũng dẫn đến việc khoảng cách truyền dữ liệu bị giảm xuống.

Tỷ lệ mã hóa (Coding Rate - CR) trong gói dữ liệu LORA là số lượng bit được thêm vào mỗi Payload bởi chipset LORA, giúp mạch nhận phục hồi các bit dữ liệu bị lỗi và đảm bảo dữ liệu trong Payload được khôi phục nguyên vẹn.

Sử dụng hệ số CR cao hơn giúp tăng khả năng nhận dữ liệu chính xác, tuy nhiên, chip LORA sẽ cần gửi nhiều dữ liệu hơn, điều này có thể dẫn đến việc tăng thời gian truyền dữ liệu qua không khí.

LORAWan là một chuẩn giao tiếp được phát triển bởi tổ chức LORA Alliance, dựa trên công nghệ LORA Tùy thuộc vào từng khu vực trên thế giới, các thiết bị LORAWan cần được cấu hình để chip LORA hoạt động ở các dải tần số cho phép như 433MHz và 915MHz.

Do đó trong 1 mạng LORAWan sẽ có 2 loại thiết bị:

Device node là các thiết bị cảm biến hoặc giám sát, được lắp đặt ở vị trí làm việc xa, nhằm thu thập và gửi dữ liệu về các thiết bị trung tâm.

Gateway là thiết bị trung tâm có chức năng thu thập dữ liệu từ các node thiết bị và truyền tải đến một máy chủ trung tâm để xử lý Thông thường, các thiết bị Gateway được lắp đặt tại vị trí có nguồn điện và kết nối mạng như Wifi, LAN hoặc GSM để đảm bảo việc gửi dữ liệu lên máy chủ diễn ra một cách hiệu quả.

1.1.2 Ứng dụng công nghệ LORA trong nông nghiệp hiện nay

Semtech vừa công bố hợp tác với National Narrowband Network Co (NNNCo) tại Úc để triển khai mạng công khai dựa trên giao thức LORAWAN, nhằm thúc đẩy công nghệ LORA và các thiết bị IoT Mạng lưới này sẽ được triển khai cùng Goanna Ag, một công ty nông nghiệp Úc, với mục tiêu cung cấp giải pháp quản lý tưới thông minh hơn cho người trồng bông.

Hình 1.2 Ứng dụng công nghệ LORA trong trồng bông ở Úc

Mạng lưới LORAWAN của NNNCo, với diện tích gần ba triệu ha, trải dài qua các khu vực Murrumbidgee, Lachlan, Gwydir MacIntyre, Namoi và Macquar, sẽ được mở rộng trong năm 2019 Mạng lưới này nhằm kết nối các cảm biến và phân tích dữ liệu đám mây với chi phí thấp cho nông dân, giúp tối ưu hóa lịch tưới thông qua việc kết hợp dữ liệu độ ẩm đất, dữ liệu thời tiết địa phương và hình ảnh vệ tinh.

Với sự khởi đầu của mùa bông mới, NNNCo và Goanna Ag sẽ triển khai 100 cổng kết nối đầu tiên tại New South Wales và Queensland, cùng với hơn 2.000 cảm biến trên các trang trại bông Các cảm biến này sử dụng công nghệ LORA, bao gồm đầu dò độ ẩm đất, đồng hồ đo mưa, trạm thời tiết, và thiết bị theo dõi mức nước và nhiên liệu.

Semtech đã phát triển giải pháp giám sát gia súc IoT sử dụng thiết bị LORA và công nghệ tần số vô tuyến không dây Hệ thống này tích hợp trình theo dõi GPS và cảm biến sinh trắc học, giúp theo dõi sức khỏe của động vật và phát hiện khi chúng rời khỏi khu vực được chỉ định.

Hình 1.3 Ứng dụng công nghệ LORA trong giám sát gia súc tại Úc

Thiết bị LORA từ lar.tech được gắn lên tai bò, cho phép truyền dữ liệu vị trí thời gian thực, giảm thiểu tình trạng bò đi lang thang hoặc bị trộm Thẻ cũng theo dõi chuyển động của bò, giúp người chăn nuôi nhận biết hoạt động của chúng, từ đó phát hiện tình trạng sức khỏe và nhiệt độ cơ thể Ứng dụng liên tục quét dữ liệu và ngay lập tức thông báo cho người chăn nuôi khi có bất thường xảy ra.

Áp dụng công nghệ LORA vào mô hình nông nghiệp tại Việt Nam

1.2.1 Đặc điểm của mô hình a Hình 1.4 Mô hình trồng trọt tại Việt Nam Đây là mô hình điển hình của hệ thống nông nghiệp ở Việt Nam gồm có hệ thống mương máng tưới tiêu và hệ thống luống cây trồng Mô hình này có thể áp dụng cho nhiều loại cây trồng khác nhau tại Việt Nam như lúa, ngô, khoai, sắn… Trong đó:

 Luống cây là nơi trồng cây, có chứa đất, khoáng chất cần thiết đảm bảo cho sự phát triển bình thường của cây trồng

 Mương máng là nơi dẫn nước từ phía nguồn tới từng thửa ruộng, đảm bảo nhu cầu tưới tiêu liên tục trong mùa vụ

Dựa trên mô hình thực tế, nhóm đã thực hiện các tính toán cần thiết để áp dụng công nghệ và thiết kế sơ đồ lắp đặt thiết bị, đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả và ổn định trong thời gian dài, ngay cả trong điều kiện khắc nghiệt.

1.2.2 Áp dụng công nghệ LORA

Nhóm đồ án quyết định chọn công nghệ truyền thông LORA vì những đặc điểm nổi bật sau:

 Độ an toàn cao, chống nhiễu tốt

 Truyền được khoảng cách xa (tối đa 10-16km) mà ít bị ảnh hưởng bởi các thiết bị khác

 Tiêu thụ dòng thấp (trong chế độ tiết kiệm năng lượng, dòng tiêu thụ khoảng 30uA khi thiết lập độ trễ khoảng 2s)

 Chi phí sử dụng thấp.

Yêu cầu của hệ thống

Đề tài “Ứng dụng truyền thông LORA vào hệ thống tự động hóa trong nông nghiệp” gồm những yêu cầu:

 Xây dựng mô hình hệ thống tự động hóa nông nghiệp trên nền tảng truyền thông LORA

 Thu thập, hiển thị và lưu trữ các thông số nhiệt độ, độ ẩm môi trường và độ ẩm đất trên web server, trên app điện thoại…

Thiết kế hệ thống điều khiển cho máy bơm nước tự động nhằm cung cấp nước cho cây trồng là rất cần thiết, giúp cây phát triển khỏe mạnh và mang lại hiệu quả kinh tế cao.

 Chất lượng cập nhật dữ liệu cảm biến nhanh, điều khiển tải tức thì để đảm bảo hệ thống chạy tốt

Chương 1 đã giới thiệu về công nghệ LORA, tình hình ứng dụng công nghệ này vào nông nghiệp tại một số quốc gia cũng như đặt vấn đề về việc áp dụng công nghệ này vào mô hình nông nghiệp tại Việt Nam Từ đó, đưa ra các yêu cầu cơ bản của hệ thống

Chương 2 Cấu hình hệ thống

CẤU HÌNH HỆ THỐNG

Cấu hình hệ thống

Hình 2.1 Cấu trúc tổng quan của hệ thống

Hệ thống gồm các 3 thành phần chính sau:

Node cảm biến thu thập dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm không khí và độ ẩm đất tại các luống cây trồng, sau đó gửi thông tin này về Gateway qua công nghệ truyền thông LORA.

Node tải nhận tín hiệu điều khiển từ Gateway qua truyền thông LORA, giúp đóng cắt máy bơm và cung cấp lượng nước phù hợp cho các luống cây, từ đó đảm bảo sự phát triển tối ưu cho cây trồng.

Gateway thu thập và xử lý dữ liệu từ các Node cảm biến, hiển thị thông tin trên web server qua giao thức TCP/IP, đồng thời cung cấp dữ liệu cho ứng dụng trên máy tính và điện thoại thông qua giao thức MQTT.

Chương 2 Cấu hình hệ thống cũng căn cứ vào dữ liệu của cảm biến độ ẩm đất để đưa ra luật điều khiển thích hợp cho tải máy bơm

Ngoài ra, hệ thống có khả năng giám sát trực quan thông qua camera giám sát trên điện thoại smartphone cũ

 Thu thập dữ liệu về nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất

 Gửi về Gateway thông qua truyền thông LORA

Tiến hành lựa chọn thiết bị:

 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm không khí (DHT11) và cảm biến độ ẩm đất

 Nguồn adapter 7-12VDC hoặc Pin a) Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm không khí (DHT11)

Hình 2.2 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm không khí

 Dòng sử dụng: 2.5mA max (khi truyền dữ liệu)

 Đo tốt ở độ ẩm 20-80%RH với sai số 5%

 Đo tốt ở nhiệt độ 0 to 50°C sai số ±2°C

 Tần số lấy mẫu tối đa 1Hz (1 giây 1 lần)

 Kích thước 15mm x 12mm x 5.5mm

 4 chân, khoảng cách chân 0.1'' b) Cảm biến độ ẩm đất

Hình 2.3 Cảm biến độ ẩm đất

Cảm biến độ ẩm đất hoạt động với hai chế độ ngõ ra là Analog và Digital Khi đất thiếu nước, cảm biến sẽ cho ra tín hiệu mức cao (5V), trong khi trạng thái đầu ra mức thấp là 0V Hai đầu đo của cảm biến được cắm vào đất để phát hiện độ ẩm, và có thể kết nối với module chuyển đổi thông qua dây nối.

 Điện áp hoạt động: 3.3 -> 5VDC

 Kích thước PCB: 3cm * 1.6cm c) Vi điều khiển STM32F103C8T6

Hình 2.4 Vi điều khiển STM32F103C8T6

STM32 là dòng vi điều khiển phổ biến của STMicroelectronics, bao gồm nhiều họ như F0, F1, F2, F3, F4 Trong đó, STM32F1 thuộc họ F1 với lõi ARM Cortex-M3, cung cấp hiệu suất cao STM32F103 là vi điều khiển 32 bit, hoạt động với tốc độ tối đa 72 MHz và có giá thành hợp lý, thích hợp cho nhiều ứng dụng.

Chương 2 Cấu hình hệ thống với các loại vi điều khiển có chức năng tương tự Mạch nạp cũng như công cụ lập trình khá đa dạng và dễ sử dụng

Hình 2.5 Phần mềm lập trình cho STM32F103C8T6 (KeilC v5)

Cấu hình chi tiết của STM32F103C8T6:

 ARM 32-bit Cortex M3 với clock max là 72Mhz

 64 kbytes bộ nhớ Flash(bộ nhớ lập trình)

 Clock, reset và quản lý nguồn

 Power on reset(POR), Power down reset(PDR) và programmable voltage detector (PVD)

 Sử dụng thạch anh ngoài từ 4Mhz -> 20Mhz

 Thạch anh nội dùng dao động RC ở mode 8Mhz hoặc 40khz

 Sử dụng thạch anh ngoài 32.768khz được sử dụng cho RTC

 2 bộ ADC 12 bit với 9 kênh cho mỗi bộ

 Khoảng giá trị chuyển đổi từ 0 – 3.6V

 Lấy mẫu nhiều kênh hoặc 1 kênh

 Có cảm biến nhiệt độ nội

 DMA: bộ chuyển đổi này giúp tăng tốc độ xử lý do không có sự can thiệp quá sâu của CPU

 Hỗ trợ DMA cho ADC, I2C, SPI, UART

 3 timer 16 bit hỗ trợ các mode IC/OC/PWM

 1 timer 16 bit hỗ trợ để điều khiển động cơ với các mode bảo vệ như ngắt input, dead-time

 2 watdog timer dùng để bảo vệ và kiểm tra lỗi

 1 sysTick timer 24 bit đếm xuống

 Hỗ trợ 9 kênh giao tiếp bao gồm:

 3 bộ USART (ISO 7816 interface, LIN, IrDA capability, modem control)

 Kiểm tra lỗi CRC và 96-bit ID d) Module LORA E32-TTL-100

Module LORA SX1278 100mW sử dụng chip Semtech SX1278 của chuẩn

Chương 2 Cấu hình hệ thống sử dụng công nghệ LORA (long range) chống nhiễu và giảm dòng tiêu thụ Module hỗ trợ chuẩn giao tiếp UART, độ mạnh tín hiệu phát lớn 100mW, truyền tải được khoảng cách xa mà điện năng tiêu thụ thấp

Module này lý tưởng cho các ứng dụng phức tạp cần truyền tải dữ liệu không dây, bao gồm điều khiển nhà thông minh, ô tô điện tử, hệ thống báo động an ninh, giám sát và kiểm soát hệ thống công nghiệp, cũng như điều khiển từ xa cho ứng dụng tưới tiêu Với giao thức SPI chuẩn, các module có thể dễ dàng được nhúng vào thiết kế sản phẩm hiện tại của khách hàng, tạo điều kiện cho giao tiếp đơn giản và hiệu quả Khoảng cách truyền tải có thể lên tới vài km, tùy thuộc vào mục đích sử dụng và mức năng lượng tiêu thụ.

Hình 2.7 Cấu tạo cơ khí của module LORA E32-TTL-100 Đặc tính nổi bật:

 Độ an toàn cao, chống nhiễu tốt, truyền được khoảng cách xa mà ít bị ảnh hưởng bởi các thiết bị khác

 Tiêu thụ dòng thấp: Trong chế độ tiết kiệm năng lượng, dòng tiêu thụ khoảng 30uA khi thiết lập độ trễ khoảng 2s

 Cho phép định địa chỉ truyền nhận: Ví dụ: module A yêu cầu truyền đến

B (địa chỉ 0x00 01, kênh là 0x80) dữ liệu AA BB CC, thì nó có thể truyền

00 01 80 AA BB CC, thì chỉ có module B nhận dữ liệu , các module khác không nhận dữ liệu

 Có thể định địa chỉ 0xFFFF để nhận tất cả dữ liệu từ tất cả module trên cùng 1 kênh

 Hỗ trợ FEC forward error correction algorithm giúp gia tăng độ ổn định và tin cậy khi truyền nhận

 Trong chế độ sleep mode, module tiêu tốn chỉ vài uA và vẫn có khả năng nhận được cấu hình từ MCU gửi sang

 Thường được sử dụng trong các dự án yêu cầu khoảng cách xa, lượng data truyền nhận không lớn hay môi trường có độ nhiễu cao

 Tần số: 433MHz (410 ~ 441MHz) hỗ trợ 32 kênh

 Điện áp hoạt động: 2.3 ~ 5.5V DC Lưu ý: điện áp lớn 5.5V sẽ gây hư hỏng module

 Độ mạnh phát: 20dBm (100mW) với 4 mức điều chỉnh (20, 17, 14, 10dBm)

 Tốc độ truyền không dây: 2.4kbps có thể điều chỉnh 6 mức (0.3, 1.2, 2.4, 4.8, 9.6, 19.2Kbps)

 Dòng sleep mode 2.0uA ở Mode 3

 Dòng phát: 110mA @ 20dBm Lưu ý công suất nguồn nên cao hơn 250mA

 UART baudrate: 1200 ~ 115.200 Tổng cộng có tám loại tốc độ truyền (mặc định 9600)

 UART TX, RX Cache 512 Bytes

 Hỗ trợ 16 bit địa chỉ để thiết lập network

 Anten SMA-K Threaded lỗ, 50Ω trở kháng

Các chế độ vận hành:

Bảng 2.1 Các chế độ vận hành của Module LORA E32-TTL-100

Tên chế độ M1 M0 Mô tả Ghi chú

0 0 Cổng nối tiếp mở, kênh truyền không dây mở Cho phép truyền thông

Bộ nhận phải làm việc ở mode 0 hoặc mode 1

0 1 Cổng nối tiếp mở, kênh thông truyền không dây mở Điều khác biệt duy nhất với mode 0 là ở mode

1, dữ liệu tự động được thêm wake- up code Cho phép đánh thức bộ nhận ở chế độ 2

Bộ nhận có thể làm việc ở mode 0, 1 hoặc

1 0 Cổng nối tiếp đóng, kênh truyền làm việc ở chế độ wake-up Và cổng nối tiếp sẽ mở khi nhận được tín hiệu từ kênh truyền thông không dây

Bộ truyền nên hoạt động ở mode 1 Không thể truyền ở chế độ này

1 1 Chế độ ngủ, có thể thiết lập các thông số cho module

 Nhận tín hiệu điều khiển từ Gateway thông qua truyền thông LORA

 Đóng cắt máy bơm để cung cấp nước phù hợp cho cây trồng

Phần giới thiệu về STM32F103C8T6 và module LORA đã được đề cập trong mục 2.1.1

 Hoạt động ở chế độ thời gian thực, hiển thị giờ phút giây, ngày tháng năm và các dữ liệu nhận được từ phía web server gửi cho gateway

 Nhận dữ liệu về các thông số của môi trường từ phía node cảm biến

Xử lý dữ liệu từ node cảm biến để hiển thị trên web server thông qua WiFi, đồng thời lưu trữ trên ứng dụng máy tính và điện thoại bằng giao thức MQTT.

Gửi tín hiệu điều khiển đến node tải nhằm điều chỉnh hoạt động của máy bơm theo nhu cầu thực tế của hệ thống tưới tiêu nông nghiệp cho cây trồng.

 Module thời gian thực DS1307

Phần giới thiệu về STM32F103C8T6 và module LORA đã được đề cập trong mục 2.1.1 a) Module thời gian thực DS1307

DS1307 là chip đồng hồ thời gian thực (RTC) được phát triển bởi Dallas Semiconductor, thuộc Maxim Integrated Products Chip này lưu trữ thời gian tuyệt đối với độ chính xác đến giây, phút và giờ, thông qua 7 thanh ghi 8-bit cho các thông tin như giây, phút, giờ, ngày trong tuần, ngày, tháng và năm Ngoài ra, DS1307 còn có một thanh ghi điều khiển ngõ ra phụ và 56 thanh ghi trống có thể sử dụng như RAM Giao tiếp với DS1307 được thực hiện qua giao diện I2C.

Hình 2.8 Sơ đồ chân của DS1307 b) Vi điều khiển dsPIC30F4011

Hình 2.9 Vi điều khiển dsPIC30F4011

Vi điều khiển dsPIC30F4011 là một giải pháp lý tưởng cho việc điều khiển động cơ, với khả năng cung cấp 6 kênh băm xung PWM, 4 chân ngắt ngoài và 24 chân ngắt CN Điều này cho phép người dùng điều khiển đồng thời 6 động cơ, đáp ứng tốt cho các ứng dụng yêu cầu cao trong lĩnh vực tự động hóa.

Cấu hình chi tiết của dsPIC30F4011:

 Khối xử lý trung tâm CPU

 Tập lệnh cơ bản gồm 84 lệnh

 Chế độ định địa chỉ linh hoạt

 Độ dài lệnh 24-bit, độ dài dữ liệu 16-bit

 Bộ nhớ chương trình Flash 24 Kbyte

 Bộ nhớ RAM độ lớn 1Kbytes

 Mảng 16 thanh ghi làm việc 16-bit

 Tốc độ làm việc lên tới 30 MIPS

 Bộ chuyển đổi tương tự số ADC

 Bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC) 10-bit

 Tốc độ lấy mẫu tối đa 1 Msps (Mega samples per second)

 Tối đa 10 kênh lối vào ADC

 Thực hiện biến đổi cả trong chế độ Sleep và Idle

 Chế độ nhận biết điện thế thấp khả lập trình

 Tạo Reset bằng nhận diện điện áp khả lập trình

 Các cổng vào ra I/O Port và các ngoại vi

 Dòng ra, vào ở các chân I/O lớn: 25 mA

 3 Timer 16-bit, có thể ghép 2 Timer 16-bit thành Timer 32-bit

 Các bộ so sánh/PWM 16-bit

 Module SPI 3 dây (hỗ trợ chế độ Frame)

 Module I2C, hỗ trợ chế độ đa chủ tớ, địa chỉ từ 7-bit đến 10-bit

 UART có khả năng địa chỉ hoá, hỗ trợ bộ đệm FIFO1

Chương 2 Cấu hình hệ thống c) Màn hình LCD 16x2

Hình 2.10 Màn hình hiển thị LCD 16x2

 Có thể được điều khiển với 6 dây tín hiệu

 Constrast Voltage (Vo): điều khiển độ sáng màn hình

 Register Select (RS): lựa chọn thanh ghi

 Enable: Cho phép ghi vào LCD

 D0 - D7: 8 chân trao đổi dữ liệu với các vi điều khiển, với 2 chế độ sử dụng

 Chế độ 8 bit: Dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit MSB là bit DB7

 Chế độ 4 bit : Dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 tới DB7, bit MSB là DB7 d) Module wifi NODEMCU (ESP8266-12E)

Hình 2.11 Module Wifi NODEMCU (ESP8266-12E)

 WiFi: 2.4 GHz hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n

 Điện áp vào: 5V thông qua cổng USB

 Số chân I/O: 11 (tất cả các chân I/O đều có Interrupt/PWM/I2C/One-wire, trừ chân D0)

 Số chân Analog Input: 1 (điện áp vào tối đa 3.3V)

 Giao tiếp: Cable Micro USB

 Hỗ trợ bảo mật: WPA/WPA2

 Tích hợp giao thức TCP/IP

 Lập trình trên các ngôn ngữ: C/C++, Micropython, NODEMCU - Lua

 Camera còn hoạt động tốt

 Có khả năng sử dụng phần mềm IP CAMERA và kết nối wifi

Chọn một chiếc smartphone cũ làm camera giám sát là một giải pháp hiệu quả, kết hợp với thẻ nhớ SD 16GB để lưu trữ dữ liệu hệ thống khi cần thiết.

Lắp đặt thiết bị

Hình 2.13 Cấu hình lắp đặt thiết bị của hệ thống

Việc lắp đặt thiết bị đo đạc trong nông nghiệp cần dựa trên yêu cầu thực tế về các thông số môi trường và đặc điểm tưới tiêu, nhằm đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định trong điều kiện khắc nghiệt Để đạt được độ tin cậy cao, mỗi luống hoa sẽ được trang bị nhiều node cảm biến và áp dụng thuật toán tính trung bình, giúp dữ liệu cập nhật trên web server chính xác hơn, từ đó hỗ trợ việc điều khiển tải hiệu quả.

Chương 2 đã trình bày rõ ràng về cấu hình hệ thống, đồng thời cũng đưa ra các lựa chọn về thiết bị phần cứng, công nghệ sử dụng phù hợp với yêu cầu đã đặt ra, phục vụ cho việc ghép nối các thành phần thành một hệ thống hoàn chỉnh

Chương 3 Thiết kế phần cứng

THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

Ý tưởng thiết kế

Board mạch được thiết kế bằng phần mềm Altium Designer là board mạch duy nhất, tích hợp đầy đủ các thành phần của node cảm biến, node tải và gateway trên cùng một mạch, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và tính năng trong ứng dụng.

 Tiết kiệm chi phí đặt mạch

 Giảm thiểu thời gian thiết kế file nguyên lý và đi dây cho file PCB

 Giúp người lập trình nắm bắt cả hệ thống nhanh hơn

 Dễ dàng hoán đổi các thành phần của hệ thống khi có sự cố hỏng hóc

 Dễ dàng mở rộng quy mô hệ thống

Board mạch sử dụng trong đề tài có nhiều thành phần gồm:

 Phần 2: Khối giao tiếp thời gian thực giữa DSPIC (4) và DS1307 (2) thông qua nút nhấn (3) và hiển thị lên LCD (4)

 Phần 3: Khối cảm biến trong node cảm biến (5)

 Phần 4: Khối công suất trong node tải (6)

 Phần 5: Khối truyền thông Lora của node cảm biến và node tải (7)

 Phần 6: Khối truyền thông Lora của gateway, đồng thời cũng là khối kết nối wifi, truyền thông MQTT (8)

Thực thi

 Khối nguồn được thiết kế để đảm bảo có nhiều phương án cấp nguồn cho mạch: dùng pin, dùng adapter 7-12VDC hoặc dùng dây sạc điện thoại…

Nguồn điện 7-12VDC sẽ được điều chỉnh qua LM7805 để giảm xuống 5V, cung cấp cho cảm biến DHT11 và cảm biến độ ẩm đất Sau đó, từ 5V, ASM1117 sẽ hạ áp xuống 3.3V để cấp nguồn cho vi điều khiển STM32F103C8T6 và module LORA.

 Tụ gốm 104 và tụ hóa 470uF có nhiệm vụ lọc nhiễu và làm phẳng điện áp ra từ nguồn

 LED3 có nhiệm vụ báo trạng thái hoạt động của nguồn

 Khối nguồn ra chân 3 cấp điện áp là 5V, 3V3, GND để sử dụng khi có thêm các ngoại vi khác

Giao tiếp của DSPIC với LCD được thực hiện ở chế độ 4 bit, tức là chỉ sử dụng

Để truyền dữ liệu từ DSPIC lên LCD và hiển thị, có 4 chân D4, D5, D6, D7 được sử dụng Các chân RS được dùng để lựa chọn giữa thanh ghi lệnh và thanh ghi dữ liệu, trong khi chân EN cho phép giao tiếp với LCD Chân R/𝑊̅ cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đọc và ghi dữ liệu Ngoài ra, chân VSS được kết nối với chân tín hiệu của biến trở để điều chỉnh độ tương phản của LCD khi cần thiết.

Hình 3.2 Khối hiển thị LCD

Hình 3.3 Module thời gian thực

Chip AT24C512B là một EEPROM hỗ trợ chip thời gian thực DS1307 RTC trong việc lưu trữ thông tin về thời gian đã thiết lập, giúp bảo vệ dữ liệu khi mất điện Chip DS1307 có 8 chân và được thiết kế theo dạng SMD.

 X1 và X2 là đầu vào dao động cho DS1307 Cần dao động thạch anh 32.768Khz

Vbat cung cấp nguồn cho chip với mức điện áp từ 2V đến 3.5V, thường sử dụng pin 3V Nguồn này giúp chip hoạt động liên tục ngay cả khi không có nguồn Vcc, đảm bảo rằng DS1307 vẫn duy trì thời gian chính xác.

Vcc là nguồn cung cấp cho giao tiếp I2C với điện áp chuẩn 5V, thường được sử dụng chung với vi xử lý Trong trường hợp không có Vcc nhưng vẫn có Vbat, chip DS1307 vẫn hoạt động bình thường, tuy nhiên không thể thực hiện việc ghi và đọc dữ liệu.

 GND là nguồn Mass chung cho cả Vcc và Vbat

SQW/OUT là một chân ngõ ra phụ dùng để tạo xung vuông Do tôi cho rằng chân này không ảnh hưởng đến thời gian thực, nên chúng ta sẽ không sử dụng và để trống chân này trong các ứng dụng thời gian thực.

 SCL và SDA là hai bus dữ liệu của DS1307 Thông tin truyền và ghi đều được truyền qua 2 đường truyền này theo chuẩn I2C

Khối nút nhấn cho phép người dùng điều chỉnh các thông số thời gian như giờ, phút, giây, ngày, tháng và năm Các chân tín hiệu của nút nhấn được kết nối với ngắt của DSPIC để đảm bảo xử lý ưu tiên Mỗi nút nhấn được trang bị tụ 10-15uF nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của hiện tượng dội nút Ngoài ra, điện trở kéo lên 10k giúp ngăn chặn tình trạng trôi nổi, đảm bảo xác định rõ trạng thái của nút nhấn ở mức cao hoặc thấp.

Hình 3.5 Khối vi điều khiển dsPIC30F4011

 Khối tạo dao động cho dsPIC sử dụng thạch anh 8Mhz Nút nhấn reset để khởi tạo lại vi điều khiển khi hệ thống bị treo

 Khối mạch nạp ICSP để nạp code cho chip

 Công tắc gạt để cấp nguồn và cắt nguồn của dsPIC khi hệ thống có sự cố

 LED2 có nhiệm vụ báo trạng thái hoạt động của chip

Chân SDA và SCL là hai chân thiết yếu trong giao tiếp I2C với module thời gian thực DS1307 Để thiết lập thời gian cho module này, người dùng có thể thực hiện thao tác thông qua các nút nhấn, được kết nối với các ngắt ngoài và ngắt thay đổi trạng thái pin của DSPIC.

3.2.3 Khối cảm biến (đối với node cảm biến)

Hình 3.6 Khối giao tiếp cảm biến DHT11 và cảm biến độ ẩm đất

Khe cắm cho module cảm biến rất tiện lợi, giúp người dùng không phải đấu dây phức tạp Nó tương thích với nhiều loại module cảm biến digital và analog khác nhau, mang lại sự linh hoạt trong việc sử dụng.

 Có công tắc chuyển nguồn cho các loại cảm biến 5V và 3V3

Mỗi cảm biến có cách giao tiếp riêng với vi điều khiển; ví dụ, cảm biến DHT11 sử dụng giao tiếp 1-wire, yêu cầu một chân digital kết nối với chân tín hiệu, trong khi cảm biến độ ẩm đất cần một chân analog để kết nối với chân tín hiệu của nó.

3.2.4 Khối công suất (đối với node tải)

Hình 3.7 Khối công suất đóng cắt máy bơm

 Việc đóng cắt tải là máy bơm công suất cần có bộ khuếch đại tín hiệu Ở đây, nhóm sử dụng transistor đóng cắt relay

 Điện trở hạn dòng R4, bảo vệ cho transistor (thường chọn từ 1k trở lên)

 Diode M7 để thiết kế để hạn chế ảnh hưởng của dòng ngược của máy bơm khi đóng cắt, gây hỏng transistor

3.2.5 Khối truyền thông Lora của node cảm biến và node tải

Hình 3.8 Khối giao tiếp với module LORA E32-TTL-100

 Nguồn cấp cho module LORA là 3V3

Chân UART2_TX và UART2_RX đảm nhận vai trò kết nối với chân RX và TX, giúp truyền dữ liệu từ vi điều khiển đến module để thực hiện việc truyền không dây, đồng thời nhận dữ liệu từ module trong quá trình tiếp nhận không dây.

Các chân PB14 và PB13 được kết nối với chân M1 và M0 của module LORA để cấu hình chế độ hoạt động của module Trong đề tài này, module chủ yếu hoạt động ở chế độ 0 và chế độ 3.

Chân PB15 kết nối với chân AUX của module LORA, giúp kiểm tra việc cài đặt thông số và quá trình truyền nhận dữ liệu.

Hình 3.9 Khối vi điều khiển STM32F103C8T6

Khối tạo dao động ngoài cho vi điều khiển STM32F103C8T6 sử dụng thạch anh 8MHz, cho phép hệ thống hoạt động với tần số tối đa lên đến 72MHz.

 Công tắc nguồn 3V3 cho vi điều khiển để có thể đóng cắt bằng tay khi có sự cố chập cháy

 Khối nạp giúp hệ thống có thể nạp code bằng mạch nạp STlink và nạp qua bootloader (tiết kiệm chi phí mua mạch nạp)

 Khối debug được ra chân để test hệ thống trên máy tính trong quá trình phát triển sản phẩm cũng như phát hiện lỗi phần mềm

 Lý do lựa chọn vi điều khiển STM32F103C8T6

 Giá thành rẻ, dễ sử dụng

 Có nhiều I/O để giao tiếp với ngoại vi (ADC, module LORA…)

 Có 3 cặp chân UART để truyền nhận dữ liệu và debug trên máy tính

 Tốc độ xử lý nhanh

 Kích thước nhỏ gọn, tiện dụng

3.2.6 Khối truyền thông Lora của gateway

Hình 3.10 Khối vi điều khiển NODEMCU và module LORA E32-TTL-100

 Có khả năng kết nối wifi và truyền dữ liệu lên app qua giao thức MQTT

Module LORA có 7 chân kết nối, bao gồm 2 chân cấp nguồn (3V3, GND), 2 chân giao tiếp UART (D3, D4), 2 chân kiểm tra tính hoàn tất cài đặt và quá trình truyền nhận dữ liệu, cùng với 2 chân cấu hình chế độ hoạt động.

 Ngoài ra, khối này cũng ra chân debug để giao tiếp với máy tính khi cần kiểm tra lỗi

Sản phẩm hoàn thành

Board mạch hoàn thành đáp ứng đầy đủ yêu cầu thiết kế với vẻ đẹp, kích thước nhỏ gọn, tích hợp tất cả các thành phần của node cảm biến, node tải và gateway, đồng thời hoạt động ổn định trong thời gian dài.

Hình 3.11 Mạch PCB chung cho gateway và node

Hình 3.12 Mạch gateway (bên trái) và node (bên phải) thực tế

Chương 4 Thiết kế phần mềm

THIẾT KẾ PHẦN MỀM

Thuật toán node

Gửi dữ liệu của cảm biến cho gateway

Có tín hiệu phản hồi từ gateway?

Ngủ trong 3s và thức dậy

Có tín hiệu điều khiển từ gateway? Đóng cắt máy bơm thích hợp

Thuật toán hoạt động của node cảm biến và node tải được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng Node cảm biến sử dụng thuật toán có phản hồi để đảm bảo dữ liệu được gửi đến gateway, đồng thời vào chế độ ngủ sau mỗi lần xác nhận dữ liệu để tránh gây nhiễu cho các node khác và giảm tiêu thụ năng lượng Thời gian ngủ 3 giây là phù hợp với nhu cầu quan sát sự thay đổi giá trị cảm biến, mặc dù sự thay đổi này thường không diễn ra nhanh chóng Ngược lại, node tải sử dụng nguồn cung cấp từ adapter, cho phép nó hoạt động liên tục và chờ tín hiệu điều khiển từ gateway mà không cần lo lắng về tiết kiệm năng lượng.

Chương 4 Thiết kế phần mềm

Thuật toán gateway

Khi hệ thống hoạt động, các node cảm biến liên tục gửi dữ liệu về gateway cho đến khi nhận được tín hiệu phản hồi thành công, sau đó node sẽ đi vào trạng thái ngủ để tiết kiệm năng lượng và tránh gây nhiễu cho các node khác Thời gian ngủ của node có thể được điều chỉnh tùy theo ý tưởng của lập trình viên và mục đích của hệ thống Do dữ liệu cảm biến thay đổi chậm, thuật toán đề xuất nhằm tối ưu hóa số lần lấy mẫu, cho phép gateway nhận dữ liệu từ cả hai node A và B đồng thời, nhưng chỉ xử lý dữ liệu của một node tại một thời điểm theo thứ tự A->B->A->B.

Sau khi gateway xử lý dữ liệu từ từng node cảm biến, nó sẽ gửi thông tin lên web server và ứng dụng điện thoại để người dùng có thể giám sát Dữ liệu được gửi lên web server bao gồm giá trị cảm biến và trạng thái on/off của tải, trong khi ứng dụng nhận khung bản tin với giá trị cảm biến Đồng thời, gateway cũng cung cấp tín hiệu điều khiển phù hợp cho node tải.

 Việc điều khiển đóng cắt tải phụ thuộc vào 2 yếu tố:

 Cờ bật từ phía dsPIC gửi cho ESP8266 hoặc web server gửi cho ESP8266 (dsPIC và ESP8266 là 2 thành phần trong gateway)

 Giá trị của cảm biến độ ẩm đất

 70% thì tắt

 20%400m)

Định dạng
Số trang	70
Dung lượng	2,91 MB