THIẾT KẾ KIT PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG HỆ THỐNG QUAN TRẮC THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ ĐỊNH HƯỚNG THỰC HIỆN

Giới thiệu cơ sở lý thuyết phần cứng và phần mềm hệ thống

2.1.1 Tổng quan về Kit LaunchPad MSP432P401R

Kit LaunchPad MSP432P401R là vi điều khiển dòng ARM 32-bit được sản xuất và được cung cấp bởi công ty Texas Instruments [1].

MSP là chữ viết tắt của cụm từ “MIXED SIGNAL MICROCONTROLLER”.

MSP432 là dòng vi điều khiển siêu tiết kiệm năng lượng, hoạt động với điện áp nguồn từ 3.4V đến 4.4V Nó sử dụng cấu trúc VON-NEUMANN, với một bus duy nhất giữa CPU và bộ nhớ, đảm bảo độ rộng bit tương tự nhau MSP432 cung cấp nhiều giải pháp ứng dụng linh hoạt với các phiên bản khác nhau như MSP432P401R và MSP432P401M.

Kit LaunchPad MSP432P401R hoàn toàn tương thích với các module không dây của Texas Instruments như CC1100, CC1101, CC1150, CC2500, CC2550 và CC2420 Kit bao gồm các thành phần chính như vi điều khiển MSP432P401R, MSP430G2452, TM4C129, nút bấm, đèn LED RGB và cổng kết nối Micro USB Tổng cộng, Kit cung cấp 10 Port và 68 chân để người dùng có thể sử dụng.

Một số đặc trưng của MSP432P401R

 MSP432P401R MCU công suất thấp, hiệu suất cao.

 Hoạt động điện áp cung cấp: 3.3V, 5V.

 Tiêu thụ điện năng: Hoạt động 80uA / MHz và hoạt động ở chế độ chờ 660nA RTC.

 Bộ nhớ: Flash 256 kB, RAM 64 kB.

 Bộ hẹn giờ: 4 x16-bit và 2 x 32-bit.

 Giao tiếp: Tối đa 4 I2C, 8 SPI, 4 UART.

 UART kênh ngược qua USB sang PC.

Thiết kế mạch nạp cho chip là một bước quan trọng trong bất kỳ MCU nào, bao gồm cả MSP432 MSP432 thuộc dòng value line, tiết kiệm năng lượng và chi phí thấp Do đó, Texas Instruments đã cung cấp cho người dùng một mạch nạp code và Debug gọn nhẹ, tiện lợi.

2.1.2 Tổng quan về truyền thông UART

Hình 2.1.2 Sơ đồ cấu trúc MSP432P401R [1]

UART, viết tắt của Universal Asynchronous Receiver-Transmitter, là một mạch tích hợp quan trọng trong việc truyền dữ liệu nối tiếp giữa máy tính và thiết bị ngoại vi Nhiều vi điều khiển hiện nay đã tích hợp UART, nhưng do tốc độ và tính tiện dụng không bằng các giao tiếp mới, các dòng PC và Laptop hiện đại không còn tích hợp cổng UART Khác với giao tiếp SPI và I2C sử dụng một dây truyền dữ liệu và một dây xung clock (SCL) để đồng bộ, UART không cần dây SCL, cho phép mỗi vi xử lý tự tạo ra xung clock cho riêng mình khi giao tiếp với nhau.

Tín hiệu UART hoạt động theo kiểu truyền – nhận Asynch, tức là không phụ thuộc vào xung Clock Hai thiết bị giao tiếp qua UART cần "thỏa thuận" về các yếu tố như Baud rate (tốc độ truyền), stop bit (điểm dừng), start bit (điểm bắt đầu) và data bits (các bit dữ liệu) Sự thỏa thuận này cho phép đầu nhận có thể giải mã tín hiệu một cách chính xác.

UART được thiết lập dựa trên 2 chân TX và RX của vi điều khiển nối chéo với nhau như hình.

UART truyền tải dữ liệu bằng cách gửi các bit tuần tự qua việc kéo thấp đường UART trong một khoảng thời gian cố định, được xác định bởi baud rate Trong trạng thái nhàn rỗi, đường UART sẽ ở mức HIGH tương ứng với mức I/O.

Hình 2.1.3 Sơ đồ kết nối giao thức UART [2]

Yếu tố nhỏ nhất của quá trình truyền dữ liệu là UART frame – hay còn gọi là UART character UART frame có cấu trúc như sau:

Start bit là tín hiệu thông báo cho receiver rằng dữ liệu đang được truyền đến Nếu không có start bit trong khung dữ liệu UART, bit đầu tiên sẽ tự động được coi là 1 Khi bit đầu tiên là 1, khung dữ liệu này sẽ được nhận diện như một “dòng nghỉ” 0 - “idle line” cho đến khi chuyển sang trạng thái “high” Số lượng bit dữ liệu thường là 8, nhưng cũng có thể được cấu hình thành 7 bit.

2.1.3 Tổng quan về giao thức I2C

I2C, viết tắt của “Inter-Integrated Circuit”, là một giao thức giao tiếp được phát triển bởi Philips Semiconductors Giao thức này cho phép truyền dữ liệu giữa một bộ xử lý trung tâm và nhiều IC trên cùng một bảng mạch, chỉ cần sử dụng hai đường truyền tín hiệu.

Giao thức này được ưa chuộng trong việc giao tiếp giữa vi điều khiển và các thiết bị như mảng cảm biến, thiết bị hiển thị, thiết bị IoT và EEPROMs nhờ tính đơn giản của nó Đây là một giao thức giao tiếp nối tiếp đồng bộ, trong đó các bit dữ liệu được truyền từng bit một theo các khoảng thời gian đều đặn do một tín hiệu đồng hồ tham chiếu thiết lập.

Sau đây là một số đặc điểm quan trọng của giao thức giao tiếp I2C:

Chỉ cần có hai đường bus (dây) chung để điều khiển bất kỳ thiết bị / IC nào trên mạng I2C.

Trong giao tiếp không cần thỏa thuận trước về tốc độ truyền dữ liệu như trong UART, cho phép việc điều chỉnh tốc độ truyền dữ liệu linh hoạt và dễ dàng bất cứ khi nào cần thiết.

Hình 2.1.4 Cấu trúc khung truyền UART [2]

Cơ chế đơn giản để xác thực dữ liệu được truyền.

Sử dụng hệ thống địa chỉ 7bit để xác định một thiết bị / IC cụ thể trên bus I2C.

Các mạng I2C dễ dàng mở rộng Các thiết bị mới có thể được kết nối đơn giản với hai đường bus chung I2C.

Bus I2C là một giao thức truyền thông chỉ sử dụng hai dây, bao gồm Dây Đồng Hồ Chuỗi (SCL) và Dây Dữ Liệu Chuỗi (SDA) Dữ liệu được truyền qua dây SDA và được đồng bộ hóa với tín hiệu từ dây SCL Tất cả các thiết bị và IC trong mạng I2C đều kết nối chung với hai dây SCL và SDA này.

Cả hai đường bus I2C, SDA và SCL, hoạt động như các bộ lái cực máng hở, cho phép bất kỳ thiết bị hoặc IC nào trên mạng I2C có thể kéo SDA và SCL xuống mức thấp nhưng không thể đẩy lên mức cao Để duy trì mức cao mặc định (điện áp dương), mỗi đường bus cần được kết nối với một điện trở kéo lên có giá trị từ 1 kΩ đến 4,7 kΩ.

Hệ thống cực máng hở (Open drain) được sử dụng nhằm ngăn ngừa hiện tượng ngắn mạch, điều này xảy ra khi một thiết bị cố gắng kéo đường dây lên cao trong khi các thiết bị khác lại kéo đường dây xuống thấp.

Thiết bị chủ (Master) và tớ (Slave)

Các thiết bị kết nối với bus I2C được chia thành hai loại: thiết bị Chủ (Master) và thiết bị Tớ (Slave) Trong bất kỳ thời điểm nào, chỉ có một thiết bị Chủ hoạt động để điều khiển giao tiếp với các thiết bị Tớ.

Hình 2.1.5 Sơ đồ kết nối I2C các thiết bị [3]

Master hoạt động trên bus I2C bằng cách điều khiển tín hiệu đồng hồ SCL, từ đó quyết định các hoạt động sẽ được thực hiện trên đường dữ liệu SDA.

Giới thiệu cơ sở lý thuyết về lập trình Web và App Android

2.2.1 Ngôn ngữ lập trình web & Cơ sở dữ liệu

Sơ lược về website và các ngôn ngữ lập trình [7]

Website (trang mạng), còn gọi là trang web, là một tập hợp các trang web con, bao gồm văn bản, hình ảnh, video, flash, …

Website chỉ nằm trong một tên miền hoặc tên miền phụ lưu trữ trên các máy chủ chạy online trên đường trường World Wide của Internet

Website được phát minh và đưa vào sử dụng vào năm 1990, 1991 bởi viện sĩ viện Hàn lâm Anh Tim Berners-lee và Robert Cailliau (Bỉ) tại CERN, Geneva, Switzerland.

Một trang web là một tập tin HTML hoặc XHTML có thể truy nhập dùng giao thức HTTP hoặc HTTPS.

Hình 1Hình 2.1.12 Giao diện trình biên dịch CCS

Website có thể xây dựng từ các tiệp tin HTML (trang mạng tĩnh) hoặc vận hành bằng các CSS chạy trên máy chủ (trang mạng động).

Website có thể xây dựng bằng nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau (PHP, NET, Java, Ruby on Rails…).

Website được truy cập và hiển thị cho người dùng thông qua các trình duyệt web, cung cấp văn bản, video, âm nhạc, trò chơi và thông tin quan trọng khác từ một địa chỉ web trên mạng toàn cầu hoặc nội bộ.

Website là một công cụ quan trọng và phổ biến, cho phép người dùng truy cập từ bất kỳ đâu có kết nối Internet hoặc sóng di động Đối với doanh nghiệp và cá nhân hoạt động trực tuyến, website giúp quảng bá hình ảnh, sản phẩm và thông tin hiệu quả Để vận hành trên môi trường World Wide Web, một website cần có ba phần chính.

+ Tên miền (là tên riêng và duy nhất của website).

+ Hosting (là các máy chủ chứa các tệp tin nguồn).

+ Source code (là các tệp tin html, xhtml, … hoặc một bộ code/cms)

+ PHP là một ngôn ngữ lập trình cho phép các lập trình viên web tạo các nội dung động mà tương tác với Database [8]

+ Về cơ bản, PHP được sử dụng để phát triển các ứng dụng phần mềm trên Web.

+ HTML là thành phần dùng để xây dựng nội dung giao diện cho Website.

+ HTML là ngôn ngữ cơ bản cần phải học để thiết kế Website HTML gần như là một thành phần không thể thiếu trong mọi trang Web [9].

CSS (Cascading Style Sheets) là ngôn ngữ dùng để tìm kiếm và định dạng các phần tử do các ngôn ngữ đánh dấu như HTML tạo ra Trong khi HTML định hình các thành phần trên trang web như đoạn văn, tiêu đề và bảng, CSS mang lại phong cách cho các phần tử HTML thông qua việc thay đổi màu sắc, phông chữ và cấu trúc, giúp trang web trở nên hấp dẫn hơn.

Cơ sở dữ liệu MySQL

Hình 2.2.2 Cơ sở dữ liệu MySQL [9]

Cơ sở dữ liệu là một ứng dụng độc lập chuyên lưu trữ tập hợp dữ liệu, với một hoặc nhiều API riêng biệt cho phép người dùng tạo, truy cập, quản lý, tìm kiếm và tái tạo dữ liệu hiệu quả.

Có nhiều loại kho lưu trữ dữ liệu khác nhau, như hệ thống file hoặc bảng băm lớn, nhưng việc truy xuất và ghi dữ liệu từ những kho lưu trữ này thường không nhanh chóng và thuận tiện.

Hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu quan hệ (RDBMS) là một phần mềm mà:

+ Cho bạn khả năng triển khai một Database với các bảng dữ liệu, cột (column), và các chỉ mục (Index).

+ Bảo đảm Referential Integrity (có thể dịch là toàn vẹn quan hệ) giữa các hàng và các bảng đa dạng.

+ Cập nhật tự động các chỉ mục.

+ Thông dịch một truy vấn SQL và tổ hợp thông tin từ các bảng khác nhau.

MySQL là một hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ (RDBMS) nhanh chóng và dễ sử dụng, được áp dụng rộng rãi trong các doanh nghiệp lớn nhỏ Được phát triển và hỗ trợ bởi công ty MySQL AB của Thụy Điển, MySQL đã trở nên phổ biến nhờ vào nhiều ưu điểm nổi bật.

+ MySQL là mã nguồn mở Vì thế, để sử dụng nó, bạn chẳng phải mất một xu nào.

+ MySQL là một chương trình rất mạnh mẽ.

+ MySQL sử dụng một Form chuẩn của ngôn ngữ dữ liệu nổi tiếng là SQL.

+ MySQL làm việc trên nhiều hệ điều hành và với nhiều ngôn ngữ như PHP, PERL, C, C++, Java, …

+ MySQL làm việc nhanh và khỏe ngay cả với các tập dữ liệu lớn.

+ MySQL rất thân thiện với PHP, một ngôn ngữ rất đáng giá để tìm hiểu để phát triển Web.

MySQL có khả năng quản lý các cơ sở dữ liệu lớn với khả năng chứa lên tới 50 triệu hàng hoặc nhiều hơn trong một bảng Mặc dù kích thước tệp mặc định cho mỗi bảng được giới hạn ở mức 4 GB, người dùng có thể tăng giới hạn này (nếu hệ điều hành hỗ trợ) để đạt tới giới hạn lý thuyết tối đa là 8 TB.

MySQL là một hệ quản trị cơ sở dữ liệu mã nguồn mở có khả năng tùy chỉnh cao Giấy phép GPL cho phép lập trình viên chỉnh sửa và điều chỉnh phần mềm MySQL để phù hợp với nhu cầu và môi trường cụ thể của họ.

2.2.2 Giới thiệu phần mềm Sublime Text

Sublime Text là một trình soạn thảo mã mạnh mẽ, được ưa chuộng bởi nhiều nhà phát triển web, lập trình viên và coder Được phát triển bởi Jon Skinner vào tháng 1 năm 2008, Sublime Text được xây dựng dựa trên ngôn ngữ lập trình Python và C++.

Sublime Text là phần mềm trả phí nhưng cho phép người dùng thử nghiệm vô thời hạn Điều này có nghĩa là bạn có thể sử dụng phần mềm mà không bị giới hạn thời gian, mặc dù thỉnh thoảng sẽ xuất hiện thông báo yêu cầu mua bản quyền Người dùng có thể bỏ qua thông báo này hoặc lựa chọn ủng hộ tác giả bằng cách mua bản quyền phần mềm.

Sublime Text sở hữu giao diện người dùng trực quan và hấp dẫn, đi kèm với nhiều tính năng mạnh mẽ Phần mềm này cho phép mở rộng chức năng thông qua Package Control và hỗ trợ nhận diện, tô màu từ khóa (syntax highlight) cho hơn 20 ngôn ngữ lập trình khác nhau, bao gồm HTML, CSS, Javascript, C++, C#, SQL, và XML.

Sublime Text hỗ trợ hệ điều hành Windows, Linux, Mac OS X Sublime Text

Phiên bản mới nhất của Sublime Text, hiện đang ở giai đoạn beta, mang đến nhiều tính năng vượt trội so với Sublime Text 2 Phiên bản ổn định nhất hiện tại là Sublime Text 2.0.2.

2.2.3 Web Hosting, Trang lưu trữ và vẽ biểu đồ từ các thông số

Để xây dựng một website phục vụ cho việc đăng nhập vào hệ thống quan trắc và theo dõi các thông số từ xa, việc sử dụng Web Hosting là cần thiết Web Hosting sẽ đảm nhận vai trò xuất bản website lên Internet thông qua các ngôn ngữ lập trình đã được đề cập Trong khuôn khổ đề tài này, chúng tôi sẽ sử dụng dịch vụ Hosting miền miễn phí do 000webhost cung cấp.

Sơ lược về dịch vụ Google SpreadSheets:

Google Docs là một bộ ứng dụng văn phòng trực tuyến miễn phí từ Google, bao gồm ba công cụ chính: soạn thảo văn bản, bảng tính và trình chiếu.

Giao diện của Sublime Text cho phép soạn thảo bản tính và trình chiếu một cách hiệu quả Google Spreadsheets, một ứng dụng nổi bật, cung cấp chức năng soạn thảo bản tính trực tuyến miễn phí, nhanh chóng và dễ dàng chia sẻ với người khác Ngoài ra, Google Docs hỗ trợ người dùng trong việc tạo danh sách lưu trữ, vẽ biểu đồ từ dữ liệu, cũng như tổng hợp và lọc số liệu một cách thuận tiện.

Lý do nhóm thực hiện chọn dịch vụ Google SpreadSheets vì:

+ Đây là dịch vụ hỗ trợ mạnh mẽ, đầy tiềm năng của Google.

+ Là một dịch vụ hoàn toàn miễn phí và có tính bảo mật cao.

+ Giao diện thân thiện và gần gũi với người dùng.

+ Có thể dễ dàng chỉnh sửa, thiết lập và chia sẻ.

+ Có khả năng liên kết và kết hợp các tiện ích bổ sung khác như: Google API.

2.2.4 Giới thiệu ngôn ngữ lập trình Java

Giải pháp thực hiện

Dựa trên thông tin từ hãng TI về KIT LaunchPad MSP432P401R, chúng tôi thiết kế mạch quy hoạch ngõ ra cho Shield module, nhằm ứng dụng vào việc xây dựng hệ thống quan trắc môi trường trong nông nghiệp.

Dựa trên mục tiêu của đề tài và phân tích ưu nhược điểm của các kỹ thuật giao thức truyền thông, kỹ thuật UART và I2C đã được lựa chọn cho nghiên cứu này, vì chúng đáp ứng tốt yêu cầu về tính phức tạp, chi phí và độ tin cậy của hệ thống.

Yêu cầu thiết kế

- Thiết kế một bảng mạch quy hoạch ngõ ra dễ sử dụng cho người dùng.

- Ứng dụng thực tế vào việc xây dựng hệ thống quan trắc thông số môi trường trong nông nghiệp.

- Hệ thống quan trắc phải được thiết kế phù hợp với nhiều mục đích sử dụng của người dùng

Hình 2.2.7 Giao diện phần mềm

THIẾT KẾ PHẦN CỨNG HỆ THỐNG

Giới thiệu tổng quan mô hình hệ thống

Hệ thống quan trắc trung tâm - Gateway được xây dựng dựa trên bảng mạch quy hoạch ngõ ra – Shield module, mạch kết nối ngoại vi và KIT LaunchPad MSP432P401R

Hình 3.1.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống

Hình 3.1.2 Sơ đồ khối điều khiển bên trong Gateway

3.1.1 Mạch quy hoạch ngõ ra MSP432 – Shield module

Dựa trên cấu tạo và sơ đồ nguyên lý của KIT LaunchPad MSP432P401R, cần quy hoạch các chân ngõ ra có cùng chuẩn giao tiếp vào một Port Từ đó, thiết kế nguyên lý và vẽ layout PCB cho mạch quy hoạch ngõ ra – Shield module.

Mạch quy hoạch ngõ ra - Shield module sử dụng điện áp đầu vào 5V DC để cấp nguồn cho Kit LaunchPad MSP432P401R được cắm trên board mạch.

Mạch có tổng cộng 9 Port ngõ ra tương ứng với các chuẩn giao tiếp khác nhau. + Digital: 2 Port (Port D0, Port D1 – 5V DC).

+ Analog: 2 Port (Port A0, Port A1 – 5V DC)

+ SPI: 1 Port (Port SPI – 3.3V /5V DC), thiết lập mức điện áp thông qua các jumper được bố trí trên mạch.

+ UART: 1 Port (Port UART – 3.3V/ 5V DC), được sử dụng để kết nối các Module RF, GSM, Wifi, …

+ Timer/ PWM: 2 Port (Port Timer, Port PWM – 5V DC).

Sơ đồ nguyên lý mạch

Hình 3Hình 3.1.3 Sơ đồ nguyên lý mạch mở rộng Port

3.1.2 Mạch kết nối ngoại vi – Shield sensor Để kết nối các module ngoại vi một cách dễ dàng cho việc xây dựng hệ thống quan trắc từ mạch mở rộng như đã trình bày ở trên thì cần tiến hành thiết kế thêm một mạch kết nối các module ngoại vi: Các cảm biến, nút nhấn, màn hình LCD, module RF, GSM, Wifi, …

Dựa trên tình hình thực tế và các module cảm biến đã chọn, việc thiết kế mạch kết nối sẽ được thực hiện nhằm đảm bảo phù hợp với mục đích sử dụng của hệ thống quan trắc.

Mạch Shield sensor tương thích với nhiều chuẩn giao tiếp của các cảm biến phổ biến trên thị trường Việt Nam Mạch hoạt động với 2 mức điện áp đầu vào là 3.3V và 5V DC, cho phép kết nối với đa dạng cảm biến và module Người dùng có thể dễ dàng điều chỉnh mức điện áp thông qua jumper được bố trí trên mạch.

Mạch có tổng cộng 6 Port ngõ vào – cổng IDC từ mạch Shield module và các ngõ ra được thiết kế bằng các cổng bus

Trong hệ thống kỹ thuật số, có 10 bus ngõ ra, mỗi ngõ ra được trang bị 3 chân: SGN (tín hiệu), Vcc và GND, tương ứng với các cảm biến dạng số Bên cạnh đó, mỗi bus còn được trang bị điện trở kéo lên 5K6, mặc định không được kéo, nhưng có thể được tùy chỉnh theo nhu cầu.

Mạch thực tế được kết nối với Kit LaunchPad jumper, với Port Digital được thiết kế đặc biệt Năm bus dưới cho phép người dùng dễ dàng thiết lập thêm 4 nút nhấn và còi cảnh báo thông qua các jumper.

+ Analog: 8 bus ngõ ra, mỗi ngõ ra có 3 chân (Analog in, Vcc, GND).

+ PWM /Timer: 5 bus ngõ ra, mỗi ngõ ra có 4 chân (SGN1, SGN2, Vcc, GND).

+ UART: 2 bus ngõ ra, mỗi ngõ ra có lần lượt 4 và 6 chân để sử dụng cho Module Sim808 và ESP8266 ESP – 07.

+ I2C: 3 bus ngõ ra, mỗi ngõ ra có 4 chân (SDA, SCL, Vcc, GND).

SPI có 2 bus ngõ ra, mỗi ngõ ra gồm 6 chân: MISO, MOSI, SCK, CS, Vcc và GND Đặc biệt, Port SPI cho phép điều chỉnh điện áp sử dụng ở mức 3.3V hoặc 5V thông qua các jumper, phù hợp với nhiều loại Module sử dụng hai mức điện áp này.

Sơ đồ nguyên lý mạch

Hình 3.1.5 Sơ đồ nguyên lý mạch kết nối ngoại vi 1

Giới thiệu phần cứng khối Gateway

Sau khi hoàn thiện khối điều khiển trung tâm cho hệ thống quan trắc, chúng tôi tiến hành phác thảo sơ đồ tổng quan của Gateway Điều này giúp người dùng có cái nhìn tổng thể về mô hình hệ thống đang được xây dựng.

Hình 3 Hình 3.1.6 Sơ đồ nguyên lý mạch kết nối ngoại vi 2

Hình 3.1.7 Mạch kết nối ngoại vi thực tếHình 3

Hình 3.2.1 Sơ đồ khối Gateway

Bước đầu tiên trong quá trình phát triển hệ thống là xây dựng sơ đồ khối tổng quát để phân chia kế hoạch và thực hiện từng bước Các module Sim808 và ESP – 07S được cấp nguồn 3.3V và 5V, trong khi mạch quy hoạch ngõ ra và mạch kết nối ngoại vi được cung cấp 5V, sử dụng Kit LaunchPad MSP432P401R kết nối với mạch mở rộng Port Các cảm biến được kết nối trực tiếp qua mạch kết nối, cho phép thu thập dữ liệu hiển thị trên màn hình LCD và giao tiếp với Module Sim808, ESP – 07S qua lệnh AT thông qua giao thức UART để gửi dữ liệu lên Google Sheets qua GPRS hoặc Wifi Hệ thống cũng có khả năng điều khiển 2 Node từ xa qua LoRa để bật tắt thiết bị Người dùng có thể theo dõi dữ liệu trên smartphone thông qua một ứng dụng Android kết nối Internet.

Trong bài viết này, chúng tôi sẽ liệt kê và trình bày các cảm biến, module ngoại vi và khối nguồn cung cấp cần thiết để xây dựng hệ thống quan trắc trung tâm - Gateway.

Cảm biến độ ẩm và nhiệt độ không khí SHT10 với vỏ bảo vệ V1 là giải pháp lý tưởng cho các ứng dụng nông nghiệp, nhờ vào độ bền, độ chính xác và ổn định cao Thiết bị này bao gồm cảm biến SHT10 bên trong, được bảo vệ bởi lớp vỏ bên ngoài, giúp ngăn chặn các tác động vật lý từ môi trường như bụi và nước.

Cảm biến độ ẩm và nhiệt độ không khí SHT10 với vỏ bảo vệ V1 chỉ nên được sử dụng để đo độ ẩm và nhiệt độ không khí Không sử dụng cảm biến trong môi trường nước ngập hoặc chôn dưới đất, và cần tránh để nước xịt trực tiếp vào cảm biến để bảo vệ thiết bị khỏi hư hỏng.

 Cảm biến độ ẩm, nhiệt độ không khí SHT10 có vỏ bảo vệ V1.

 Điện áp sử dụng: 3 - 5VDC.

 Khoảng nhiệt độ đo được: -40 ~ 120 độ C, sai số 0.5 độ C.

 Khoảng độ ẩm đo được: 0 ~100% RH, sai số 4.5% RH.

 VCC - Màu nâu - cấp nguồn 3 ~ 5V DC.

 GND - Màu đen - cấp nguồn 0V DC ~ Mass.

3.2.2 Cảm biến ánh sáng BH1750

Cảm biến BH1750 đo cường độ ánh sáng bằng đơn vị lux, với mạch chuyển đổi tương tự sang số và bộ tiền xử lý, cho giá trị cường độ ánh sáng trực tiếp mà không cần xử lý thêm Cảm biến này kết nối với vi điều khiển qua giao tiếp I2C.

 Độ phân giải cao (1 - 65535 lux).

 Khả năng chống nhiễu sáng ở tần số 50 Hz/60 Hz.

 Sự biến đổi ánh sáng nhỏ (+/- 20%).

 Độ ảnh hưởng bởi ánh sáng hồng ngoại rất nhỏ.

 VCC: Ngõ vào điện áp dương 3.3V - 5VDC.

 SCL, SDA: Chân giao tiếp I2C.

 GND: Ngõ vào điện áp âm 0V.

 ADDR: Chân địa chỉ, bạn chọn 0x23 hoặc 0x5C, giá trị này tùy thuộc vào trạng thái chân ADDR, nếu nối GND là 0x23, nối với VSS là 0x5C.

3.2.3 Cảm biến đo độ pH

Cảm biến đo độ pH được thiết kế đơn giản và tiện dụng, dễ dàng kết nối Mạch xử lý tín hiệu của cảm biến tích hợp đèn LED báo nguồn, cổng BNC kết nối với cảm biến pH và cổng PH2.0 để kết nối với vi xử lý qua chân tín hiệu Analog Nó có chức năng kiểm tra chất lượng nước và phát hiện thành phần lạ, thường được sử dụng trong lĩnh vực thủy sản.

 Nguồn cung cấp : 5.00V (Nguồn càng gần mức 5.00V, độ chính xác càng tăng).

 Phạm vi đo: độ pH trong khoảng từ 0 – 14.

 Độ chính xác: ± 0.1pH ( 25 ℃C - nhiệt độ lý tưởng ).

 Thời gian phản hồi: ≤ 1min.

 Cảm biến pH với kết nối cổng BNC.

 Cổng kết nối PH2.0 ( 3 chân ).

 Có biến trở điều chỉnh.

 Độ dài dây từ cảm biến pH đến cổng kết nối BNC: 660mm.

 VCC - Màu đỏ - cấp nguồn 5VDC.

Hình 3Hình 3.2.4 Cảm biến đo độ pH [17]

3.2.4 Cảm biến đo độ dẫn điện Ec Độ dẫn điện Ec là mức độ truyền tải dòng điện của một chất Các hạt tích điện nhỏ, được gọi là ion, giúp mang điện tích đi qua một chất Các ion này có điện tích dương hoặc âm Càng có nhiều ion thì độ dẫn điện càng cao; ít ion hơn thì độ dẫn điện sẽ thấp hơn Ec thường được báo cáo bằng milliSiemans trên một centimet (mS/cm) [18].

 Tín hiệu kết nối: PH2.0 - 3Pin.

 Kích thước: 42 mm * 32 mm/ 1.65 inch * 1.26 inch.

 Loại đầu dò: Lớp trong phòng thí nghiệm.

 Phạm vi phát hiện: 10 ~ 100 ms/cm.

Hình 3Hình 3.2.5 Cảm biến đo độ dẫn điện Ec [18]

 VCC - Màu đỏ - cấp nguồn 5VDC.

3.2.5 Cảm biến nhiệt độ DS18B20

Cảm biến nhiệt độ DS18B20 là một loại cảm biến digital với độ phân giải cao 12 bit, cho phép đo nhiệt độ chính xác với sai số rất nhỏ Nó có khả năng hoạt động hiệu quả trong nhiều môi trường và điều kiện khác nhau.

 Đo nhiệt độ trong các kho lạnh, nhà kính thực vật, kho dự trữ, …

 Giám sát nhiệt độ môi trường công nghiệp, nhiệt độ trong các tòa nhà, phòng, …

 Giám sát nhiệt độ các thiết bị, …

 Kích thước: 28mm x 12mm x10mm (L x W x H).

 Chip chính: DS18B20 cảm biến nhiệt độ.

 Điện áp làm việc: DC 5V.

 Phạm vi đo nhiệt độ (độ C): -55 ~ 125 độ C.

 Sai số cho phép: 0.5 độ C.

 VCC – Chân (+) - cấp nguồn 5VDC.

Hình 3.2.6 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 [19]Hình 3

3.2.6 LCD 2004 & mạch chuyển giao tiếp PCF8574

Màn hình LCD2004 xanh lá sử dụng driver HD44780, có khả năng hiển thị 4 dòng với 20 ký tự mỗi dòng, nổi bật với độ bền cao và dễ sử dụng, phù hợp cho người mới học và làm dự án Để kết nối với LCD có driver HD44780 như LCD 1602 và LCD 2004, cần ít nhất 6 chân từ MCU đến các chân RS, EN, D7, D6, D5 và D4 Tuy nhiên, với module chuyển giao tiếp LCD sang I2C, chỉ cần kết nối 2 chân SDA và SCL của MCU với module để hiển thị thông tin, đồng thời có thể điều chỉnh độ tương phản thông qua biến trở gắn trên module.

 Điện áp hoạt động là 5 V.

 Chữ đen, nền xanh lá.

 Khoảng cách giữa hai chân kết nối là 0.1inch tiện dụng khi kết nối với Breadboard.

 Tên các chân được ghi ở mặt sau của màn hình LCD hỗ trợ việc kết nối, đi dây điện.

 Có đèn led nền, có thể dùng biến trở hoặc PWM điều chỉnh độ sáng để tiêu thụ ít điện năng hơn.

 Có thể được điều khiển với 6 dây tín hiệu.

3.2.7 Module chuyển đổi tín hiệu dòng sang áp

Trong ngành công nghiệp, nhiều loại cảm biến phổ biến có ngõ ra tín hiệu dòng Để tương thích với đa dạng cảm biến, hệ thống thường sử dụng thêm mạch chuyển đổi.

Mạch LCD2004 kết hợp với PCF8574 chuyển đổi tín hiệu dòng từ cảm biến thành điện áp, cho phép thực hiện chuyển đổi ADC và đọc dữ liệu thu được từ cảm biến một cách hiệu quả.

Mạch chuyển tín hiệu dòng áp Current to Voltage 0/4-20mA to 0-3.3V/5V/10V HW-685 được thiết kế để chuyển đổi tín hiệu dòng điện từ 0/4-20mA sang các mức điện áp tương ứng 0-3.3V, 5V hoặc 10V Sản phẩm này rất phù hợp cho các ứng dụng cần chuyển đổi tín hiệu từ cảm biến dạng dòng điện sang điện áp, giúp dễ dàng giao tiếp với các thiết bị khác.

Vi điều khiển hoặc cần ổn định tín hiệu điện khi truyền ở khoảng cách xa [21].

 Dòng điện ngõ vào: 0/4~20mA.

 Điện áp chuyển đổi ngõ ra: 0-3.3V/ 5V/ 10V.

Module SIM808A là một giải pháp GSM/GPRS 4 băng tần tích hợp công nghệ GPS, cho phép định vị qua vệ tinh Với thiết kế nhỏ gọn, module này kết hợp GSM/GPRS, Bluetooth và GPS trong một gói SMT, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí cho khách hàng trong việc phát triển ứng dụng hỗ trợ GPS.

Với thiết kế tiêu chuẩn công nghiệp và tính năng GPS, thiết bị đảm bảo khả năng kiểm tra liên tục ở bất kỳ địa điểm nào và vào bất kỳ thời điểm nào trong vùng phủ sóng tín hiệu.

Hình 3.2.8 Mạch chuyển đổi tín hiệu dòng sang áp [21]Hình 3

 Trạm di động GPRS loại B.

 Bluetooth: tương thích với 3.0 + EDR.

 FM: 76 ~ 109 MHz băng tần trên toàn thế giới với bước điều chỉnh 50KHz.

 Điều khiển thông qua các lệnh AT (Các lệnh AT được tăng cường 3GPP

 Cung cấp dải điện áp 3,4 ~ 4,4V.

 Tiêu thụ ít điện năng.

 Nhiệt độ hoạt động: -40 độ C ~ 85 độ C.

Hình 3.2.9 Sơ đồ chân Sim808 [22]

 Sử dụng module GSM GPRS GPS SIM808.

 Nguồn đầu vào: 5-18VDC, lớn hơn 1A.

 Mức tín hiệu giao tiếp: TTL (3.3-5VDC).

 Tích hợp chuyển mức tín hiệu TTL Mosfet tốc độ cao.

 Tích hợp mạch giảm áp xung và tụ lọc, ổn định nguồn.

 Tích hợp ke cắm Micro Sim.

 Tích hợp Led báo trạng thái.

 Thiết kể nhỏ gọn, bền bỉ, chống nhiễu.

 VBAT: Pad hàn pin, cực dương 3.7V DC.

 VCC: Nguồn dương từ 5-18VDC, lớn hơn 1A.

 RXD: Chân nhận tín hiệu TTL, chấp nhận mức 3.3 và 5VDC.

 TXD: Chân truyền tín hiệu TTL, chấp nhận mức 3.3 và 5VDC.

Giới thiệu phần cứng khối Node

Để điều khiển các thiết bị từ xa, cần thiết kế thêm 2 Node cho hệ thống trung tâm, nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc điều khiển qua mạng LoRa.

Các phần cứng, module được sử dụng bên trong sẽ được trình bày chi tiết phía dưới.

3.3.1 MSP430G2553 Ở khối Node vi điều khiển MSP430G2553 được lựa chọn sử dụng vì sự nhỏ gọn, đa dạng các chuẩn giao tiếp và tiết kiệm năng lượng MSP430G2553 được thiết kế dựa

Hình 3.2.16 Mạch nguồn thực tế

Cấu trúc VON-NEUMAN có một sơ đồ khối với các Node, nổi bật với đặc điểm chỉ có một bus duy nhất giữa CPU và bộ nhớ, bao gồm cả dữ liệu và chương trình Điều này yêu cầu độ rộng bit của CPU và bộ nhớ phải tương tự nhau.

MSP430 là dòng vi điều khiển đa dạng với nhiều phiên bản như MSP430x1xx, MSP430x2xx, MSP430x3xx, MSP430x4xx và MSP430x5xx Những đặc điểm chung của họ vi điều khiển này bao gồm khả năng tiết kiệm năng lượng, hiệu suất cao và tính linh hoạt trong ứng dụng.

- Cấu trúc sử dụng nguồn thấp giúp kéo dài tuổi thọ của Pin.

+ Duy trỡ 0.1àA dũng nuụi RAM.

+ Chỉ 0.8àA real-time clock.

- Bộ tương tự hiệu suất cao cho các phép đo chính xác.

+ 12 bit hoặc 10 bit ADC-200 kskp, cảm biến nhiệt độ, Vref.

+ Bộ giám sát điện áp nguồn.

- 16 bit RISC CPU cho phép được nhiều ứng dụng, thể hiện một phần ở kích thước code lập trình.

+ Thanh ghi lớn nên loại trừ được trường hợp tắt nghẽn tập tin khi đang làm việc.

Thiết kế nhỏ gọn giúp giảm mức tiêu thụ điện năng và hạ thấp chi phí sản xuất Hệ thống được tối ưu hóa cho các ngôn ngữ lập trình bậc cao như C và C++ Ngoài ra, sản phẩm còn hỗ trợ 7 chế độ định địa chỉ linh hoạt.

+ Khả năng ngắt theo vector lớn.

Bộ nhớ Flash trong lập trình không chỉ cho phép thay đổi mã một cách linh hoạt và phạm vi rộng, mà còn có khả năng lưu trữ dữ liệu như một nhật ký.

Chip MSP430 có kích thước nhỏ gọn với 20 chân trong kiểu chân DIP, bao gồm 2 port I/O (GPIO - Cổng nhập xuất chung).

3.3.2 Module LoRa SX1278 Để đáp ứng yêu cầu nghiên cứu về công nghệ truyền không dây mới với ưu điểm truyền xa, tiêu hao ít năng lượng, nên khi thực hiện đã chọn Module RF UART LoRa SX1278 Bắt đầu từ đây khi sử dụng “Module LoRa” tức là ám chỉ Module RF UART LoRa SX1278.

Hình 3.3.3 Module RF UART LoRa SX1278 [31]

Module LoRa sử dụng chip SX1278 của SEMTECH theo chuẩn giao tiếp LORA (Long Range), nổi bật với khả năng thu phát tín hiệu xa và tiết kiệm năng lượng Đặc biệt, module này có thể được cấu hình để tạo thành mạng, do đó đang được phát triển và ứng dụng rộng rãi trong các nghiên cứu về IoT.

Bảng 3.3.1 Thông số kỹ thuật Module LoRa [31]

IC chính SX1278 đến từ SEMTECH Điện áp hoạt động 2.3 – 5.5 VDC

Tần số hoạt động 410 -441 MHz

Dòng điện ở chế độ Sleep 1,7 uA

Chuẩn giao tiếp UART Độ dài chuỗi khi nhận gói dữ liệu 256 bytes

Khoảng cách truyền tối đa trong điều kiện lý tưởng

Tốc độ truyền 0.3 -19.2 Kbps (mặc định 2.4

Kbps) Nhiệt độ hoạt động bình thường

Bảng 3.3.2 Tên và chức năng các chân của Module LoRa [31]

Ký hiệu Tên Chức năng

1 M0 Ghép với M1 và quyết định bốn chế độ hoạt động.

2 M1 Ghép với M0 và quyết định bốn chế độ hoạt động.

3 RXD Đầu vào TTL UART, kết nối với đầu ra TXD bên ngoài.

4 TXD Đầu ra TTL UART, kết nối với đầu vào RXD bên ngoài.

5 AUX Để biểu thị trạng thái làm việc của module.

Hình 3.3.4 Kích thước và sơ đồ chân Module LoRa [31]

Bảng 3.3.3 Các chế độ hoạt động của Module LoRa [31]

Mode M1 M0 Mô tả Ghi chú

Thiết bị phát truyền liên tục.

Thiết bị nhận nên được đặt ở mode 0 hoặc mode 1.

Thiết bị truyền được đặt ở mode 1.

Thiết bị nhận có thể làm việc ở mode 0, mode 1, mode 2.

Thiết bị nhận được đặt ở mode 2.

Thiết bị truyền không được phép đặt ở mode này.

3 (Sleep) 1 1 Cấu hình thông số.

- Module LoRa có ba cách để truyền dữ liệu giữa các module với nhau:

+ Truyền điểm – điểm: Các module phải được cấu hình cùng kênh và cùng địa chỉ.

Hình 3.3.5 Mô tả truyền điểm – điểm [32]

Truyền cố định cho phép các module khác kênh và địa chỉ truyền nhận dữ liệu lẫn nhau, miễn là thiết bị truyền gửi kèm thông tin về kênh và địa chỉ của thiết bị nhận trong quá trình gửi dữ liệu.

Hình 3.3.6 Mô tả truyền cố định [32]

+ Truyền broadcast: Một module được cấu hình với địa chỉ là FF FF, module này có thể phát dữ liệu đến tất cả các module có cùng kênh.

Hình 3.3.7 Mô tả truyền broadcast [32]

Cấu hình Module LoRa bao gồm việc thiết lập địa chỉ, số kênh, tốc độ truyền và các cài đặt cần thiết, nhằm đảm bảo khả năng truyền nhận dữ liệu hiệu quả giữa các Module LoRa.

Để thực hiện cấu hình, trước tiên cần có mạch chuyển USB-UART, giúp giao tiếp giữa Module LoRa và máy tính qua cổng USB Điều này sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc cấu hình bằng phần mềm hoặc truyền nhận dữ liệu trực tiếp với máy tính một cách dễ dàng.

Mạch 2 Relay Opto chọn mức kích High/Low (5VDC) được sử dụng để bật, tắt thiết bị AC/DC qua Relay, mạch có thể tùy chọn kích bằng mức cao hoặc thấp (High/Low) qua Jumper, ngoài ra mạch còn bổ sung thêm Opto cách ly cho độ an toàn và chống nhiễu vượt trội (một số mạch trên thị trường không có Opto), thích hợp với các ứng dụng bật tắt, điều khiển thiết bị qua Relay [33].

 Điện áp sử dụng: 5VDC.

 Dòng tiêu thụ: Khoảng 200mA /1Relay.

 Tín hiệu kích: Tùy chọn mức cao High (5VDC theo loại Relay) hoặc thấp Low (0VDC) qua Jumper.

 Tiếp điểm đóng ngắt Relay trên mạch: Max 250VAC-10A hoặc 30VDC- 10A (Để an toàn nên dùng cho tải có công suất