BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-------------------------

Lê Công Huynh

HỆ THỐNG CẢM BIẾN IOT TRONG NÔNG NGHIỆP CÔNG

NGHỆ CAO

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

Khánh Hòa – 2020

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

---------------------------------------------

Lê Công Huynh

HỆ THỐNG CẢM BIẾN IOT

TRONG NÔNG NGHIỆP CÔNG NGHỆ CAO

Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật

Mã số: 8520401

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

Hướng dẫn 1: TS. Lê Văn Tùng

Hướng dẫn 2: TS. Nguyễn Trọng Nghĩa

Khánh Hòa – 2020

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn “HỆ

THỐNG CẢM BIẾN IOT TRONG NÔNG NGHIỆP CÔNG NGHỆ CAO”

là trung thực và không có bất kỳ sự sao chép hay sử dụng để bảo vệ một học vị

nào. Tất cả sự giúp đỡ cho việc xây dựng cơ sở lý luận cho bài luận đều được

trích dẫn đầy đủ và ghi rõ nguồn gốc và được phép công bố.

Học viên

Lê Công Huynh

Lời cảm ơn

Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận văn, tôi đã nhận

được sự động viên, khuyến khích và tạo điều kiện giúp đỡ nhiệt tình của các cấp

lãnh đạo, thầy cô giáo, anh chị em, bạn bè, đồng nghiệp và gia đình.

Đặc biệt, với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn TS. Lê Văn

Tùng và TS. Nguyễn Trọng Nghĩa đã tận tình hướng dẫn cũng như tạo mọi điều

kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành luận văn này.

Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô giáo, các Khoa, Phòng của Học

viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

đã tận tình giảng dạy và tạo điều kiện để chúng tôi hoàn thành chương trình thạc

sĩ.

Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô giáo của Viện nghiên cứu và

Ứng dụng Công nghệ Nha Trang đã nhiệt tình và tạo điều kiện thuận lợi để giúp

tôi hoàn thành khóa học.

Trong quá trình làm luận văn không thể tránh khỏi những hạn chế, thiếu

sót, tôi rất mong được sự góp ý và chỉ dẫn của quý thầy cô và bạn bè để luận văn

hoàn thiện hơn.

Học viên

Lê Công Huynh

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt

Chữ viết tắt Các từ gốc của chữ viết tắt

ACK Acknowledge

ADC Analog to Digital Converter

API Application Programming Interface

DSP Digital Signal Processor

EC Electrical Conductivity

FSK Frequency Shift Keying

GFSK Gaussian Frequency Shift Keying

GPIO General purpose input/output

I2C Inter Intergrated Circuit

IC Integrated Circuit

ID Identification

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

IoT Internet of Things

ISM Industrial, Scientific and Medical

MCU Multipoint Control Unit

OOK On Off Keying

OSI Open Systems Interconnection

RF Radio Frequency

RFD Reduced Function Device

RTC Read Time Clock

SPI Serial Peripheral Interface

TDMA Time Division Multiple Access

TDS Total Dissolved Solids

Danh mục bảng

Bảng 1. 1 So sánh công nghệ mạng không dây……………………………...14

Bảng. 3.1. Thông số kĩ thuật Mạch RF UART SI4463 433Mhz HC+12…….21

Danh mục hình ảnh

Hình 2.1. Sơ đồ khối cảm biến ............................................................................ 18

Hình 2.2. Arduino Nano V3.0 ATmega328P cho khối cảm biến ........................ 19

Hình 2.3. Mạch RF UART SI4463 433Mhz HC-12 ........................................... 20

Hình 2.4. Cảm biến nhiệt độ độ ẩm và áp suất không khí BME280 ................... 22

Hình 2.5. Cảm biến cường độ sáng BH1750....................................................... 23

Hình 2.6. Cảm biến nhiệt độ DS18B20 ............................................................... 23

Hình 2.7. Cảm biến điện dung đất ....................................................................... 24

Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý mạch điện tử khối cảm biến ..................................... 25

Hình 2.9. Lắp ráp khối cảm biến không khí ........................................................ 26

Hình 2.10. Lắp ráp khối cảm biến đất ................................................................. 27

Hình 2.11. Sơ đồ mạng cảm biến thực nghiệm nhà kính .................................... 28

Hình 2.12. Lưu đồ thuật toán khối cảm biến ....................................................... 29

Hình 2.13. Lưu đồ thuật toán khối nhận dữ liệu ................................................. 30

Hình 2.14. Mạch wifi ESP 8266 – ESP 01 .......................................................... 32

Hình 2.15. Sơ đồ giao thức bắt tay ...................................................................... 33

Hình 2.16. Sơ đồ khung dữ liệu........................................................................... 33

Hình 2.17. Nguyên lý hoạt động TDMA ............................................................. 36

Hình 2.18. Giao diện trang chủ ThingSpeak ....................................................... 39

Hình 2.19. Thử nghiệm nạp mạch sau khi viết chương trình .............................. 40

Hình 3.1. Khối cảm biến độ ẩm và nhiệt độ đất……………………………….41

Hình 3.2. Khối cảm biến cường độ sáng, độ ẩm nhiệt độ không khí ................. 42

Hình 3.3. Tài nguyên sử dụng bởi khối cảm biến đất ......................................... 43

Hình 3.4. Tài nguyên sử dụng bởi khối cảm biến không khí .............................. 44

Hình 3.5. Cập nhật trên ThingSpeak ................................................................... 45

Hình 3.6. Hình ảnh thực tế nhà kính triển khai hệ thống .................................... 47

Hình 3.7. Thông số được theo dõi trong ngày ..................................................... 48

1

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 3

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG IOT TRONG NÔNG NGHIỆP ... 4

1.1. INTERNET OF THINGS............................................................................ 4

1.1.1. Định nghĩa về IoT ............................................................................... 4

1.1.2. Đặc điểm của IoT ............................................................................... 4

1.2. MẠNG CẢM BIẾN TRONG NÔNG NGHIỆP ......................................... 5

1.2.1. Định nghĩa cảm biến .......................................................................... 5

1.2.3. Các loại cảm biến dùng trong nông nghiệp công nghệ cao ............ 5

1.2.3.1. Cảm biến nhiệt độ ......................................................................... 5

1.2.3.2. Cảm biến độ ẩm ............................................................................ 6

1.2.3.3. Cảm biến cường độ chiếu sáng ..................................................... 6

1.2.3.4. Cảm biến pH ................................................................................. 6

1.2.3.5. Cảm biến EC ................................................................................. 6

1.2.3.6. Cảm biến CO ................................................................................. 7

1.2.4. Vai trò mạng cảm biến ....................................................................... 7

1.2.4.1. Định nghĩa ..................................................................................... 7

1.2.4.2. Vai trò ............................................................................................ 7

1.3. CÔNG NGHỆ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY .................................. 9

1.3.1. ZigBee .................................................................................................. 9

1.3.1.1. Ưu điểm của mạng ZigBee ........................................................ 10

1.3.1.2. Nhược điểm của mạng ZigBee ................................................... 10

1.3.2. Bluetooth ........................................................................................... 10

1.3.2.1. Ưu điểm của công nghệ Bluetooth .............................................. 10

1.3.2.2. Nhược điểm của công nghệ Bluetooth ........................................ 11

1.3.3. LoRa .................................................................................................. 11

1.3.3.2. Ưu điểm của mạng LoRa ............................................................ 11

1.3.3.2. Nhược điểm của mạng LoRa ...................................................... 11

1.3.4. Wifi .................................................................................................... 12

1.3.4.1. Ưu điểm của mạng wifi ............................................................... 12

1.3.4.2. Nhược điểm của mạng wifi ......................................................... 13

1.3.5. Công nghệ RF tùy biến với IC chuyên dụng ................................. 13

1.3.5.1. Ưu điểm công nghệ RF tùy biến với IC chuyên dụng ................ 14

1.3.5.2. Nhược điểm công nghệ RF tùy biến với IC chuyên dụng .......... 14

1.4. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ..................... 15

1.5. LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ VÀ XÁC ĐỊNH VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 16

CHƯƠNG 2. MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

VÀ GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG .............................................................. 17

2

2.1. HỆ THỐNG CẢM BIẾN .......................................................................... 17

2.1.1. Thiết kế hệ thống cảm biến ............................................................. 17

2.1.1.1. Trung tâm cảm biến (khối số 1) .................................................. 18

2.1.1.2. Giao tiếp không dây( khối số 2) .................................................. 19

2.1.1.3. Cảm biến( vị trí số 3) ................................................................. 21

2.1.1.4. Khối nguồn .................................................................................. 23

2.1.2. Thiết kế và lắp ráp mạch thực tế .................................................... 24

2.2. MẠNG CẢM BIẾN VÀ GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY

.......................................................................................................................... 26

2.2.1. Mạng cảm biến không dây .............................................................. 26

2.2.1.1. Thuật toán khối cảm biến ............................................................ 26

2.2.1.2. Thuật toán khối điều khiển trung tâm ......................................... 28

2.2.1.3. Khối internet ................................................................................ 29

2.2.2. Giao thức truyền thông .................................................................... 30

2.2.2.1. Khái niệm .................................................................................... 30

2.2.2.2. Thiết kế giao thức mạng cảm biến .............................................. 31

2.2.3. Lưu trữ và tính toán đám mây ...................................................... 35

2.2.3.1. Một số nền tảng lưu trữ cho IoT ................................................. 35

2.2.3.2. ThingSpeak.................................................................................. 36

2.3. LẬP TRÌNH VÀ NẠP DỮ LIỆU ............................................................. 38

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................... 40

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................... 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 48

3

MỞ ĐẦU

Internet of Things đang là một xu hướng phát triển của các hệ thống hiện

nay. Với sự phát triển ngày càng nhanh và cộng đồng ứng dụng lớn, hạ tầng hỗ trợ

IoT đang được triển khai rộng rãi. Trên thực tế, IoT chính là sự phát triển bậc cao

hơn của các mạng cục bộ cấp Vật lý. Khi mà các thiết bị cấp thấp có đủ khả năng

liên kết và xây dựng mạng, việc kết nối chúng đến Internet trở nên dễ dàng hơn.

Lợi ích đem lại là những hệ thống mạng không dây được liên kết với nhau một

cách nhanh chóng. Dữ liệu thu được từ các mạng nhỏ có thể được lưu giữ và xử lý

tại các hệ thống lớn hơn. Với nhiều ưu điểm như vậy, IoT đã được sử dụng trong

rất nhiều hệ thống thực tế hiện nay. Nông nghiệp công nghệ cao với sự hỗ trợ của

IoT là một trong số đó.

Trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng, xu thế sản xuất xanh và sạch

hơn, giảm thiểu tác động đến môi trường. Việc tự động hóa trong sản xuất nông

nghiệp, cụ thể là trong nhà kính đã được quan tâm và đầu tư từ khá sớm. Tuy

nhiên, các quy trình và hệ thống tự động hóa mới chỉ dừng lại ở các yếu tố giản

đơn. Cảm biến đã được sử dụng nhưng chưa được đầu tư thích đáng. Để có thể tối

ưu hóa các lợi thế của tự động hóa cũng như tăng tính linh hoạt của hệ thống. Dữ

liệu cảm biến phải được thu nhận và quản lý một cách có hệ thống. Theo thời

gian, những dữ liệu này sẽ xây dựng nên khối dữ liệu lớn. Những thông tin thu

được sau khi xử lý dữ liệu sẽ đem lại rất nhiều lợi ích cho người sử dụng. Tất cả

chỉ có thể đạt được bằng một mạng cảm biến linh hoạt và hiệu quả.

Để có thể tận dụng những ưu thế ngày càng lớn của IoT và từng bước xây

dựng mạng cảm biến thu thập dữ liệu lớn trong hệ sinh thái IoT. Tôi đã chọn đề tài

"HỆ THỐNG CẢM BIẾN IOT TRONG NÔNG NGHIỆP CÔNG NGHỆ

CAO". Đề tài bước đầu xây dựng một mạng cảm biến không dây có đủ khả năng

thu thập các dữ liệu cảm biến theo thời gian thực. Mạng cảm biến hoạt động linh

hoạt, liên tục đồng thời tiết kiệm năng lượng. Dữ liệu sau khi thu thập sẽ được lưu

giữ trên một cơ sở điện toán đám mây phục vụ công tác xử lý thông tin về sau.

4

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG IOT TRONG NÔNG NGHIỆP

1.1. INTERNET OF THINGS

1.1.1. Định nghĩa về IoT

Theo Liên minh Viễn thông quốc tế định nghĩa năm 2012: “Internet of

Things là một cơ sở hạ tầng toàn cầu đối với xã hội thông tin làm cho các dịch vụ

tiên tiến có sẵn bằng cách liên kết đối tượng (vật lý hay ảo) thông qua các thông

tin và truyền thông công nghệ tương thích hiện có hoặc phát triển" [1]. Như vậy,

có thể hiểu IoT là khái niệm dùng để chỉ việc mọi vật được kết nối với nhau qua

mạng Internet, trong đó người dùng có thể chia sẻ, trao đổi, khai thác dữ liệu và

kiểm soát các thiết bị của mình qua mạng Internet.

1.1.2. Đặc điểm của IoT

Khi nói đến các thiết bị IoT chúng ta thường thấy có những đặc tính sau:

+ Tính kết nối liên thông: Với IoT, bất cứ điều gì cũng có thể kết nối với

nhau thông qua mạng lưới thông tin và cơ sở hạ tầng liên lạc tổng thể.

+ Tính thông minh: Các thiết bị IoT trên thị trường thường hay được gọi là

thiết bị thông minh. Các thiết bị được trang bị khả năng tính toán và kết nối mạng

sẽ đem lại tính năng ưu việt so với thiết bị truyền thống và có những tính năng

mới mà thiết bị truyền thống không thể có được.

+ Cảm biến môi trường: Các thiết bị IoT được trang bị rất nhiều cảm biến

môi trường khác nhau, chính những thông tin về môi trường xung quanh này giúp

cho thiết bị thông minh hơn.

+ Giao diện với điện toán đám mây: Thiết bị IoT hoạt động như một cửa

ngõ (tới tài nguyên vô tận của điện toán đám mây, các tính năng mà người dùng

tin không bị giới hạn bởi khả năng của thiết bị.

5

+ Tính không đồng nhất: Các thiết bị trong IoT không đồng nhất vì nó có

phần cứng và mạng lưới khác nhau. Các thiết bị giữa các mạng lưới có thể tương

tác với nhau nhờ vào sự liên kết của các mạng lưới.

+ Tương tác với các thiết bị khác: Các thiết bị IoT có khả năng tính toán và

kết nối mới có thể tương tác với nhau cục bộ hoặc qua Internet. Việc các thiết bị

tương tác với nhau tạo ra những khả năng mới mà trước đây từng thiết bị không

thể làm được.

+ Thay đổi linh hoạt: Trạng thái của các thiết bị tự động thay đổi, kết nối

hoặc ngắt, thay đổi vị trí thiết bị, thay đổi tốc độ…

+ Quy mô lớn: Sẽ có một số lượng rất lớn các thiết bị được quản lý và giao

tiếp với nhau. Số lượng này lớn hơn nhiều so với số lượng máy tính kết nối

Internet hiện nay. Số lượng các thông tin được truyền bởi thiết bị sẽ lớn hơn nhiều

so với được truyền bởi con người [1, 2].

1.2. MẠNG CẢM BIẾN TRONG NÔNG NGHIỆP

1.2.1. Định nghĩa cảm biến

Bộ cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái hay quá trình vật

lý, hóa học hay sinh học của môi trường cần khảo sát, và biến đổi thành tín hiệu

điện để thu thập thông tin về trạng thái hay quá trình đó [3].

1.2.3. Các loại cảm biến dùng trong nông nghiệp công nghệ cao

1.2.3.1. Cảm biến nhiệt độ

Cảm biến nhiệt độ hay còn gọi là can nhiệt, cặp nhiệt điện, nhiệt điện trở là

cảm biến được sử dụng để đo nhiệt độ, khi nhiệt độ thay đổi thì các cảm biến sẽ

đưa ra một dạng tín hiệu mà từ tín hiệu này các bộ đọc sẽ đọc được và quy ra

nhiệt độ. Cảm biến nhiệt độ còn được gọi với rất nhiều tên khác như: cảm biến đo

nhiệt độ, dây cảm biến nhiệt độ, dây dò nhiệt, cảm biến nhiệt độ công nghiệp, bộ

cảm biến nhiệt độ, thiết bị cảm biến nhiệt độ…

6

1.2.3.2. Cảm biến độ ẩm

Cảm biến độ ẩm là các thiết bị điện tử nhạy cảm với chi phí thấp được sử

dụng để đo độ ẩm của không khí. Chúng còn được gọi là ẩm kế. Độ ẩm có thể

được đo là độ ẩm tương đối, độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm cụ thể. Dựa trên loại độ ẩm

được đo bằng cảm biến , chúng được phân loại là cảm biến độ ẩm tương đối và

cảm biến độ ẩm tuyệt đối.

1.2.3.3. Cảm biến cường độ chiếu sáng

Cảm biến cường độ chiếu sáng là thiết bị dùng để đo sự biến đổi về cường

độ sáng tại nơi cần đo. Cảm biến cường độ ánh sáng được sử dụng để đo cường

độ ánh sáng theo đơn vị lux, cảm biến có ADC nội và bộ tiền xử lý nên giá trị

được trả ra là giá trị trực tiếp cường độ ánh sáng mà không phải qua bất kỳ xử

lý hay tính toán nào thông qua giao tiếp I2C .

1.2.3.4. Cảm biến pH

Cảm biến pH là thiết bị dùng để xác định độ pH của các dung dịch, đất

thông qua đầu dò pH. Đầu dò của máy đo pH được thiết kế bằng kính có hai điện

cực: một là điện cực cảm biến bằng thủy tinh và điện cực còn lại là điện cực tham

chiếu. Khi điện cực tham chiếu được tiếp xúc với một kim loại khác, sự khác biệt

điện áp xảy ra do sự khác biệt về tính chuyển động của electron. Tương tự như

trường hợp với hai chất lỏng. Một máy đo pH đo cơ bản điện thế hóa học giữa

một chất lỏng đã tích hợp bên trong điện cực thủy tinh và một chất lỏng không

xác định bên ngoài.

1.2.3.5. Cảm biến EC

Độ dẫn điện (EC) là mức độ, khả năng truyền tải dòng điện của một chất.

EC có mối liên hệ trực tiếp và chặt chẽ với tổng chất rắn hòa tan TDS trong nước.

EC thường được đo và tính bằng miliSiemans trên một centimet (mS/cm). Từ độ

dẫn điện người ta có thể chuyển đổi được sang chỉ số TDS của nước. Do vậy để

đo EC hay TDS thì người ta đều có thể dùng máy đo EC. TDS được đo bằng ppm

7

(phần triệu) hoặc mg .Vậy cảm biến EC dùng để xác định tổng nồng độ ion hòa

tan trong dung dịch, qua đó có những đánh giá, phân tích dựa trên những tiêu

chuẩn quy định về cho từng dung dịch để đưa ra những hướng xử lý sao cho phù

hợp, tiết kiệm thời gian, chi phí nhất.

1.2.3.6. Cảm biến CO

Cảm biến nồng độ khí là thiết bị xác định nồng độ khí trong không khí.

Nồng độ khí có vai trò quan trọng trong một số hệ thống môi trường kín. Vì

không thể tự do trao đổi khí với môi trường ngoài nên một số loại nhà kính đòi

hỏi thông số về nồng độ khí. Cảm biến khí độc lập có thể hiển thị thông báo đến

người dùng tại chỗ.

1.2.4. Vai trò mạng cảm biến

1.2.4.1. Định nghĩa

Mạng cảm biến không dây bao gồm một tập hợp các thiết bị cảm biến sử

dụng các liên kết không dây( vô tuyến, hồng ngoại, quang học...) để phối hợp thực

hiện nhiệm vụ thu thập thông tin dữ liệu phân tán với quy mô lớn trong bất kỳ

điều kiện và ở bất kỳ vùng địa lý nào. Mạng cảm biến không dây có thể liên kết

trực tiếp với nút quản lý giám sát trực tiếp hay gián tiếp thông qua các điểm thu

phát và môi trường công cộng như Internet hay vệ tinh. Lợi thế của chúng là khả

năng truyền dẫn với tốc độ cao và triển khai trong bất kì loại địa hình kể cả các

địa hình nguy hiểm không thể sử dụng mạng cảm biến có dây truyền thống [4, 5].

1.2.4.2. Vai trò

Theo truyền thống nông nghiệp là việc thực hiện một nhiệm vụ cụ thể,

chẳng hạn như trồng hoặc thu hoạch, với một lịch trình định trước. Nhưng bằng

cách thu thập dữ liệu thời gian thực về thời tiết, đất và chất lượng không khí, theo

dõi sự trưởng thành của cây trồng và thậm chí cả trang thiết bị và chi phí lao động,

các phân tích có thể được sử dụng để đưa ra quyết định thông minh hơn. Đây

được gọi là nông nghiệp chính xác (hoặc canh tác chính xác). Một định nghĩa của

8

nông nghiệp chính xác có thể là như sau: kỹ thuật áp dụng đúng số lượng đầu vào

(nước, phân bón, thuốc trừ sâu,…) vào đúng vị trí và vào đúng thời điểm để tăng

cường sản xuất và nâng cao chất lượng [6]. Với nông nghiệp chính xác, trung tâm

kiểm soát thu thập và xử lý dữ liệu trong thời gian thực để giúp nông dân đưa ra

quyết định tốt nhất liên quan đến trồng, bón phân và thu hoạch cây trồng. Các nút

cảm biến được đặt tại nơi trồng để đo nhiệt độ và độ ẩm của đất và không khí

xung quanh.

Ứng dụng cảm biến không dây trong nông nghiệp chính xác nâng cao hiệu

quả, năng suất và lợi nhuận trong nhiều hệ thống sản xuất nông nghiệp, trong khi

giảm thiểu tác động không mong muốn đến địa điểm nơi trồng. Các thông tin thời

gian thực thu được từ các lĩnh vực có thể cung cấp một cơ sở vững chắc cho nông

dân để điều chỉnh chiến lược bất cứ lúc nào. Thay vì đưa ra quyết định dựa vào

một số điều kiện trung bình giả thuyết hay kinh nghiệm chủ quan của cá nhân, có

thể không tồn tại bất cứ nơi nào trong thực tế, một cách tiếp cận nông nghiệp

chính xác nhận ra sự khác biệt và điều chỉnh hoạt động quản lý tối ưu.

Việc ứng dụng mạng cảm biến không dây để quản lý hoạt động nông

nghiệp chính xác làm giảm đáng kể số lượng đầu vào như phân bón, nước, thuốc

trừ sâu... được sử dụng trong khi tăng sản lượng. Nông dân do đó thu được lợi

nhuận trên đầu tư của mình bằng cách tiết kiệm chi phí kiểm dịch thực vật và

phân bón. Áp dụng đúng số lượng đầu vào ở đúng nơi và đúng thời điểm đem lại

lợi ích cho cây trồng, trong khi tiết kiệm nguồn tài nguyên như đất và nước ngầm,

và do đó tối ưu hóa toàn bộ chu kỳ trồng trọt. Nông nghiệp bền vững tìm cách để

đảm bảo một nguồn cung cấp liên tục của thực phẩm trong giới hạn sinh thái, kinh

tế và xã hội cần thiết để duy trì sản xuất trong dài hạn. Do đó độ chính xác nông

nghiệp bằng cách sử dụng mạng cảm biến không dây sẽ cho phép theo đuổi mục

tiêu này.

Ngoài ra, mạng cảm biến không dây còn được sử dụng để điều khiển trong

nhà kính [7-9]. Một nhà kính là một cấu trúc bao phủ mặt đất thường được sử

dụng cho sự tăng trưởng và phát triển của cây. Cấu trúc này được gắn với mục

9

đích bảo vệ cây trồng và cho phép một môi trường tốt hơn để phát triển. Sự bảo vệ

này đủ để đảm bảo đem lại chất lượng cao trong sản xuất cây trồng. Chức năng

chính của một nhà kính là để cung cấp một môi trường thuận lợi hơn so với bên

ngoài. Các yếu tố chính liên quan đến hệ thống điều khiển nhà kính: nhiệt độ, độ

ẩm, khí CO2, nồng độ, bức xạ, nước và chất dinh dưỡng có thể được điều khiển

bằng mạng cảm biến không dây. Hệ thống tưới tiêu thông minh sử dụng mạng

cảm biến không dây cũng là một trong các nghiên cứu được quan tâm nhiều vì lợi

thế trong việc tiết kiệm nhân lực và tiết kiệm nước [10-12]. Cây trồng cần ánh

sáng mặt trời, các chất dinh dưỡng và nước để phát triển. Tất cả các nhà sản xuất

nông nghiệp có một yêu cầu lượng nước tối thiểu hàng năm để tồn tại và yêu cầu

lượng nước tối ưu hàng năm cho sản xuất tối đa. Do đó hệ thống tưới tiêu thông

minh là cần thiết để nâng cao năng suất cây trồng.

1.3. CÔNG NGHỆ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Có nhiều giao thức không dây được sử dụng khá rộng rãi hiện nay là

Bluetooth, GPRS, Lora, RF, Wifi, ZigBee…Mỗi tiêu chuẩn có những ưu điểm và

hạn chế riêng.

1.3.1. ZigBee

ZigBee là một giao thức truyền thông bậc cao được phát triển dựa trên

chuẩn truyền thông không dây IEEE 802.15.4, sử dụng tín hiệu radio cho các

mạng cá nhân. ZigBee thích hợp với những ứng dụng không đòi hỏi tốc độ truyền

dữ liệu quá cao nhưng cần có mức độ bảo mật lớn và thời gian hoạt động dài. Các

mạng ad-hoc sử dụng sóng radio tương tự ZigBee đã được thai nghén từ những

năm 1998-1999 khi giới khoa học bắt đầu nhận thấy Wifi và Bluetooth không phù

hợp cho nhiều ứng dụng công nghiệp. Tuy nhiên chỉ đến năm 2004, bộ tiêu chuẩn

ZigBee mới chính thức được tạo dựng và thông qua bởi tổ chức ZigBee Alliance

[13, 14].

10

1.3.1.1. Ưu điểm của mạng ZigBee

+ Mật độ nút mạng cao.

+ Tiêu thụ năng lượng tương đối thấp.

+ Thông lượng cao và độ trễ thấp cho các ứng dụng có chu kì thấp.

+ Khoảng cách truyền tối đa từ 70 đến 100m.

+ Tính ổn định cao .

+ Tính bảo mật cao [15].

1.3.1.2. Nhược điểm của mạng ZigBee

+ Khoảng cách truyền phụ thuộc từng phân nhóm công nghệ, khoảng cách

càng cao chi phí càng lớn và tiêu thụ nhiều năng lượng.

+ Khả năng đâm xuyên kém khi gặp vật cản.

+ Thiết bị tổng đài quản lý mạng phụ thuộc nhà cung cấp[15].

1.3.2. Bluetooth

Bluetooth là công nghệ không dây cho phép các thiết bị điện, điện tử giao

tiếp với nhau trong khoảng cách ngắn bằng sóng vô tuyến qua băng tầng chung

ISM trong dãy tầng 2.4 – 4.8GHz. Ban đầu nó được hình thành như một giải pháp

thay thế không dây cho cáp dữ liệu RS-232.

1.3.2.1. Ưu điểm của công nghệ Bluetooth

+ Khả năng bảo mật cực cao.

+ Chi phí thấp.

+ Tốn ít năng lượng (0.3mAh cho chế độ chờ và tối đa 30mAh trong chế độ

truyền dữ liệu).

+ Không gây nhiễu cho các thiết bị không dây khác.

+ Khả năng tương thích cực cao giữa các thiết bị.

11

1.3.2.2. Nhược điểm của công nghệ Bluetooth

+ Tốc độ thấp (tối đa chỉ khoảng 720kbps).

+ Kết nối có khi bị yếu nếu có nhiều vật cản.

+ Thời gian thiết lập lâu.

+ Số lượng điểm trong mạng thấp.

1.3.3. LoRa

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

Cycleo và sau này được mua lại bởi công ty Semtech năm 2012. Với công nghệ

này, chúng ta có thể truyền dữ liệu với khoảng cách lên hàng km với hàng triệu

nút mạng mà không cần các mạch khuếch đại công suất; từ đó giúp tiết kiệm năng

lượng tiêu thụ khi truyền nhận dữ liệu [16]. Do đó, LoRa có thể được áp dụng

rộng rãi trong các ứng dụng thu thập dữ liệu như một mạng cảm biến trong đó các

nút cảm biến có thể gửi giá trị đo đạc về trung tâm cách xa hàng km và có thể hoạt

động với pin trong thời gian dài trước khi cần thay pin.

1.3.3.2. Ưu điểm của mạng LoRa

+ Cảm biến công suất thấp và vùng phủ sóng rộng được đo bằng km.

+ Hoạt động trên tần số miễn phí, không có chi phí cấp phép trả trước để sử

dụng công nghệ.

+ Thiết bị gateway LoRa đơn được thiết kế để giao tiếp nhiều thiết bị đầu

cuối.

+ Dễ triển khai.

+ Chi phí kết nối thấp.

+ Tính bảo mật cao .

+ Giao tiếp hai chiều đầy đủ.

12

1.3.3.2. Nhược điểm của mạng LoRa

+ Không dành cho tải trọng dữ liệu lớn, tải trọng giới hạn ở 100 byte.

+ Không cho giám sát liên tục (trừ các thiết bị lớp C).

+ Không phải là ứng cử viên lý tưởng cho các ứng dụng thời gian thực đòi

hỏi độ trễ thấp hơn và yêu cầu thiết bị ràng buộc.

+ Nhược điểm của tần số mở là bạn có thể bị nhiễu tần số đó và tốc độ dữ

liệu có thể thấp.

1.3.4. Wifi

WiFi là phương thức kết nối không dây sử dụng sóng vô tuyến. WiFi được

triển khai trên hầu hết các thiết bị điện tử thông minh hiện nay để có thể kết nối

với nhau và kết nối Internet. WiFi được triển khai với mục đích truyền dữ liệu

không dây tốc độ cao, không cần đấu nối dây hay cáp mạng, triển khai hạ tầng

mạng một cách nhanh chóng.

1.3.4.1. Ưu điểm của mạng Wifi

+ Tính di động: cho phép người dùng truy xuất tài nguyên mạng và trao đổi

dữ liệu ở bất kỳ nơi đâu trong khu vực được triển khai.

+ Tinh linh hoạt: mở rộng truy cập nhanh chóng, với sự gia tăng số người

sử dụng máy tính xách tay và các thiết bị di động, đó là một điều rất thuận lợi.

+ Dễ triển khai: thiết kế và thi công đơn giản, việc thiết lập hệ thống mạng

không dây ban đầu chỉ cần ít nhất 1 AP.

+ Chi phí giảm: điều này được thực hiện bởi sự kết hợp của các yếu tố, chi

phí tương đối thấp của các thiết không dây, giảm chi phí thi công triển khai lắp đặt

và bảo dưỡng hệ thống.

+ Tính phổ biến: dễ dàng được tích hợp trong các thiết bị đầu cuối nên

nhiều loại thiết bị khác nhau có thể trao đổi dữ liệu và truy cập Internet.

1.3.4.2. Nhược điểm của mạng Wifi

13

+ Bảo mật: môi trường kết nối không dây, truyền dữ liệu bằng sóng vô

tuyến nên người khác có thể dễ dàng thu tín hiệu và truy cập mạng trái phép dẫn

đến khả năng thông tin và dữ liệu của người dùng bị đánh cắp là rất cao.

+ Phạm vi: một mạng chuẩn IEEE 802.11 với các thiết bị chuẩn chỉ có thể

hoạt động tốt trong phạm vi vài chục mét.

+ Độ tin cậy: vì sử dụng sóng vô tuyến nằm trong băng tần ISM nên khả

năng nhiễu sóng vô tuyến do thời tiết, do các thiết bị không dây khác, hay các vật

chắn, làm giảm đáng kể hiệu quả hoạt động của mạng.

+ Tiêu thụ năng lượng lớn.

+ Tầm bao phủ hẹp.

1.3.5. Công nghệ RF tùy biến với IC chuyên dụng

Khi sử dụng các IC thu phát RF tích hợp cao khi mục đích chính của chúng

ta chỉ là truyền dữ liệu không dây giữa hai bản mạch thì công nghệ RF tùy biến

cũng là một lựa chọn hợp lý. Giao diện tùy chỉnh cho phép người dùng tối ưu hóa

các thông số khác nhau theo yêu cầu và ràng buộc của hệ thống. Chúng bao gồm

các thông số cấp thấp như sơ đồ điều chế, dải tần và công suất đầu ra, cũng như

các chi tiết cấp cao hơn liên quan đến cách các thiết bị sẽ nhận ra nhau, cách dữ

liệu sẽ được định dạng và cách truyền gói tin sẽ được lên lịch và tổ chức.

Với IC thu phát RF chúng ta có thể thiết lập các giao thức tùy vào mục đích

sử dụng nên không cần phải xây dựng các thiết kế mới với các linh kiện phức tạp.

Trong một số trường hợp, chúng ta cần một vi mạch được thiết kế cho tốc độ dữ

liệu thấp, khi tất cả những gì người dùng cần làm chỉ là truyền một giá trị nhiệt

độ đo được về trung tâm sau mỗi lần đo.

Sử dụng IC thu phát RF tích hợp cao là một cách tiết kiệm chi phí và tương

đối dễ dàng để đưa giao tiếp không dây vào các hệ thống điện tử. [17, 18].

14

1.3.5.1. Ưu điểm công nghệ RF tùy biến với IC chuyên dụng

+ Chi phí rẻ.

+ Tầm bao phủ tương đối rộng, có thể đạt 1000m.

+ Giao thức mở, không bị ràng buộc bởi công nghệ cung cấp sẵn.

+ Công suất thấp.

+ Dải tần hoạt động miễn phí.

1.3.5.2. Nhược điểm công nghệ RF tùy biến với IC chuyên dụng

+ Phải tự xây dựng giao thức.

+ Tính bảo mật không cao.

Bảng 1. 1 So sánh công nghệ mạng không dây

Công nghệ Gía

thành

Tầm xa Tiêu thụ năng

lượng

Số lượng điểm

trong mạng

Dải tần

Wifi Cao 100m Cao Lớn 2,4 GHz

RF tùy biến Thấp 1000m Thấp Trung bình 433MHz đến 2,4

GHz

Bluetooth Thấp 50m Trung bình Ít 2,4 GHz

Zigbee Thấp 100m Thấp Lớn 868/915 MHz và

2,4 GHz

Lora Thấp 5km Thấp Lớn 433/869/915

MHz

15

1.4. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN

Trong những nghiên cứu của nhóm tác giả Teemu Ahonen, Reino

Virrankoski, Mohammed Elmusrati, Mustafa Alper Akkaş, Radosveta Sokullu về

mạng cảm biến trong nhà kính, các tác giả sử dụng mạch giao tiếp được chế tạo

sẵn hoặc phát triển sản phẩm riêng dựa trên công nghệ ZigBee [19, 20] .

Với lợi thế giao thức truyền thông đã được phát triển sẵn, các mạng cảm

biến không dây này có thể được triển khai nhanh chóng. Tuy nhiên, khi sử dụng

giao thức mạng theo tiêu chuẩn ZigBee hiện hữu, các khối cảm biến đòi hỏi tiêu

tốn nhiều tài nguyên phần cứng để đáp ứng. Đồng thời, theo nghiên cứu tiến hành

bởi Teemu Ahonen, Reino Virrankoski, Mohammed Elmusrati, yếu tố tầm nhìn

trực tiếp và khả năng đâm xuyên của sóng truyền thông của các khối cảm biến

trong mạng ZigBee cũng là một giới hạn [19]. Khi triển khai thực tế, khối điều

khiển trung tâm có thể nằm ngoài tầm nhìn dẫn đến khó khăn trong xây dựng hạ

tầng phần cứng. Ngoài ra, thông số về mạng và giao thức đã được cố định, người

sử dụng phải tuân theo một cách chính xác. Chính điều này làm giảm khả năng

mở rộng, thay đổi cấu hình mạng. Trong các nghiên cứu của nhóm tác giả Sergio

Trilles, Alberto Gonzalez-Perez, Joaquin Huerta và nhóm tác giả Đào Xuân Quy,

Lê Quốc Hoàng, Nguyễn Duy Xuân Bách sử dụng công nghệ Wifi và GPRS (3G)

để triển khai mạng cảm biến [21, 22]. Ưu điểm lớn nhất của mạng cảm biến sử

dụng hai công nghệ này là khả năng kết nối Internet. Mỗi mạng cảm biến trở

thành một mạng con, các giá trị tham số của cảm biến được kết nối và truyền về

khối trung tâm hoặc máy chủ một cách trực tiếp. Tuy nhiên, công suất tiêu thụ của

thiết bị trở thành một trở ngại lớn [21]. Các khối cảm biến trong mạng cảm biến

không dây thường phải sử dụng nguồn từ pin dự phòng kèm hệ thống nạp điện

dùng năng lượng tái tạo. Công suất tiêu thụ lớn kéo theo đầu tư cao hơn cho khối

nguồn. Nhược điểm này khiến mạng cảm biến không dây dùng Wifi và GPRS khó

áp dụng. Không chỉ vậy, có những vùng mà nhà kính được xây dựng với yêu cầu

hoạt động độc lập [22]. Áp dụng công nghệ Wifi hoặc GPRS tại đây là không khả

thi.

16

Một công nghệ không dây khác có thể được ứng dụng là LoRa. Nghiên cứu

của tác giả Vũ Văn Anh và nhóm tác giả Ritesh Kumar Singh, Rafael Berkvens,

Maarten Weyn đã áp dụng công nghệ này vì ưu thế tiết kiệm năng lượng, khoảng

cách xa cũng như giá thành thấp[23, 24]. Rào cản lớn nhất của công nghệ LoRa là

băng thông thấp và độ trễ cao [24]. Với những mạng cảm biến nhỏ, ít thành phần

và không đòi hỏi dung lượng thông tin lớn thì LoRa hoàn toàn phù hợp. Tuy

nhiên, với những hệ thống mạng cảm biến đòi hỏi nhiều khối cảm biến và yêu cầu

thông tin cao thì LoRa không thể đáp ứng. Ngoài ra, tổng đài hoặc khối trung tâm

cho mạng cảm biến sử dụng LoRa phức tạp và đòi hỏi chi phí đầu tư cao. Chính vì

vậy, công nghệ LoRa phù hợp xây dựng mạng cảm biến diện rộng, tầm xa và băng

thông thấp.

Trong khi đó nhóm tác giả Carlos D. Moreno, Yong Wu, Li Li sử dụng công

nghệ RF mở, cụ thể là với linh kiện NRF2401 với tần số 2,4GHz [25, 26]. Về phía

công nghệ RF mở, nó có thể đáp ứng được những tiêu chí về mạng cảm biến đó là

tiêu thụ công suất thấp, băng thông đủ để truyền tin với mạng nhiều khối cảm biến

và giá thành thấp. Việc sử dụng công nghệ này có nhược điểm là không tồn tại

giao thức truyền thông tiêu chuẩn. Các tác giả xây dựng mạng cảm biến nhưng

không trình bày rõ giao thức đã sử dụng. Điều này gây khó khăn khi áp dụng thực

tế. Ngoài ra, linh kiện mà các tác giả đã sử dụng trong nghiên cứu có giới hạn về

độ đâm xuyên và vùng phủ sóng vì dùng dải tần tương tự Wifi.

1.5. LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ VÀ XÁC ĐỊNH VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Khi cần phải quyết định các công nghệ truyền thông phù hợp nhất cho

mạng IoT cần phải xem xét các vấn đề: tính di động, phạm vi mạng, tiêu thụ điện

năng, kích thước và chi phí.... Trong trường hợp thiết bị được đặt ở một vị trí cố

định, Ethernet là một trong những lựa chọn tốt nhất cho việc cung cấp thông tin

liên lạc ở tốc độ cao dao động với mức tiêu thụ điện năng thấp. Trong trường hợp

khác, yêu cầu tính di động có thể lựa chọn giữa WiFi, Bluetooth, ZigBee, Lora,

RF…. ZigBee có ưu điểm tiêu thụ điện năng thấp và phạm vi phủ sóng tốt. WiFi

có thể cung cấp truy cập trực tiếp trong trường hợp cơ sở hạ tầng WiFi có sẵn,

17

nhưng tiêu thụ nhiều năng lượng vì nó được thiết kế cho các thiết bị như máy tính

xách tay với các nguồn tài nguyên năng lượng không dành cho các thiết bị IoT

nhỏ. Bluetooth có giá thành rẻ, mức tiêu thụ năng lượng thấp nhưng phạm vi giao

tiếp ngắn. Với RF, các thiết bị có giá thành rẻ, nhỏ gọn, giao thức mở, có nghĩa là

chúng ta có thể tự xây dựng một giao thức giao tiếp riêng cho hệ thống mạng cảm

biến không dây phù hợp với tình hình thực thế của nông trại hoặc nhà kính mà ta

đang sử dụng.

Vấn đề nghiên cứu thứ nhất trong đề tài là xây dựng các khối cảm biến

trong một mạng cảm biến phục vụ nhà kính. Các khối cảm biến có khả năng hoạt

động độc lập nhờ khối nguồn năng lượng mặt trời và giao tiếp không dây với khối

trung tâm.

Vấn đề nghiên cứu thứ hai là xây dựng được một giao thức cho mạng cảm

biến vừa triển khai. Giao thức hoạt động với công nghệ RF được lựa chọn và có

độ phức tạp tính toán thấp. Mục đích là để áp dụng được trên các vi điều khiển có

tài nguyên phần cứng thấp, chi phí hạn chế.

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Trong chương 1, luận văn đã tập trung nghiên cứu, trình bày về một số vấn

đề như sau:

- Đặc điểm của Internet of Things.

- Vai trò của mạng cảm biến không dây và các loại cảm biến dùng trọng

nông nghiệp công nghệ cao.

- Các công nghệ không dây phổ biến hiện nay.

- Thực trạng nghiên cứu trong nước và trên thế giới.

- Xác định được vấn đề cần nghiên cứu của đề tài.

18

CHƯƠNG 2. MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

VÀ GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG

2.1. HỆ THỐNG CẢM BIẾN

2.1.1. Thiết kế hệ thống cảm biến

Hình 2.1. Sơ đồ khối cảm biến

Các khối cảm biến được thiết kế và chế tạo theo sơ đồ trong Hình 2.1. Các

khối cảm biến hoạt động độc lập, sử dụng nguồn pin sạc giúp đảm bảo hoạt động

liên tục. Mỗi khối cảm biến sẽ đảm nhận việc thu thập một số loại thông số môi

trường. Mạng cảm biến không dây được hình thành dựa trên sự phối hợp tổ chức

của các khối cảm biến đơn lẻ.

2.1.1.1. Trung tâm cảm biến (khối số 1)

Khối trung tâm cảm biến có vị trí số 1 như trong Hình 2.1 là bộ não của

khối cảm biến, có nhiệm vụ thu thập thông tin từ các cảm biến. Xử lý thông tin

thu được và gửi về khối điều khiển trung tâm của cả hệ thống. Khối trung tâm

cảm biến thực hiện giao tiếp truyền thông với khối điều khiển trung tâm thông qua

truyền dẫn không dây.

Khối trung tâm cảm biến cần đạt các yêu cầu cơ bản như sau:

+ Chi phí thấp để có thể triển khai với số lượng lớn.

+ Có khả năng kết nối đến các thiết bị ngoại vi, giao tiếp với các loại cảm

biến một cách dễ dàng.

19

+ Tiêu thụ năng lượng thấp, phù hợp với hoạt động dài ngày trong điều kiện

sử dụng nguồn điện dung lượng thấp, nhỏ gọn.

+ Linh kiện phổ biến để có thể thay thế, lập trình một cách thuận tiện.

Trung tâm cảm biến sử dụng Arduino Nano V3.0 ATmega328P như Hình

2.2 . Phần cứng bao gồm một bo mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử

lý AVR Atmel 8bit. Những mẫu hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB,

6 chân đầu vào tương tự, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều bo mở

rộng khác nhau [27] .

Hình 2.2. Arduino Nano V3.0 ATmega328P cho khối cảm biến

Bên cạnh phiên bản ATmega328, vi điều khiển ATmega168 cũng có thể

được sử dụng trên bo Nano. Sự khác biệt là dung lượng bộ nhớ và màu của mạch.

Trong đề tài, 2 kiểu mạch Arduino Nano V3.0 ATmega328P và Arduino Nano

V3.0 Atmega168P đều được sử dụng nhằm đánh giá tính năng. Đây là một mạch

vi điều khiển cỡ nhỏ, chi phí thấp. Giao thức truyền thông có thể triển khai trên

nền tảng này là một ưu điểm của thiết kế. Điều này không chỉ giảm chi phí đầu tư

cho hệ thống mà còn giảm tiêu thụ năng lượng, thu gọn khối nguồn và dễ sửa

chữa thay thế thiết bị.

20

2.1.1.2. Giao tiếp không dây( khối số 2)

Giao tiếp không dây có vị trí số 2 trong Hình 2.1, có nhiệm vụ làm cầu nối

truyền thông tin giữa khối cảm biến và khối điều khiển trung tâm. Bằng môi

trường không dây, các khối cảm biến có thể được triển khai linh hoạt, dễ dàng.

Ngoài ra truyền thông không dây không những không bị cản trở bởi cây trồng mà

còn có khả năng thay đổi chủng loại, tăng giảm số lượng khối cảm biến một cách

linh động tùy vào nhu cầu của người sử dụng cần lấy thông tin gì từ môi trường

Giao tiếp không dây cần phải đáp ứng các yêu cầu cơ bản sau:

+ Chi phí thấp để có thể triển khai với số lượng lớn.

+ Có khả năng hoạt động lâu dài, liên tục.

+ Tiêu thụ năng lượng thấp, phù hợp với hoạt động dài ngày trong điều kiện

sử dụng nguồn điện dung lượng thấp, nhỏ gọn.

+ Linh kiện phổ biến để có thể thay thế, lập trình một cách thuận tiện.

Giao tiếp không dây trong đề tài sử dụng mạch RF UART SI4463 433Mhz

HC-12 như Hình 2.3. có thể đạt khoảng cách 1km với môi trường lý tưởng.

Mạch có thể dễ dàng cài đặt và sử dụng. Với mạch này chúng ta có thể giao

tiếp bằng giao thức USART. Dễ dàng ứng dụng vào các thiết bị điều khiển từ

xa, thu thập thông tin cảm biến từ khoảng cách xa,... Mạch hoạt động ở tần số

433MHz.

Hình 2.3. Mạch RF UART SI4463 433Mhz HC-12

21

Giới thiệu về SI4463

Các thiết bị SI446x là bộ thu phát ISM không dây, hiệu suất cao, dòng điện

thấp, bao phủ các băng tầng từ 433 MHz đến 473 MHz. Dải điện áp hoạt động

rộng 3,2–5,5 V và mức tiêu thụ dòng điện thấp làm cho SI446x trở thành giải

pháp lý tưởng cho các ứng dụng chạy bằng pin. SI446x hoạt động như một bộ thu

phát song song phân chia thời gian trong đó thiết bị luân phiên truyền và nhận các

gói dữ liệu. Thiết bị sử dụng bộ trộn chuyển đổi đơn để chuyển đổi xuống tín hiệu

nhận được điều chế 2/4 mức FSK / GFSK hoặc OOK đến tần số IF thấp. Theo sau

mức tăng có thể lập trình bộ khuếch đại tín hiệu được chuyển đổi sang miền kỹ

thuật số bằng ∆Σ ADC hiệu suất cao cho phép lọc, giải điều chế, cắt lát và xử lý

gói tin được thực hiện trong DSP tích hợp làm tăng khả năng thu hiệu suất và tính

linh hoạt so với kiến trúc dựa trên kỹ thuật tương tự. Tín hiệu giải điều chế được

xuất ra hệ thống MCU thông qua GPIO có thể lập trình hoặc qua cổng SPI tiêu

chuẩn.

Bảng. 2.1. Thông số kĩ thuật Mạch RF UART SI4463 433Mhz HC-12

Tính năng Thông số

Điện áp hoạt động 3.2~5.5VDC

Dòng chờ 16mA

Tần số hoạt động 433~473Mhz

Khoảng cách hoạt động khoảng 600m, có thể đạt 1000m

Giao tiếp chuẩn USART TTL 3.2~5.5VDC

Cài đặt mặc định chế độ FU3, tốc độ 9600bps, kênh CH001 (433.4MHz)

22

2.1.1.3. Cảm biến( vị trí số 3)

a. Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm và áp suất không khí BME280

Cảm biến BME280 được sử dụng như một áp kế điện tử để đo áp suất, nhiệt

độ và độ ẩm khộng khí, cảm biến có thiết kế nhỏ gọn, có độ bền cao có giá thành

rẻ, có thể sử dụng cả trong nhà và ngoài trời trong các hệ thống IoT. Cảm biến

BME280 có dải đo rộng, thời gian đo nhanh và độ chính xác cao. Cảm biến sử

dụng chuẩn giao tiếp I2C rất dễ kết nối và điều khiển với thư viện Arduino

Hình 2.4. Cảm biến nhiệt độ độ ẩm và áp suất không khí BME280

b. Cảm biến cường độ sáng BH1750

Đề tài này sử dụng cảm biến BH1750 để xác định thông số về cường độ

sáng theo đơn vị lux, chỉ số này biểu đạt mức độ ánh sáng trên bề mặt mà con

người cảm nhận được mạnh hay yếu. Các bo mạch gắn sẵn BH1750 như trên Hình

2.5 có giá thành rẻ, dễ kết nối giúp việc tiếp cận và sử dụng cảm biến này ngày

càng trở nên dễ dàng và phổ biến hơn. Cảm biến BH1750 có dải đo rộng, thời

gian đo nhanh và độ chính xác cao. Các thông số này có thể điều chỉnh được.

23

Hình 2.5. Cảm biến cường độ sáng BH1750

c. Cảm biến nhiệt độ DS18B20

Đề tài sử dụng cảm biến nhiệt độ DS18B20 dây mềm là phiên bản chống

nước chống ẩm của cảm biến nhiệt độ DS18B20. Cảm biến nhiệt độ DS18B20 là

cảm biến kĩ thuật số của hãng Maxim với độ phân giải cao, sử dụng giao tiếp IC

một dây rất gọn gàng, dễ lập trình. IC còn có chức năng cảnh báo nhiệt độ khi

vượt ngưỡng và cấp nguồn từ chân dữ liệu. Đây là cảm biến kĩ thuật số nên không

bị suy hao tín hiệu trên đường dây.

Hình 2.6. Cảm biến nhiệt độ DS18B20

24

d. Cảm biến điện dung đất

Hình 2.7. Cảm biến điện dung đất

Cảm biến có giá thành rẻ, dễ thay thế khi cần thiết. Cảm biến hoạt động dựa

trên nguyên tắc thay đổi điện dung giữa các bản cực. Các bản cực này đã được

thiết kế trên mạch in và được phủ chống ăn mòn. Điều này giúp giảm ăn mòn,

tăng thời gian sử dụng so với loại cảm biến điện trở.

2.1.1.4. Khối nguồn

Khối nguồn được thiết kế trên yêu cầu hỗ trợ cảm biến hoạt động liên tục

không gián đoạn trong mọi điều kiện thời tiết. Khối này sử dụng pin năng lượng

mặt trời kết hợp pin dự phòng nhằm thỏa mãn yêu cầu về thiết kế. Khối nguồn

được xây dựng bởi đề tài “HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ KÍNH TỰ ĐỘNG

DÙNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO” của tác giả Nguyễn Thị Phương Trà.

25

2.1.2. Thiết kế và lắp ráp mạch thực tế

Bước tiếp theo sau khi thiết kế sơ đồ khối và lựa chọn linh kiện, đề tài tiến

hành xây dựng sơ đồ nguyên lý và lắp ráp linh kiện thành các khối cảm biến.

Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý mạch điện tử khối cảm biến

Tận dụng các thành phần mạch và linh kiện có sẵn trên bo mạch Arduino

Nano đã giúp tiết kiệm thời gian khi ghép nối các cảm biến. Ngoài ra, bằng việc

sử dụng các cảm biến số với giao thức truyền thông I2C tiêu chuẩn giúp đơn giản

hóa các thành phần bổ trợ. Nhờ vậy khối cảm biến trở nên nhỏ gọn và dễ triển

khai.

26

Hình 2.9. Lắp ráp khối cảm biến không khí

Hình 2.9 cho thấy kết nối thực tế giữa các thành phần của khối cảm biến

không khí. Bo mạch chính Arduino Nano168 được ghép nối với mạch giao tiếp

không dây HC-12, cảm biến cường độ sáng BH1750 và cảm biến nhiệt độ, độ ẩm

và áp suất không khí BME280.

Vị trí của các cảm biến trong khối khi đưa vào hộp là khác nhau. Các cảm

biến và thành phần trong khối được kết nối bằng dây cáp thay vì cố định trên

mạch in PCB.

27

Hình 2.10. Lắp ráp khối cảm biến đất

Các thành phần của khối cảm biến nhiệt độ và độ ẩm đất được kết nối với

nhau như Hình 2.10. Bo mạch chính Arduino Nano được ghép nối với mạch giao

tiếp không dây HC-12, cảm biến nhiệt độ DS18B20 và cảm biến điện dung đất.

Trên hình còn cho thấy bo mạch Arduino có màu xanh, khác biệt với bo mạch của

cảm biến không khí. Sự khác biệt này không ảnh hưởng đến hoạt động của khối

cảm biến. Đề tài thử nghiệm 2 bo mạch khác nhau mục đích chính nhằm đánh giá

về mặt kinh phí.

Trong trường hợp này, cảm biến ẩm độ và nhiệt độ đất có dây kéo dài nhằm

mục đích cắm xuống giá thể.

28

2.2. MẠNG CẢM BIẾN VÀ GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY

2.2.1. Mạng cảm biến không dây

Hình 2.11. Sơ đồ mạng cảm biến thực nghiệm nhà kính

Đề tài thiết kế và xây dựng một mạng cảm biến ngang hàng được mô tả như

Hình 2.11. Các nút cảm biến có vai trò như nhau trong mạng cảm biến, dữ liệu

được truyền trực tiếp về khối trung tâm mà không thông qua các nút trung gian

được thực hiện theo phương thức truy cập phân chia theo thời gian với kĩ thuật

TDMA cải tiến. Dữ liệu sau khi gửi về khối xử lý trung tâm sẽ được gửi lên

webserver và được theo dõi thông qua các ứng dụng người dùng.

2.2.1.1. Thuật toán khối cảm biến

Khối cảm biến có chức năng thu thập những trạng thái, quá trình vật lý hay

hóa học ở môi trường cần khảo sát ( nhiệt độ, độ ẩm của không khí và đất, ánh

sáng…) biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thông tin về trạng thái đó. Sau đó

29

thông tin được đưa đến vi điều khiển để xử lý và rút ra tham số định tính hoặc

định lượng của môi trường .

Nguyên tắc hoạt động của khối cảm biến được diễn tả bằng lưu đồ thuật

toán như Hình 2.12. Đầu tiên khối cảm biến sẽ đọc dữ liệu từ các cảm biến rồi gửi

tín hiệu “Ping” đến hệ thống trung tâm rồi chờ và kiểm tra phản hồi từ hệ thống

trung tâm, nếu sai thì sẽ chờ một thời gian quay lại tiếp tục gửi yêu cầu, nếu đúng

sẽ gửi dữ liệu và chuyển sang chế độ ngủ ngắn để tiết kiệm năng lượng và chờ đến

lượt gửi tiếp theo.

Hình 2.12. Lưu đồ thuật toán khối cảm biến

30

2.2.1.2. Thuật toán khối điều khiển trung tâm

Khối điều khiển trung tâm là bộ não của hệ thống, có nhiệm vụ thu thập

thông tin từ các khối cảm biến, xử lý thông tin, đưa ra các quyết định để điều

khiển các thiết bị cũng như giao tiếp với người dùng. Khối này còn có chức năng

triển khai giao thức truyền thông không dây với các cảm biến, đóng vai trò như

một máy chủ trong mạng cảm biến không dây. Bên cạnh đó, khối điều khiển trung

tâm còn được hỗ trợ khả năng đảm bảo hoạt động theo thời gian thực. Điều này

giúp gia tăng các tính năng hoạt động của khối.

Nguyên lý hoạt động của khối nhận dữ liệu qua mạch thu sóng RF và gửi dữ

liệu lên server lưu trữ dữ liệu được diễn tả bằng lưu đồ thuật toán như Hình 2.13.

Hình 2.13. Lưu đồ thuật toán khối nhận dữ liệu

31

Bắt đầu vào quá trình gửi dữ liệu, nếu đã đến giờ hệ thống sẽ kiểm tra xem

có dữ liệu hay chưa. Nếu có thì hệ thống sẽ gửi dữ liệu lên web rồi quay lại kiểm tra

dữ liệu hoặc nếu chưa tới giờ gửi thì hệ thống cũng sẽ đi kiểm tra dữ liệu. Nếu chưa

có dữ liệu thì hệ thống sẽ quay lại từ đầu đề chờ đến giờ gửi, nếu đúng là có tín hiệu

thì hệ thống sẽ đọc tín hiệu từ RF để nhận “Ping”. Nếu sai thì sẽ quay lại từ đầu để

chờ đến giờ gửi, nếu đúng thì sẽ gửi tín hiệu phản hồi ACK, giữ địa chỉ ID, chờ đọc

dữ liệu từ RF, sau khi nhận được dữ liệu từ RF hệ thống sẽ đi kiểm tra ID, nếu đúng

thì hệ thống sẽ lưu dữ liệu rồi quay lại ban đầu, chờ đến giờ để gửi dữ liệu, nếu sai

ID hệ thống sẽ hủy dữ liệu để quay lại ban đầu để chờ đến lần gửi tiếp theo.

2.2.1.3. Khối internet

Chip ESP8266 được phát triển bởi Espressif để cung cấp giải pháp giao tiếp

Wifi cho các thiết bị IoT. Điểm đặc biệt của dòng ESP8266 là nó được tích hợp

các mạch RF, bộ khuếch đại công suất … ngay bên trong chip với kích thước rất

nhỏ chỉ 5x5mm nên các bo mạch sử dụng ESP8266 không cần kích thước lớn

cũng như không cần nhiều linh kiện xung quanh. Ngoài ra, giá thành của

ESP8266 cũng rất thấp đủ để hấp dẫn các nhà phát triển sản phẩm IoT.

Với sự lựa chọn Arduino Mega 2560 làm bộ xử lý trung tâm ở trên thì việc

giao tiếp với mạng là điều không thể vì bản thân Arduino Mega 2560 không được

hỗ trợ kết nối mạng cũng như giao tiếp mạng. Vì thế yêu cầu đặt ra là phải có một

khối trung gian để giúp Arduino có thể giao tiếp được với Internet, làm cầu nối để

nhận dữ liệu từ khối xử lý trung tâm đưa lên website và ngược lại từ website đưa

ngược về Arduino.

Với các yêu cầu kể trên, hiện nay dòng vi mạch ESP 8266 rất phổ biến và

được ứng dụng rộng lớn, bản thân dòng này có rất nhiều phiên bản từ ESP 8266

V1 đến ESP 8266 V12, các dòng ESP 8266 kết tích hợp hẳn vào bo Arduino, ESP

8266 NODE MCU. Ở đây, đề tài sử dụng ESP 8266- ESP 01 như Hình 2.14, vì

đây là dòng sản phẩm có kích thước nhỏ gọn, dễ dàng sử dụng, giá rẻ, có cổng

32

micro USB để nạp chương trình và cấp nguồn nên không cần mạch nạp trung

gian.

Hình 2.14. Mạch wifi ESP 8266 – ESP 01

2.2.2. Giao thức truyền thông

2.2.2.1. Khái niệm

Giao thức truyền thông là những mô tả cụ thể của định dạng và luật lệ bản tin

số. Giao thức là yêu cầu bắt buộc để các bản tin có thể được truyền giữa các hệ

thống, đặc biệt trong lĩnh vực viễn thông.

Giao thức truyền thông có thể bao gồm chứng thực thông tin, phát hiện lỗi,

sửa lỗi và báo hiệu. Nó cũng có thể mô tả cú pháp, định dạng và đồng bộ hóa

truyền thông số hoặc tương tự. Giao thức truyền thông được thực hiện bằng phần

cứng và phần mềm. Hiện tại có nhiều giao thức truyền thông khác nhau được sử

dụng ở rất nhiều hệ thống truyền thông số và tương tự. Các mạng liên kết thiết bị,

mạng máy tính, sẽ không thể tồn tại nếu không có giao thức.

2.2.2.2. Thiết kế giao thức mạng cảm biến

Có rất nhiều giao thức truyền thông khác nhau đã được phát triển. Tuy nhiên,

với mạng cảm biến dùng trong nông nghiệp, đòi hòi về dung lượng đường truyền

không cao và thời gian cập nhật dữ liệu không quá cấp thiết. Bằng việc thiết kế một

giao thức đơn giản sử dụng công nghệ RF, nó có thể được triển khai trên vi điều

khiển nhỏ gọn mà không tiêu tốn quá nhiều tài nguyên phần cứng. Với những lý do

33

trên, giao thức bắt tay được lựa chọn để thực hiện truyền thông trong mạng cảm

biến không dây.

Nguyên tắc chung của giao thức bắt tay được thể hiện qua Hình 2.15. Tại đây

chỉ mô tả cách thức truyền thông giữa khối cảm biến và hệ thống trung tâm, giữa

các khối cảm biến không thể truyền dữ liệu cho nhau.

Hình 2.15. Sơ đồ giao thức bắt tay

Khi khối cảm biến muốn gửi dữ liệu về khối xử lý trung tâm thì nó gửi đến

khối trung tâm một tín hiệu Ping chờ tín hiệu phản hồi ACK. Một khi nhận được

tín hiệu ACK, nghĩa là khối cảm biến trung tâm đang rảnh rỗi, khi đó khối cảm

biến sẽ gửi đi một gói dữ liệu có cấu trúc như Hình 2.16 đến khối trung tâm, khối

trung tâm sẽ nhận được dữ liệu. Quá trình gửi dữ liệu kết thúc. Giao thức có thể

được mở rộng để tăng tính ổn định bằng cách bổ sung tín hiệu Ping thứ cấp. Sau

khi phát đi tín hiệu Ping đầu tiên, nếu khối xử lý trung tâm bận giao tiếp với các

khối cảm biến khác thì nó sẽ đợi một khoảng thời gian sau sẽ tiếp tục gửi đi một

tín hiệu thứ cấp.

Hình 2.16. Sơ đồ khung dữ liệu

34

Khung dữ liệu gửi từ cảm biến về trung tâm điều khiển bao gồm bốn thành

phần. Mỗi thành phần đóng một vai trò nhất định trong chuỗi dữ liệu. Khung dữ

liệu là thống nhất giữa các khối giao tiếp trong mạng, từ đó giúp quá trình truyền

thông được đồng bộ.

Thành phần thứ nhất là một tín hiệu bắt đầu, có kích thước 1 byte, thể hiện

bằng ký tự ‘@’. Tín hiệu bắt đầu sẽ giúp bộ điều khiển trung tâm nhận diện được

chính xác chuỗi dữ liệu cần xử lý. Nếu không có tín hiệu bắt đầu, dòng xử lý của

bộ xử lý trung tâm sẽ bị phân tán và ảnh hưởng đến các tác vụ khác. Đồng thời,

tín hiệu bắt đầu có thể được thay đổi để điều chỉnh khung dữ liệu cho những mở

rộng về sau. Từ đó làm tăng tính linh hoạt của giao thức.

Thành phần thứ hai của khung dữ liệu là mã định danh. Vì mạng cảm biến

có thể gồm nhiều khối cảm biến, mã định danh giúp bộ xử lý trung tâm truyền

thông với đúng đối tượng mong muốn. Trên từng khối cảm biến được gán một mã

định danh khác nhau. Mã định danh có độ dài 1 byte, như vậy có thể gán cho tối

đa 256 khối cảm biến khác nhau. Để có thể gán mã định danh cho từng khối cảm

biến, một công tắc 4 chân DIP Switch được sử dụng. Khi thiết kế khung dữ liệu,

mã định danh ID có độ lớn 8bit. Với công tắc 4bit là đủ để mã hóa cho 16 khối

cảm biến khác nhau. Với diện tích sử dụng lớn, người ta thường chia ra các nhà

kính khác nhau cho các loại cây trồng khác nhau. Do vậy, kích thước nhà kính đơn

lẻ thường không quá lớn và không trồng nhiều loại cây khác nhau.

Dữ liệu được truyền từ khối cảm biến về bộ xử lý trung tâm là thành phần

thứ ba trong khung dữ liệu. Thông thường, mỗi giá trị cảm biến có độ lớn từ 1 đến

2 byte. Trong khối cảm biến có thể bao gồm nhiều cảm biến khác nhau. Theo nhu

cầu thực tế, các loại cảm biến có tính tương đồng hoặc bù nhau sẽ được ghép nối

vào cùng một khối cảm biến. Độ dài dữ liệu 7 byte là đủ để gói gọn các giá trị

cảm biến này theo từng khối cảm biến.

Cuối cùng là tín hiệu kết thúc. Tín hiệu này có độ dài 1 byte, thể hiện bằng

ký tự ‘$’. Cũng như việc sử dụng tín hiệu bắt đầu, tín hiệu kết thúc đánh dấu sự

35

hoàn thiện của một khung dữ liệu. Thông qua tín hiệu kết thúc, bộ điều khiển

trung tâm có thể thực hiện các thao tác với dữ liệu và bỏ qua những tín hiệu sai

lệch hoặc nhiễu.

Phương thức đa truy nhập phân chia theo thời gian

Nguyên lý đa truy nhập sử dụng lặp tần số cho các nguồn phát tại các

khoảng cách đủ lớn trong không gian để chúng không gây nhiễu cho nhau.

Phương pháp này thường được gọi là phương pháp tái sử dụng tần số. Khoảng

cách cần thiết để các nguồn phát cùng tần số không gây nhiễu cho nhau được gọi

là khoảng cách tái sử dụng tần số.

TDMA là công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian, thời gian làm

việc của tài nguyên thông tin chia làm nhiều khung, mỗi khung chia làm nhiều

khe, mỗi khe cho phép một người dùng làm việc. Kỹ thuật TDMA cấp phát các

kênh bội trên cùng tần số trong một hệ truyền vô tuyến, như hệ điện thoại di động

hay hệ truyền thông vệ tinh được dùng chủ yếu trong các hệ điện thoại di động, nó

cho phép nhiều người dùng truy cập cùng tần số radio hơn là các hệ di động cũ.

Mỗi người dùng có một rãnh thời gian trong kênh và rãnh này là cố định đối với

người dùng trong suốt cuộc gọi. Ngay cả khi thiết bị không có gì để truyền, rãnh

thời gian này vẫn được để dành.

Nguyên lý hoạt động của TDMA

Các máy đầu cuối vô tuyến phát không liên tục trong thời gian TB minh

họa như Hình 2.17. Sự truyền dẫn này được gọi là cụm. Sự phát đi một cụm được

đưa vào một cấu trúc thời gian dài hơn được gọi là chu kỳ khung, tất cả các máy

đầu cuối vô tuyến phải phát theo cấu trúc này. Mỗi sóng mang thể hiện một cụm

sẽ chiếm toàn bộ độ rộng của kênh vô tuyến được mang bởi tần số sóng mang.

Trong đề tài, kỹ thuật TDMA cũng được sử dụng nhưng ở mức độ đơn giản

hơn và có sự cải tiến để phù hợp với mạng cảm biến. Các khối cảm biến đều sử

dụng chung tần số 433 MHz để truyền dữ liệu về khối trung tâm. Tại mỗi thời

điểm, chỉ một khối cảm biến có thể truyền thông tin về khối trung tâm. Điều này

36

đạt được bằng việc sử dụng mã định danh riêng cho từng khối. Mã định danh độc

lập đảm bảo các khối không bị trùng lắp thời gian truyền thông. Trong trường hợp

có nhiều khối cảm biến đồng thời gửi tín hiệu Ping về khối trung tâm thì khối

trung tâm sẽ ưu tiên nhận dữ liệu của khối cảm biến có mã định danh thấp hơn.

Các khối cảm biến còn lại sẽ chuyển về chế độ chờ, đến thời gian sẽ lại gửi tín

hiệu Ping về khối xử lý trung tâm và chờ tín hiệu ACK. Các khối cảm biến sau khi

gửi được tín hiệu về khối trung tâm sẽ chuyển sang chế đỗ ngủ ngắn để tiết kiệm

dữ liệu và không gây nhiễu với các khối cảm biến khác.

Hình 2.17. Nguyên lý hoạt động TDMA

2.2.3. Lưu trữ và tính toán đám mây

2.2.3.1. Một số nền tảng lưu trữ cho IoT

Nền tảng IoT là phần quan trọng trong kiến trúc Internet of Things, các nền

tảng IoT giúp quản lý luồng dữ liệu, hỗ trợ phát triển ứng dụng và cung cấp các

37

phân tích cơ bản cho các thiết bị IoT được kết nối. Hiện nay có nhiều nền tảng IoT

được sử dụng rộng rãi như:

Google Cloud Platform, được cung cấp bởi Google, là một bộ dịch vụ điện

toán đám mây chạy trên cùng một cơ sở hạ tầng mà Google sử dụng nội bộ cho

các sản phẩm của người dùng cuối, như Google Search và YouTube. Bên cạnh

một bộ công cụ quản lý, nó cung cấp một loạt các dịch vụ đám mây bao gồm điện

toán, lưu trữ dữ liệu, phân tích dữ liệu và học máy.

Nền tảng IBM Watson cho phép truyền dữ liệu an toàn, điều khiển thiết bị

từ xa mạnh mẽ và dung lượng đám mây để lưu trữ dữ liệu lớn, các tính năng bảo

mật và đánh giá dữ liệu thời gian thực với khả năng quản lý rủi ro hiệu quả. Nền

tảng IBM bao gồm các dịch vụ và công cụ có lợi khác nhau giúp phát triển IoT dễ

dàng hơn và ngày càng hiệu quả hơn. Nền tảng này đảm bảo các thiết bị được kết

nối khác nhau. Nó cho phép các nhà thiết kế hoàn thành kết nối, xử lý dữ liệu và

phân tích dữ liệu thời gian thực. Dữ liệu thời gian thực nhận được từ các thiết bị

được kết nối được xử lý tại nhiều điểm và cũng được tổ chức và phối hợp sử dụng

các dịch vụ dữ liệu.

Azure IoT là một bộ sưu tập mở rộng các dịch vụ đám mây liên quan đến

Microsoft mà người dùng có thể kết nối và xử lý nhiều dự án IoT. Người dùng có

thể phát triển và bảo mật các ứng dụng IoT một cách an toàn hơn. Azure IoT có

thể kiểm soát bất kỳ loại thiết bị, công cụ, tính năng bảo mật và phân tích dữ liệu

nào để đáp ứng các đối tượng IoT. Một số tính năng của nền tảng này bao gồm

đăng ký danh tính, ẩn thiết bị, giám sát dữ liệu và một bộ công cụ quy tắc. Bộ

Azure IoT tích hợp với Azure Stream Analytics để xử lý một lượng lớn dữ liệu

được tạo bởi các cảm biến.

Amazon Web Services là một nền tảng IoT phổ biến khác có sẵn những

ngày này. Nó cung cấp một nền tảng khuôn khổ vững chắc và ít nỗ lực hơn trên

đám mây. Quản lý thiết bị IoT của Amazon Web Services cho phép dễ dàng mở

rộng và kết nối các thiết bị. Ban quản trị đảm bảo một ứng dụng linh hoạt và an

38

toàn với các kết quả có thể có của việc điều tra, giám sát và làm mới tiện ích của

thiết bị.

2.2.3.2. ThingSpeak

ThingSpeak là một nền tảng cung cấp các dịch vụ khác nhau dành riêng cho

việc xây dựng các ứng dụng IoT. Nó cung cấp khả năng thu thập dữ liệu theo thời

gian thực, trực quan hóa dữ liệu được thu thập dưới dạng biểu đồ, khả năng tạo

plugin và ứng dụng để cộng tác với các dịch vụ web, mạng xã hội và các API

khác. ThingSpeak là kênh lưu trữ dữ liệu mà chúng tôi gửi tới ThingSpeak và bao

gồm các phần tử bên dưới:

8 trường để lưu trữ dữ liệu thuộc bất kỳ loại nào. Các trường này có thể

được sử dụng để lưu trữ dữ liệu từ bộ cảm biến hoặc từ thiết bị được nhúng.

3 trường vị trí , có thể được sử dụng để lưu trữ vĩ độ, kinh độ và độ cao.

Đây là rất hữu ích cho việc theo dõi một thiết bị di chuyển.

1 trường trạng thái + Một tin nhắn ngắn để mô tả dữ liệu được lưu trữ trong

kênh. ThingSpeak là một mã nguồn mở cho các ứng dụng của IoT. Mã nguồn này

hỗ trợ việc lấy dữ liệu từ cảm biến thông qua mạch wifi ESP01 hay từ các thiết bị

khác và có nhiệm vụ lưu trữ và xử lí dữ liệu. Với ThingSpeak, chúng ta có thể tạo

ra các ứng dụng phân tích dữ liệu, lưu trữ dữ liệu, quản lí dữ liệu một cách đơn

giản. ThingSpeak như một server ở bất kì đâu chúng ta có thể thông qua máy tính,

điện thoại để truy cập vào ThingSpeak và theo dõi dữ liệu đã được gửi lên.

Các tính năng của Thingspeak: Thu thập dữ liệu trong các kênh riêng, tích

hợp ứng dụng, lịch trình sự kiện, MATLAB phân tích và trực quan hóa.

Thingspeak có những ưu điểm như là : Lưu trữ miễn phí cho các kênh, dễ

hình dung , cung cấp các tính năng bổ sung cho Ruby, Node.js và Python nhưng

cũng có một số như điểm như tải lên dữ liệu hạn chế cho API.

39

Hình 2.18. Giao diện trang chủ ThingSpeak

ThingSpeak là một dịch vụ nền tảng phân tích IoT cho phép bạn tổng hợp,

trực quan hóa và phân tích các luồng dữ liệu trên đám mây. Bạn có thể gửi dữ liệu

tới ThingSpeak từ các thiết bị của mình, tạo hình ảnh trực quan tức thì về dữ liệu

trực tiếp và gửi cảnh báo bằng các dịch vụ web như Twitter and Twilio. Với phân

tích MATLAB trên ThingSpeak, người dùng có thể viết và thực thi mã MATLAB

để thực hiện tiền xử lý, trực quan hóa và phân tích. ThingSpeak cho phép các kĩ sư

và nhà khoa học tạo mẫu và xây dựng hệ thống IoT mà không cần thiết lập máy chủ

hoặc xây dựng phần mềm web. Giao diện trang chủ của ThingSpeak được minh

họa trên Hình 2.18.

2.3. LẬP TRÌNH VÀ NẠP DỮ LIỆU

Arduino là một bo mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác

với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn. Phần cứng bao gồm một bo

mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM

Atmel 32-bit. Những mẫu hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6

chân đầu vào tương tự, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều bo mở rộng

khác nhau. Đi cùng với nó là một môi trường phát triển tích hợp chạy trên các

máy tính cá nhân thông thường và cho phép người dùng viết các chương trình cho

Aduino bằng một biến thể của ngôn ngữ C++, được phát triển từ dự án Processing

và Wiring. Arduino là một nền tảng mà hầu hết thiết bị phần cứng đều được làm

sẵn và chuẩn hóa.

40

Chính nhờ yếu tố tiện lợi phần cứng và được hỗ trợ nhiều bởi cộng đồng mà

Arduino giúp người dùng có thể rút ngắn thời gian làm mạch in PCB. Đồng thời,

với các thư viện có sẵn, việc lập trình cũng trở nên dễ dàng hơn.

Hình 2.19. Thử nghiệm nạp mạch sau khi viết chương trình

Chương trình sau khi được viết bằng ngôn ngữ lập trình C++ sẽ được nạp

vào mạch Arduino bằng chương trình Arduino IDE như Hình 2.19. Tại đây, đề tài

đang nạp chương trình cho bo mạch Arduino Nano.

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2

Trong chương 2, luận văn đã tập trung nghiên cứu và thực hiện một số vấn

đề sau:

- Thiết kế được các khối cảm biến, xây dựng thực tế 06 khối cảm biến.

- Thiết lập một giao thức truyền thông phục vụ mạng cảm biến không dây

ngang hàng.

- Lựa chọn được nền tảng IoT để lưu trữ và hiển thị dữ liệu.

41

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Tùy thuộc vào vị trí của khối cảm biến cần đặt để lấy các thông số môi

trường khác nhau mà ta sử dụng các cảm biến khác nhau trong khối cảm biến. Đề

tài xây dựng và thử nghiệm hai khối cảm biến chính, khối cảm biến độ ẩm và

nhiệt độ đất như Hình 3.1 và khối cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm không khí, cường

độ chiếu sáng như Hình 3.2.

Hình 3.1. Khối cảm biến độ ẩm và nhiệt độ đất

Khối cảm biến được cắm xuống đất với độ sâu 30cm để có thể đứng vững

trong giá thể. Vì khối cảm biến sử dụng các tấm pin mặt trời làm nguồn năng

lượng nên cần quay hướng pin về hướng bắc hoặc hướng nam để tận dụng được

ánh sáng mặt trời trong cả ngày, đồng thời khối cảm biến sử dụng trong nhà kính

nơi có các thiết bị tưới, phun sương hoạt động nên cần tránh các vị trí có nước

trực tiếp để khỏi phải hỏng các cảm biến do vô nước.

42

Khối cảm biến đất sử dụng 63% bộ nhớ chương trình, 71% bộ nhớ RAM

trên vi điều khiển Atmega168 như Hình 3.3, khối cảm biến không khí sử dụng

79% bộ nhớ chương trình, 65% bộ nhớ RAM trên vi điều khiển Atmega168 như

Hình 3.4

Hình 3.2. Khối cảm biến cường độ sáng, độ ẩm nhiệt độ không khí

Khối cảm biến không khí được treo ở độ cao 2,5m trong nhà kính. Cũng

giống như khối cảm biến đất vì sử dụng pin mặt trời nên cần đặt pin theo hướng

bắc để được chiếu sáng cả ngày vì pin được gắn nghiêng bên cạnh khối cảm biến.

Vì khối cảm biến này có gắn cảm biến cường độ sáng nên phải để trống phần phía

trên nhiều hơn khối cảm biến đất, đồng thời được treo trên cao nơi có trang bị các

đầu phun sương nên khả năng vô nước là rất cao, do đó khi treo các khối cảm biến

43

cần lựa chọn vị trí cao hơn các đầu phun sương hoặc vị trí mà nước không phun

tới.

Hình 3.3. Tài nguyên sử dụng bởi khối cảm biến đất

Khối cảm biến đất sử dụng hai cảm biến là nhiệt độ và độ ẩm không khí nên

tiêu tốn ít dung lượng chương trình, chỉ có 63%. Trong khi đó, vì hai cảm biến

này không có giao tiếp chuẩn I2C nên thư viện đòi hỏi sử dụng nhiều RAM hơn,

chiếm 71% tổng bộ nhớ.

44

Hình 3.4. Tài nguyên sử dụng bởi khối cảm biến không khí

Có thể nhận thấy tài nguyên phần cứng được sử dụng trong hai khối cảm

biến không khác nhau nhiều. Vì cảm biến sử dụng 2 loại cảm biến với 3 thông số

khác nhau nên chiếm 79% dung lượng. Tuy nhiên vì giao thức I2C tiêu chuẩn nên

ít tiêu tốn RAM, chỉ sử dụng 65%. Chương trình của cả hai khối vẫn nằm trong

giới hạn an toàn, nhỏ hơn 90% tài nguyên của vi điều khiển.

45

Thông số môi trường trong nhà kính thử nghiệm được hiển thị trên

ThingSpeak như Hình 3.5. Đối với hệ thống nhà kính, vào sáng sớm khi chưa có

nắng thì nhiệt độ trong nhà kính thấp nên độ ẩm cao nhưng khi trời nắng với hiệu

ứng nhà kính thì nhiệt độ trong nhà kính được nâng lên làm cho độ ẩm của môi

trường trong nhà kính hạ thấp đột ngột. Sự thay đổi nhanh chóng của nhiệt độ và

độ ẩm không khí sẽ làm cho cây trồng dễ bị sốc, sức đề kháng yếu là điều kiện

thuẫn lợi để sâu bệnh tấn công làm giảm đáng kể năng suất cây trồng. Môi trường

được kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm tốt sẽ tăng năng suất cây trồng và tăng tốc độ

thoát hơi nước để hấp thụ dinh dưỡng, dẫn đến chất lượng sản phẩm ngon hơn,

tăng khả năng kiểm soát cây theo chu kỳ tăng trưởng.

Hình 3.5. Cập nhật trên ThingSpeak

Hệ thống khối cảm biến trong nhà kính được lắp đặt ở khoảng cách thực tế

từ 200m đến 300m so với khối trung tâm. Với công suất tiêu thụ của các khối cảm

biến theo lý thuyết là thấp, điện áp tiêu thụ 3,3V và dòng trung bình 10mA. Khi

triển vào thực tế thì dòng tiêu thụ lúc đầu cao hơn do các đường truyền còn bị lỗi

46

do xung đột thời điểm hình thành mạng. năng lượng tiêu thụ ở các khối cảm biến

ban đầu cao vì không thiết lập được chế độ nghỉ để tiết kiệm năng lượng. Sau khi

thiết lập được mạng ổn định thì khối RF sẽ đi vào trạng thái hoạt động bình

thường.

Sau khi điều chỉnh và thiết lập lại mạng, tỷ lệ lỗi đường truyền giảm xuống

đáng kể do các mã hóa của SI4463 tốt, mạch hoạt động ổn định, thông số nhà kính

gửi về khối xử lý trung tâm chính xác.

Đồng thời cần chú ý chỉnh hướng của các ăngten một cách đồng bộ. Hướng

anten được chọn theo phương thẳng đứng, chiều từ dưới lên. Nếu sai lệch và

phương anten sẽ ảnh hưởng đến chất lượng truyền thông.

Mạng cảm biến được xây dựng trên nguyên tắc mạng ngang hàng. Các khối

cảm biến truyền thông tin trực tiếp về khối trung tâm như minh họa trên Hình

2.11. Theo nguyên tắc TDMA cải tiến, mỗi khối cảm biến có một mã định danh

độc lập giúp tránh chồng lấn trong quá trình truyền thông.

Trong quá trình thực nghiệm, đề tài đã triển khai 6 khối cảm biến khác

nhau. Quy trình truyền thông được thực hiện theo số lượng khối cảm biến lần lượt

tăng dần. Kết quả cho thấy khi chỉ có 1 khối cảm biến thì chất lượng truyền tin đạt

tối đa. Tuy nhiên khi số lượng khối cảm biến tăng lên thì phát sinh vấn đề.

Nếu từng khối cảm biến được lần lượt đưa vào mạng theo đúng thứ tự mã

định danh thì mạng hình thành ổn định ngay từ đầu. Tuy nhiên, trên thực tế, việc

các khối cảm biến tham gia mạng và rời khỏi mạng là ngẫu nhiên. Do vậy, các

khối cảm biến tham gia vào mạng sau nếu trùng thời điểm khối cảm biến trước

đang truyền thông thì sẽ xảy ra tranh chấp. Các khối cảm biến phải tự điều chỉnh

lại theo thứ tự mã định danh, ưu tiên số thấp hơn. Từ đó mạng có thể tự hồi phục

lại trạng thái ổn định.

Thời gian hồi phục mạng trong thử nghiệm cho thấy tỉ lệ thuận với số lượng

cảm biến. Chính vì yếu tố ngẫu nhiên khi mạng xảy ra sự số nên thời gian hồi

phục mạng là không thể xác định chính xác. Thời gian đo được lâu nhất trong quá

47

trình thử nghiệm với 6 khối cảm biến là 20 phút. Thời gian tối thiểu đạt được là 3

phút 23 giây. Tuy nhiên, trên thực tế trong quá trình sử dụng, số lượng cảm biến

rất ít khi được thay đổi. Một nhà kính quy mô dưới 1000m2 chỉ sử dụng từ 2 đến 6

khối cảm biến.

Hệ thống được gắn thử nghiệm trong các nhà kính với sáu khối cảm biến

được gắn rải rác trong nhà kính để lấy mẫu thông số môi trường một cách chính

xác và kịp thời đưa về hệ thống điều khiển trung tâm xử lý và điều khiển các thiết

bị động lực nhằm điều chỉnh kịp thời các thông số môi trường giúp cây trồng phát

triển tốt. Khu vực nhà kính như Hình 3.6 với các hệ thống phun sương giúp chủ

động về việc tưới nước cho cây trồng nhằm tiết kiệm về nguồn nước, hệ thống

bơm tưới phân được thiết kế hiện đại có thể cung cấp đủ lượng dưỡng chất cho

cây trồng sinh trưởng tốt nhất. Hệ thống quạt thông gió được trang bị để điều

khiển nhiệt độ và độ ẩm không khí một cách kịp thời…

Hình 3.6. Hình ảnh thực tế nhà kính triển khai hệ thống

Sau một thời gian thử nghiệm, hệ thống mạng cảm biến hoạt động ổn định.

Thông số môi trường từ các cảm biến được cập nhật theo đúng lịch trình trên

48

webserver. Tuy nhiên, cần chú ý đến yếu tố bảo vệ khối cảm biến. Do sử dụng

trong môi trường nóng ẩm, thường xuyên tiếp xúc hơi nước nên rất dễ xảy ra hiện

tượng hư hỏng thiết bị. Cụ thể, khi bọc quá kín thì thông số từ cảm biến không

còn chính xác vì cảm biến phải được tiếp xúc với môi trường làm việc. Ngược lại,

khi không có bảo vệ tốt, thiết bị có thể bị hơi nước làm hư hỏng.

Hình 3.7. Thông số được theo dõi trong ngày

Tính ổn định của mạng cảm biến được theo dõi trực tiếp qua webserver.

Hình 3.7 cho thấy các giá trị cơ bản của nhà kính là nhiệt độ và độ ẩm trong thời

gian dài. Trong thời điểm ghi nhận dữ liệu, nhà kính không hoạt động nên các giá

trị cho thấy biến động rất lớn. Nhiệt độ từ dưới 200C vào ban đêm có thể vượt

300C vào trưa. Độ ẩm cũng thay đổi từ 30% đến trên 80% tùy thuộc thời gian

trong ngày. Những thay đổi này tác động rất lớn đến cây trồng. Do vậy, nhờ thông

tin cụ thể từ các khối cảm biến giúp người canh tác đưa ra những quyết định hỗ

trợ cây trồng có điều kiện sinh trưởng tốt nhất.

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3

Trong chương 3, luận văn đã trình bày một số kết quả và thảo luận những

vấn đề như sau:

- Triển khai lắp đặt thực tế cảm biến và mạng trong nhà kính.

- Tính ổn định và hiệu quả của giao thức truyền thông trong mạng

- Sử dụng nền tảng IoT để theo dõi các thông số của mạng cảm biến

49

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

KẾT LUẬN

Đề tài đã nghiên cứu thiết kế các khối cảm biến, xây dựng thực tế 06 khối

cảm biến. Đồng thời giao thức để triển khai mạng cảm biến cũng được nghiên cứu

triển khai. Các khối cảm biến đã được sử dụng để thiết lập một mạng ngang hàng

với giao thức riêng trong một hệ thống IoT sử dụng trong nhà kính sản xuất nông

nghiệp công nghệ cao. Hệ thống bao gồm một mạng cảm biến không dây với khả

năng hỗ trợ đa dạng các loại cảm biến. Các khối cảm biến sử dụng năng lượng

Mặt trời kết hợp với pin dự phòng giúp đảm bảo hoạt động liên tục trong mọi điều

kiện sử dụng. Mạng cảm biến cho phép thay đổi số lượng cảm biến một cách linh

hoạt. Vị trí đặt cảm biến cũng có thể được điều chỉnh theo yêu cầu sử dụng của

người dùng. Giao thức truyền thông trong mạng cảm biến không dây đã được phát

triển và thử nghiệm thực tế. Những kết quả đạt được là cơ sở cho quá trình cải

tiến, nâng cấp mạng cảm biến cho những ứng dụng phức tạp hơn.

Ngoài ra hệ thống còn cho phép kết nối Internet để đưa thông tin lên một

trạm xử lý điện toán đám mây. Do giới hạn về mặt kinh phí nên đề tài đã sử dụng

một webserver miễn phí, tuy nhiên vẫn đảm bảo đầy đủ tính năng của một hệ

thống IoT cơ bản. Dữ liệu từ mạng cảm biến được gửi lên webserver để lưu trữ,

hiển thị và phục vụ công tác trích xuất thông tin về sau. Đây là tiền đề quan trọng

trong việc xây dựng một hệ thống IoT hoàn chỉnh và có khả năng ứng dụng thực

tế.

Những kết quả từ nghiên cứu có thể được sử dụng để triển khai áp dụng vào

các hệ thống nhà kính phục vụ sản xuất nông nghiệp công nghệ cao. Từng bước

nâng cấp quy mô tự động hóa hiện có với mức đầu tư chi phí ban đầu thấp, phù

hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam. Sản phẩm của đề tài có thể được lắp đặt,

xây dựng và kết hợp với nhà kính sản xuất nông nghiệp hiện đang hoạt động mà

không gặp nhiều trở ngại.

50

KIẾN NGHỊ

Với những kết quả đã đạt được, đề tài có thể phát triển thêm những nội

dung sau:

+ Điều chỉnh giao thức, bổ sung khả năng mã hóa và sửa lỗi nhằm tăng tính

bảo mật.

+ Bổ sung các khối cảm biến pH, EC, CO. Các cảm biến này có giá thành

cao, đòi hỏi bảo quản phức tạp, các thông số có tốc độ thay đổi chậm nên không

sử dụng thường xuyên.

+ Tiếp tục tối ưu phần năng lượng, cắt giảm năng lượng tiêu thụ để giảm

công suất pin mặt trời, nhỏ gọn hơn, tiết kiệm chi phí hơn.

+ Kết hợp với điện toán đám mây, dữ liệu lớn để hỗ trợ điều khiển tự động

hệ thống cũng như truy xuất nguồn gốc nông sản.

51

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Nguyễn Thị Minh Phượng, 2018, Nghiên cứu ứng dụng Intrernet of Thing trong

tạo lập và quản lý tài nguyên số, Thư viện quốc gia việt nam

2. IoT là gì? Ứng dụng của IoT trong cuộc sống hiện đại, http://dvms.vn/tin-tuc/tin-

nganh/245-iot-la-gi-ung-dung-cua-iot-trong-cuoc-song-hien-dai.html., 2020.

3. Edmund Schiessle, 2017. Sensortechnik und Messwertaufnahme, ISBN 3-8023-

0470-5.

4. Edgar H.Callaway Jr., 2004, Wireless Sensor Networks: Architectures and

Protocols, A CRC Press Company.

5. Anna Ha’c, 2003, Wireless Sensor Network Designs, University of Hawaii at

Manoa, Honolulu, USA, John Wiley & Sons Ltd.

6. XIONG Shu-ming, WANG Liang-min, QU Xiao-qian, ZHAN Yong-zhao,

2009, Application Research of WSN in Precise Agriculture Irrigation,

International Conference on Environmental Science and Information Application

Technology

7. Al-hamdi, Ali, Ahmed Monjurul Hasan,and Muhammad Akram,2016, WSN-

based Support for Irrigation Efficiency Improvements in Arab Countries,

ResearchGate.

8. Shinghal, Dr. Kshitij and Srivastava, Neelam, 2017, Wireless Sensor Networks

in Agriculture: For Potato Farming , Institute of Engineering and Technology

(IET)

9. Gracon H. E. L. de Lima, Lenardo C. e Silva, Pedro F. R. Neto, P.F.R, 2010,

WSN as a Tool for Supporting Agriculture in the Precision Irrigation,

International Conference on Networking and Services

10. Yunseop (James) Kim, Member, IEEE, Robert G. Evans, and William M.

Iversen, 2008, Remote Sensing and Control of an Irrigation System Using a

52

Distributed Wireless Sensor Network. IEEE Transactions on Instrumentation and

Measurement .

11. Aline Baggio, 2004, Wireless sensor networks in precision agriculture, The

Netherlands IEEE Pervasive Computing.

12. Ramin Shamshiri, Wan Ishak Wan Ismail, 2013, A Review of Greenhouse

Climate Control and Automation Systems in Tropical Regions, Journal of

Agricultural Science and Applications

13. ZigBee Specification, ZigBee Alliance, ZigBee Document 053474r06, version

1.0, December 2004, 2020

14. Brendan McGuigan, What is ZigBee , https://www.wisegeek.com/what-is-

zigbee.htm, 2020.

15. Archana R. Raut, Dr. L. G. Malik,2011,ZigBee: The Emerging Technology in

Building Automation, International Journal on Computer Science and

Engineering (IJCSE).

16. Eyuel D. Ayele, Chiel Hakkenberg, Jan Pieter Meijers, Kyle Zhang, Nirvana

Meratnia, Paul J.M. Havinga, 2017, Performance Analysis of LoRa Radio for an

Indoor IoT Application, International Conference on Internet of Things for the

Global Community (IoTGC) .

17. Robert Keim, 2018, Learn RF Design: Choosing the Right RF Transceiver IC,

https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/learn-rf-design-choosing-the-

right-rf-transceiver-ic, 2020.

18. Si4464/63/61/60 High performance, Low-Current Transceiver,

https://www.silabs.com/documents/public/data-sheets/Si4464-63-61-60.pdf, 2020.

53

19. Teemu Ahonen, Reino Virrankoski and Mohammed Elmusrati, 2008,

Greenhouse Monitoring with Wireless Sensor Network,

https://www.researchgate.net/publication/224365857

20. Mustafa Alper Akkaş, Radosveta Sokullu,2017, An IoT-based greenhouse

monitoring system with Micaz motes, International Workshop on IoT, M2M and

Healthcare (IMH 2017)

21. Sergio Trilles, Alberto Gonzalez-Perez, Joaquin Huerta, 2018, A

Comprehensive IoT Node Proposal Using Open Hardware. A Smart Farming Use

Case to Monitor Vineyards, Institute of New Imaging Technologies, Universitat

Jaume I, Av. Vicente Sos Baynat.

22. Đào Xuân Quy, Lê Quốc Hoàng, Nguyễn Duy Xuân Bách, 2017, Nhà kính tự

động giám sát và điều khiển môi trường nông nghiệp bằng thiết bị không dây, Tạp

chí thông tin khoa học và công nghệ Quảng Bình.

23. Vũ Văn Anh, 2018, Design of automatic irrigation system for greenhouse

based on LoRa technology, International Conference on Advanced Technologies

for Communications

24. Ritesh Kumar Singh, Rafael Berkvens and Maarten Weyn,2020, Energy

efficient wireless communication for IoT enabled Greenhouses, International

Conference on Communication Systems & Networks (COMSNETS)

25. Carlos D. Moreno-Moreno, 2018, Wireless Sensor Network for Sustainable

Agriculture, Environment, Green Technology and Engineering International

Conference

26. Yong Wu, Li Li, 2019, Remote-Control System for Greenhouse Based on

Open Source Hardware, International Federation of Automatic Control.

27. Arduino , https://vi.wikipedia.org/wiki/Arduino, 2020.

54

CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ

Đã có 01 báo cáo tại Hội nghị Khoa học thường niên Trường Đại học Đà Lạt ngày

03/12/2020 tại Trường Đại học Đà Lạt

MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY PHỤC VỤ HỆ THỐNG TỰ

ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ KÍNH Lê Công Huynha, Lê Văn Tùngb*

a Trường THPT Nguyễn Chí Thanh, Khánh Hòa, Việt Nam

bKhoa Vật lý & Kỹ thuật Hạt nhân, Trường Đại học Đà Lạt, Lâm Đồng, Việt Nam

*Tác giả liên hệ: Email: tunglv@dlu.edu.vn | Điện thoại:0915992478

Tóm tắt

Trong nhiều hệ thống điều khiển nhà kính hiện nay, số lượng và chủng loại

cảm biến đo đạc thông số môi trường vẫn còn hạn chế về số lượng. Để có thể tăng

số lượng cảm biến môi trường cũng như nâng cao tính chính xác của các thông số

đo được, một mạng lưới các cảm biến cần phải được sử dụng. Kết nối có dây

truyền thống liên kết các khối cảm biến không đủ linh hoạt để áp dụng với số

lượng cảm biến lớn. Trong khi đó, kết nối mạng không dây là một sự lựa chọn

phù hợp. Trong bài báo này, một mạng cảm biến không dây sử dụng công nghệ

RF mở đã được thiết kế và khảo sát. Đồng thời, chúng tôi đã xây dựng thành công

một giao thức truyền thông phục vụ cho mạng cảm biến. Giao thức truyền thông

có độ phức tạp tính toán thấp, đủ khả năng triển khai trên các khối cảm biến nhỏ,

chi phí hạn chế. Kết quả thực nghiệm cho thấy tính khả thi và hiệu quả của thiết

kế. Mạng cảm biến không dây với các khối cảm biến thông số môi trường đã đáp

ứng đủ yêu cầu để đưa vào hoạt động thực tế.

55

56

57

58

59