(Đồ án hcmute) thiết kế và thi công hệ thống tưới cây thông minh trong khuôn viên trường đh spkt tphcm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CNKT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG
TƯỚI CÂY THÔNG MINH TRONG KHUÔN VIÊN
TRƯỜNG ĐH SPKT TPHCM

GVHD: ThS. NGUYỄN NGƠ LÂM
SVTH: HỒNG TRUNG KIÊN
MSSV: 15141031
SVTH: TRỊNH XN HẬU
MSSV: 16141027

SKL 0 0 7 6 9 5

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01/2021

do an


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG
TƯỚI CÂY THÔNG MINH TRONG KHN VIÊN
TRƯỜNG ĐH SPKT TPHCM

SVTH : HỒNG TRUNG KIÊN
TRỊNH XUÂN HẬU

MSSV : 15141031
MSSV : 16141027

Ngành : CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRÙN THƠNG
GVHD: Ths. Ngũn Ngơ Lâm

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2021

do an


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
----***---Tp. Hồ Chí Minh, ngày--- tháng--- năm --NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên:
Hồng Trung Kiên
MSSV: 15141031
Trịnh Xn Hậu
MSSV: 16141027
Ngành : CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN
Lớp:15141CLDT1ATỬ TRUYỀN THÔNG
16141CLDTA
Giảng viên hướng dẫn: Th.S Nguyễn Ngô Lâm
ĐT: 0971462505
Ngày nhận đề tài:
Ngày nộp đề tài:

1. Tên đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI CÂY
THÔNG MINH TRONG KHUÔN VIÊN
TRƯỜNG ĐH SPKT TPHCM
.
2. Các số liệu, tài liệu ban đầu:
3. Nội dung thực hiện đề tài:
Mục tiêu của đề tài là xây dựng một hệ thống bao gồm 1 thiết bị Master điều khiển
hoạt động của 2 thiết bị tớ Slave. Các thiết bị có thể điều khiển bằng tay trực tiếp
trên màn hình TFT hoặc điều khiển từ xa thông qua app Blynk
4. Sản phẩm: Thiết bị điều khiển được bằng màn
hình HMI và điện thoại thơng minh.

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

II

do an


PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Họ và tên Sinh viên:
Hồng Trung Kiên
MSSV: 15141031
Trịnh Xn Hậu
MSSV: 16141027
Ngành: Cơng nghệ kỹ thuât điện tử truyền thông
Tên đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI CÂY THÔNG MINH TRONG KHUÔN
VIÊN TRƯỜNG ĐH SPKT TPHCM
Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Ngô Lâm
NHẬN XÉT

1. Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
2. Ưu điểm:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
3. Khuyết điểm:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
4. Đề nghị cho bảo vệ hay không?
.......................................................................................................................................
5. Đánh giá loại:
............................................................................................................
6. Điểm:……………….(Bằng chữ:............................................................................ )
.......................................................................................................................................
Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2021
Giáo viên hướng dẫn

III

do an


CỘ NG HÒA XÃ HỘ I CHỦ NGHĨ A VIỆ T
NAM

Đ ộ c lậ p – Tự do – Hạ nh phúc

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
Họ và tên Sinh viên:
Hồng Trung Kiên
MSSV: 15141031
Trịnh Xn Hậu
MSSV: 16141027
Ngành: Cơng nghệ kỹ thuât điện tử truyền thông
Tên đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI CÂY THÔNG MINH TRONG
KHUÔN VIÊN TRƯỜNG ĐH SPKT TPHCM
Họ và tên Giáo viên phản biện: ....................................................................................
.......................................................................................................................................
NHẬN XÉT
1. Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
2. Ưu điểm:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
3. Khuyết điểm:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
4. Đề nghị cho bảo vệ hay khơng?
.......................................................................................................................................
5. Đánh giá loại:

.......................................................................................................................................
6. Điểm:……………….(Bằng chữ:............................................................................ )
.......................................................................................................................................
Tp. Hồ Chí Minh, ngày
tháng
năm 2021
Giáo viên phản biện

IV

do an


LỜI CẢM ƠN
Đồ án THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI CÂY THÔNG MINH TRONG
KHUÔN VIÊN TRƯỜNG ĐH SPKT TPHCM được thực hiện theo đúng yêu cầu của
Nhà trường không chỉ là cố gắng của cá nhân chúng em mà còn là sự giúp đỡ, động
viên, chỉ bảo của thầy cô, bạn bè và người thân trong gia đình, chúng em xin gửi lời
cảm ơn chân thành nhất đến tất cả mọi người.
Đặc biệt, nhóm em xin phép cảm ơn Thầy Nguyễn Ngô Lâm là người trực
tiếp hướng dẫn đề tài đã ln chỉ dạy, bảo ban tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi
cho nhóm trong suốt thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp. Sự tâm huyết, kiến thức và
kinh nghiệm của thầy đã khơng chỉ giúp cho nhóm em hoàn thành tốt đề tài mà còn
là tấm gương để nhóm có thể học tập và noi theo trên con đường sau này.
Bên cạnh đó, nhóm cũng xin cảm ơn các thầy cô trong khoa Đào tạo chất lượng
cao, bộ mơn Điện tử cơng nghiệp, các anh/chị khóa trước cũng như các bạn sinh viên
cùng khóa đã nhiệt tình đóng góp ý kiến và chia sẽ kinh nghiệm để giúp nhóm hoàn
thành đề tài này.
Cuối cùng, dù đã cố gắng hoàn thành nhiệm vụ đề tài đặt ra và đảm bảo thời
hạn nhưng do kiến thức còn hạn hẹp, khả năng kinh tế không nhiều, chắc chắn sẽ

không tránh khỏi những thiếu sót, sai lầm, rất mong Thầy/Cơ và các bạn sinh viên
thơng cảm bỏ qua và đóng góp những ý kiến để nhóm tiếp thu và sửa chữa.
Nhóm em xin chân thành cảm ơn!

i

do an


LỜI NÓI ĐẦU

Sự thay đổi mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật có ảnh hưởng sâu sắc đến con
người từ công việc cho đến đời sống hằng ngày, và chúng ta cũng đang khơng
ngừng tìm hiểu, nghiên cứu, chế tạo, phát triển các công nghệ mới nhằm thay
thế tối đa sức người trong cả các hoạt động chân tay và trí óc.
Ngành cơng nghệ kỹ thuật điện tử truyền thơng ra đời đóng vai trị quan
trọng trong việc hình thành, xây dựng và phát triển các ứng dụng của công nghệ
vào thực tiễn đời sống, giúp cho các thiết bị trở nên thông minh và thân thiện
hơn với con người.
Trên cơ sở những kiến thức đã học từ chuyên ngành kết hợp với sự tư vấn
từ giáo viên hướng dẫn ThS NGUYỄN NGƠ LÂM, nhóm đã thực hiện đề tài:
HỆ THỐNG TƯỚI CÂY THÔNG MINH TRONG KHUÔN VIÊN
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM. Đề tài là sự kết hợp các
công nghệ truyền thông không dây như LoRa, WiFi, truyền thông nối tiếp
UART, sử dụng các board vi điều khiển Bluepill-Arm STM32F103C8T6,
NodeMCU-ESP8266 truyền-nhận tín hiệu từ các cảm biến, hiển thị lên màn
hình TFT HMI hoặc app Blynk, qua đó điều khiển hoạt động của các động cơ
máy bơm nước trong khuôn viên nhà trường.

ii

do an


MỤC LỤC
Trang phụ bìa
TRANG
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .......................................................................... II
PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN .........................................III
PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ........................................... IV
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i
LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................... ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................... vi
DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH ...................................................... vii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .......................................................................................1
1.1. GIỚI THIỆU TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY ................................1
1.1.1. Đặt vấn đề ...................................................................................................1
1.1.2. Tính cấp thiết của đề tài .............................................................................1
1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU.............................................................................1
1.3. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU .........................................................................2
1.4. PHẠM VI NGHIÊN CỨU ...............................................................................2
1.5. NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI ........................................................................................2
Đề tài được thực hiện gồm có những nội dung chính sau: .....................................2
• Nội dung 1: Tham khảo tài liệu, đọc và tóm tắt tài liệu đưa ra các hướng đề
tài. 2
• Nội dung 2: Thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lí. ............................................2
• Nội dung 3: Kết nối vi điều khiển trung tâm Arm STM32F103C8T6 với
nguồn, module ESP8266, module LoRa, các cảm biến. .........................................2
• Nội dung 4: Viết chương trình điều khiển cho vi điều khiển. ..........................2

• Nội dung 5: Chạy thử, kiểm tra, đánh giá, hiệu chỉnh. .....................................2
• Nội dung 6: Thiết kế giao diện lưu trữ thông tin và điều khiển........................2
• Nội dung 7: Viết báo cáo thực hiện. .................................................................2
• Nội dung 8: Bảo vệ luận văn.............................................................................2
1.6. BỐ CỤC ĐỒ ÁN .............................................................................................2
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...............................................................................4

iii

do an


2.1. GIỚI THIỆU MỘT SỐ CHUẨN TRUYỀN THÔNG PHỔ BIẾN ...............4
2.1.1. TRÙN THƠNG CĨ DÂY ....................................................................4
2.1.1.1 Chuẩn giao tiếp SPI..........................................................................4
2.1.1.2 Chuẩn giao tiếp I2C .........................................................................5
2.1.1.3 Chuẩn giao tiếp UART ....................................................................5
2.1.2 TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY ........................................................7
2.1.2.1 Bluetooth ..........................................................................................7
2.1.2.2 Zigbee...............................................................................................8
2.1.2.3 NFC ..................................................................................................8
2.1.2.4 WiFi .................................................................................................9
2.1.2.5 LORA ...............................................................................................9
2.2. GIỚI THIỆU MODULE RF UART LORA SX1278 433MHZ (E32-TTL100) 10
2.3. GIỚITHIỆU KIT NODEMCU ....................................................................16
2.4. TRUYỀN THÔNG UART ..........................................................................21
2.4.1. Tìm hiểu về UART: ..................................................................................22
2.4.2. Ưu, nhược điểm của UART: ....................................................................23
2.5. GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG HỆ THỐNG ..................................................24
2.5.1. Kit BluePill STM32F103C8T6 ................................................................24

2.5.2. Màn hình cảm ứng UART HMI TFT 7.0 inch .........................................26
2.5.3. Các thiết điện tử khác ...............................................................................27
2.5.3.1 Module Relay ......................................................................................27
2.5.3.2 Các loại cảm biến ................................................................................28
 Cảm biến độ ẩm đất ..............................................................................28


Cảm biến mưa .......................................................................................29



Cảm biến rung .......................................................................................30

 Cảm biến ánh sáng ...................................................................................31
2.5.4. Ứng dụng Blynk .......................................................................................32
Chương 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ........................................................................34
3.1. YÊU CẦU VÀ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG ..................................................34
3.1.1. Yêu cầu của hệ thống: ..............................................................................34
3.1.2. Sơ đồ khối và chức năng mỗi khối ...........................................................35
3.2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHẦN CỨNG ........................................................37

iv

do an


3.2.1. Khối cảm biến ..........................................................................................37


Cảm biến độ ẩm đất (Soil moiture sensor) ...............................................37

 Cảm biến mưa (Rain sensor) ................................................................37

3.2.2. Khối giao tiếp thiết bi ...............................................................................38
3.2.3. Khối WiFi kết nối Internet .......................................................................39
3.2.4. Khối điều khiển và hiển thị ......................................................................39
3.2.5. Khối LoRa 433 MHz ................................................................................40
3.2.5. Khối xử lý trung tâm ................................................................................41
3.2.6. Khối nguồn ...............................................................................................43
3.3. THIẾT KẾ PHẦN MỀM ...............................................................................44
3.3.1. Yêu cầu của phần mềm: ...........................................................................44
3.3.2. Lưu đồ giải thuật của hệ thống .................................................................44
3.3.2.1. Lưu đồ giải thuật của trạm Master .....................................................45
3.3.2.2. Lưu đồ giải thuật trạm Slave ..............................................................47
3.3.2.3. Lưu đồ giải thuật các nút nhấn tổ máy...............................................48
3.3.2.4. Lưu đồ giải thuật nút nhấn bật tắt trong các tổ máy ..........................48
3.3.2.5. Lưu đồ giải thuật nút nhấn thoát ........................................................50
3.3.2.6 Lưu đồ giải thuật các nút nhấn trên app Blynk. ..................................51
3.3.2.7. Lưu đồ giải thuật nhận gói tin LoRa ..................................................52
3.3.2.8. Lưu đồ giải thuật gửi gói tin LoRa ....................................................53
Chương 4: THI CƠNG HỆ THỐNG .......................................................................55
4.1. Thi cơng phần cứng ........................................................................................55
4.2. Lập trình phần mềm .......................................................................................57
4.2.1. Giới thiệu các phần mềm lập trình ...........................................................57
Chương 5: KẾT QUẢ THỰC HIỆN.........................................................................61
Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................................63
6.1. Kết luận........................................................................................................63
6.2. Hướng phát triển ..........................................................................................63
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................64
Phụ lục .......................................................................................................................65
1.

PCB ..............................................................................................................65
2. Code lập trình ....................................................................................................65
2.1 Lập trình Arm STM32 ..................................................................................65

v

do an


IC
IoT
LoRa
SPI
I2C
OS
NFC
CSS
PHP
I/O
MCU
UART
LCD
HTML
HTTP
ADC
ĐATN

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Integrated Circuit
Mạch tích hợp

Internet of Things
Mạng lưới thơng minh kết nối
máy tính và mạng
Long Range Radio
Truyền thông tầm xa
Serial Peripheral Interface
Giao diện ngoại vi nối tiếp
Inter-Integrated Circuit
Vi mạch tích hợp truyền thơng
nối tiếp
Operating System
Hệ điều hành
Near-Field Communications
Công nghệ giao tiếp tầm ngắn
Cascading Style Sheets
Một dạng file text với phần tên
mở rộng là .css
Hypertext Preprocessor
Ngôn ngữ lập trình kịch bản
Input/Output
Ngõ vào/ngõ ra
Microprocessor Control Unit
Khối vi điều khiển
Universal Asynchronous Receiver
Truyền dữ liệu nối tiếp bất
– Transmitter
đồng bộ
Liquid Crystal Display
Màn hình tinh thể lỏng
Hyper Text Markup Language

Ngơn ngữ đánh dấu siêu văn
bản
Hyper Text Transfer Protocol
Giao thức truyền siêu văn bản
Analog Digital Converter
Chuyển đổi tín hiệu tương tự
sang tín hiệu số
Đồ án tốt nghiệp

HMI

Humman Machine Interface

TFT

Thin Film Transistor
Wireless Fidelity

WiFi

Màn hình giao tiếp người dùng
và thiết bị
Màn hình bóng bán dẫn
Mạng vô tuyến không dây

vi

do an

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH
Hình 2- 1 Giao tiếp SPI ...............................................................................................4
Hình 2- 2 Sơ đồ kết nối I2C ........................................................................................5
Hình 2- 3 Kết nối UART .............................................................................................5
Hình 2- 4 Khung truyền UART ..................................................................................6
Hình 2- 5 Nghe nhạc qua tai nghe Bluetooth ..............................................................7
Hình 2- 6 Truyền khơng dây qua Zigbee ....................................................................8
Hình 2- 7 Truyền NFC giữa 2 thiết bị di động ............................................................8
Hình 2- 8 Các thiết bị kết nối qua Wifi .......................................................................9
Hình 2- 9 Mơ hình mạng LoRa ...................................................................................9
Hình 2- 10 Biểu tượng LoRa..................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2- 11 Module Lora SX1278 433MHz ..............................................................10
Hình 2- 12 Mơ tả hoạt động của chân AUX trong việc truyền dữ liệu .....................12
Hình 2- 13 Mô tả hoạt động của chân AUX khi cấu hình ........................................13
Hình 2- 14 Chế độ truyền điểm- điểm. .....................................................................13
Hình 2- 15 Chế độ truyền cố định. ............................................................................14
Hình 2- 16 Chọn chế độ Target để truyền. ................................................................14
Hình 2- 17 Cấu hình 2 module LoRa ở chế độ Target. .............................................15
Hình 2- 18 Mơ tả hình thức truyền Boardcast...........................................................15
Hình 2- 19 ESP-01 ....................................................................................................17
Hình 2- 20 Sơ đồ chân của ESP-01 ...........................................................................18
Hình 2- 21 Hình ảnh Module ESP-07 .......................................................................18
Hình 2- 22 Sơ đồ chân của ESP-07 ...........................................................................19
Hình 2- 23 Hình ảnh của ESP-12E ...........................................................................19
Hình 2- 24 Sơ đồ chân của ESP-12E ........................................................................20
Hình 2- 25 Kit NodeMCU V3 ...................................................................................20
Hình 2- 26 Sơ đồ chân Kit NodeMCU V3 ................................................................21
Hình 2- 27 Kết nối UART .........................................................................................22
Hình 2- 28 Khung truyền UART ..............................................................................22
Hình 2- 29 Kit BluePill ARM STM32F103C8T6 ....................................................24

Hình 2- 30 Sơ đồ chân của kit BluePill.....................................................................24
Hình 2- 31 Màn hình cảm ứng LCD TFT 7.0 UART HMI ......................................26
Hình 2- 32 Module Relay 1 kênh 5V. .......................................................................27
Hình 2- 33 Module Relay 4 kênh 5V. .......................................................................28
Hình 2- 34 Cảm biến độa ẩm đất ..............................................................................29
Hình 2- 35 Cảm biến mưa .........................................................................................30
Hình 2- 36 Module cảm biến rung SW-420 ..............................................................31
Hình 2- 37 Cảm biến ánh sáng ..................................................................................32
Hình 2- 38 Ứng dụng Blynk......................................................................................33

vii

do an


Hình 3- 1 Sơ đồ khối của hệ thống............................................................................35
Hình 3- 2 Sơ đồ nối chân của các cảm biến ..............................................................37
Hình 3- 3 Sơ đồ nối chân của khối thiết bị ...............................................................38
Hình 3- 4 Sơ đồ nối chân của khối WiFi ..................................................................39
Hình 3- 5 Sơ đồ nối chân của điều khiển và hiển thị ................................................40
Hình 3- 6 Sơ đồ nối chân của khối LoRa 433MHz...................................................40
Hình 3- 7 Sơ đồ nối dây khối xử lý trung tâm Master ..............................................41
Hình 3- 8 Sơ đồ nối dây truyền thơng UART ...........................................................42
Hình 3- 9 Sơ đồ nối dây khối xử lý trung tâm Slave ................................................42
Hình 3- 10 Sơ đồ nguyên lý của khối nguồn ............................................................43
Hình 3- 11 Adapter 12V-2A và 5V-1A ....................................................................44
Hình 3- 12 Lưu đồ giải thuật trạm Master ................................................................45
Hình 3- 13 Lưu đồ giải thuật trạm Slave...................................................................47
Hình 3- 14 Lưu đồ giải thuật nút nhấn chọn tổ máy. ................................................48
Hình 3- 15 Lưu đồ giải thuật nút nhấn bật-tắt...........................................................49

Hình 3- 16 Lưu đồ giải thuật nút nhấn thốt. ............................................................50
Hình 3- 17 Lưu đồ giải thuật nhận gói tin LoRa. ......................................................52
Hình 3- 18 Lưu đồ giải thuật gửi gói tin qua LoRa. . Error! Bookmark not defined.
Hình 4- 1 Sơ đồ khối tồn hệ thống. .........................................................................55
Hình 4- 2 Phần mềm Keil uVision 5 .........................................................................58
Hình 4- 3 Mạch nạp STLink V2 mini. ......................................................................58
Hình 4- 4 Phần mềm Arduino IDE ...........................................................................59
Hình 4- 5 Ứng dụng Blynk.......................................................................................59
Hình 4- 6 Phần mềm USART HMI editor ................................................................60
Hình 5- 1 Khối xử lí trung tâm Master .....................................................................61
Hình 5- 2 Giao diện của màn hình HMI ...................................................................62
Hình 5- 3 Giao diện màn hình HMI ở tổ máy 2 ........ Error! Bookmark not defined.
Hình 5- 4 Màn hình HMI khi điều khiển .................. Error! Bookmark not defined.
Hình 5- 5 Điều khiển tổ máy 2 hoạt động trên màn HMI ....... Error! Bookmark not
defined.
Hình 5- 6 Giao diện app Blynk trên điện thoại ......... Error! Bookmark not defined.
Hình 5- 7 Khối giao tiếp thiết bị qua Relay .............. Error! Bookmark not defined.
Hình 5- 8 Máy bơm DC và cảm biến rung................ Error! Bookmark not defined.
Hình 5- 9 Khối cảm biến mưa + độ ẩm..................... Error! Bookmark not defined.
Hình 5- 10 Giao diện điều khiển bằng app Blynk trên điện thoại . Error! Bookmark
not defined.

vii
i

do an


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. GIỚI THIỆU TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY

1.1.1. Đặt vấn đề
Trong quá khứ, hầu hết các thiết bị điện, điện tử được kết nối với nhau bằng
dây dẫn: Điện thoại bàn, máy tính Desktop kết nối mạng qua dây cáp đồng, các thiết
bị điện (bóng đèn, máy bơm nước…) điều khiển ở khoảng cách xa phải sử dụng dây
dài tương ứng dễ gây sụt áp, thất thốt nguồn điện thậm chí dây đứt, gãy gây nguy
hiểm đến tính mạng con người.
Ngày nay, các cơng nghệ kết nối không dây ngày càng được phát triển và sử
dụng rộng rãi nhờ những ưu điểm nổi trội so với các kết nối có dây truyền thống: như
sự gọn nhẹ, đơn giản, dễ dàng bảo trì, sửa chữa và ln được ưu tiên nâng cấp cả về
tốc độ và bảo mật.
Hai trong số đó đã được nhóm em sử dụng trong đề tài tốt nghiệp đó là cơng
nghệ Wifi (Wireless Fidelity) và LoRa (Long Range). Wifi đã được ưa chuộng nhờ
khả năng hoạt động rất hiệu quả trong phạm vi vài chục đến vài trăm mét, được tích
hợp trong rất nhiều các thiết bị di động như điện thoại thông minh, máy tính xách tay
hay các thiết bị gia đình như Tivi thông minh, máy giặt thông minh…LoRa là một
công nghệ khá mới ở Việt Nam có ưu điểm hơn WiFi ở phạm vi hoạt động lên đến
hàng Km với mức tiêu thụ điện rất thấp tuy nhiên tốc độ truyền tải không cao.
Đề tài THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI CÂY THÔNG MINH TRONG
KHUÔN VIÊN TRƯỜNG ĐH SPKT TPHCM đã ứng dụng hai công nghệ truyền
thông không dây tiên tiến WiFi và LoRa kết hợp công nghệ truyền thông nối tiếp
UART để tạo nên một hệ thống tưới cây rất tiện ích giúp dễ dàng quản lý và điều
khiển các máy bơm nước trong nhà trường ở khoảng cách xa.
1.1.2. Tính cấp thiết của đề tài
Sự an toàn, tiện lợi là những yếu tố tiên quyết trong sự phát triển của ngành
kỹ thuật điện tử và công nghệ không dây đã sinh ra đã giải quyết khá triệt để vấn đề
đó. Ngồi ra, khi sử dụng các cơng nghệ khơng dây trong việc điều khiển các thiết bị
bơm nước trong khn viên trường có thể đảm bảo về mặt thẩm mỹ, hiệu quả và chi
phí vận hành thấp, đặc biệt thích hợp trong mơi trường giáo dục đầy sáng tạo như
trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM.
1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

 Áp dụng được công nghệ LoRa trong việc truyền- nhận dữ liệu giữa các thiết
bị, WiFi để kết nối hệ thống với internet, kết nối đến BlynkCloud nhằm điều

1

do an







khiển các thiết bị từ xa.
Độ ẩm đất, cảm biến mưa…phải được cập nhật liên tục.
Hệ thống bơm nước hoạt động ổn định theo lệnh điều khiển.
Thiết kế giao diện trên màn hình HMI TFT và app Blynk
Tín hiệu điều khiển của màn hình HMI và điện thoại thơng minh (thông qua
app Blynk) đồng bộ với nhau.

1.3. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
- Board vi điều khiển Arm STM32F103C8T6, NodeMCU ESP8266
- Công nghệ khơng dây LoRa, Wifi, truyền thơng UART
- Màn hình HMI TFT, app Blynk.
- Các cảm biến độ ẩm đất, cảm biến mưa…
1.4. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
- Các thiết bị kết nối LoRa UART E32 TTL100 trong phạm vị từ 1Km trở
xuống, kết nối wifi trên NodeMCU ESP8266 phạm vi dưới 10m.
- Các thiết bị được điều khiển có thể mở rộng lên theo yêu cầu và thiết kế phần
cứng

1.5. NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI
Đề tài được thực hiện gồm có những nội dung chính sau:
•
Nội dung 1: Tham khảo tài liệu, đọc và tóm tắt tài liệu đưa ra các hướng
đề tài.
•
Nội dung 2: Thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ ngun lí.
•
Nội dung 3: Kết nối vi điều khiển trung tâm Arm STM32F103C8T6
với nguồn, module ESP8266, module LoRa, các cảm biến.
•
Nội dung 4: Viết chương trình điều khiển cho vi điều khiển.
•
Nội dung 5: Chạy thử, kiểm tra, đánh giá, hiệu chỉnh.
•
Nội dung 6: Thiết kế giao diện lưu trữ thơng tin và điều khiển.
•
Nội dung 7: Viết báo cáo thực hiện.
•
Nội dung 8: Bảo vệ luận văn.
1.6. BỐ CỤC ĐỒ ÁN
Chương 1: Tổng quan: Trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu về các
cơng nghệ khơng dây. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết: Trình bày kiến thức nền tảng về các board Vi điều
khiển Arm STM32F103C8T6, NodeMCU ESP8266, các mudule, cảm biến, công
nghệ LoRa, WiFi, truyền thông Uart.

2

do an

Chương 3: Thiết kế hệ thống: Trình bày yêu cầu của hệ thống, sơ đồ khối và
chức năng từng khối, thiết kế phần cứng cho hệ thống, xây dựng lưu đồ giải thuật.
Chương 4: Thi cơng hệ thống: Trình bày cách thức vẽ mạch layout, xây dựng
lưu đồ giải thuật, xây dựng giao diện trên HMI TFT và app Blynk.
Chương 5: Kết quả và nhận xét: Trình bày kết quả thi công phần cứng và phần
mềm, đánh giá hoạt động của chúng.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển: Trình bày kết luận cho đồ án, nêu
ưu, khuyết điểm của đề tài, những sai sót mà nhóm mắc phải trong khi thực hiện và
đưa ra hướng phát triển sau này.

3

do an


Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. GIỚI THIỆU MỘT SỐ CHUẨN TRÙN THƠNG PHỔ BIẾN
2.1.1. TRÙN THƠNG CĨ DÂY
Truyền dữ liệu có dây là cách đơn giản nhất để kết nối hai thiết bị (cùng loại) với
nhau. Có hai cách để truyền dữ liệu đó là truyền dữ liệu nối tiếp và truyền dữ liệu
song song, trong đó, có một số chuẩn tryền thông phổ biến là: SPI, UART và I2C.
2.1.1.1 Chuẩn giao tiếp SPI.
SPI viết tắt của Serial Peripheral Interface, SPI bus – Giao diện ngoại vi nói tiếp,
bus SPI. Chuẩn SPI được phát triển bởi Motorola. Đây là một chuẩn đồng bộ nối
tiếp để truyền dữ liệu ở chế độ song công toàn phần (full- duplex) tức trong cùng
một thời điểm có thể xảy ra đồng thời quá trình truyền và nhận. Đơi khi SPI cịn
được gọi là chuẩn giao tiếp 4 dây (Four-wire).

SPI là giao diện đồng bộ, bất cứ quá trình truyền nào cũng được đồng bộ hóa với
tín hiệu clock chung. Tín hiệu này sinh ra bởi master.

Hình 2- 1 Giao tiếp SPI
-

Trong giao diện SPI có bốn tín hiệu số:

MOSI hay SI – cổng ra của bên Master (Master Out Slave IN). Đây là chân
dành cho việc truyền tín hiệu từ thiết bị chủ động đến thiết bị bị động.

MISO hay SO – Công ra bên Slave (Master IN Slave Out). Đây là chân dành
cho việc truyền dữ liệu từ Slave đến Master.

SCLK hay SCK là tín hiệu clock đồng bộ (Serial Clock). Xung nhịp chỉ được
tạo bởi Master.

CS hay SS là tín hiệu chọn vi mạch (Chip Select hoặc Slave Select). SS sẽ ở
mức cao khi không làm việc. Nếu Master kéo SS xng thấp thì sẽ xảy ra
q trình giao tiếp. Chỉ có một đường SS trên mỗi slave nhưng có thể có
nhiều đường điều khiển SS trên master, tùy thuộc vào thiết kế của người
dùng.

4

do an


2.1.1.2 Chuẩn giao tiếp I2C
I²C, viết tắt của từ tiếng Anh “Inter-Integrated Circuit”, là một loại bus nối

tiếp được phát triển bởi hãng sản xuất linh kiện điện tử Philips. Ban đầu, loại bus
này chỉ được dùng trong các linh kiện điện tử của Philips. Sau đó, do tínhưu việt
và đơn giản của nó, I²C đã được chuẩn hóa và được dùng rộng rãi trong các
mô đun truyền thông nối tiếp của vi mạch tích hợp ngày nay.
-

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động I²C sử dụng hai đường truyền tín hiệu:

Một đường xung nhịp đồng hồ(SCL) chỉ do Master phát đi ( thông thường ở
100kHz và 400kHz. Mức cao nhất là 1Mhz và 3.4MHz).

Một đường dữ liệu(SDA) theo 2 hướng. Sơ đồ kết nối như hình 2-2

Hình 2- 2 Sơ đồ kết nối I2C
2.1.1.3

Chuẩn giao tiếp UART

UART – Universal asynchronous receiver transmitter là bộ truyền nhận nối tiếp
bất đồng bộ. UART là một ngoại vi cơ bản trong chip STM32F103C8T6, Node
MCU thường được dùng trong các quá trình giao tiếp với các loại module hay thiết
bị ngoại vi.
Hai thiết bị giao tiếp UART với nhau thông qua hai đường dẫn RX (receiver và
TX (transmit) Vì là giao tiếp khơng đồng bộ nên hai thiết bị phải được cài đặt thống
nhất về khung truyền, tốc độ truyền.

Hình 2- 3 Kết nối UART

5

do an


Hình 2- 4 Khung truyền UART
Trong đó:
Start Bit: Start bit là bit dùng để đồng bộ dữ liệu. Đây là bit được
thêm vào phía trước dữ liệu thực tế nhằm đánh dấu bắt đầu của gói dữ liệu. Thơng
trường, trong trạng thái idle, khi khơng có dữ liệu nào được truyền, mức điện áp trên
đường truyền là mức CAO – HIGH (1) Khi bắt đầu truyền dữ liệu, UART truyền sẽ
kéo mức điện áp trên bus từ mức CAO xuống mức THẤP (từ 1 xuống 0). UART
nhận sẽ phát hiện được sự thay đổi mức điện áp này và sẽ bắt đầu đọc dữ liệu. Thơng
thường, Start bit chỉ có độ dài 1 bit.
Stop Bit: Như cái tên của nó, Stop Bit đánh dấu việc kết thúc gói dữ
liệu. Nó có độ dài 2 bit nhưng thơng thường, người ta chỉ sử dụng 1 bit. Sau khi kết
thúc quá trình truyền dữ liệu, mức điện áp trên bus sẽ được giữ ở mức CAO – HIGH
(1).
Parity bit: giúp cho thiết bị nhận UART xác định được gói dữ liệu
nhận được có chính xác hay khơng. Parity là kiểu kiểm tra sai sót ở low-level bao
gồm 2 biến: Even Parity và Odd Parity. Parity bit là optional và thường ít khi được
sử dụng.
Data Bits: Là những bits chứa dữ liệu được gửi từ thiết bị truyền sang
thiết bị nhận. Độ dài của gói dữ liệu có thể từ 5 đến 9 bits (9 bits nếu như parity bit
không được dùng và chỉ có 8 bits khi parity bit được dùng). Thơng thường, LSB (bit
có giá trị thấp nhất) là bit được truyền đầu tiên.


Các khái niệm quan trọng trong chuẩn truyền thông UART:

6

do an




Baudrate: Số bit truyền được trong 1s, ở truyền nhận khơng đồng bộ thì ở
các bên truyền và nhận phải thống nhất Baudrate. Các thông số tốc độ
Baudrate thường hay sử dụng dể giao tiếp với máy tính là
600,1200,2400,4800,9600,14400,19200,38400,56000,57600,115200.



Frame: Ngồi giống nhau của tốc độ baud giữa 2 thiết bị truyền-nhận thì
khung truyền của bên cũng được cấu hình giống nhau. Khung truyền quy
định số bit trong mỗi lần truyền, bit bắt đầu “Start bit”, các bit kết thúc
(Stop bit), bit kiểm tra tính chẵn lẻ (Parity), ngồi ra số bit quy định trong
một gói dữ liệu cũng được quy định bởi khung truyền. Có thể thấy, khung
truyền đóng một vai trị rất quan trọng trong việc truyền thành cơng dữ liệu.
- Idle frame: Đường truyền UART ở mức “1”, để xác nhận hiện tại đường
truyền dữ liệu trống, không có frame nào đang được truyền đi.
- Break frame: Đường truyền UART ở mức “0”, để xác nhận hiện tại trên
đường truyền đang truyền dữ liệu, có frame đang được truyền đi.

2.1.2

TRÙN THƠNG KHƠNG DÂY
Dù các kết nối có dây (sử dụng cáp và dây dẫn điện) vẫn đóng vai trị quan trọng
trong việc truyền-nhận dữ liệu, thơng tin nhưng hiện tại các thiết bị có kết nối khơng
dây đang ngày một trở nên quen thuộc và dần thay thế các kết nối cũ, đem lại rất
nhiều tác động đến cuộc sống của chúng ta.

2.1.2.1

Bluetooth
Bluetooth không chỉ được dùng để truyền dữ liệu giữa các thiết bị di động, kết
nối phụ kiện với điện thoại mà cịn có trong một loạt thiết bị khác nhau như máy
ảnh số, laptop, PC và đầu máy chơi game. Chip Bluetooth sử dụng tín hiệu sóng
radio để truyền dữ liệu trong phạm vi hẹp, thường là khoảng 30 mét.

Hình 2- 5 Nghe nhạc qua tai nghe Bluetooth

7

do an


Bluetooth 2.0, phiên bản được tích hợp nhiều nhất trong các thiết bị hiện nay,
có thể trao đổi những gói thơng tin địi hỏi băng thơng thấp hoặc trung bình với tốc
độ 3 Mb/giây. Công nghệ này sử dụng lượng điện năng tương đối thấp.
2.1.2.2 Zigbee
Zigbee cho phép truyền thông tin tới nhiều thiết bị cùng lúc (mesh network).
Phạm vi hoạt động của Zigbee đang được cải tiến từ 75 mét lên đến vài trăm mét.

Hình 2- 6 Truyền khơng dây qua Zigbee
Cơng nghệ này địi hỏi năng lượng thấp hơn Bluetooth, nhưng tốc độ chỉ đạt 256
Kb/giây. Nó sẽ được ứng dụng trong hệ thống tự động tại các hộ gia đình như chiếu
sáng và sưởi ấm.
2.1.2.3 NFC
Thiết bị NFC chỉ có thể truyền khơng dây vài kilobit dữ liệu trong phạm vi vài
cm, do đó nó đảm bảo an toàn khi người sử dụng muốn trao đổi thông tin riêng tư,

cần bảo mật.

Hình 2- 7 Truyền NFC giữa 2 thiết bị di động
Các hãng sản xuất di động có vẻ hứng thú với cơng nghệ này và cho rằng điện
thoại NFC sẽ được dùng để thanh tốn hóa đơn khi người sử dụng uống cafe hay
mua báo… Nó cũng sẽ xuất hiện trong khóa điện tử, vé và các tài liệu du lịch.

8

do an


2.1.2.4

WiFi

Hình 2- 8 Các thiết bị kết nối qua Wifi
Cơng nghệ kết nối Internet không dây này đã rất phổ biến trong gia đình, văn
phịng, qn cafe và một số trung tâm thành phố lớn. Ngoài ra, Wi-Fi còn được dùng
để nối những thiết bị gia dụng như TV, đầu DVD với máy tính.
2.1.2.5 LORA

Hình 2- 9 Mơ hình mạng LoRa
Công nghệ truyền không dây LoRa cũng tương tự như truyền Zigbe và cho phép
giao tiếp với nhiều thiết bị cùng lúc với khoảng cách xa ( khoảng 3000m- 5000m)
với tốc độ nhanh hơn những thiết bị thu phát RF khác.
Nhìn chung các mạng khơng dây hiện tại như Bluetooth, Bluetooth Low Energy,
WiFi và ZigBee đều khơng thích hợp cho những ứng dụng tầm xa. Mạng di động
(cellular) càng không thể dùng để các giao tiếp từ xa machine-to-machine vì quá tốn
năng lượng. Nhìn chung, tất cả các loại mạng đều rất đắt đỏ về phần cứng và dịch

vụ.

9

do an


2.2. GIỚI THIỆU MODULE RF UART LORA SX1278 433MHZ (E32TTL-100)
Module RF UART Lora SX1278 433MHz sử dụng chip SX1278 của SEMTECH
chuẩn giao tiếp Lora (Long Range), mang lại hai ưu điểm vượt trội là tiết kiệm năng
lượng và khoảng cách phát siêu xa. Ngoài ra, nó cịn có khả năng cấu hình để liên
kết với nhau tạo thành mạng lưới LoRa nên hiện tại được phát triển và sử dụng rất
nhiều trong các nghiên cứu về IoT. Module Lora SX1278 có khả năng thu phát với
khoảng cách 3000m. Được tích hợp chuyển đổi giao tiếp chuẩn SPI của SX1278
sang UART giúp cho việc giao tiếp dễ dàng hơn.
Với kích thước nhỏ gọn 5x21x36 mm, LoRa dễ dàng đáp ứng hầu hết các
yêu cầu về không gian trong các thiết bị người dùng, ví dụ như các trạm thu phát tín
hiệu, trong các thiết bị điều khiển từ xa. Phần mềm đi kèm từ nhà sản xuất giúp việc
cấu hình LoRa trở nên dễ dàng hơn. Hiện nay chúng ta có thể cấu hình cho module
bằng các loại mạch chuyển USB to TTL.

Hình 2- 10 Module Lora SX1278 433MHz
•
•
•
•
•

a. Thơng số kỹ thuật
Chip SX1278.

Điện áp từ 2.3- 5.5V DC.
Điện áp giao tiếp là TTL-3.3V.
Tốc độ truyền nhận dữ liệu từ 1200- 115200 bps.
Công suất: 100mW (20dbm).

10

do an


•
•
•
•
•
•

Khoảng cách truyền tối đa khi khơng có vật cản là 3000m.
Tốc độ truyền là 0.3 - 19.2 Kbps (mặc định 2.4 Kbps).
Tần số từ 410- 441MHz.
512 bytes bộ đệm.
Nhiệt độ hoạt động bình thường: -30℃ ~ +85℃.
Độ ẩm hoạt động bình thường: 10% ~ 90%.

Số chân
1
2
3
4
5

6
7

Kí hiệu
Ứng dụng
M0
Kết hợp với M1 để cài đặt 4 chế độ hoạt động của LoRa
M1
Kết hợp với M0 để cài đặt 4 chế độ hoạt động của LoRa
RXD Nối với chân TX của Vi điều khiển để truyền tín hiệu
TXD Nối với chân RX của Vi điều khiển để truyền tín hiệu
AUX Chỉ các trạng thái của LoRa
VCC
Kết nối với nguồn 5V
GND
Kết nối với Mass (0V)
Bảng 2.1: Mô tả chức năng các chân của module

b. Chế độ hoạt động của module Lora
Trong modue LoRa có 2 chân điều khiển M0, M1. Giúp người sử dụng có
thể chuyển đổi chế độ hoạt động của module. Lựa chọn chế độ hoạt động của LoRa
qua việc thay đổi điện áp hoạt động vào 2 chân M0, M1 với 2 mức điện áp là (0V,
3.3V~5V). Thời gian để LoRa chuyển đổi chế độ hoạt động là 1ms.
Trạng
Chế độ
M1 M0
Mô tả
Chú ý
thái
Giao tiếp Serial sẽ

Thiết bị nhận sẽ nhận
Chế độ
Bình
0
0
mở. Module truyền được dữ liệu khi hoạt
0
thường
liên tục
động ở chế độ 0,1

11

do an


Chế độ
1

Chế độ
2
Chế độ
3

Giao tiếp Serial mở.
Khi gửi dữ liệu
Thiết bị nhận chỉ nhận
Thức dậy
0
1

LoRa sẽ tự động gửi được dữ liệu khi ở chế
kèm theo mã để kích
độ 0,1,2
hoạt chế độ 2
Thiết bị nhận chỉ nhận
Các giao tiếp Serial được dữ liệu khi thiết
Tiết kiệm
1
0
đóng. Đợi mã kích
bị truyền ở chế độ 1
pin
hoạt từ chế độ 1
(thiết bị truyền khơng
được ở chế này)
Dùng để cấu hình
Ngủ
1
1
LoRa
Bảng 2.2: Các chế độ hoạt động của LoRa

c. Giới thiệu chân AUX
Chân AUX là 1 chân ngõ ra dùng để báo hiệu LoRa có truyền nhận được hay
khơng. Chân AUX sẽ ở mức thấp khi LoRa khơng có tín hiệu truyền đi hoặc nhận
vào.
Truyền theo kiểu nối tiếp (Serial).

Hình 2- 11 Mơ tả hoạt động của chân AUX trong việc truyền dữ liệu

Chân AUX sẽ ở mức 1 và sẽ xuống mức 0 khi TX RX bắt đầu truyền nhận
trong khoảng 1-2ms và khi kết thúc việc truyền hoặc nhận gói dữ liệu đó thì chân
AUX sẽ lên mức 1.
Cấu hình (khi LoRa ở chế độ ngủ).

12

do an