Thiết kế hệ thống iots điều khiển và giám sát vườn rau quả trong nông nghiệp giao tiếp bằng sóng RF sử dụng NRF24L01X

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

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CNKT ĐIỀU KHIỂN-TỰ ĐỘNG HOÁ

THIẾT KẾ HỆ THỐNG IOTS ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM
SÁT VƯỜN RAU/QUẢ TRONG NƠNG NGHIỆP, GIAO
TIẾP BẰNG SĨNG RF SỬ DỤNG NRF24L01X

GVHD: NGUYỄN VĂN THÁI
SVTH: TRẦN ĐĂNG KHÔI
MSSV: 15151044

SKL 0 0 6 7 9 4

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12/2019


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

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
TRẦN ĐĂNG KHÔI – MSSV: 15151044

THIẾT KẾ HỆ THỐNG IOTS ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM
SÁT VƯỜN RAU/QUẢ TRONG NƠNG NGHIỆP, GIAO
TIẾP BẰNG SĨNG RF SỬ DỤNG NRF24L01X

NGÀNH: CNKT ĐIỀU KHIỂN-TỰ ĐỘNG HOÁ
Giảng viên hướng dẫn:
TS. NGUYỄN VĂN THÁI

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12/2019




LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài tốt nghiệp do tôi thực hiện, mọi sự giúp đỡ cho
việc thực hiện đề tài này đều có sự đồng ý, các trích dẫn liên quan đến các luận văn
trước đều có ghi rõ nguồn gốc và được tham khảo từ các cơng trình nghiên cứu đã
được cơng bố trên các tạp chí khoa học.
Các số liệu thực nghiệm, đo đạt, kết quả nghiên cứu nêu trong đề này là trung
thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn, chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ
cơng trình nghiên cứu nào khác.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 12 năm 2019
Người thực hiện

Trần Đăng Khôi


GVHD: TS. NGUYỄN VĂN THÁI

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành đề tài này, bên cạnh sự cố gắng của chính bản thân cịn có sự
giúp đỡ tận tình của q Thầy/Cơ đã giảng dạy, tận tâm truyền đạt, hướng dẫn, cũng
như tạo nhiều điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất, trang thiết bị phục vụ quá trình

học tập và nghiên cứu tại trường.
Đặc biệt, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy TS. Nguyễn Văn Thái đã
tận tình hướng dẫn, hỗ trợ thiết bị đo đạc, chi phí cũng như phịng Lab làm việc.
Cuối cùng, tơi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, các bạn học viên làm việc và
nghiên cứu tại Lab 3Dvision, các Anh/Chị Thạc sĩ đi trước đã giúp đỡ cho tôi rất
nhiều trong suốt thời gian thực hiện đề tài.
Xin chân thành cảm ơn!

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 12 năm 2019
Người thực hiện

Trần Đăng Khơi

SVTH: TRẦN ĐĂNG KHƠI

II


GVHD: TS. NGUYỄN VĂN THÁI

TÓM TẮT
Đề tài tập trung thiết kế hệ thống IoTs điều khiển và giám sát vườn rau/quả
trong nơng nghiệp, giao tiếp bằng sóng RF sử dụng NRF24L01x. Ngoài ra tất cả
dữ liệu được giám sát – điều khiển và lưu trữ trên Webserver.
Đề tài thực hiện trên phần cứng tự thiết kế và thi công, bao gồm các mạch cảm
biến lấy dữ liệu vật lý từ môi trường, và mạch công suất điều khiển thiết bị một chiều,
một mạch trung tâm gọi là Gateway có màn hình OLED 1.3 inch, sử dụng
NRF24L01x để giao tiếp với các mạch cảm biến và mạch cơng suất, ngồi ra Gateway
sẽ sử dụng Wifi hoặc GPRS để truyền nhận dữ liệu lên Webserver. Firmware tự lập
trình sử dụng trình biên dịch Keil C và nạp vào IC xử lý chủ đạo là STM32F103x.

Sử dụng web API có sẵn, để giám sát dữ liệu cảm biến và điều khiển ngõ ra ngoại vi.
Việc thiết kế một hệ thống phần cứng mới, sẽ là nền tảng để xây dựng một hệ Device
hoàn chỉnh sử dụng tối thiểu Gateway tuy vẫn duy trì được sử ổn định giữa thiết bị
và Webserver.

SVTH: TRẦN ĐĂNG KHÔI

III


GVHD: TS. NGUYỄN VĂN THÁI

ABSTRACT
The project focused on designing an IoTs control systems for monitoring
and control in agriculture, RF based communication using NRF24L01x. In
addition, all data is monitored - controlled and stored on Webserver.
The project use self-designed hardware, including sensor circuits that monitor
physical data from the environment (Sensors), and a power circuit that controls a DC
device (Power). A central circuit called Gateway using 1.3 inch OLED, and
NRF24L01x modules to communicate with sensor circuits and power circuits. In
addition Gateway will use Wifi to transmit data to Webserver. Self-programmed
firmware using Keil C compiler are loaded into main processor IC using
STM32F103x. Using built-in web API, to monitor sensors data and control peripheral
output. The design of a new hardware system will be the basis for building a complete
control system using the least Gateway while maintaining stable connection between
the D physical device and the Webserver.

SVTH: TRẦN ĐĂNG KHÔI

IV

GVHD: TS. NGUYỄN VĂN THÁI

MỤC LỤC
TRANG TỰA
XÁC NHẬN CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN
LỜI CAM ĐOAN............................................................................................. I
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................II
TÓM TẮT ..................................................................................................... III
ABSTRACT .................................................................................................. IV
MỤC LỤC ....................................................................................................... V
DANH SÁCH CÁC BẢNG ............................................................................ X
DANH SÁCH CÁC HÌNH ........................................................................... XI
Chương 1 ......................................................................................................... 1
TỔNG QUAN .................................................................................................. 1
1.1. Đặt vấn đề ..........................................................................................1
1.2. Mục tiêu của đề tài ............................................................................6
1.3. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài ......................................................6
1.4. Phương pháp nghiên cứu .................................................................7
1.5. Nội dung đề tài ..................................................................................7
Chương 2 ......................................................................................................... 9
CƠ SỞ LÝ THUYẾT ....................................................................................... 9
A. Các vấn đề về Kỹ thuật ..........................................................................9
2.1. Giới thiệu công nghệ IoT ..................................................................9
2.1.1. Khái niệm IoT .............................................................................9
2.1.2. Cấu trúc của IoT .......................................................................10

SVTH: TRẦN ĐĂNG KHÔI

V


GVHD: TS. NGUYỄN VĂN THÁI

2.1.3. Giao tiếp giữa các thiết bị IoT .................................................12
2.2. Wifi ...................................................................................................13
2.2.1. Giới thiệu về Wifi .....................................................................13
2.2.2. Nguyên tắc hoạt động của Wifi ...............................................14
2.2.3. Một số chuẩn kết nối Wifi phổ biến ........................................15
2.3. Giao thức kết nối và nền tảng Web ...............................................16
2.3.1 Giao thức chính .........................................................................16
2.3.2 Giao thức kết nối được sử dụng ...............................................16
2.3.3 Nền tảng Web API.....................................................................17
2.3.3.1 ASP.NET Web API là gì? ...................................................17
2.3.3.2. Đặc điểm Web API .............................................................18
2.3.3.3. Ưu điểm của Web API .......................................................18
2.4. Module kết nối Wifi ESP8266 .......................................................18
2.4.1 Giới thiệu module Wifi ESP826 ...............................................18
2.4.2 Các loại module ESP8266 trên thị trường ..............................19
2.4.3 Lựa chọn module ESP8266.......................................................19
2.5. NRF24L01x .....................................................................................20
2.5.1. Giới thiệu về NRF24L01x ........................................................20
2.5.2. ShockBurstTM ............................................................................20
2.5.3. Enhanced ShockBurstTM..........................................................21
2.5.4. Data Pipes ..................................................................................21
2.5.5. Gói dữ liệu của NRF24L01x ....................................................23
2.6. Vi xử lý ARM Cortex-M3 ..............................................................23
2.6.1. Giới thiệu ...................................................................................23

2.6.2. Hiệu suất cao .............................................................................24
2.6.3. Dễ sử dụng, phát triển ứng dụng nhanh chóng và hiệu quả 25
2.6.4. Giảm chi phí và năng lượng tiêu thụ ......................................26
2.7. Cảm biến cường độ ánh sáng TSL2561 ........................................26
2.8. Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm SHT1x ................................................27

SVTH: TRẦN ĐĂNG KHÔI

VI


GVHD: TS. NGUYỄN VĂN THÁI

2.8.1. Giới thiệu về cảm biến SHT1x ................................................27
2.8.2. Cách thức hoạt động ................................................................28
B. Các vấn đề về nơng nghiệp cơng nghệ cao .........................................29
2.9. Tình trạng nghiên cứu ngồi nước ................................................29
2.10. Tình trạng nghiên cứu trong nước ..............................................30
2.11. Nghiên cứu tổng quan ..................................................................32
Chương 3 ....................................................................................................... 35
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ............................................................................... 35
3.1. Mơ hình của đề tài ..........................................................................35
3.2. Thiết kế phần cứng .........................................................................35
3.2.1. Thiết kế bộ điều khiển trung tâm (Gateway).........................35
3.2.1.1. Sơ đồ nguyên lí mạch .........................................................36
3.2.1.2. Khối chính trong sơ đồ mạch ............................................38
a. Khối MCU STM32F103C8T6 .................................................38
b. Khối module ESP8266 .............................................................39
c. Khối NRF24L01x .....................................................................39
d. Khối EEPROM ........................................................................40

e. Khối module RS232 .................................................................40
f. Khối màn hình OLED và nút bấm cảm ứng ..........................41
g. Khối nguồn ...............................................................................41
3.2.1.3. Lưu đồ giải thuật của thiết bị ............................................41
3.2.2. Thiết kế bộ cảm biến (Sensors) ...............................................43
3.2.2.1 Sơ đồ nguyên lí mạch ..........................................................43
3.2.2.2. Khối chính trong sơ đồ mạch ............................................45
a. Khối quản lý nguồn và sạc pin ................................................45
3.2.2.3. Lưu đồ giải thuật của mạch cảm biến (Sensors) .............45
3.2.3. Thiết kế bộ điều khiển công suất DC (Power) .......................46
3.2.3.1 Sơ đồ nguyên lí mạch ..........................................................47

SVTH: TRẦN ĐĂNG KHÔI

VII


GVHD: TS. NGUYỄN VĂN THÁI

3.2.3.2. Khối chính trong sơ đồ mạch ............................................49
a. Khối công suất ..........................................................................49
3.2.3.3. Lưu đồ giải thuật của mạch Power...................................50
3.3. Ứng dụng Web ................................................................................51
Chương 4 ....................................................................................................... 54
KẾT QUẢ THỰC HIỆN VÀ THỰC NGHIỆM .......................................... 54
4.1. Kết quả thiết kế thi công – thực nghiệm của đề tài .....................54
4.1.1. Bộ điều khiển trung tâm (Gateway) .......................................54
4.1.1.1 Kết quả thiết kế thi công.....................................................54
4.1.1.2 Kết quả thực nghiệm...........................................................57
4.1.2. Bộ cảm biến (Sensors) ..............................................................58

4.1.2.1. Kết quả thiết kế thi công....................................................58
4.1.2.2. Kết quả thực nghiệm..........................................................59
4.1.3. Bộ điều khiển DC (Power) .......................................................59
4.1.3.1. Kết quả thiết kế thi công....................................................59
4.1.3.2. Kết quả thực nghiệm..........................................................60
4.2. Ứng dụng Web ................................................................................61
Chương 5 ....................................................................................................... 63
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..................................................... 63
5.1. Kết luận ...........................................................................................63
5.1.1. Ưu điểm của đề tài ....................................................................64
5.1.2. Nhược điểm của đề tài .............................................................65
5.2. Hướng phát triển của đề tài ...........................................................65
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 66
PHỤ LỤC ...................................................................................................... 68
1. Sơ đồ nguyên lý mạch ........................................................................68
1.1. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển trung tâm ............................68

SVTH: TRẦN ĐĂNG KHÔI

VIII


GVHD: TS. NGUYỄN VĂN THÁI

1.1.1 Sơ đồ nguyên lý mạch Gateway ............................................68
1.1.2 Sơ đồ nguyên lý mạch Shield ................................................68
1.2. Sơ đồ nguyên lý mạch Sensors ...................................................68
1.3. Sơ đồ nguyên lý mạch Power .....................................................68
2. Mã nguồn của mạch Gateway .............................................................69
2.1. Mã nguồn nạp cho vi điều khiển STM32F103C8T6 .....................69

2.2. Mã nguồn nạp cho module Wifi ESP8266 ....................................99
3. Mã nguồn của mạch Sensor ............................................................. 107
3.1. Mã nguồn của mạch cảm biến cường độ ánh sáng .................... 107
3.2. Mã nguồn của mạch cảm biến nhiệt độ/độ ẩm .......................... 121
4. Mã nguồn của mạch Power .............................................................. 134

SVTH: TRẦN ĐĂNG KHÔI

IX


GVHD: TS. NGUYỄN VĂN THÁI

DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Mô tả gói dữ liệu truyền nhận từ NRF24L01x

23

Bảng 3.1 Mơ tả mối quan hệ giữa Rds(on) (Normalized) với T junction 51
Bảng 3.2 Đặc tính kỹ thuật của MosfetN IRL7843 (ở 25C)

52

Bảng 3.3 Mô tả mối quan hệ giữa công suất và nhiệt độ

52

SVTH: TRẦN ĐĂNG KHÔI

X

GVHD: TS. NGUYỄN VĂN THÁI

DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 1.1: Internet of Things .................................................................................... 1
Hình 1.2: Ứng dụng IoT trong nơng nghiệp truyền thống ..................................... 2
Hình 1.3: Ứng dụng IoT trong nơng nghiệp cơng nghệ cao .................................. 3
Hình 1.4: Các chuẩn truyền dữ liệu khơng dây thơng dụng .................................. 4
Hình 1.5: IC thu phát sóng RF NRF24L01+ .......................................................... 4
Hình 1.6: giao thức Enhanced ShockBurstTM......................................................... 5
Hình 1.7: NRF24L01x giải pháp cho hệ thống truyền/nhận đa thiết bị ................ 5
Hình 2.1: Hệ sinh thái IoT........................................................................................ 9
Hình 2.2: Ứng dụng của IoT .................................................................................. 10
Hình 2.3: Cấu trúc cơ bản của một hệ thống IoTs ............................................... 11
Hình 2.4: Mơ hình giao tiếp trong mạng thiết bị IoT ........................................... 13
Hình 2.5: Gateway dùng Wifi trong Internet of Things........................................ 13
Hình 2.6: Router wifi kết nối các thiết bị ............................................................... 15
Hình 2.7: Các phương thức (method) yêu cầu của HTTP ................................... 17
Hình 2.8: ESP8266 phiên bản ESP-07 lựa chọn cho hệ thống............................ 19
Hình 2.9: Sơ đồ khối IC NRF24L01x .................................................................... 20
Hình 2.10: 6 Data pipes của NRF24L01 ............................................................... 22
Hình 2.11: NRF24L01x nhận dữ liệu từ 6 data pipes cùng lúc ........................... 22
Hình 2.12: Gói dữ liệu truyền nhận của NRF24L01x .......................................... 23
Hình 2.13: Bộ vi xử lý Cortex-M3.......................................................................... 25
Hình 2.14: Sơ đồ khối của cảm biến TSL2561 ...................................................... 26
Hình 2.15: Cảm biến TSL2561 .............................................................................. 27
Hình 2.16: Cảm biến SHT1x .................................................................................. 28

SVTH: TRẦN ĐĂNG KHÔI

XI


GVHD: TS. NGUYỄN VĂN THÁI

Hình 2.17: Bảng so sánh thơng số của các loại cảm biến SHT1x ....................... 28
Hình 2.17: Nông nghiệp công nghệ cao tại KDL Phú An Khang, Bến Tre ........ 31
Hình 2.18: Bản thân tham quan nghiên cứu tại các nơng trại cơng nghệ cao ... 32
Hình 2.19: Nông sản đạt chuẩn VietGAP nhờ ứng dụng IoTs và cơng nghệ ..... 34
Hình 3.1: Mơ hình tổng thể của đề tài ................................................................... 35
Hình 3.2: Sơ đồ ngun lí mạch Gateway (trang 1-Các khối xử lý chính) .......... 36
Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lí mạch Gateway (trang 2-Các khối mở rộng)............... 36
Hình 3.4: Sơ đồ ngun lí mạch Gateway (trang 3-Các khối nguồn ) ................. 36
Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lí mạch Shield (chứa nút bấm cảm ứng và OLED) ...... 36
Hình 3.6: Sơ đồ khối của mạch Gateway và Shield .............................................. 37
Hình 3.7: Vi điều khiển STM32F103C8T6 ........................................................... 38
Hình 3.8: Module NRF24L01+PA+LNA sử dụng trong đề tài ............................ 39
Hình 3.9: Lưu đồ giải thuật của bộ điều khiển trung tâm Gateway và Shield .... 42
Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến .......................................................... 43
Hình 3.11: Sơ đồ khối mạch cảm biến (Sensors) .................................................. 44
Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý mạch sạc pin sử dụng IC TP4056 ............................ 45
Hình 3.13: Lưu đồ giải thuật của mạch cảm biến Sensors .................................. 46
Hình 3.14: Sơ đồ mạch bộ điều khiển cơng suất DC ............................................ 47
Hình 3.15: Sơ đồ khối mạch điều khiển cơng suất DC (Power) ........................... 48
Hình 3.16: Lưu đồ giải thuật của mạch điều khiển công suất DC ...................... 51
Hình 3.17: Đăng nhập tài khoản truy cập ............................................................. 52
Hình 3.18: Giao diện điều khiển và giám sát trên web ......................................... 52
Hình 3.19: Giao diện giám sát các cảm biến trên Web ......................................... 53
Hình 3.20: Giao diện điều khiển các Output trên Web ......................................... 53

SVTH: TRẦN ĐĂNG KHÔI

XII


GVHD: TS. NGUYỄN VĂN THÁI

Hình 4.1: Sơ đồ đi dây của mạch điều khiển trung tâm ....................................... 54
Hình 4.2: Sản phẩm sau khi thi cơng .................................................................... 55
Hình 4.3: Sơ đồ đi dây của mạch Shield ................................................................ 56
Hình 4.4: Sản phẩm sau khi thi cơng .................................................................... 56
Hình 4.5: Bộ điều khiển trung tâm thành phẩm ................................................... 57
Hình 4.6: Nút nhấn cảm biến và màn hình OLED hoạt động ............................. 57
Hình 4.7: Sơ đồ đi dây của mạch cảm biến (Sensors)........................................... 58
Hình 4.8: mạch Sensors hồn chỉnh ..................................................................... 58
Hình 4.9: Sơ đồ đi dây của mạch cơng suất .......................................................... 59
Hình 4.10: Mạch cơng suất DC hồn chỉnh ......................................................... 60
Hình 4.11: Mạch cơng suất trong thực tế để sáng LED 30W............................... 60
Hình 4.12: Giao diện đăng nhập trên Web ............................................................ 61
Hình 4.13: Trạng thái thiết bị trên Website ........................................................... 62
Hình 4.14: Thơng số giám sát trên Website........................................................... 62
Hình 5.1: Kết nối có dây đến cảm biến .................................................................. 63

SVTH: TRẦN ĐĂNG KHÔI

XIII


GVHD: TS. NGUYỄN VĂN THÁI

Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề
Trong bối cảnh cơng nghiệp hóa và hiện đại hố mạnh mẽ của đất nước và thế
giới cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật cả về phần cứng lẫn phần mềm, sự
kết hợp của Điện - Điện tử và công nghệ thông tin sẽ tạo điều kiện phát triển nhanh
cho nền công nghiệp 4.0. Trong xu hướng chung đó thì thuật ngữ “Internet of things” (viết
tắt là IoT) xuất hiện lần đầu năm 1999 đã xuất hiện khá nhiều và gần gũi hơn với nhiều
người, thu hút nhiều sự quan tâm chú ý của cả thế giới khoa học cơng nghệ, các cơng ty đầu
tư nghiên cứu. Vì sự bùng nổ của lĩnh vực IoT trong tương lai sẽ có tác động tới sự tiện nghi
của cuộc sống, công việc, những ngành nghề mới xuất hiện ảnh hưởng đến xã hội trong
tương lai.

Hình 1.1: Internet of Things
Ứng dụng của IoT:
IoT có ứng dụng rộng rãi có thể kể ra một số lĩnh vực như sau:
-

Y tế và chăm sóc sức khoẻ.

-

Giao thơng vận tải.

-

Xây dựng và nhà thơng minh.

-

Nơng nghiệp cơng nghệ cao.

SVTH: TRẦN ĐĂNG KHƠI

1


GVHD: TS. NGUYỄN VĂN THÁI

Nông nghiệp công nghệ cao là một lĩnh vực đang dần được IoT hoá. Với sự gia
tăng theo cấp số nhân của dân số thế giới, theo Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp
Liên Hợp Quốc, thế giới sẽ cần sản xuất thêm 70% lương thực vào năm 2050, thu
hẹp đất nông nghiệp và cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên đã trở thành vấn đề đáng được
quan tâm. Một mối quan tâm cản trở khác đối với ngành nông nghiệp là cơ cấu dịch
chuyển của lực lượng lao động nông nghiệp. Hơn nữa, lao động nông nghiệp ở hầu
hết các quốc gia đã giảm. Do lực lượng lao động nông nghiệp suy giảm, việc áp dụng
các giải pháp kết nối internet trong thực hành canh tác đã được kích hoạt, để giảm
nhu cầu lao động thủ công.
Khảo sát của BI Intelligence dự kiến việc áp dụng các thiết bị IoT trong ngành
nông nghiệp sẽ đạt 75 triệu vào năm 2020, tăng 20% mỗi năm. Đồng thời, quy mơ thị
trường nơng nghiệp thơng minh tồn cầu dự kiến sẽ tăng gấp ba vào năm 2025, đạt
15.3 tỷ đô la (so với mức hơn 5 tỷ đô la một chút vào năm 2016).

Hình 1.2: Ứng dụng IoT trong nông nghiệp truyền thống
Nông nghiệp thông minh dựa trên công nghệ IoT cho phép người trồng trọt và
nông dân giảm chất thải và tăng năng suất trồng trọt tuy sẽ sử dụng hiệu quả tài
nguyên hơn, nhờ các giải pháp canh tác là các hệ thống công nghệ cao như các cảm
biến (ánh sáng, độ ẩm, nhiệt độ, độ ẩm đất, sức khỏe cây trồng, v.v.) và các hệ tự
động hóa (tưới tiêu, thu hoạch, bón phân dinh dưỡng, v.v.).

SVTH: TRẦN ĐĂNG KHÔI

2


GVHD: TS. NGUYỄN VĂN THÁI

Người nơng dân có thể theo dõi các điều kiện cây trồng từ bất cứ đâu, họ cũng
có thể tùy chọn giữa phương pháp thủ cơng và tự động để thực hiện các công việc cụ
thể. Ví dụ, nếu độ ẩm của đất giảm, nơng dân có thể triển khai các cảm biến để bắt
đầu tưới, hoặc trong q trình canh tác thuỷ canh, người nơng dân có thể tăng cường
độ sáng bằng đèn chiếu sáng tăng cường nếu cảm thấy cường độ ánh sáng đo được là
quá thấp. Nông nghiệp thông minh hay nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao sẽ cho
hiệu quả cao khi so sánh với phương pháp thơng thường, ngồi ra khi kết hợp với
công nghệ IoT hệ thống sẽ hoạt động tối ưu hơn do khả năng kiểm soát chặt chẽ các
thông số và khả năng điều khiển thiết bị từ mọi nơi. Đây sẽ là xu hướng của nông
nghiệp trong tương tai, do công nghệ sẽ giải quyết vấn đề về diện tích trồng trọt lẫn
việc sử dụng tài nguyên tối ưu.

Hình 1.3: Ứng dụng IoT trong nơng nghiệp cơng nghệ cao
Việc xây dựng được một bộ thiết bị gồm có các cảm biến (Sensor), có khả năng
quản lý được các thông số cơ bản trong nông nghiệp (nhiệt độ, độ ẩm, cường độ ánh
sáng, nồng độ pH, v.v.) và truyền nhận dữ liệu thu được cho Webserver thông qua bộ
truyền nhận trung tâm (Gateway) là tiền đồ để phát triển một hệ thống IoT hồn chỉnh.
Có rất nhiều phương thức truyền nhận dữ liệu khác nhau như RF, Bluetooth ZigBee,
LoRa… để trao đổi thông tin qua lại giữa Sensor và Gateway. Việc truyền nhận không
dây giữa các thiết bị vật lý là rất quan trọng, việc này sẽ giảm tải được số lượng dây
giữa các thiết bị và giúp cho việc lắp đặt tháo ráp đơn giản hơn.

SVTH: TRẦN ĐĂNG KHÔI

3


GVHD: TS. NGUYỄN VĂN THÁI

Hình 1.4: Các chuẩn truyền dữ liệu khơng dây thơng dụng
Trong đó NRF24L01x là một IC thu phát sóng RF 2.4 GHz do Nordic
Semiconductor nghiên cứu thiết kế và phát triển, trong IC được nhúng sẵn một giao
thức nền có tên (Enhanced ShockBurstTM), phù hợp cho các ứng dụng khơng dây có
cơng suất cực thấp. NRF24L01x được thiết kế để hoạt động trong dải tần số ISM trên
tồn thế giới ở mức 2.400 - 2.4835GHz.

Hình 1.5: IC thu phát sóng RF NRF24L01+
Để thiết kế một hệ thống vô tuyến sử dụng IC NRF24L01x rất đơn giản, chỉ cần
MCU điều khiển và một vài linh kiện thụ động là có thể vận hành được, điều này giúp
cho các hệ thống sử dụng NRF24L01x trở nên rất nhỏ gọn, giá thành rẻ, khoảng cách
truyền nhận khi đã được khuếch đại có thể lên tới 1500m. IC NRF24L01x sử dụng
giao tiếp ngoại vi nối tiếp (SPI), vận hành cũng như cấu hình NRF24L01. Tất cả các
thanh ghi chứa các cấu hình cũng như các chế độ hoạt động của NRF24L01x đều, có
thể truy cập thơng qua SPI.

SVTH: TRẦN ĐĂNG KHÔI

4


GVHD: TS. NGUYỄN VĂN THÁI

Hình 1.6: giao thức Enhanced ShockBurstTM
Giao thức nền (Enhanced ShockBurstTM) nhúng trong NRF24L01x, là giao thức
truyền nhận các gói dữ liệu, hỗ trợ giữa các gói dữ lẫn thủ cơng và tự động. Bộ FIFOs
tích hợp đảm bảo việc dữ liệu truyền nhận được di chuyển một cách linh động giữa
dữ liệu nhận từ antenna với dữ liệu nhận từ MCU điều khiển. Enhanced ShockBurstTM
giúp giảm giá thành hệ thống do bản thân nó đã xử lý sự vận hành của lớp liên kết dữ
liệu (link layer) tốc độ cao.
Phần front end của NRF24L01x sử dụng bộ điều chế GFSK, bộ điều chế có các
thơng số cấu hình như kênh tần số, cơng suất đầu ra và tốc độ dữ liệu khơng khí.
NRF24L01x hỗ trợ tốc độ truyền nhận dữ liệu khơng khí 250 kbps lến đến 1 Mbps
và 2Mbps. Tốc độ truyền nhận dữ liệu trong khơng khí cao kết hợp với hai chế độ tiết
kiệm năng lượng khiến NRF24L01x rất phù hợp với các hệ thống sử dụng cơng suất
cực thấp.

Hình 1.7: NRF24L01x giải pháp cho hệ thống truyền/nhận đa thiết bị

SVTH: TRẦN ĐĂNG KHÔI

5


GVHD: TS. NGUYỄN VĂN THÁI

Vì thế tơi chọn đề tài thiết kế hệ thống IoTs điều khiển và giám sát vườn
rau/quả trong nơng nghiệp, giao tiếp bằng sóng RF sử dụng NRF24L01x để xây
dựng một bộ thiết bị từ Sensors đến Gateway sử dụng IC NRF24L01x với mục tiêu,
chính xác, sử dụng hiệu quả năng lượng (nguồn cấp) và giá thành phải chăng.
1.2. Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu, thiết kế một hệ thống điều khiển, giám sát,
ứng dụng công nghệ IoT phục vụ trong nông nghiệp, giao tiếp với nhau thông qua

chuẩn truyền dữ liệu khơng dây dùng sóng RF trên nền tảng sử dụng IC NRF24L01x+
của hãng Nordic Semiconductor. Thiết kế phần cứng, mạch điện công suất để điều
khiển DC, mạch Sensors để giám sát, mạch Gateway để thu nhận dữ liệu. Trong đó
các mạch Sensor sẽ có nhiệm vụ lấy các giá trị vật lý từ môi trường như nhiệt độ, độ
ẩm, cường độ ánh sáng, nồng độ pH, độ điện dẫn (EC). Dữ liệu thu được sẽ gửi lên
Webserver thông qua Gateway để lưu vào database, từ đó có thể quản lý, giám sát,
và điều khiển các ngoại vi từ xa.
1.3. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
1. Tìm hiểu các phương pháp canh tác trong nông nghiệp để hệ thống sau khi
thiết kế có hiệu quả cao và dễ sử dụng.
2. Thiết kế phần cứng theo kiểu Module, chia ra thành 3 phần gồm:
a. Gateway là PCB có nhiệm vụ giám sát, điều phối dữ liệu từ lớp Vật
lý đến Webserver.
b. Sensors là PCB có nhiệm vụ thu nhập các thông số vật lý từ môi
trường và gửi đến cho Gateway.
c. Power là PCB có nhiệm vụ nhận thông tin từ Gateway để điều khiển
các thiết bị ngoại vi.
3. Tìm hiều nguyên lý hoạt động của các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, cường độ
ánh sáng. Nghiên cứu thiết kế PCB cảm biến (Sensors) phải đảm bảo kết quả
đo được là chính xác nhất (khơng bị ảnh hưởng bởi phần cứng và các yếu tố

SVTH: TRẦN ĐĂNG KHÔI

6


GVHD: TS. NGUYỄN VĂN THÁI

khách quan). Mặt khác, PCB phải đảm bảo nhỏ gọn, sử dụng pin và có thể
sạc được.

4. Nghiên cứu thiết kế một mạch Power để điều khiển các thiết bị DC, đảm
bảo số lượng ngõ ra khơng q ít, có cơng suất vừa đủ, thiết kế hợp lý và
có thể sử dụng PWM để điều khiển các ngõ ra.
5. Nghiên cứu thiết kế một mạch Gateway được tích hợp màn hình OLED
1.3” và nút bấm điều khiển. Gateway có nhiệm vụ truyền nhận thơng tin
đến các mạch Sensors và Power thông qua IC NRF24L01x+ để điều khiển
hay thu nhập thơng tin. Ngồi ra Gateway có khả năng giao tiếp với
Webserver thông qua mạng Wifi để giám sát/điều khiển hệ thống.
1.4. Phương pháp nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu sử dụng các phương pháp sau:
-

Phương pháp kiểm chứng và ứng dụng cơ sở lý thuyết trong thiết kế.

-

Phương pháp thu thập thông tin bằng thực nghiệm.

-

Nghiên cứu về kỹ thuật lập trình MCU 32bit.

-

Sử dụng và thiết kế PCB trên phần mềm Eagle.

-

Sử dụng và thiết kế vỏ hộp trên phần mềm SolidWork.

-

Nghiên cứu sử dụng phần mềm Keil C để thiết kế Firmware cho các
dòng MCU STM32F103x.

-

Kiểm chứng PCB sau khi thi cơng bằng mơ hình thực nghiệm.

1.5. Nội dung đề tài
Chương 1: Tổng quan
Chương này trình bày lý do chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu, nội dung nghiên
cứu, phương pháp nghiên cứu, các giới hạn đề tài.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Tổng hợp các cơ sở lý thuyết có liên quan trong đề tài, làm nền tảng để thực
hiện thiết kế thi công và xây dựng giải thuật cho đề tài.
Chương 3: Thiết kế hệ thống

SVTH: TRẦN ĐĂNG KHÔI

7


GVHD: TS. NGUYỄN VĂN THÁI

Thiết kế sơ đồ nguyên lý đường mạch, sơ đồ khối và lưu đồ giải thuật của các
mạch trong hệ thống gồm bộ điều khiển trung tâm Gateway (bao gồm mạch điều
khiển và mạch Shield), mạch cảm biến (Sensors) để đưa dữ liệu, mạch công suất
(Power) để điều khiển thiết bị ngồi vi. Sau đó thiết kế giao diện trên nền tảng Web
API.

Chương 4: Kết quả thực hiện và Thực nghiệm
Hồn thành, thi cơng mạch in từ sơ đồ đi dây, chạy thử nghiệm và đánh giá
kết quả hoạt động của hệ thống
Chương 5: Kết luận và Hướng phát triển.
Kết luận kết quả thực hiện của đề tài và đưa ra hướng phát triển.

SVTH: TRẦN ĐĂNG KHÔI

8