ĐỀ TÀI THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT THỜI TIẾT TRONG NÔNG ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGHIỆP ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ LORAWAN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ o0o ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT THỜI TIẾT TRONG NÔNG NGHIỆP ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ LORAWAN Người hướng dẫn : Ts.Nguyễn Thị Khánh Hồng Sinh viên thực : Nguyễn Huy Hoàng Mã sinh viên : 1811514110110 Nguyễn Huy Hoàng Lớp : 18D4 Đà Nẵng, 12/2022 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ o0o ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT THỜI TIẾT TRONG NÔNG NGHIỆP ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ LORAWAN Người hướng dẫn : Ts.Nguyễn Thị Khánh Hồng Sinh viên thực : Nguyễn Huy Hoàng Mã sinh viên : 1811514110110 Lớp : 18D4 Đà Nẵng, 12/2022 i TÓM TẮT Tên đề tài: Thiết kế thi công hệ thống giám sát thời tiết nông nghiệp ứng dụng công nghệ LoRaWAN Sinh viên thực hiện: Nguyễn Huy Hoàng Mã sinh viên : 1811514110110 Lớp : 18D4 Chương – Tổng quan đề tài Nội dung chương bày mục tiêu, nội dung nghiên cứu, lý chọn đề tài, sơ đồ khối hệ thống, phạm vi ứng dụng mơ hình, số mơ hình nông nghiệp công nghệ cao Chương – Tổng quan công nghệ LoRa giao thức truyền thông hệ thống Trong chương trình bày số mạng truyền thơng khơng dây phổ biến nay, khái niệm LoRa, nguyên lý hoạt động, tham số LoRa Khái niệm giao thức LoRaWAN, cấu trúc hệ thống LoRaWAN, ưu nhược điểm LoRaWAN, ứng dụng LoRa thực tiễn Chương – Tìm hiểu vi điều khiển, module cảm biến sử dụng đề tài cách lấy liệu từ cảm biến Chương tìm hiểu vi điều khiển ARDUINO UNO R3, module ESP32 – WiFi LoRa 32 board, module SX1278 mạch thu phát LoRa SPI 433MHz, cảm biến sử dụng đề tài cách đọc giá trị từ cảm biến Chương – Thiết kế phần mềm kết Ở chương em giới thiệu Endnode, lưu đồ thuật toán LoRaWAN Endnode, giao thức SPI, khung truyền LoRa Gateway LoRa Node, cấu trúc thư viện LoRa, thuật toán truyền LoRa, LoRaWAN Gateway, LoRaWAN Server Cũng chương em trình bày sơ đồ nguyên lý, mạch in node, chất lượng tín hiệu truyền nhận, giao diện hệ thống ưu nhược điểm hệ thống i TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Thị Khánh Hồng Sinh viên thực hiện: Nguyễn Huy Hoàng Mã SV: 1811514110110 Tên đề tài: Thiết kế thi công hệ thống giám sát thời tiết nông nghiệp ứng dụng công nghệ LoRaWAN Các số liệu, tài liệu ban đầu: - Tài liệu ban đầu: Trạm thời tiết không dây dựa LoRa với Arduino &ESP32: https://how2electronics.com/lora-based-wireless-weather-station-with-arduino-esp32/ Giám sát cảm biến LoRa ESP32 với Máy chủ web (Giao tiếp tầm xa) https://randomnerdtutorials.com/esp32-lora-sensor-web-server/ LoRa Based Smart City Air Quality Monitoring © MIT: https://create.arduino.cc/projecthub/taifur/lora-based-smart-city-air-quality-monitoring- 3b5f1d?ref=tag&ref_id=lora&offset=17 Nội dung đồ án: Chương 1: Tổng quan đề tài - Trình bày vấn đề cần đặt lý chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu Chương 2: Giới thiệu công nghệ LoRa - Giới thiệu công nghệ Lora, truyền thông liệu không dây LoRaWAN điểm bật LoRa so với cơng nghệ khác Chương 3: Tìm hiểu linh kiện cách thức giao tiếp - Tìm hiểu module Arduino UNO R3, module SX1278 mạch thu phát LoRa SPI 433MHz, cảm biến - Hiểu cách thức giao tiếp module với cảm biến Chương 4: Thiết kế, thi công thực mơ hình hệ thống - Thiết kế phần cứng, viết nạp chương trình cho mạch Chương 5: Lắp đặt thử nghiệm phân tích số liệu - Lắp đặt vận hành thử nghiệm mơ hình, phân tích số liệu gửi có xác không Chương 6: Tổng kết, đánh giá kết thực hướng phát triển ii - Trình bày kết thu được, mặc cịn hạn chế tìm hướng để phát triển sản phẩm Các sản phẩm dự kiến Trạm giám sát thời tiết, Gateway để nhận liệu từ trạm ứng dụng điện thoại di động hiển thị số liệu Ngày giao đồ án: Ngày nộp đồ án: 20/12/2022 Trưởng Bộ môn Đà Nẵng, ngày tháng năm 2022 Người hướng dẫn iii LỜI NÓI ĐẦU Nơng nghiệp đóng vai trị quan trọng thành phần kinh tế đất nước, tạo công ăn việc thu nhập cho người dân Nơng nghiệp cịn phát huy vai trị quan trọng đảm bảo an ninh lương thực cho quốc gia Nhiều nước xem nông nghiệp thành phần kinh tế quan trọng kinh tế đất nước Nhưng nông nghiệp phải đứng trước thách thức đối mặt với biến đổi khí hậu ngày khốc liệt với tần số ngày nhiều Biến đổi khí hậu ảnh hưởng đến trồng trọt, chăn ni, suất, chất lượng nông sản bị suy giảm, dẫn đến nhiều nước rơi vào tình trạng thiếu lương thực Đứng trước nguy việc áp dụng khoa học kỹ thuật tiên tiến vào sản xuất điều trở nên tất yếu cần thiêt lúc Từ vấn đề em định chọn đề tài “ Hệ thống giám sát thời tiết nông nghiệp ứng dụng công nghệ LoRaWAN ” Để thực đồ án tốt nghiệp đề tài “ Thiết kế thi công hệ thống giám sát thời tiết nơng nghiệp ứng dụng cơng nghệ LoRaWAN” hồn thành cách thuận lợi, trước hết em xin cảm ơn đến giúp đỡ người cho em suốt thời gian vừa qua Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn đến TS.Nguyễn Thị Khánh Hồng giúp đỡ nhóm q trình thực đồ án tốt nghiệp Đồng thời, xin cảm ơn thầy cô khoa Điện, giảng dạy, cung cấp kiến thức cho chúng em năm tháng học trường Đại học Vì kiến thức cịn hạn chế, nên khơng tránh khỏi thiếu sót q trình thực đồ án Em mong nhận đóng góp ý kiến quý thầy cô để báo cáo tốt nghiệp đặt kết tốt Em xin chân thành cảm ơn! Đà Nẵng, ngày tháng năm 2022 iv CAM ĐOAN Đồ án cơng trình nghiên cứu em Tất đoạn văn, ý kiến, quan điểm người khác sử dụng dẫn nguồn lập danh mục tham khảo cuối đồ án Đồ án nộp với mục đích thực đồ án tốt nghiệp Tôi thực đề tài không chép từ viết cơng bố mà khơng trích dẫn nguồn gốc Nếu có vi phạm nào, tơi thực chịu hồn tồn trách nhiệm Đã thực chỉnh sửa, bổ sung, hồn thiện theo ý kiến góp ý Giảng viên phản biện Hội đồng chấm Đồ án tốt nghiệp Sinh viên thực v MỤC LỤC TÓM TẮT i LỜI NÓI ĐẦU iv CAM ĐOAN .v MỤC LỤC vi DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ ix DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU , CHỮ VIẾT TẮT xi MỞ ĐẦU Chương – TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu chương .2 1.2 Đặt vấn đề 1.2.1 Tổng quan mơ hình 1.2.2 Các mơ hình nơng nghiệp cơng nghệ cao có giới .5 1.4 Mục tiêu đề tài 10 1.5 Sơ đồ khối 10 1.6 Nội dung nghiên cứu 11 1.7 Phạm vi ứng dụng .12 1.8 Kết luận chương 12 Chương – TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LORA VÀ CÁC GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ THỐNG .13 2.1 Giới thiệu chương 13 2.2 Các mạng truyền thông không dây phổ biến 13 2.2.1 Bluetooh 13 2.2.2 Zigbee 13 2.2.3 WiFi 14 2.2.4 NFC 14 2.2.5 LoRa 15 2.3 Mạng truyền thông không dây diện rộng công suất thấp LoRa 16 2.3.1 Định nghĩa .16 2.3.2 Một sô tham số LoRa .17 2.3.3 Nguyên lý hoạt động .17 2.4 Giao thức LoRaWAN 18 2.4.1 Khái niệm 18 vi 2.4.2 Cấu trúc hệ thống LoRaWAN .19 2.5 Ưu nhược điểm LoRaWAN 20 2.5.1 Ưu điểm 20 2.5.2 Nhược điểm .20 2.6 Ứng dụng LoRa .20 2.7 Giao thức MQTT 20 2.7.1 Định nghĩa 20 2.7.2 Kiến trúc giao thức MQTT 21 2.8 Giao thức truyền thông Modbus RTU 22 2.8.1 Cấu trúc Query Response 22 2.8.2 Khung truyền Modbus RTU 23 2.9 CRC (Cyclic Redundancy Check) 23 2.9.1 Cách tính CRC 23 2.10 Kết luận chương 24 Chương – TÌM HIỂU VI ĐIỀU KHIỂN, CÁC MODULE CẢM BIẾN SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG VÀ CÁCH ĐỌC GIÁ TRỊ TỪ CẢM BIẾN 25 3.1 Giới thiệu chương 25 3.2 Board mạch vi điều khiển Arduino UNO R3 .25 3.3 Module SX1278 mạch thu phát LoRa SPI 433MHz 26 3.4 ESP32 – Wifi LoRa 32 board 27 3.5 Các module cảm biến 28 3.5.1 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 28 3.5.2 Cảm biến độ ẩm đất đầu dò chống ăn mòn .29 3.5.3 Cảm biến mưa MKE-S12 .29 3.6 Kết luận chương 31 Chương – THIẾT KẾ CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG VÀ KẾT QUẢ 32 4.1 Giới thiệu chương 32 4.2 Các thành phần hệ thống 32 4.3 Thiết bị LoRaWAN .32 4.3.1 Endnode 32 4.3.2 Lưu đồ thuật toán LoRaWAN Endnode 33 4.3.3 Thiết kế phần cứng cho Endnode 34 4.4 Giao tiếp với SX1278 mạch thu phát Lora SPI 433MHz 35 4.4.1.Giao thức SPI 35 4.4.2 Khung truyền LoRa Gateway LoRa Node 36 vii 4.4.3 Thuật toán truyền LoRa 37 4.5 LoRaWAN Gateway 38 4.6 LoRaWAN Server 38 4.7 Schematic Capture, PCB Layout 41 4.8 Lắp đặt thử nghiệm thực tế 42 4.9 Kết đánh giá .44 4.9.1 Kết 44 4.9.2 Đánh giá kết .45 4.10 Kết luận chương 45 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO .48 PHỤC LỤC 49 viii