Posts in category: IoT

1. Giới thiệu

• Hệ thống Smart Farm hay còn được gọi là một hệ thống trang trại thông minh, các thiết bị hiện đại trong trang trại này được kết nối liền mạch với nhau.
• Hỗ trợ cho toàn bộ quá trình giám sát nông nghiệp, được điều khiển và vận hành hệ thống trang trại từ xa qua máy tính và có thể qua điện thoại thông minh.
• Hệ thống này giúp cho chủ trang trại hoặc là người vận hành có thể kiểm soát được mọi thông tin của toàn bộ trang trại mọi lúc, mọi nơi.
• Nông trại thông minh dựa và cách làm nông nghiệp nhờ sử dụng cảm biến các thiết bị hiện đại để có thể đưa ra quy trình làm việc chính xác giúp cho nông trại đạt hiệu suất tốt hơn.

2. Hệ thống Smart Farm

2.1 Hệ thống

Hình 2: Cấu trúc hệ thống gồm modbus RTU và lora

• Hệ thống gồm 4 phần chính: Sever IOT, Giao diện người dùng, Truyền thông giao triếp, Thiết bị đầu cuối Controler.
• Được xây dựng trên 2 phương thức truyền thông khác nhau có thể lựa chọn phù hợp với từng nới lắp đặt: Modbus RTU, Lora.
• Server xử lý và lưu trữ dữ liệu, phát lệnh xuống các bộ điều khiển bằng RTU hoặc LORA. Đọc tín hiệu cảm biến trực tiếp từ sensor nếu hỗ trợ RTU hoặc gián tiếp qua các vi điều khiển đưa về dạng RTU và LORA.

2.1.1 Server IOT

• Một máy chủ IoT (Internet of Things) là một hệ thống hoặc dịch vụ trực tuyến được sử dụng để quản lý và điều khiển các thiết bị kết nối IoT. Máy chủ IoT đóng vai trò trung tâm hệ thống IoT bằng cách thu thập, lưu trữ, xử lý và chia sẽ dữ liệu từ các thiết bị IoT và thường cung cấp các chức năng quản lý, theo dõi và điều khiển.
• Để đảm bảo các chức năng của server IoT, xử lý chuẩn xác và nhanh thì hệ thống có thể sử dụng một máy tính mini, máy tính nhúng chạy hệ điều hành Linux hoặc Windows. Tùy vào nhu cầu mà ta có thể lựa chọn 1 thiết bị để xây dựng 1 server IoT cho hệ thống.
• Với hệ thống hiện tại đang sử dụng máy tính mini NUC của dòng Intel để chạy server IoT kết nối giao tiếp với thiết bị khác qua cổng USB
• Khả năng lưu trữ bằng, xử lý nhanh, thông tin chính xác. Có thể chọn nhiều dòng máy khác nhau để thay thế hoặc dùng máy tính văn phòng để trở thành server IoT.
• Dòng NUC INTEL

+ Máy tính hỗ trợ cổng nhiều USB, Ethernet, HDMI, … nên chúng ta có thể tạo nhiều chức năng trên cùng 1 server.

+Kích thước nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt ở nới có không gian bị hạn chế.

+ Hiệu suất tùy vào cấu hình của máy nhưng đáp ứng tốt vai trò sever cho hệ thống, có thể làm thêm 1 số nhiệm vụ khác, dễ dàng mở rộng và nâng cấp đáp ứng phát triển hệ thống về sau.

2.1.2 Controller

a. Bộ xử lý

• Đảm nhận vai trò tiếp nhận thông tin từ server, xử lý điều khiển các ngõ ra bật tắt thiết bị theo mong muốn. Phản hồi trạng thái thiết bị về giao diện người dùng.
• Bộ phận xử lý sử dụng máy tính nhúng raspberry với các dòng (zero w, 2, 3, 4,) ngôn ngữ python dễ dàng thay đổi và viết chương trình điều khiển logic theo mong muốn.
• Bộ sử lý được kết hợp giữ Raspberry (Pi3) và một số IC và linh kiện điện tử:

• Controler: bao gồm 1 raspberry kết hợp với USB R-S485, gắn kết trên bo mạch điều khiển tín hiệu I/O:

      + Giao tiếp: RS485, Lora, TCP/IP qua conorh Ethernet…

      + Input: 8 cổng input digital 24VDC.

      + Outpt: 8 cổng Output Relay, có thể sử dụng 24V DC/ 10A hoặc 220V AC/ 10A.

      + Header kết nối module mở rộng I/O.

b. Module mở rộng

• Module mở rộng tăng thiết bị đầu ra cho bộ điều khiển
• Có thể lựa chọn module mở rộng 8 I/O hoặc 16I/O
• Input: digital 24V DC
• Output: relay 24VDC /10A hoặc 220V AC /10A

2.1.3 Sensor

• Cảm biến là một thiết bị hoặc một phần hệ thống được sử dụng để phát hiện, đo lường, hoặc ghi nhận thông tin về các biến đổi trong môi trường
• Cảm biến có nhiều loại sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau: đo nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, gió, pH, …
• Thông tin đọc từ cảm biến sẽ được biến đổi về các dạng: xung (PWM), analog (0-10V DC, 0-20mA, 4-20mA, …), Modbus RTU, I2C, …
• Tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng mà lựa chọn tính năng của cảm biến để ghi nhận đúng thông tin mong muốn

+ Đo nhiệt độ, độ ẩm: thường chọn dạng tín hiệu Modbus RTU để tích hợp trực tiếp vào hệ thống không cần qua biến đổi tín hiệu

• Nhiệt độ và độ ẩm không khí: tin dùng với sensor Modbus RTU RS485 SHT20 (Mã XY-MD02) hoặc lựa chọn những sensor có khoảng làm việc rộng hơn 0-100 ⁰C và độ ẩm 0-100%. Tùy vào nhu cầu mà có thể lựa chọn nhiều loại sensor ghi nhận nhiệt và độ ẩm khác nhau.
• Nhiệt độ và độ ẩm đất: thị trường nhiều loại hỗ trợ ghi nhận nhiệt độ và độ ẩm đất, tùy vào nhu cầu, môi trường làm việc lựa chọn đầu dò cảm biến phù hợp.

+ Đo ánh sáng: ghi nhận cường độ ánh sáng cung cấp cho cây trồng. Cảm biến ánh sáng có nhiều loại chọn lựa với nhiều tín hiệu đầu ra. Với hệ thống ưu tiên lựa chọn cảm biến tín hiệu đầu ra là RTU, nhằm kết nối trực tiếp với hệ thống không qua vi điều khiển, khả năng sai số thấp.

+ Gió: Cảm biến được sử dụng để đo lường ghi nhận tốc độ và hướng của gió trong môi trường. Giúp phần cảnh báo tốc độ có thể ảnh hưởng đến tài sản vật chất của farm … Thường tốc độ có đơn vị là: m/s, km/h

+ pH: Đo lường độ pH trong nước hoặc dung dịch phân bón, đảm bảo độ pH vừa đủ cho cây trồng. Mức dao động độ pH từ 0-14.

+ Ngoài ra còn có nhiều loại cảm biến khác nhau, phục vụ nhiều mục đích khác nhau. Giúp ghi nhận, đo lường thông tin môi trường. Đưa lên số liệu cụ thể, cảnh báo, đánh giá đến người kỹ thuật đưa ra những giải pháp.

2.1.4 Truyền thông Mobbus

• Modbus là một giao thức truyền thông được sử dụng rộng rãi trong việc kết nối và truyền dữ liệu giữa các thiết bị điện tử trong các hệ thống tự động hóa công nghiệp.
• Modbus thường sử dụng truyền thông qua giao diện RS-232 hoặc RS-485 (Modbus RTU) hoặc qua Enthernet (Modbus TCP/IP).
• Hệ thống sử dụng giao tiếp Modbus RTU RS-485 để giao tiếp giữa các Slave với Master (giao tiếp từ bộ điều khiển controler với server IOT).
• Một Master có thể giao tiếp với số lượng slave lớn, với 32 thiết bị Slave được kết nối nối tiếp ưu điểm của RS-485 so với các dạng giao tiếp khác
• Modbus có nhiệm vụ truyền tín hiệu từ Master ra lệnh cho các Slave bật tắt thiết bị trên Slave đó, và đọc cảm biến về Master.
• Để giao tiếp Modbus RTU sử dụng:

+ Master: Bộ Chuyển Waveshare Industrial USB To RS485 Converter, …

+ Slave (controler): Bộ Chuyển Waveshare Industrial USB To RS485 Converter hoặc Mạch Chuyển Giao Tiếp UART TTL To RS485 V3(XY-K485), …

+ Sensor: Có 1 số loại cảm biến tín hiệu đầu ra là RS-485 có thể đọc trực tiếp, hoặc sử dụng vi điều khiển để đọc và chuyển đổi về RS-485

2.1.5 Truyền thông Lora

• Lora (Long Range) là một công nghệ truyền thông không dây được thiết kế để cung cấp kết nối mạng từ xa, tiết kiệm năng lượng và dễ triển khai cho các ứng dụng Internet of Things (IoT) và M2M (Machine-to-Machine).
• Công nghệ Lora có khả năng truyền thông không dây với khoảng cách xa, tiết kiệm năng lượng, lắp đặt dễ dàng.
• Số lượng giao tiếp trên 1 kênh của lora lên đến vài trăm thiết bị.
• Đối với hệ thống sử dụng Lora để thay thế cho những nới khó triển khai đường dây… truyền tải không dây là lựa chọn thích hợp.
• Hệ thống sử hiện tại đang sử dụng Lora E32 -UART kết hợp với USB -UART để có thể kết nối với Server và Controler (raspberry) qua cổng USB giao tiếp.

2.2 Web

• Trang web được thiết kết dùng để quản lý các qui trình của farm và điều khiển thiết bị.
• Web bao gồm: Lịch sản xuất, hồ sơ sản xuất, quản lý tưới tiêu, quản lý nông trại, thiết bị phần cứng, quản lý người dùng
• Lịch sản xuất: Ghi nhận ngày tháng gieo trồng, trạng thái, giống cây trồng…
• Hồ sơ sản xuất: quản lý hồ sơ sản xuất, xuất nhập tồn, nhật ký máy móc…
• Quản lý tưới tiêu: Lịch tưới tiêu theo từng loại giống, từng lịch trình khác nhau. Quản lý mẫu tưới tiêu cho từng loại giống
• Quản lý nông trại: nơi chứa thông tin nông trại, giống cây trồng, lịch gieo trồng, sản phẩm và quản lý kho
• Thiết bị phần cứng: Thông tin từng thiết bị, sensor, …
• Quản lý người dùng: Khởi tạo, phân quyền quản lý cho từng người dùng với từng mục đích khác nhau

2.3 App (Ứng dụng điện thoại)

• App: Điều khiển thiết bị, giám sát nông trại từng khu vực được phân quyền. Hỗ trợ cấu hình thiết bị, giao thức … cho nhân viên kỹ thuật…
• Cài đặt được trên tất cả các điện thoại Android
• Giao diện người dùng dễ dàng sử dụng, thao tác dễ dàng trên các mục có hình ảnh nhận diện
• Hiển thị trạng thái hoạt động thiết bị, chỉ số giám sát môi trường từ các cảm biến theo từng khu vực
• Điều khiển từ xa thông qua app và khi mất kết nối có thể điều khiển bằng mạng cục bộ…
• Giao diện đăng nhâp
• Đăng nhập theo tài khoản và mật khẩu được cấp theo từng người

• Thư mục gồm có: Chọn nông trại cho người trồng, Cấu hình cho nhân viên kỹ thuật, bảo trì

• Giao diện điều khiển và sensor:

+ Điều khiển và trạng thái thiết ở Thiết bị (đánh dấu vòng cam)

+ Trạng thái, chỉ số cảm biến ở Cảm biến (đánh dấu vòng hồng)

3. Phát triển

• Server là 1 máy tính mini với khả năng xử lý cùng lúc nhiều chức năng, khả năng nâng cấp phát triển dễ dàng
• Bộ điều khiển dễ dàng tích hợp module mở rộng, tăng số lương thiết bị lớn (tối đa 200 I/O trên 1 bộ điều khiển kết nối thêm module)
• Sự lựa chọn giữ 2 dạng truyền thông.
• Modbus:

+ RTU RS-485: Thông tin nhanh, chuẩn xác, số lượng 32 Slave trên 1 master đủ để điều nhiều thiết bị, 32 trạm, tủ điện

+ TCP/IP: Kết nối với nhau dưới dạng IP mạng, 256 IP tương đương 256 Slave. Thông tin phản hồi nhanh chuẩn xác, hạn chế nhiễu thông tin

• Lora: Mạng truyền thông không dây, đáp ứng truyền tải ở khoảng cách xa (2 -8 km), ít tốn năng lượng, hạn chế dây dẫn.
• Có thể tích hợp Modbus để điều khiển thiết bị và sử dụng lora để đo lường và ghi nhận thông tin từ cảm biến. Tối ưu hóa quá trình điều khiển và phản hồ chuẩn xác từ thiết bị trong thời gian ngắn. Đảm bảo thẩm mỹ trong không gian canh tác từ việc lắp đặc sensor với mạng truyền thông không dây lora.