Tài liệu Xây dựng mô hình hệ thống tự động chăm sóc cây trồng tưới tiêu thông minh, giám sát điệ u ki ện môi trường cây trồng từ xa và điều khiển thông qua smart phone

LỜI MỞ ĐẦU Từ trước tới nay nông nghiệp là một trong những lĩnh vực ít được áp dụng công nghệ nhất. Đặc biệt là ở những quốc gia đang phát triển và chậm phát triển, nông nghiệp gần như chỉ phụ thuộc vào kinh nghiệm của những người nông dân về đặc tính của cây trồng, về thời tiết… Chính vì vậy, năng suất và hiệu suất canh tác gần như được để ngỏ, mang tính “may, rủi”. Trong khi đó, trước những thách thức về biến đổi khí hậu, gia tăng dân số nhanh chóng, vấn đề đảm bảo đủ lương thực là một trong những thách thức mang tính toàn cầu. Cộng thêm nhu cầu tự trồng, tự chăm sóc đảm bảo có thực phẩm sạch đang là xu hướng của cư dân thành thị hay các khu đô thị. Ngành nông nghiệp phải tìm kiếm những phương thức tốt hơn để gia tăng hiệu quả sản xuất. Cách duy nhất chính là áp dụng công nghệ mới vào hoạt động sản xuất, canh tác. Do đó là một sinh viên ngành Điện tử-Viễn thông, cần nắm bắt được sự phát triển không ngừng của khoa học - kĩ thuật, những tiến bộ công nghệ và những ý tưởng mới lạ để có thể ứng dụng vào cuộc sống hiệu quả hơn, bên cạnh đó sâu xa hơn là thúc đẩy sự phát triển của nền nông nghiệp nước nhà nói chung và nông nghiệp tiểu canh hộ gia đình, khu đô thị nói riêng, nắm bắt và đi cùng với xu thế phát triển đó, em đã chọn đề tài “Xây dựng mô hình hệ thống tự động chăm sóc cây trồng tưới tiêu thông minh, giám sát điệu kiện môi trường cây trồng từ xa và điều khiển thông qua smart phone” để làm đề tài cho đồ án tốt nghiệp đại học của sinh viên. Bình Định, tháng 1 năm 2019 Sinh viên thực hiện 1 LỜI CẢM ƠN Qua những năm tháng học tập và rèn luyện tại Đại học Quy Nhơn, nhận được sự chỉ bảo và giảng dạy nhiệt tình của quý thầy cô khoa Kỹ Thuật-Công nghệ, khoa mà em đã gắn bó suốt 4,5 năm qua, đã truyền đạt cho em những kiến thức vô cùng quý báu về lý thuyết và thực tiễn trong suốt thời gian học ở giảng đường. Cùng với sự nỗ lực của bản thân và với sự tìm tòi nghiên cứu tài liệu hay là có sự giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác đã góp phần giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp đại học này. Từ những kết quả đạt được này, em xin chân thành cảm ơn: Thầy giảng viên hướng dẫn thạc sĩ Nguyễn Đức Thiện đã hướng dẫn và góp ý kiến quý báu giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp đại học này và cùng với đó là các thầy, cô khoa Kỹ Thuật-Công nghệ, Đại học Quy Nhơn đã nhiệt tình giảng dạy và truyền đạt những kiến thức quý báu, quan trọng và cần thiết cho em trong suốt quá trình học tập tại trường. Do kiến thức còn thiếu xót, hạn hẹp nên không tránh khỏi những sai sót trong cách xây dựng và thực hiện đồ án tốt nghiệp đại học này. Em rất mong nhận được sự thông cảm và đóng góp ý kiến của quý thầy cô để em tiếp thu thêm để làm cho đồ án tốt nghiệp đại học của em đạt được kết quả tốt hơn nữa. Em xin chân thành cảm ơn! 2 NHẬN XÉT (Của giảng viên hướng dẫn) ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. 3 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Đầy đủ Ý nghĩa IOT Internet of thing Internet vạn vật SoC System on chip Hệ thống trên chíp MQTT Message queuing telemetry transport Micro controller unit Advance RISC machine Là một giao thức gửi dạng publish/subscribe Hệ thống vi điều khiển MCU ARM CPU LCD VGA TCP IP Central processing unit Liquid crystal display Video graphics aray Transmitssion control protocol Internet protocol GPIO General purpose input output UART Universal Asychronous ReceiverTransmitter ADC Analog-to-digital converter 4 Một loại cấu trúc vi xử lý 32 bít và 64 bít kiểu RISC được sử dụng rộng rải trong các thiết kế nhúng Bộ xử lý trung tâm Màn hình tinh thể lỏng Chuẩn hiển thị máy tính Giao thức kiểm soát truyền tải Giao thức internet Cổng đầu vào và ra với mục đích cơ bản,thực tế nó là các chân đầu ra, đầu vào đa chức năng Là một mạch tích hợp được sử dụng trpng việc truyền dẫn dữ liệu nối tiếp giữa máy tính và các thiết bị ngoại vi Mạch chuyển đổi tương tự sang số CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1. Đặt vấn đề Từ trước tới nay nông nghiệp là một trong những lĩnh vực ít được áp dụng công nghệ nhất. Đặc biệt là ở những quốc gia đang phát triển và chậm phát triển, nông nghiệp gần như chỉ phụ thuộc vào kinh nghiệm của những người nông dân về đặc tính của cây trồng, về thời tiết… Chính vì vậy, năng suất và hiệu suất canh tác gần như được để ngỏ, mang tính “may, rủi”. Trong khi đó, trước những thách thức về biến đổi khí hậu, gia tăng dân số nhanh chóng, vấn đề đảm bảo đủ lương thực là một trong những thách thức mang tính toàn cầu. Ngành nông nghiệp phải tìm kiếm những phương thức tốt hơn để gia tăng hiệu quả sản xuất. Cách duy nhất chính là áp dụng công nghệ mới vào hoạt động sản xuất, canh tác. Trong bối cảnh ngày nay xã hội càng lo ngại về chất lượng cũng như an toàn thực phẩm. Điều then chốt trong việc đánh tan lo ngại này, và góp phần thúc đẩy nâng cao chất lượng sản phẩm nông nghiệp, là việc nâng cao tính minh bạch, chuyên nghiệp, và khoa học của chuỗi sản xuất nông nghiệp. IoT đóng vai trò lớn trong việc giúp sự minh bạch và chuyên nghiệp này trở nên đáng tin cậy hơn. Có thể lấy vài ví dụ như việc lắp đặt thẻ cảm ứng vào tai lợn để theo dõi và thu thập dữ liệu về quá trình chăn nuôi; hay việc quản lí điều kiện môi trường cây trồng, yếu tố dinh dưỡng trong cây trồng, quy trình tự động hóa trong việc chăm sóc cho đến xử lý, đóng gói, bán sỉ và lẻ, giúp từng khuôn thịt khi đến tay người dùng đều kèm theo một hồ sơ quản lý được lưu trữ đáng tin cậy giúp toàn bộ quy trình sản xuất trở nên minh bạch hơn. Hình 1.1: Minh họa IoT trong nông nghiêp 5 Chính vì vậy, người tiêu dùng sản phẩm nông nghiệp cũng nên chờ mong vào ứng dụng IoT và việc đưa các ứng dụng IoT vào ngành nông nghiệp sẽ giúp minh chứng rõ nhất cho việc IoT đem lại hiệu quả to lớn như thế nào. Đó chính là lý do mà nông nghiệp là lĩnh vực đang được quan tâm đầu tư và được nhiều startup lựa chọn để gọi vốn. 1.2. Mục đích nghiên cứu Mục đích tổng thể của nghiên cứu là: thiết kế, xây dựng mô hình vườn giám sát điều kiện môi trường cây trồng, tự động bơm tưới thông minh, điều khiển từ xa thông qua smart phone phù hợp với cây trồng trong nhà tại các khu đô thị hay các khu vườn quy mô vừa và nhỏ. Với các mục tiêu cụ thể: - Tự động: hệ thống vườn điều khiển bơm tưới thông minh có chức năng tự động, giảm thiểu tối đá sức ảnh hưởng từ sức lao động. - Năng suất, hiệu quả: có năng suất khá cao, hiệu quả lớn, khi cây được chăm sóc theo nhu cầu của chính cây trồng dựa trên các yếu tố của môi trường trồng như nhiệt độ, độ ẩm hay độ ẩm trong đât. - Tiết kiệm được thời gian: Giảm thiểu tối đa công sức và thời gian chăm sóc cho con người. - Kinh tế: Mô hình vườn thông minh được thiết kế với các bộ phận, linh kiện và công nghệ tối giản nhất nhằm vừa có thể đáp ứng được yêu cầu và vừa tiết kiệm chi phí để làm sao cho mô hình vừa có hiệu quả vừa không gây tốn kém kinh tế. 6 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN LÍ THUYẾT 2.1. Khái quát về IoT 2.1.1. Khái niệm Mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc là Mạng lưới thiết bị kết nối Internet viết tắt là IoT ( Internet of Things) là một kịch bản của thế giới, khi mà mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính. IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet. Nói đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện một công việc nào đó. Hình 2.1: Mô hình liên kết IoT Một vật trong IoT có thể là một người với một trái tim cấy ghép; một động vật ở trang trại với bộ chip sinh học; một chiếc xe với bộ cảm ứng tích hợp cảnh báo tài xế khi bánh xe xẹp hoặc bất kỳ vật thể tự nhiên hay nhân tạo nào mà có thể gán được một địa chỉ IP và cung cấp khả năng truyền dữ liệu thông qua mạng lưới. Cho đến nay, IoT là những liên kết máy-đến-máy (M2M) trong ngành sản xuất, công nghiệp năng lượng, kỹ nghệ xăng dầu. Khả năng sản phẩm được tích hợp máy-đến-máy thường được xem như là thông minh. 2.1.2. Xu hướng và tính chất • Thông minh Sự thông minh và tự động trong điều khiển thực chất không phải là một phần trong ý tưởng về IoT. Các máy móc có thể dễ dàng nhận biết và phản hồi lại môi trường xung quanh (ambient 7 intelligence), chúng cũng có thể tự điều khiển bản thân (autonomous control) mà không cần đến kết nối mạng. Tuy nhiên, trong thời gian gần đây người ta bắt đầu nghiên cứu kết hợp hai khái niệm IoT và autonomous control lại với nhau. Tương lai của IoT có thể là một mạng lưới các thực thể thông minh có khả năng tự tổ chức và hoạt động riêng lẻ tùy theo tình huống, môi trường, đồng thời chúng cũng có thể liên lạc với nhau để trao đổi thông tin, dữ liệu. Việc tích hợp trí thông minh vào IoT còn có thể giúp các thiết bị, máy móc, phần mềm thu thập và phân tích các dấu vết điện tử của con người khi chúng ta tương tác với những thứ thông minh, từ đó phát hiện ra các tri thứcmới liên quan tới cuộc sống, môi trường, các mối tương tác xã hội cũng như hành vi con người. • Kiến trúc dựa trên sự kiện Các thực thể, máy móc trong IoT sẽ phản hồi dựa theo các sự kiện diễn ra trong lúc chúng hoạt động theo thời gian thực. Một số nhà nghiên cứu từng nói rằng một mạng lưới các sensor chính là một thành phần đơn giản của IoT. • Là một hệ thống phức tạp Trong một thế giới mở, IoT sẽ mang tính chất phức tạp bởi nó bao gồm một lượng lớn các đường liên kết giữa những thiết bị, máy móc, dịch vụ với nhau, ngoài ra còn bởi khả năng thêm vào các nhân tố mới. • Kích thước Một mạng lưới IoT có thể chứa đến 50 đến 100 nghìn tỉ đối tượng được kết nối và mạng lưới này có thể theo dõi sự di chuyển của từng đối tượng. Một con người sống trong thành thị có thể bị bao bọc xung quanh bởi 1000 đến 5000 đối tượng có khả năng theo dõi. • Vấn đề không gian, thời gian Trong IoT, vị trí địa lý chính xác của một vật nào đó là rất quan trọng. Hiện nay, Internet chủ yếu được sử dụng để quản lý thông tin được xử lý bởi con người. Do đó những thông tin như địa điểm, thời gian, không gian của đối tượng không mấy quan trọng bởi người xử lý thông tin có thể quyết định các thông tin này có cần thiết hay không, và nếu cần thì họ có thể bổ sung thêm. Trong khi đó, IoT về lý thuyết sẽ thu thập rất nhiều dữ liệu, trong đó có thể có dữ liệu thừa về địa điểm, và việc xử lý dữ liệu đó được xem như không hiệu quả. Ngoài ra, việc xử lý một khối lượng lớn dữ liệu trong thời gian ngắn đủ để đáp ứng cho hoạt động của các đối tượng cũng là một thách thức hiện nay. • Luồng năng lượng mới Hiện nay, IoT đang trải qua giai đoạn phát triển "bộc phát" và điều này xảy ra nhờ vào một số nhân tố, trong đó gồm IPv6, 4G, chi phí, tính sẵn có của công nghệ. Gary Atkinson, Giám đốc tiếp thị sản phẩm nhúng của ARM cho rằng, đã có nhiều thiết bị chứng tỏ rằng có thể thu thập dữ liệu và truyền tải dữ liệu trên mạng nhưng chỉ có giá khoảng 40USD/sản phẩm. Hiện nay, chúng ta có thể nhìn thấy các bộ vi điều khiển 32-bit nền tảng ARM có giá dưới chỉ trên dưới 1USD (chỉ ở 23.000 đồng - thời giá tháng 4/2017). Với bộ vi điều khiển này, bạn có thể làm nhiều điều trên đó. Thu thập và truyền dữ liệu rẻ hơn nhiều: chỉ 50 xu cho một bộ vi điều khiển 32-bit của ARM. 8 ARM đã "nhanh chân" trong việc nhận ra rằng, ổ đĩa có xu hướng sử dụng các bộ vi điều khiển 32-bit là giải pháp cho những người có ý định thực hiện một số quyết định của riêng họ theo một cách tự động. Gary tin rằng, khả năng của các bộ vi điều khiển này ngày càng tăng, điều này có nghĩa là người dùng có thể làm những điều mà trước đây là bất khả. Trong 5 năm tiếp theo, bạn sẽ thấy ngày càng có nhiều thiết bị trên thị trường. Những thách thức đang diễn ra là quản lý dữ liệu và chuyển sang IPv6 (IPv6 đã sẵn sàng và chạy với địa chỉ đã được cấp phát. IPv4 đã cạn kiệt và 2011 chỉ còn lại những địa chỉ cuối cùng). Axel Pawlik, Giám đốc Quản lý của RIPE NCC lý giải tại sao IPv6 cần thiết cho tương lai của IoT, với IPv6 chúng ta sẽ có lượng địa chỉ phong phú và điều này sẽ mở ra khả năng gán địa chỉ cho mỗi thiết bị (gadget) và chip. Các giải pháp sẽ dễ dàng và đơn giản hơn, rõ ràng hơn, có thể phục hồi đến từng mục địa chỉ riêng, và phạm vi phát triển vô cùng to lớn. Lan Pearson, nhà tương lai học với thành tích ấn tượng tại những hãng như BT, Canon và Fujitsu cho rằng, những gì mà chúng ta thấy ở đây là chưa có tiền lệ hội tụ và phát triển nhanh chóng, không giống như bất kỳ điều gì chúng ta từng thấy trước đó. Động lực cho việc này chính là áp lực hướng đến công nghệ mới, để giúp chúng ta tạo ra những chiếc máy tính nhanh hơn, những ổ đĩa có tốc độ quay nhanh hơn.... Hình 2.2: Xu hướng và tính chất 2.1.3. Ứng dụng Theo Gartner, Inc. (một công ty nghiên cứu và tư vấn công nghệ), sẽ có gần 26 tỷ thiết bị trên IoT vào năm 2020. ABI Research ước tính rằng hơn 30 tỷ thiết bị sẽ được kết nối không dây với "Kết nối mọi thứ" (Internet of Everything) vào năm 2020. Theo một cuộc khảo sát và nghiên cứu gần đây được thực hiện bởi Dự án Internet Pew Research, một phần lớn các chuyên gia công nghệ đã hưởng ứng tham gia sử dụng Internet of Things với 83% đồng ý quan điểm cho rằng Internet / Cloud of Things, nhúng và tính toán đeo (và các hệ thống năng động, tương ứng) sẽ có tác động rộng rãi và mang lại lợi ích đến năm 2025. Như vậy, rõ ràng là IoT sẽ bao gồm một số lượng rất lớn các thiết bị được kết nối với Internet. 9 Tích hợp với mạng Internet có nghĩa rằng thiết bị này sẽ sử dụng một địa chỉ IP như là một định danh duy nhất. Tuy nhiên, do sự hạn chế không gian địa chỉ của IPv4 (cho phép 4,3 tỷ địa chỉ duy nhất), các đối tượng trong IOT sẽ phải sử dụng IPv6 để phù hợp với không gian địa chỉ cực kỳ lớn cần thiết. Các đối tượng trong IoT sẽ không chỉ có các thiết bị có khả năng cảm nhận xung quanh, mà còn cung cấp khả năng truyền động (ví dụ, củ hoặc khóa điều khiển thông qua Internet). Ở một mức độ lớn, tương lai của Internet of Things sẽ không thể không có sự hỗ trợ của IPv6; và do đó việc áp dụng toàn cầu của IPv6 trong những năm tới sẽ rất quan trọng cho sự phát triển thành công của IOT trong tương lai. Khả năng kết nối vào mạng của thiết bị nhúng với CPU, bộ nhớ giới hạn và năng lượng bền bỉ. IoT được ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực. Hệ thống như vậy có thể có nhiệm vụ thu thập thông tin trong các thiết lập khác nhau, từ các hệ sinh thái tự nhiên cho các tòa nhà và các nhà máy, do đó việc tìm kiếm các ứng dụng trong lĩnh vực cảm biến môi trường và quy hoạch đô thị. Mặt khác, hệ thống IoT cũng có thể thực hiện các hành động, không chỉ cảm nhận mọi thứ xung quanh. Hệ thống mua sắm thông minh, ví dụ, có thể theo dõi thói quen người dùng cần ở một cửa hàng bằng cách theo dõi điện thoại di động của họ. Người dùng sau đó có thể được cung cấp các cập nhật trên sản phẩm yêu thích của họ,hoặc thậm chí là vị trí các mục mà họ cần, hay tủ lạnh của họ cần. Tất cả đã tự động chuyển vào điện thoại, ví dụ bổ sung các cảm biến trong các ứng dụng phản ứng lại với nhiệt độ môi trường, điện và quản lý năng lượng,cũng như hỗ trợ hành trình của các hệ thống giao thông vận tải. Tuy nhiên, các ứng dụng của IoT không chỉ giới hạn trong lĩnh vực này. Tường hợp sử dụng chuyên ngành khác của IoT cũng có thể tồn tại. Một cái nhìn tổng quan về một số lĩnh vực nổi bật nhất được cung cấp ở đây. Dựa trên các miền ứng dụng, sản phẩm IoT có thể chia thành năm loại khác nhau: thiết bị đeo thông minh, nhà thông minh, thành phố thông minh, môi trường thông minh, và doanh nghiệp thông minh. Các sản phẩm và giải pháp IoT trong mỗi thị trường có đặc điểm khác nhau. 10 Hình 2.3: Ứng dụng của IoT IoT có ứng dụng rộng vô cùng, có thể kể ra một số thứ như sau: - Quản lý chất thải - Quản lý và lập kế hoạch quản lý đô thị - Quản lý môi trường - Phản hồi trong các tinh huống khẩn cấp - Mua sắm thông minh - Quản lý các thiết bị cá nhân - Đồng hồ đo thông minh - Tự động hóa ngôi nhà Một trong những vấn đề với IoT đó là khả năng tạo ra một ứng dụng IoT nhanh chóng. Để khắc phục, hiện nay nhiều hãng, công ty, tổ chức trên thế giới đang nghiên cứu các nền tảng giúp xây dựng nhanh ứng dụng dành cho IoT. Đại học British Columbia ở Canada hiện đang tập trung vào một bộ toolkit cho phép phát triển phần mềm IoT chỉ bằng các công nghệ/tiêu chuẩn Web cũng như giao thức phổ biến. Công ty như ioBridge thì cung cấp giải pháp kết nối và điều khiển hầu như bất kì thiết bị nào có khả năng kết nối Internet, kể cả đèn bàn, quạt máy... Broadcom mới đây cũng đã giới thiệu hai con chip có mức tiêu thụ điện thấp và giá rẻ dành cho các thiết bị "Internet of things". SoC đầu tiên, BCM4390, được tích hợp một bộ thu phát sóng WiFi 802.11 b/g/n hiệu suất cao để có thể dùng với các vi điều khiển 8 hoặc 16-bit. Broadcom nói rằng 11 sản phẩm này có thể dùng trong các nồi nấu ăn thông minh, bóng đèn, hệ thống an ninh cũng như các thiết bị gia dụng có khả năng điều khiển và quản lý từ xa. SoC thứ hai, BCM20732, thì được tích hợp bộ thu phát tín hiệu Bluetooth và nhắm đến những máy móc như bộ đo nhịp tim, bộ đo bước chạy, thiết bị cảnh báo khi có vật gì đến gần hoặc ổ khóa cửa thông minh. Broadcom cũng đã đóng góp các tập lệnh phần mềm hỗ trợ cho cả công nghệ Bluetooth thường và Bluetooth Smart vào dự án Android Open Source (AOSP). Hiện bản mẫu của hai con chip nàyđang được giao đến đối tác phần cứng và dự kiến sẽ được sản xuất đại trà trong quý 4 năm nay. • Quản lý hạ tầng Giám sát và kiểm soát các hoạt động của cơ sở hạ tầng đô thị và nông thôn như cầu, đường ray tàu hỏa, trên và trang trại là một ứng dụng quan trọng của IoT. Các cơ sở hạ tầng IoT có thể được sử dụng để theo dõi bất kỳ sự kiện hoặc những thay đổi trong điều kiện cơ cấu mà có thể thỏa hiệp an toàn và làm tăng nguy cơ. Nó cũng có thể được sử dụng để lập kế hoạch hoạt động sửa chữa và bảo trì một cách hiệu quả, bằng cách phối hợp các nhiệm vụ giữa các nhà cung cấp dịch vụ khác nhau và người sử dụng của các cơ sở này. Thiết bị IoT cũng có thể được sử dụng để kiểm soát cơ sở hạ tầng quan trọng như cầu để cung cấp truy cập vào tàu. Cách sử dụng của các thiết bị iốt để theo dõi và hạ tầng hoạt động có khả năng cải thiện quản lý sự cố và phối hợp ứng phó khẩn cấp, và chất lượng dịch vụ, tăng lần và giảm chi phí hoạt động trong tất cả các lĩnh vực cơ sở hạ tầng liên quan. Ngay cả các lĩnh vực như quản lý chất thải đứng được hưởng lợi từ tự động hóa và tối ưu hóa có thể được đưa vào bởi IoT. • Y tế Thiết bị IoT có thể được sử dụng để cho phép theo dõi sức khỏe từ xa và hệ thống thông báo khẩn cấp. Các thiết bị theo dõi sức khỏe có thể dao động từ huyết áp và nhịp tim màn với các thiết bị tiên tiến có khả năng giám sát cấy ghép đặc biệt, chẳng hạn như máy điều hòa nhịp hoặc trợ thính tiên tiến, cảm biến đặc biệt cũng có thể được trang bị trong không gian sống để theo dõi sức khỏe và thịnh vượng chung là người già, trong khi cũng bảo đảm xử lý thích hợp đang được quản trị và hỗ trợ người dân lấy lại mất tính di động thông qua điều trị là tốt. Thiết bị tiêu dùng khác để khuyến khích lối sống lành mạnh, chẳng hạn như, quy mô kết nối hoặc máy theo dõi tim mạch, cũng là một khả năng của IoT. • Xây dựng và tự động hóa nhà Thiết bị IoT có thể được sử dụng để giám sát và kiểm soát các hệ thống cơ khí, điện và điện tử được sử dụng trong nhiều loại hình tòa nhà (ví dụ, công cộng và tư nhân, công nghiệp, các tổ chức, hoặc nhà ở). Hệ thống tự động hóa, như các tòa nhà tự động hóa hệ thống, thường được sử dụng để điều khiển chiếu sáng, sưởi ấm, thông gió, điều hòa không khí, thiết bị, hệ thống thông tin liên lạc, giải trí và các thiết bị an ninh gia đình để nâng cao sự tiện lợi, thoải mái, hiệu quả năng lượng và an ninh. • Giao thông Các sản phẩm IoT có thể hỗ trợ trong việc tích hợp các thông tin liên lạc, kiểm soát và xử lý thông tin qua nhiều hệ thống giao thông vận tải. Ứng dụng của IoT mở rộng đến tất cả các khía cạnh của hệ thống giao thông, tức là xe, cơ sở hạ tầng, và người lái xe hoặc sử dụng. Năng động, tương tác giữa các thành phần của một hệ thống giao thông vận tải cho phép truyền thông giữa nội và xe cộ, điều 12 khiển giao thông thông minh, bãi đậu xe thông minh, hệ thống thu phí điện tử, quản lý đội xe, điều khiển xe, an toàn và hỗ trợ đường bộ. Còn rất nhiều các ứng dụng từ nhỏ đến lớn khác mà IoT có thể tạo nên và đề tài cũng đang ứng dụng IoT vào nghiên cứu và xây dựng mô hình IoT trong nông nghiệp. 2.1.4. Một số tác nhân cản trở sựu phát triển của IoT • Chưa có một ngôn ngữ chung Ở mức cơ bản nhất, Internet là một mạng dùng để nối thiết bị này với thiết bị khác. Nếu chỉ riêng có kết nối không thôi thì không có gì đảm bảo rằng các thiết bị biết cách nói chuyện nói nhau. Ví dụ, bạn có thể đi từ Việt Nam đến Mỹ, nhưng không đảm bảo rằng bạn có thể nói chuyện với người Mỹ.Để các thiết bị có thể giao tiếp với nhau, chúng sẽ cần một hoặc nhiều giao thức (protocols), có thể xem là một thứ ngôn ngữ chuyên biệt để giải quyết một tác vụ nào đó. Chắc chắn bạn đã ít nhiều sử dụng một trong những giao thức phổ biến nhất thế giới, đó là HyperText Transfer Protocol (HTTP) để tải web. Ngoài ra chúng ta còn có SMTP, POP, IMAP dành cho email, FTP dùng để trao đổi file. Những giao thức như thế này hoạt động ổn bởi các máy chủ web, mail và FTP thường không phải nói với nhau nhiều, khi cần, một phần mềm biên dịch đơn giản sẽ đứng ra làm trung gian để hai bên hiểu nhau. Còn với các thiết bị IoT, chúng phải đảm đương rất nhiều thứ, phải nói chuyện với nhiều loại máy móc thiết bị khác nhau. Đáng tiếc rằng hiện người ta chưa có nhiều sự đồng thuận về các giao thức để IoT trao đổi dữ liệu. Nói cách khác, tình huống này gọi là "giao tiếp thất bại", một bên nói nhưng bên kia không thèm (và không thể) nghe. • Hàng rào subnetwork Như đã nói ở trên, thay vì giao tiếp trực tiếp với nhau, các thiết bị IoT hiện nay chủ yếu kết nối đến một máy chủ trung tâm do hãng sản xuất một nhà phát triển nào đó quản lý. Cách này cũng vẫn ổn thôi, những thiết bị vẫn hoàn toàn nói chuyện được với nhau thông qua chức năng phiên dịch của máy chủ rồi. Thế nhưng mọi chuyện không đơn giản như thế, cứ mỗi một mạng lưới như thế tạo thành một subnetwork riêng, và buồn thay các máy móc nằm trong subnetwork này không thể giao tiếp tốt với subnetwork khác. Lấy ví dụ như xe ô tô chẳng hạn. Một chiếc Ford Focus có thể giao tiếp cực kì tốt đến các dịch vụ và trung tâm dữ liệu của Ford khi gửi dữ liệu lên mạng. Nếu một bộ phận nào đó cần thay thế, hệ thống trên xe sẽ thông báo về Ford, từ đó hãng tiếp tục thông báo đến người dùng. Nhưng trong trường hợp chúng ta muốn tạo ra một hệ thống cảnh báo kẹt xe thì mọi chuyện rắc rối hơn nhiều bởi xe Ford được thiết lập chỉ để nói chuyện với server của Ford, không phải với server của Honda, Audi, Mercedes hay BMW. Lý do cho việc giao tiếp thất bại? Chúng ta thiếu đi một ngôn ngữ chung. Và để thiết lập cho các hệ thống này nói chuyện được với nhau thì rất tốn kém, đắt tiền. Một số trong những vấn đề nói trên chỉ đơn giản là vấn đề về kiến trúc mạng, về kết nối mà các thiết bị sẽ liên lạc với nhau (Wifi, Bluetooth, NFC,...). Những thứ này thì tương đối dễ khắc phục với công nghệ không dây ngày nay. Còn với các vấn đề về giao thức thì phức tạp hơn rất nhiều, nó chính là vật cản lớn và trực tiếp trên còn đường phát triển của Internet of Things. • Có quá nhiều "ngôn ngữ địa phương" 13 Bây giờ giả sử như các nhà sản xuất xe ô tô nhận thấy rằng họ cần một giao thức chung để xe của nhiều hãng có thể trao đổi dữ liệu cho nhau và họ đã phát triển thành công giao thức đó. Thế nhưng vấn đề vẫn chưa được giải quyết. Nếu các trạm thu phí đường bộ, các trạm bơm xăng muốn giao tiếp với xe thì sao? Mỗi một loại thiết bị lại sử dụng một "ngôn ngữ địa phương" riêng thì mục đích của IoT vẫn chưa đạt được đến mức tối đa. Đồng ý rằng chúng ta vẫn có thể có một trạm kiểm soát trung tâm, thế nhưng các thiết bị vẫn chưa thật sự nói chuyện được với nhau. • Tiền và chi phí Cách duy nhất để các thiết bị IoT có thể thật sự giao tiếp được với nhau đó là khi có một động lực kinh tế đủ mạnh khiến các nhà sản xuất đồng ý chia sẻ quyền điều khiển cũng như dữ liệu mà các thiết bị của họ thu thập được. Hiện tại, các động lực này không nhiều. Có thể xét đến ví dụ sau: một công ty thu gom rác muốn kiểm tra xem các thùng rác có đầy hay chưa. Khi đó, họ phải gặp nhà sản xuất thùng rác, đảm bảo rằng họ có thể truy cập vào hệ thống quản lý của từng thùng một. Điều đó khiến chi phí bị đội lên, và công ty thu gom rác có thể đơn giản chọn giải pháp cho một người chạy xe kiểm tra từng thùng một. 2.2. Kit nodeMCU/esp8266 2.2.1. Lịch sử hình thành và khái niệm NodeMCU được tạo ra ngay sau khi ESP8266 ra mắt. Vào ngày 30 tháng 12 năm 2013, Espressif Systems đã bắt đầu sản xuất ESP8266. ESP8266 là một Wi-Fi SoC (System on Chip) tích hợp với một lõi Tensilica Xtensa LX106, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng IoT . NodeMCU bắt đầu vào ngày 13 tháng 10 năm 2014, khi cam kết tệp đầu tiên của phần mềm nodemcu đến GitHub. Hai tháng sau, dự án mở rộng bao gồm một nền tảng phần cứng mở khi nhà phát triển Huang R đã tạo ra tệp gerber của một bảng ESP8266, đặt tên devkit v0.9. Cuối tháng đó, Tuan PM đã chuyển thư viện khách hàng MQTT (MQ Telemetry Transport or Message Queue Telemetry Transport) từ Contiki sang nền tảng SoC của ESP8266 và cam kết dự án NodeMCU, sau đó NodeMCU đã có thể hỗ trợ giao thức IQ của MQTT, sử dụng Lua để truy cập vào môi giới MQTT. Một bản cập nhật quan trọng được thực hiện vào ngày 30 Tháng Một 2015, khi Devsaurus chuyển các u8glib cho dự án NodeMCU, cho phép NodeMCU dễ dàng kết nối LCD, màn hình, màn hình OLED, thậm chí màn hình VGA. Vào mùa hè năm 2015, những người sáng tạo đã từ bỏ dự án phần mềm và một nhóm các nhà đóng góp độc lập nhưng đã dành riêng. Đến mùa hè năm 2016, NodeMCU bao gồm hơn 40 mô-đun khác nhau. Do hạn chế nguồn lực, người dùng cần chọn các mô đun có liên quan đến dự án của họ và xây dựng một phần mềm phù hợp với nhu cầu. Như vậy: ESP8266 được định nghĩa là một chip Wi-Fi chi phí thấp với đầy đủ giao thức TCP / IP và vi điều khiển (MCU). 14 Hình 2.4: ESP8266 NodeMCU là một nền tảng IoT nguồn mở . Nó bao gồm phần mềm chạy trên ESP5266 Wi-Fi SoC của Espressif Systems và phần cứng dựa trên mô đun ESP-12. Thuật ngữ "NodeMCU" mặc định đề cập đến là bộ công cụ phát triển. Hình 2.5: kit nodeMCU 2.2.2. Tổng quan về nodeMCU/esp8266 NodeMCU/ESP8266 cung cấp một giải pháp mạng Wi-Fi hoàn chỉnh và khép kín, cho phép nó lưu trữ các ứng dụng hoặc để offload tất cả các chức năng mạng Wi-Fi từ ứng dụng của tiến trình khác. Khi NodeMCU/ESP8266 lưu trữ ứng dụng, và khi nó là bộ xử lý ứng dụng duy nhất trong thiết bị thì nó có thể khởi động trực tiếp từ một đèn flash bên ngoài. Thiết bị đã tích hợp bộ nhớ cache để cải thiện hiệu suất của hệ thống trong các ứng dụng như vậy, và để giảm thiểu yêu cầu bộ nhớ. Ngoài ra, thiết bị phục vụ như một bộ chuyển đổi Wi-Fi, truy cập internet không dây có thể được thêm vào bất kỳ thiết kế vi điều khiển nào dựa trên với kết nối đơn giản thông qua giao diện UART hoặc CPU giao diện cầu AHB. ESP8266 trên board xử lý và lưu trữ các khả năng cho phép nó được tích hợp với các cảm biến và các thiết bị ứng dụng cụ thể thông qua các GPIO của nó với sự phát triển tối thiểu ở phía trước và tải tối thiểu trong thời gian chạy. Với mức độ tích hợp chip cao, bao gồm: chuyển đổi ăng ten balun, chuyển đổi quản lý năng lượng, nó đòi hỏi các mạch bên ngoài tối thiểu và toàn bộ giải pháp bao gồm mô đun đầu cuối, được thiết kế với diện tích PCB tối thiểu. 15 Các tính năng cung cấp hệ thống tinh vi bao gồm: chuyển đổi bối cảnh nhanh / ngủ thành năng lượng VoIP, thích ứng cho hoạt động năng lượng thấp, xử lý tín hiệu trước, và kích hoạt tính năng hủy bỏ và radio co-existence cho các cellular, Bluetooth, DDR, LVDS, LCD. • Công nghệ năng lượng thấp ESP8266 được thiết kế cho điện thoại di động, thiết bị điện tử đeo và ứng dụng Internet of Things với mục đích đạt được tiêu thụ điện năng thấp nhất với sự kết hợp của một số kỹ thuật độc quyền tiên tiến. Kiến trúc tiết kiệm năng lượng hoạt động ở 3 chế độ: chế độ hoạt động, chế độ ngủ và chế độ ngủ sâu. Bằng cách sử dụng các kỹ thuật quản lý năng lượng tiên tiến và logic để tắt chức năng không yêu cầu và để điều khiển chuyển đổi giữa chế độ ngủ và hoạt động, ESP8266 tiêu thụ ít hơn 12uA ở chế độ ngủ và ít hơn 1.0mW (DTIM = 3) hoặc nhỏ hơn 0.5mW (DTIM = 10) ở kết nối với điểm truy cập. Khi ở chế độ ngủ, chỉ có đồng hồ hiệu chỉnh thời gian thực và cơ quan giám sát vẫn hoạt động. Thời gian thực đồng hồ có thể được lập trình để đánh thức ESP8266 ở bất kỳ khoảng thời gian yêu cầu nào. ESP8266 có thể được lập trình để đánh thức khi phát hiện một điều kiện cụ thể. Tính năng đánh thức tối thiểu này của ESP8266 có thể được sử dụng bởi thiết bị di động SOCs, cho phép vẫn ở chế độ chờ nguồn năng lượng thấp cho đến khi cần Wi-Fi. Để đáp ứng nhu cầu điện năng của thiết bị điện tử di động và đeo được, ESP8266 có thể được lập trình để giảm công suất ra của PA để phù hợp với các yêu cầu ứng dụng khác nhau. 2.2.3. Các loại modules ESP ESP- chúng được gọi chung là "ESP-xx modules". Để tạo thành một hệ thống phát triển khả thi chúng đòi hỏi các thành phần bổ sung, đặc biệt là bộ tiếp hợp TTL-USB (đôi khi được gọi là cầu nối USB-to-UART) và nguồn điện 3,3 volt bên ngoài. Các nhà phát triển Novice ESP-8266 khuyến khích xem xét các bảng phát triển Wi-Fi lớn hơn ESP8266 như NodeMCU bao gồm cầu USBtoUART và một kết nối Micro-USB cùng với bộ điều chỉnh công suất 3,3 volt đã được tích hợp sẵn trong bảng. Khi phát triển dự án hoàn thành, chúng ta có thể không cần các thành phần này và có thể xem xét sử dụng các mô-đun ESP-xx rẻ hơn như là một sức mạnh thấp hơn. 16 Bảng 2.1: Các loại module ESP Nam e Ativ e pins Pitch Form factor LED s Antenna Shielde d Dimension s (mm) ESP01 6 0.1” 2x4 DIL YES PCB trace No 14.3 x 24.8 ESP02 6 0.1” 2x4 DIL castellate d No U.FL connecto r No 14.2 × 14.2 ESP03 10 2 mm 2x4 DIL castellate d No Ceramic No 17.3 × 12.1 ESP04 10 2 mm 2x4 DIL castellate d No None No 14.7 × 12.1 ESP05 3 0.1” 1x5 SIL No U.FL connecto r No 14.2 × 14.2 ESP06 11 Misc 4x3 dice No None Yes 14.2 × 14.7 Not FCC approved ESP07 14 2 mm 2x8 DIL castellate d Yes Ceramic + U.FL connecto r Yes 20.0 × 16.0 Not FCC approved ESP08 10 2 mm 2x7 DIL castellate d No None Yes 17.0 × 16.0 Not FCC approved ESP09 10 Misc 4x3 dice No None No 10.0 × 10.0 ESP10 3 2 mm? 1x5 DIL castellate d No None No 14.2 × 10.0 ESP11 6 0.05 ” 1x8 pinhole No Ceramic Yes 17.3 × 12.1 ESP12 14 2 mm 2x8 DIL castellate Yes PCB trace Yes 24.0 × 16.0 17 Notes FCC and CE approved[14 d ] ESP12E 20 2 mm 2x8 DIL castellate d Yes PCB trace Yes 24.0 × 16.0 4 MiB Flash ESP12F 20 2 mm 2x8 DIL castellate d Yes PCB trace Yes 24.0 × 16.0 FCC and CE approved. Improved antenna performance. 4 MiB Flash ESP13 16 1.5 mm 2x9 DIL castellate d No PCB trace Yes W18.0 × L20.0 Marked as ″FCC″. Shielded module is placed sideways, as compared to the ESP-12 modules. ESP14 22 2 mm 2x6 DIL castellate d +6 No PCB trace Yes 24.3 × 16.2 18 2.4. Cấu tạo và nguyên lí làm việc của nodeMCU/esp8266 • Sơ đồ chân của nodeMCU Hình 2.6: Sơ đồ chân của nodeMCU • Sơ đồ nguyên lí các khối trong nodeMCU: - ESP 12-CORE 19 Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lí khối ESP 12-CORE trong nodeMCU - USB TO UART Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lí khối USB TO UART trong nodeMCU - POWER 20