THIẾT kế 1 hệ THỐNG IOTS TRONG NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH ( NUÔI TRỒNG NHÀ KÍNH)

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠNG NGHỆ ĐIỆN TỬ  Nguyễn Thị Hồng Ngọc ĐỀ TÀI TIỂU LUẬN 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG IOTS TRONG NÔNG NGHIỆP THƠNG MINH ( NI TRỒNG NHÀ KÍNH) Mơn thi: IoT công nghiệp/Internet vạn vật Lớp: DHDTTM14A - 420300330802 TIỂU LUẬN THI CUỐI KỲ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2021 THÔNG TIN CHUNG Họ tên sinh viên : Nguyễn Thị Hồng Ngọc MSSV: 18029151 Lớp : DHDTTM14A Khóa: 2018 – 2022 Chuyên ngành : Công nghệ kỹ thuật điện tử - viễn thông Mã chuyên ngành : 7510302 SĐT : 0388839091 Email : hongngoc041200@gmail.com Địa liên hệ : 102 đường số 43, p.tân quy, quận 7, TPHCM Tên đề tài/tiểu luận : Thiết kế hệ thống IoTs nơng nghiệp thơng minh ( ni trồng nhà kính) Tp Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng Sinh viên (Ký ghi rõ họ tên) năm 2021 MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG BIỂU MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu đề tài 1.2 Ý tưởng CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Phần mềm hỗ trợ 2.1.1 Arduino IDE 2.1.2 Proteus 2.2 Linh kiện 2.2.1 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 2.2.2 Module Relay 12VDC 2.2.3 Màn hình hiển thị LCD chân giao tiếp I2C 2.2.4 Cảm biến ánh sáng quang điện trở 2.2.5 Cảm biến độ ẩm đất Soil Moisture Sensor 2.2.6 Bóng đèn 2.3 Phần cứng 2.3.1 Node MCU ESP8266 Thông số kỹ thuật: 2.3.2 Arduino Uno CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.1 Sơ đồ khối 3.1.1 Giới thiệu chung mạch 3.1.2 Chức khối 10 3.2 Sơ đồ nguyên lý 12 3.3 PCB 13 3.4 Lưu đồ giải thuật 14 CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT HỆ THỐNG 15 4.1 Kết luận 15 4.2 Ưu điểm nhược điểm 15 TÀI LIỆU THAM KHẢO 16 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình Phần mềm Arduino IDE Hình 2 Phần mềm Proteus Hình Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 Hình Module Relay 12V Hình LCD16X02 Hình I2C ( PCF8574) Hình Cảm biến quang điện trở LDR Hình Cảm biến đo độ ẩm đất Soil Moisture Sensor Hình Bóng đèn sợi tóc Hình 10 NodeMCU ESP8266 Hình 11 Arduino Uno Hình Sơ đồ khối Hình Sơ đồ nguyên lý 12 Hình 3 PCB 13 Hình Lưu đồ thuật toán 15 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Bảng thông số kỹ thuật Arduino MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Đất nước ta giai đoạn cơng nghiệp hóa, đại hóa nên Khoa học – Kỹ thuật mối quan tâm hàng đầu Cùng với phát triển nhanh chóng Khoa học – Kỹ thuật xu hướng công nghiệp 4.0 Bằng việc ứng dụng công nghệ, thiết bị, mạng Lora, Zigbee hay Wifi, Bluetooth loại cảm biến, module đại IoTs đời đem lại nhiều sản phẩm điều khiển vạn vật thơng minh giúp ích cho nhu cầu sinh hoạt sản xuất người Tiêu biểu smart home, smart city, smart farm,… Như biết, Việt Nam nước đứng thứ Đông Nam Á lĩnh vực nơng nghiệp Do đó, u cầu chất lượng, sản lượng sản phẩm nông nghiệp ngày tăng cao Để đáp ứng yêu cầu nhiều doanh nghiệp kỹ thuật, công nghệ áp dụng thiết bị thông minh, điều khiển tự động giám sát thơng qua internet vào nơng nghiệp Từ smart farm hay cịn gọi ni trồng nhà kính hệ thống thông minh đời Mục tiêu đề tài Nâng cao chất lượng sản phẩm nông nghiệp, giúp người ni trồng kiểm sốt liệu dễ dàng hệ thống internet Đáp ứng yêu cầu chất lượng, sản lượng sản phẩm Đối tượng phạm vi nghiên cứu Ni trồng nhà kính áp dụng ngành nông nghiệp, công nghiệp nuôi trồng cây, rau, củ, Điển dâu tây, rau xanh, loại thảo mộc, Ý nghĩ thực tiễn đề tài Việc áp dụng hệ thống thông minh vào ni trồng nhà kính khơng tiện lợi, an tồn, thơng minh mà cịn dễ dàng kiểm sốt thơng số mơi trường nhà kính qua internet Giảm thiểu chi phí lao động, áp dụng cơng nghệ đại vào nhà kính để tăng giá trị suất cho trồng, rau,củ, Nuôi trồng nhà kính khơng bị ảnh hưởng thời tiết nắng mưa thất thường bên ngồi Đảm bảo thơng số nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, độ ẩm đất mức ổn định Không chịu ảnh hưởng sâu,bọ, trùng bên ngồi CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu đề tài Hệ thống IoTs nông nghiệp thông minh, cụ thể nuôi trồng nhà kính đề tài thực tiễn áp dụng vào ngành nông nghiệp, công nghiệp trồng trọt Với tiêu chí: tiện lợi, thơng minh, hiệu - ni trồng nhà kính hệ thống thơng minh hay cịn gọi smart farm xu hướng nhiều doanh nghiệp áp dụng 1.2 Ý tưởng Sử dụng Arduino Uno NodeMCU ESP8266 Wifi để điều khiển cảm biến: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, độ ẩm đất Các thông số, liệu cảm biến thị lên LCD.Dùng app Blynk, web server Thingspeak để kiểm soát liệu điều khiển cảm biến CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Phần mềm hỗ trợ 2.1.1 Arduino IDE Hình Phần mềm Arduino IDE - Arduino IDE trình soạn thảo văn bản, hỗ trợ viết code nạp vào bo mạch Arduino 2.1.2 Proteus Hình 2 Phần mềm Proteus - Proteus phần mềm mô mạch điện tử lập trình code cho MCU phân phối hãng Labcenter, gồm chức Schematic Capture (ISIS) PCB Design (ARES), bổ sung thêm chức IoT Builder hỗ trợ thiết kế giao diện tương tác Proteus mô cho hầu hết linh kiện điện tử thông dụng, đặc biệt hỗ - trợ cho MCU PIC, 8051, AVR, Motorola 2.2 Linh kiện 2.2.1 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 Hình Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 - Nguồn: -> VDC - Dòng sử dụng: 2.5mA max (khi truyền liệu) - Đo tốt độ ẩm 20-80%RH với sai số 5% - Đo tốt nhiệt độ to 50°C sai số ±2°C 2.2.2 Module Relay 12VDC Hình Module Relay 12V - COM: chân nối với chân đồ dùng điện, mắc vào dây nóng dùng hiệu điện xoay chiều cực dương hiệu điện chiều - ON NO: nối với chân nóng dùng điện xoay chiều cực dương nguồn dòng chiều - OFF hoạc NC: nối với chân lạn dùng điện xoay chiều cực âm nguồn dòng chiều - Tải tối đa : AC 250V / 10A, DC 30V / 10A - Dịng kích hoạt: 5mA - Điện áp làm việc: 12V - DC +: nguồn điện dương (VCC) - DC-: tiêu cực cung cấp điện (GND) - IN: relay điều khiển mức cao thấp đầu relay 2.2.3 Màn hình hiển thị LCD chân giao tiếp I2C 2.2.3.1 Màn hình hiển thị LCD Hình LCD16X02 - LCD 16×2 có 16 chân chân liệu (D0 – D7) chân điều khiển (RS, RW, EN) - chân lại dùng để cấp nguồn đèn cho LCD 16×2 - Các chân điều khiển giúp ta dễ dàng cấu hình LCD chế độ lệnh chế độ liệu - Cấu hình chế độ đọc ghi 2.2.3.2 Chân giao tiếp I2C Hình I2C ( PCF8574) - Điện áp hoạt động: 2.5-6V DC - Hỗ trợ hình: LCD1602,1604,2004 (driver HD44780) - Giao tiếp: I2C - Địa mặc định: 0X27 (có thể điều chỉnh ngắn mạch chân A0/A1/A2) - Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD ngắt 2.2.4 Cảm biến ánh sáng quang điện trở Hình Cảm biến quang điện trở LDR - Điện áp hoạt động: 3.3 – 5V - Output: analog TTL - Ngõ analog: – 5V 2.2.5 Cảm biến độ ẩm đất Soil Moisture Sensor Hình Cảm biến đo độ ẩm đất Soil Moisture Sensor - Điện áp hoạt động: 3.3~5VDC - Tín hiệu đầu ra: o Analog: theo điện áp cấp nguồn tương ứng o Digital: High Low, điều chỉnh độ ẩm mong muốn biến trở thông qua mạch so sánh LM393 tích hợp 2.2.6 Bóng đèn Hình Bóng đèn sợi tóc - Đèn dây tóc sử dụng điên áp xoay chiều 220V với công suất lên đến 5W 2.3 Phần cứng 2.3.1 Node MCU ESP8266 Hình 10 NodeMCU ESP8266 Thơng số kỹ thuật: - Hỗ trợ Arduino IDE Arduino ESP8266 - Sử dụng module wifi ESP – 12E - Nguồn vào: Cấp nguồn 5V chương trình thơng qua cổng USB - Kích thước: 49 x 24.5 x 13mm - IC chính: ESP8266 Wifi SoC - Phiên firmware: Node MCU - Chip nạp giao tiếp UART: CP2102 - GPIO tương thích hồn tồn với firmware - Node MCU 2.3.2 Arduino Uno Hình 11 Arduino Uno Vi điều khiển Điện áp hoạt động Tần số hoạt động Dòng tiêu thụ Điện áp vào khuyên dùng Điện áp vào giới hạn Số chân Digital I/O Số chân Analog Dòng tối đa chân I/O Dòng tối đa (5V) Dòng tối đa (3.3V) Bộ nhớ flash SRAM EEPROM ATmega328 họ 8bit 5V DC (chỉ cấp qua cổng USB) 16 MHz khoảng 30mA 7-12V DC 6-20V DC 14 (6 chân hardware PWM) (độ phân giải 10bit) 30 mA 500 mA 50 mA 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bootloader KB (ATmega328) KB (ATmega328) Bảng Bảng thông số kỹ thuật Arduino CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.1 Sơ đồ khối Module relay điều khiển bơm nước Module relay điều khiển phun sương Module relay điều khiển đèn LCD hiển thị thông tin APP Blynk giám sát điện thoại, web server Module wifi ESP8266 + Arduino Uno Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 Cảm biến ánh sáng Cảm biến độ ẩm đất Hình Sơ đồ khối 3.1.1 Giới thiệu chung mạch - Mạch sử dụng cảm biến DHT11 để đo nhiệt độ, độ ẩm nhà kính, moisture sensor đo độ ẩm đất, cảm biến ánh sáng LDR NodeMCU ESP8266 Arduino Uno - Lập trình cho ESP8266 thơng qua Arduino, ESP8266 phát wifi truyền liệu hoạt động cho cảm biến data gửi lên app Blynk - Xác định đầu vào đầu mạch: • Đầu vào: o Arduino Uno, ESP8266, cảm biến nhiệt độ - độ ẩm, cảm biến đo độ ẩm đất, cảm biến quang điện trở LDR, module relay • Đầu ra: o LCD hiển thị, app Blynk web server, máy bơm nước, máy phun sương, đèn 3.1.2 Chức khối - Khối nguồn: • Dùng nguồn tổ ơng 12V/2A cấp cho module relay • Dùng nguồn 5V Arduino cấp cho LCD, DHT11, NodeMCU ESP8266 • Dùng nguồn Adapter USB 5V/2A cấp nguồn cho Arduino • Dùng nguồn 3.3V Arduino cấp cho LDR, GPIO NodeMCU ESP8266 - Khối cảm biến: • Cảm biến DHT11 dùng để đo nhiệt độ, độ ẩm: chân DOUT DHT11 nối với chân D6 (GPIO12 – MISO) ESP8266, VCC – 5V (dùng điện trở 4k7Ω để giảm dòng), GND – GND • Cảm biến LDR dùng để đo độ sáng – tối: chân – 3.3V, chân nối với điện trở 10kΩ để giảm dòng – nối với chân A0 ( đầu vào Analog) – nối với GND • Cảm biến Soil Moisture Sensor dùng để đo độ ẩm đất: VCC – 5V, GND – GND, chân D0 cảm biến nối với chân D5 (GPIO14 – SCLK) - Khối hiển thị: • LCD: o A (+) – 5V ( dùng điện trở 220Ω để giảm dòng) o K (-) – GND o Nối chân D7, D6, D5, D4, E, RW, RS với chân I2C PCF8574, P7, P6, P5, P4, P2, P1, P0 • I2C (PCF8574): 10 o Thay phải chân vi điều khiển để kết nối với LCD 16×2 (RS, EN, D7, D6, D5 D4) module IC2 cần chân SCL, SDA để kết nối với chân D1, D2 ESP8266 o A0, A1, A2 – 5V • App Blynk web server: tất data cảm biến gửi lên phần mềm điện thoại web server Nhờ đó, kiểm sốt thơng số liệu dễ dàng điều khiển cảm biến, module trực tiếp app - Khối điều khiển động cơ: • Module relay nhận tín hiệu kích từ Arduino, tiếp đến đóng ngắt dịng điện có áp 12V/DC vào Input bóng đèn, máy bơm nước, phun sương - Khối điều khiển trung tâm: • Arduino Uno: nhận tính hiệu phân tích tín hiệu trả từ NodeMCU ESP8266 • Node MCU ESP8266: thu thập liệu lập trình từ Arduino điều khiển cảm biến qua sóng wifi 11 3.2 Sơ đồ nguyên lý Hình Sơ đồ nguyên lý 12 3.3 PCB Hình 3 PCB 13 3.4 Lưu đồ giải thuật BEGIN Đọc liệu nhiệt độ, độ ẩm DHT11 Đọc liệu cảm biến độ ẩm đất Đọc liệu cảm biến ánh sáng Đ Kiểm tra điều kiện cần độ ẩm đất cần bật/tắt bơm nước? Bật/Tắt Bơm nước S Đ Kiểm tra điều kiện cần độ ẩm đất cần bật/tắt bơm nước? Bật/Tắt đèn S Đ Kiểm tra điều kiện cần độ ẩm đất cần bật/tắt bơm nước? S Hiển thị trạng thái LCD Gửi liệu lên phần mềm 14 Bật/Tắt phun sương Hình Lưu đồ thuật tốn CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT HỆ THỐNG 4.1 Kết luận - Hệ thống hoạt động ổn định mức 70%, đo nhiệt độ, độ ẩm nhà kính, đo độ ẩm đất độ sáng nhà kính Tự động bơm nước, phun sương theo thời thời gian, liều lượng định sẵn Thông qua data gửi lên web server, phần mềm điện thoại giúp người dùng kiểm tra dễ dàng khắc phục cố kịp thời - Sau hoàn thành đề tài tiểu luận em vận dụng được: • Cách sử dụng loại cảm biến, module • Sử dụng lập trình vi điều khiển • Biết cách vận dụng hệ thống IoTs vào đề tài • Vẽ sơ đồ nguyên lý, PCB qua phần mềm Proteus 4.2 Ưu điểm nhược điểm - Ưu điểm: • Hiệu vượt trội, tăng cao giá trị suất sản phẩm • Tiết kiệm chi phí th người lao động • Tiết kiệm lượng giảm thiểu nhiễm mơi trường • Hệ thống tự động vận hành, điều khiển, kiểm soát liệu từ xa - Nhược điểm • Bắt buộc phải có mạng khơng dây wifi, smart phone 15 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] https://www.scribd.com/document/385171180/AutomatedGreenhouse?fbclid=IwAR2N1K7hm0VwSExIG4_wKCouxUmKpn80zUpJ1cHvA9AGaoDTGcfyiZqI6U [2] https://www.scribd.com/document/433501807/GREENHOUSEMONITORING?fbclid=IwAR04LpcyF_TjsxJOqrHy6voRsKV68RoIdTARQwJb0 VKyh9GoiQMrK8qnU3w [3]https://skhcn.quangbinh.gov.vn/3cms/upload/khcn/File/TapChiKHCN/2017/so1/ 25.pdf?fbclid=IwAR0c49oVX7-L7xIKg-lKSNBk5kiHxXvckJjMvxnOYaIo1FyzSJWIyGfamM [4] https://www.researchgate.net/publication/334858202_Internet-ofThings_IoT-Based_Smart_Agriculture_Toward_Making_the_Fields_Talk 16 ... ngồi CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1. 1 Giới thiệu đề tài Hệ thống IoTs nông nghiệp thông minh, cụ thể nuôi trồng nhà kính đề tài thực tiễn áp dụng vào ngành nông nghiệp, công nghiệp trồng trọt... Ni trồng nhà kính áp dụng ngành nông nghiệp, công nghiệp nuôi trồng cây, rau, củ, Điển dâu tây, rau xanh, loại thảo mộc, Ý nghĩ thực tiễn đề tài Việc áp dụng hệ thống thông minh vào ni trồng nhà. .. Tên đề tài/tiểu luận : Thiết kế hệ thống IoTs nông nghiệp thơng minh ( ni trồng nhà kính) Tp Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng Sinh viên (Ký ghi rõ họ tên) năm 20 21 MỤC LỤC MỤC LỤC DANH