GIỚI THIỆU
Tổng quan
Nông nghiệp đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an ninh lương thực và là một trong hai ngành sản xuất vật chất chủ chốt của nền kinh tế Đây là lĩnh vực sản xuất chính, không chỉ đảm bảo đời sống cho xã hội mà còn cung cấp nguyên liệu và tiêu thụ sản phẩm cho nền kinh tế, đồng thời tích lũy cho ngành công nghiệp Hiện nay, Việt Nam vẫn là nước chủ yếu sản xuất nông nghiệp, với hơn 66,9% dân số sống ở vùng nông thôn và lao động nông nghiệp chiếm 42% tổng lao động xã hội.
Hiện nay, Việt Nam đang nỗ lực xây dựng một nền công nghiệp phát triển, điều này không chỉ mang lại nhiều lợi ích mà còn gây ra nhiều vấn đề, đặc biệt là ô nhiễm môi trường Ngành nông nghiệp là một trong những lĩnh vực chịu ảnh hưởng nặng nề từ tình trạng này Thêm vào đó, sản xuất nông nghiệp trong nước cũng đang phải đối mặt với nhiều thách thức do các hiện tượng thời tiết cực đoan ngày càng phức tạp, một phần là do biến đổi khí hậu toàn cầu, dẫn đến sự suy giảm năng suất và chất lượng sản phẩm nông nghiệp.
Việc chuyển dịch cơ cấu kinh tế sang công nghiệp và dịch vụ đã dẫn đến sự giảm đáng kể nhân lực trong lĩnh vực nông nghiệp Dự báo cho thấy số lượng nhân lực trong nông nghiệp sẽ tiếp tục giảm trong những năm tới, đặt ra thách thức trong việc giải quyết vấn đề nhân lực cho ngành này.
Việc tìm kiếm giải pháp mới nhằm ổn định và nâng cao chất lượng sản phẩm, năng suất thu hoạch đã trở thành ưu tiên hàng đầu của nhà nước trong những năm qua Ứng dụng công nghệ trong chăm sóc và thu hoạch nông nghiệp không chỉ giúp khắc phục vấn đề thiên tai và môi trường, mà còn tiết kiệm nhân lực, gia tăng năng suất cây trồng và đơn giản hóa quản lý.
Trong những năm gần đây, Internet of Things (IoT) đã trở thành một ứng dụng công nghệ nổi bật trong nông nghiệp, mang lại nhiều kết quả thành công và ngày càng được áp dụng rộng rãi trên các diện tích canh tác Chúng tôi chọn đề tài “hệ thống giám sát nông nghiệp công nghệ IoT” nhằm tìm hiểu tác động của công nghệ đối với sự phát triển của cây trồng và khả năng quản lý của người điều khiển Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng sẽ khám phá các ứng dụng công nghệ điện tử trong lĩnh vực này.
Nhiệm vụ đề tài
Mục tiêu của đề tài là phát triển một hệ thống IoT trong nông nghiệp, có khả năng giám sát các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, độ ẩm đất và cường độ ánh sáng thông qua các cảm biến Hệ thống này cho phép người dùng thực hiện các thao tác giám sát và điều khiển dễ dàng trên một trang web qua kết nối WiFi và một ứng dụng Android.
Phân chia công việc trong nhóm
Mai Hoàng Minh Nhóm trưởng, lên kế hoạch, code chương trình, xây dựng giải thuật, thiết kế phần cứng, thi công mạch, kiểm tra mạch.
Trần Nguyễn Thanh Tú và Nguyễn Văn Tuấn Đức đã thực hiện kiểm tra mạch, xây dựng giải thuật, lên ý tưởng và viết báo cáo một cách hiệu quả.
Theo dõi tiến trình sản phẩm
5 Thi công và kiểm tra x x
LÝ THUYẾT
CHUẨN GIAO TIẾP I2C
I2C có tên đầy đủ là Intergrated-Circuit, là một loại bus nối tiếp được phát triển bởi hãng sản xuất linh kiện điện tử Philips.
I2C, với tính năng vượt trội và dễ sử dụng, đã trở thành một chuẩn mực phổ biến trong các mô-đun truyền thông giao tiếp của vi mạch tích hợp hiện nay.
Hình 2- 1 Sơ đồ chuẩn giao tiếp I2C
CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG:
Giao tiếp I2C chỉ sử dụng 2 dây để truyền dữ liệu giữa các thiết bị:
SDA (Serial Data): đường truyền dữ liệu theo 2 hướng
SCL (Serial Clock): đường truyền tín hiệu xung nhịp
I2C là một giao thức truyền thông nối tiếp, vì vậy dữ liệu được truyền từng bit dọc theo một đường duy nhất (đường SDA).
CHUẨN GIAO TIẾP UART
Hình 2- 2 Sơ đồ giao tiếp chuẩn UART
UART, which stands for Universal Asynchronous Receiver-Transmitter, is an integrated circuit used for serial data transmission between computers and peripheral devices.
Trong giao tiếp UART, hai thiết bị có thể trao đổi thông tin thông qua hai phương thức chính: giao tiếp dữ liệu nối tiếp và giao tiếp dữ liệu song song.
Giao tiếp dữ liệu nối tiếp cho phép truyền dữ liệu qua một cáp hoặc đường dây dưới dạng bit-bit, chỉ cần hai cáp, do đó tiết kiệm mạch và dây Phương thức này rất hiệu quả trong các mạch ghép, vượt trội hơn so với giao tiếp song song.
Giao tiếp song song cho phép dữ liệu được truyền qua nhiều cáp cùng lúc, yêu cầu nhiều mạch và số lượng dây nối lớn Mặc dù kiểu truyền này có chi phí cao, nhưng bù lại, nó mang lại tốc độ truyền tải rất nhanh.
Một số thông số chính:
Baud rate : tốc độ baud tức khoảng thời gian để 1 bit được truyền đi, được cài đặt giống nhau ở cả phần gởi và nhận.
Frame: khung truyền quy định về mỗi lần truyền bao nhiêu bit.
Start bit: bit đầu tiên được truyền trong 1 Frame Báo hiệu cho thiết bị nhận có một gói dữ liệu sắp đc truyền đến Đây là bit bắt buộc
Data: dữ liệu cần truyền, trọng số nhỏ nhất (LSB) được truyền trước sau đó đến lượt trọng số lớn nhất MSB.
Parity bit: kiểm tra dữ liệu truyền có đúng không
Bit dừng là một hoặc nhiều bit thông báo cho thiết bị rằng quá trình truyền dữ liệu đã hoàn tất Thiết bị nhận sẽ kiểm tra khung dữ liệu để đảm bảo tính chính xác của thông tin Bit dừng là thành phần bắt buộc trong giao thức truyền thông Ứng dụng của UART rất phổ biến trong các bộ vi điều khiển yêu cầu độ chính xác cao, cũng như trong các thiết bị liên lạc như giao tiếp không dây, thiết bị GPS, module Bluetooth và nhiều ứng dụng khác.
THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN CỨNG
Yêu cầu thiết kế
Sản phẩm mô phỏng hệ thống giám sát nông nghiệp giúp theo dõi và đo lường các thông số như nhiệt độ, độ ẩm, độ ẩm đất và cường độ ánh sáng bằng các cảm biến kết nối với module ESP8266 Dữ liệu thu thập được sẽ được gửi lên màn hình điện thoại thông qua ứng dụng Blynk.
Phân tích thiết kế
Hình 3- 1 Vi điều khiển Atmega328p
Vi điều khiển chip đơn Atmel thuộc họ megaAVR là một bộ vi điều khiển tiên tiến, nổi bật với nhiều chức năng và khả năng tiêu thụ dòng điện thấp Thông số kỹ thuật chi tiết của nó được trình bày trong bảng dưới đây.
Tốc độ CPU lớn nhất 20MHz
Chi tiết chân của ATMEGA 328P-PU:
2 PD0 Chân kỹ thuật số (RX)
3 PD1 Chân kỹ thuật số (TX)
4 PD2 Chân kỹ thuật số
5 PD3 Chân kỹ thuật số (PWM)
6 PD4 Chân kỹ thuật số
9 XTAL Dao động tinh thể
10 XTAL Dao động tinh thể
11 PD5 Chân kỹ thuật số (PWM)
12 PD6 Chân kỹ thuật số (PWM)
13 PD7 Chân kỹ thuật số
14 PB0 Chân kỹ thuật số
15 PB1 Chân kỹ thuật số (PWM)
16 PB2 Chân kỹ thuật số (PWM)
18 PB4 Chân kỹ thuật số
19 PB5 Chân kỹ thuật số
3.2.2 Module RF thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Mini D1
Hình 3- 2 Module RF thu phát wifi ESP8266
Module này sử dụng cảm biến DHT11 để đo độ ẩm và nhiệt độ, có thiết kế nhỏ gọn và dễ dàng lắp đặt với nhiều kiểu chân cắm khác nhau Ngoài ra, các phiên bản khác như D1 Mini và D1 Mini Pro cũng rất phổ biến.
Thông số kỹ thuật chi tiết:
THÔNG SỐ GIÁ TRỊ Điện áp sử dụng 5VDC
3.2.3 Cảm biến cường độ ánh sáng GY-302 BH1750
Hình 3- 3 Cảm biến cường độ ánh sáng GY-302 BH1750
Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750 là thiết bị đo ánh sáng chính xác theo đơn vị lux, với khả năng trả về giá trị trực tiếp mà không cần xử lý hay tính toán nhờ vào ADC nội và bộ tiền xử lý Thiết bị giao tiếp qua I2C, mang lại sự tiện lợi trong việc đo lường cường độ ánh sáng Thông số kỹ thuật chi tiết của cảm biến này được cung cấp trong bảng dưới đây.
THÔNG SỐ GIÁ TRỊ Điện áp nguồn 3VDC-5VDC Điện áp giao tiếp TTL: 3.3-5VDC
Một số ví dụ về cường độ của ánh sáng:
Trời nhiều mây trong nhà: 5 - 50 lux
Trời nhiều mây ngoài trời: 50 - 500 lux
Trời nắng trong nhà: 100 - 1000 lux
Ánh sáng cần thiết để đọc sách: 50 - 60 lux
3.2.4 Cảm biến độ ẩm đất điện dung
Hình 3- 4 Cảm biến độ ẩm đất điện dung
Cảm biến độ ẩm đất điện dung cung cấp tín hiệu tương tự và là một giải pháp mới cho việc đo độ ẩm đất, với độ bền và tuổi thọ vượt trội so với các cảm biến điện trở truyền thống Thiết bị này hoạt động trong dải điện áp từ 3.3V đến 5.5V, cho phép sử dụng dễ dàng trên bảng điều khiển Arduino 3.3V Đặc biệt, khi kết hợp với máy tính thu nhỏ như Raspberry Pi, chỉ cần một module chuyển đổi ADC để cảm biến có thể hoạt động hiệu quả.
Thông số kỹ thuật chi tiết có trong bảng dưới đây:
THÔNG SỐ GIÁ TRỊ Điện áp hoạt động 3.3VDC-5VDC Điện áp đầu ra 0-3VDC
3.2.5 Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT12
Hình 3- 5 Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT12
Cảm biến DHT12 là phiên bản nâng cấp của DHT11, nổi bật với chi phí thấp và dễ dàng thu thập dữ liệu thông qua giao thức 1 wire, cho phép truyền tải thông tin nhiệt độ và độ ẩm một cách hiệu quả.
Bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp trong cảm biến giúp chúng ta nhận được dữ liệu chính xác mà không phải qua bất kỳ tính toán nào.
Thông số kỹ thuật chi tiết như sau:
Tầm đo độ ẩm 20-95 RH
Bảng giá thành các linh kiện phần cứng
LINH KIỆN GIÁ THÀNH (VND)
Cảm biến cường độ ánh sáng GY-302 BH1750 29.000
Cảm biến độ ẩm đất điện dung 29.000
Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT12 59.000
Module RF thu phát Wifi ESP 8266 39.000
L7805CV 3.000 Đế pin 18650 2 cell có chân hàn 10.000 Đế IC 28PIN DIP 1.000
Bảng 3- 1 Bảng giá thành linh kiện
YÊU CẦU HỆ THỐNG
Name: Hệ thống theo dõi môi trường nhà kính
Purpose: Hệ thống đọc cảm biến và gửi về ứng dụng trên điện thoại
Input: Tín hiệu thu được từ các cảm biến
1 Atmega 328p đọc dữ liệu từ cảm biến
2 Esp 8266 nhận dữ liệu thông qua giao tiếp UART
3 Esp 8266 phát dữ liệu thông qua Wifi
4 Ứng dụng điện thoại nhận dữ liệu và phát lên màn hình
- Thời gian đáp ứng nhanh, gần như ngay lập tức
- Sử dụng nguồn DC 5V từ pin Li-ion
- Gọn nhẹ, giá thành rẻ < 500.000
Power: 2 pin Li-ion 4.2V 6800mAh
- Kích cỡ: 10cm x 5cm x 5cm
- Trọng lượng: Nhỏ hơn 300 gam
Cài đặt trong nhà kính đòi hỏi các linh kiện sau khi hàn phải được cố định chắc chắn Bo mạch cần phải có khả năng chịu đựng thời tiết ẩm ướt và tiếp xúc liên tục với ánh nắng mặt trời.
Certification: Vật liệu được chọn (bảng mạch, meca, dây nối,… ) đảm bảo an toàn điện và thân thiện môi trường.
THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN MỀM
Yêu cầu phần mềm
Để hệ thống hoạt động hiệu quả, phần mềm cần đáp ứng các yêu cầu như thu thập dữ liệu từ cảm biến và hiển thị thông tin đó trên ứng dụng điện thoại.
Giới thiệu các phần mềm
4.2.1 Phần mềm lập trình Arduino IDE
Arduino IDE là phần mềm mã nguồn mở chính thức, được thiết kế để viết và biên dịch mã cho các module Arduino Công cụ này giúp quá trình biên dịch trở nên đơn giản, cho phép ngay cả những người không có kiến thức kỹ thuật cũng có thể sử dụng một cách dễ dàng.
Nó hỗ trợ nhiều hệ điều hành như MAC, Windows và Linux, hoạt động trên nền tảng Java Các chức năng và lệnh tích hợp sẵn đóng vai trò quan trọng trong việc gỡ lỗi, chỉnh sửa và biên dịch mã trong môi trường phát triển.
Có rất nhiều các module Arduino như Arduino Uno, Arduino Mega, Arduino
Leonardo, Arduino Micro và nhiều module khác.
Mỗi module chứa một bộ vi điều khiển trên bo mạch được lập trình và chấp nhận thông tin dưới dạng mã.
Mã chính, hay còn gọi là sketch, được phát triển trên nền tảng IDE và sẽ tạo ra một tệp Hex Tệp này sau đó được chuyển và tải lên bộ điều khiển trên bo mạch.
Môi trường IDE bao gồm hai thành phần chính: Trình chỉnh sửa và Trình biên dịch Trình chỉnh sửa được sử dụng để viết mã, trong khi Trình biên dịch có chức năng biên dịch và tải mã lên module Arduino.
Môi trường này hỗ trợ cả ngôn ngữ C và C ++.
Khi người dùng viết mã và biên dịch trong IDE, một file Hex được tạo ra, chứa các dữ liệu thập phân Hexa mà Arduino có thể hiểu File Hex này sau đó được gửi đến bo mạch Arduino qua cáp USB Mỗi bo Arduino được trang bị một bộ vi điều khiển, bộ vi điều khiển này sẽ nhận file Hex và thực hiện theo mã đã được viết.
4.2.2 Phần mềm viết ứng dụng Blynk IOT
Giới thiệu về App Blynk IOT:
Cung cấp API & giao diện người dùng tương tự cho tất cả các thiết bị và phần cứng được hỗ trợ
Kết nối với server bằng cách sử dụng: o Wifi o Bluetooth và BLE o Ethernet o USB (Serial) o GSM o …
Các tiện ích trên giao diện được nhà cung cấp dễ sử dụng
Thao tác kéo thả trực tiếp giao diện mà không cần viết mã
Dễ dàng tích hợp và thêm chức năng mới bằng cách sử dụng các cổng kết nối ảo được tích hợp trên blynk app
Theo dõi lịch sử dữ liệu
Thông tin liên lạc từ thiết bị đến thiết bị bằng Widget
Gửi email, tweet, thông báo realtime, v.v.
Hình 4- 1 Cách thức hoạt động của Blynk
Hướng dẫn sử dụng App Blynk IOT:
Bước 1: Truy cập vào địa chỉ https://blynk.io/, sau đó tạo tài khoản thông qua gmail của mình
Bước 2: Sau khi đăng nhập, tạo templates mới bằng cách chọn vào “New Template”.
Bước 3: Sau khi tạo thành công, màn hình sẽ hiển thị template của mình.
Bước 4: Chọn mục “Datastreams”, sau đó chọn “New Datastream” để tạo các thông số cho từng thiết bị hiển thị trên app.
Bước 5: Sau khi hoàn tất việc tạo Datastream, hãy truy cập vào mục “Web Dashboard” để thiết kế giao diện bằng cách kéo thả các mục có sẵn, đồng thời cài đặt các mục theo cấu hình của Datastream đã tạo.
Bước 6: Chọn mục Info, sao chép phần “FIRMWARE CONFIGURATION” vào đầu phần code trong Arduino IDE.
Bước 7: Tải app Blynk IOT cho điện thoại, sau đó đăng nhập gmail đã đăng ký trên web blynk.io
Bước 8: Nhấn vào mục “Thêm thiết bị mới”, sau đó chọn “Kết nối Wi-Fi” và chọn “Sẵn sàng” (nhớ bật định vị trước khi thực hiện) Ứng dụng sẽ quét mạng Wi-Fi của vi xử lý, sau đó bạn hãy chọn mạng để kết nối.
Bước 9: Sau khi kết nối với mạng wifi của vi xử lý, tiếp tục kết nối với mạng wifi network của mình cho vi xử lý.
Sau khi hoàn tất tất cả các bước, giao diện thiết kế ứng dụng sẽ hiển thị Bạn có thể chọn và kéo thả các thiết bị có sẵn, được cài đặt theo datastream đã tạo trên website.
Bước 11: Sau khi thiết kế giao diện app, chọn để thoát ra, app sẽ tự động chạy.
