Đồ án vườn thông minh

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ BÁO CÁO ĐỒ ÁN CƠ ĐIỆN TỬ Đề tài Nghiên cứu và thiết kế hệ thống vườn thông minh Giáo viên hướng dẫn Ths Nguyễn Đức Minh Sinh viên thực hiện.

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ BÁO CÁO ĐỒ ÁN CƠ ĐIỆN TỬ Đề tài: Nghiên cứu thiết kế hệ thống vườn thông minh Giáo viên hướng dẫn: Ths.Nguyễn Đức Minh Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Tuấn 2019604038 Đỗ Văn Tuấn 2019602409 Mai Ngọc Tuyên 2019603352 Hà Nội - 2022 PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHĨM I Thơng tin chung Tên lớp: ME6052.1 Khóa: 14 Tên nhóm : Nhóm 14 Họ tên thành viên: Đỗ Văn Tuấn MSV: 2019602409 Lớp: CĐT – K14 Nguyễn Văn Tuấn MSV: 2019604038 Lớp: CĐT – K14 Mai Ngọc Tuyên MSV: 2019603352 Lớp: CĐT – K14 II Nội dung học tập Tên chủ đề: Nghiên cứu, thiết kế hệ thống vườn thông minh Hoạt động sinh viên - Nội dung 1: Tổng quan hệ thống (L4.2) - Nội dung 2: Cơ sở lý thuyết hệ thống (L4.2) - Nội dung 3: Tính tốn, thiết kế mơ hình hệ thống (L4.1, L4.3) - Nội dung 4: Viết báo cáo Sản phẩm nghiên cứu: Báo cáo thu hoạch mơ hình sản phẩm (nếu có) III Nhiệm vụ học tập Hồn thành đồ án theo thời gian quy định (từ ngày 13/03/2022 đến ngày 20/06/2022) Báo cáo nội dung nghiên cứu theo chủ đề giao trước hội đồng đánh giá IV Học liệu thực tiểu luận, tập lớn, đồ án/dự án Tài liệu học tập: [1] Tài liệu hướng dẫn đồ án môn học Cơ Điện tử, Bộ môn Cơ điện tử [2] Nguyễn Văn Khang, Nguyễn Phong Điền, Cơ điện tử, NXB KH&KT Phương tiện, nguyên liệu thực tiểu luận, tập lớn, đồ án/dự án (nếu có): Máy tính, linh kiện dụng cụ điện tử theo nhu cầu sử dụng KHOA CƠ KHÍ GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TS Nguyễn Anh Tú ThS Nguyễn Đức Minh MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Tổng quan hệ thống vườn thông minh 1.2 Mục tiêu đề tài .11 1.3 Phương pháp nghiên cứu .11 1.4 Phạm vi nghiên cứu 12 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .13 2.1 Các yêu cầu hệ thống vườn thông minh 13 2.1.1 Nguyên lý hoạt động hệ thống 13 2.2 Phần khí xây dựng nhà kính 13 2.2.1 Vật liệu dựng nhà kính 13 2.2.2 Các kích thước yêu cầu 17 2.3 Phần điện .18 2.3.1 Bộ điều khiển 18 2.3.2 Cảm biến 21 2.3.3 Cơ cấu chấp hành 24 2.3.4 Thiết kế mạch điện 30 2.4 Phần mềm 31 2.4.1 Firebase 31 2.4.2 Mobile App 35 2.4.3 Wed 39 CHƯƠNG 3: Tính tốn thiết kế vườn thơng minh 43 3.1 Tính tốn thiết kế nhà kính 43 3.2 Tính chọn cấu chấp hành 44 3.3 Tính chọn quạt thơng gió .46 3.4 Tính tốn, thiết kế hệt hống điện, điện tử 48 3.4.1 Thiết kế hệ thống điện .48 3.4.2 Lựa chọn cảm biến 50 3.5 Thiết kế phần mềm .54 3.5.1 Thuật toán điều khiển 54 3.5.2 Thiết lập Firebase 55 3.5.3 Thiết kế Wed 61 KẾT LUẬN 66 PHỤ LỤC 68 PHỤ LỤC 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Thực trạng phun thuốc trừ sâu cho rau Hình 1.2: Thực trạng thực phẩm bẩn gây ung thư 10 Hình 1.3: Lợi ích từ vườn thơng minh 11 Hình 2.1: Khung nhà kính thực tế .14 Hình 2.2: Màng nhựa 15 Hình 2.3: Màng PE 16 Hình 2.4: Nẹp chắn zic-zac .16 Hình 2.5: Máng xối 17 Hình 2.6: Module ESP32 18 Hình 2.7: Relay 20 Hình 2.8: Nguyên lý hoạt động Relay 21 Hình 2.9: Cảm biến nhiệt độ .21 Hình 2.10: Cấu tạo cảm biến nhiệt 22 Hình 2.11: Cảm biến đo độ ẩm 23 Hình 2.12: Hệ thống bơm nước thực tế .24 Hình 2.13: Cấu tạo hệ thống bơm .24 Hình 2.14: Quá trình hấp thụ nhiệt nhà kính 25 Hình 2.15: Hệ thống thơng gió thực tế 26 Hình 2.16: Màn hình LCD 28 Hình 2.17: Nút nhấn giữ trạng thái có đèn LA38 29 Hình 2.18: Mạch điện đấu nối cảm biến độ ẩm 30 Hình 2.19:Sơ đồ đấu nối LCD với ESP32 30 Hình 2.20: Sơ đồ đấu nối Relay bơm quạt .31 Hình 2.21: Sơ đồ đấu nối quạt 31 Hình 2.22: Firebase 32 Hình 2.23: Ưu điểm Firebase 33 Hình 2.24: Người dùng khơng có quyền truy cập mã nguồn 34 Hình 2.25: Moble app 35 Hình 2.26: Native Mobile app Hybrid Mobile app 36 Hình 2.27: Visual Studio Code 37 Hình 2.28: NodeJS 38 Hình 2.29: React Native 38 Hình 2.30: Expo 39 Hình 2.31: Wedsite 39 Hình 2.32: Thư viện Jquery .40 Hình 2.33: Thư viện Bootstrap 41 Hình 2.34: Thư viện Font Awesome 42 Hình 2.35: Tiện ích Live Server 42 Hình 3.1: Ống thép mạ kẽm 43 Hình 3.2: Màng nhựa PE 43 Hình 3.3: Mơ hình nhà kính 3D 44 Hình 3.4: Bơm CM100 45 Hình 3.5: Quạt BNF-900 47 Hình 3.6: Sơ đồ khối hệ thống 48 Hình 3.7: Aptomat .49 Hình 3.8: Cảm biến nhiệt độ DS18B32 .50 Hình 3.9: Giao tiếp 1-wire 51 Hình 3.10: Truyền liệu 52 Hình 3.11: Cảm biến độ ẩm đất điện dung SEN0193 .53 Hình 3.12: Thuật tốn điều khiển 55 Hình 3.13: Đăng nhập Firebase 55 Hình 3.14: Add project .56 Hình 3.15: Đặt tên cho project 56 Hình 3.16: Chọn tài khoản 57 Hình 3.17: Tạo dự án thành công 57 Hình 3.18: Realtime Database 58 Hình 3.19: Tạo sở liệu thời gian thực 59 Hình 3.20: Chọn mục đích xây dựng dự án 59 Hình 3.21: Lập trình Wed 62 Hình 3.22: Giao diện Wed 62 Hình 3.23: Giao diện Firebase 63 Hình 3.24: Add app Wed 63 Hình 3.25: Đặt tên cho trang Wed .64 Hình 3.26: Copy code 64 Hình 3.27: Paste code 64 Hình 0.1: Bản vẽ hệ thống đường ống 78 Hình 0.2: Bản vẽ mơ hình nhà kính 78 DANH MỤC BẢNG BIỂ Bảng 2.1: Bảng thông số ESP32 19 Bảng 2.2: Sơ đồ chân ESP32 .20 Bảng 3.1: Thông số kĩ thuật số mẫu quạt 47 LỜI MỞ ĐẦU Ngày giới với phát triển mạnh mẽ khoa học – cơng nghệ góp phần giúp chất lượng sống người không ngừng nâng cao Thêm vào xâm nhập trực tiếp Internet vào sống ngày nhiều Nhu cầu người ngày cao đưa đến thách thức liên quan đến việc quan sát, nhận biết, xử lí tự động liệu online cách hiệu Từ thực tiễn đó, kích thích tị mị, tìm hiểu người, nguồn cảm hứng cho ứng dụng thông minh đời Là sinh viên khoa Cơ điện tử trường đại học Công Nghiệp Hà Nội, với kiến thức học với mong muốn tìm hiểu thử sức thiết kế đề tài hay thú vị việc thực thi nhu cầu người thông qua mạng Internet Đề tài “Vườn thơng minh” mà nhóm chọn cho đồ án mơn học giúp ích cho người việc quan sát, kiểm tra từ thực thi nhu cầu người sử dụng cụ thể áp dụng nơng nghiệp có tính qui mô lớn CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Tổng quan hệ thống vườn thông minh Rau xanh loại thực phẩm thiết yếu sống người, cung cấp phần lớn khống chất vitamin, góp phần cân dinh dưỡng bữa ăn hàng ngày Hiện Việt Nam, vấn đề cần giải ô nhiễm môi trường an tồn thực phẩm Có nhiều ngun nhân dẫn đến thực trạng trên, việc lạm dụng hố chất độc hại, thuốc bảo vệ thực vật, chất kích thích sinh trưởng, sử dụng nguồn đất nước ô nhiễm để trồng rau ngồi tầm kiểm sốt Đa phần người tiêu dùng chủ yếu tiêu thụ sản phẩm nông nghiệp rau xanh, hoa không rõ nguồn gốc Hình 1.1: Thực trạng phun thuốc trừ sâu cho rau Theo số liệu thống kê năm, nước xảy 170 vụ ngộ độc thực phẩm với gần 5.000 người mắc Vấn đề an toàn thực phẩm (ATTP) nông nghiệp diễn biến phức tạp, người tiêu dùng, kể người tiêu dùng làm nghề quản lý an tồn thực phẩm khơng thể biết mớ rau, bày bán có an tồn cho sức khỏe hay khơng? Nếu khơng có thơng tin việc chúng kiểm sốt an tồn thực phẩm suốt trình trồng, thu hoạch, chế biến, bảo quản đến bày bán nào? Số liệu thống kê từ UBND Thành phố Hà Nội cho thấy, đến tháng 10/2019, Hà Nội có khoảng 5000 rau an toàn, đáp ứng 30% nhu cầu người dân Những người dân thành thị Hà Nội, TP HCM hay địa phương khác “ngán” gặp phải thực phẩm bẩn Qua diễn đàn trực tuyến Vườn Rau Xanh, gần đây, số lượng thành viên diễn đàn tăng mạnh mẽ, từ 2.000 người năm 2015, đến xấp xỉ 19.000 thành viên Thành viên diễn đàn chủ yếu người dân thành thị nhiều nguyên nhân khác mà đến với việc trồng rau xanh Hình 1.2: Thực trạng thực phẩm bẩn gây ung thư Chính nhóm phát triển hệ thống vườn thơng minh tự động theo quy trình khép kín có khả tự điều chỉnh độ ẩm, nhiệt độ, ánh sáng theo tiêu chuẩn trồng Phương thức chăm bón điều khiển từ xa hoàn toàn tự động mơi trường khép kín, tránh sâu bệnh, nhờ giảm công sức, thời gian cho người trồng cho sản phẩm chất lượng vượt trội Đặc biệt, khơng sử dụng chất hóa học nơng nghiệp nên rau an toàn với người sử dụng, đáp ứng đối tượng cư dân thị, người có khơng gian lại khơng có thời gian trồng muốn trồng rau phục vụ nhu cầu gia đình Trong cơng nghệ nhà thơng minh tìm thấy nhiều hộ gia đình, việc tự động hóa khu vườn cịn phổ biến nhiều Nhiều người làm vườn có sở thích đẩy máy cắt cỏ cũ lên xuống khu vườn dành cảm giác vĩnh cửu để tưới Ở vườn thơng minh khơng vậy, phận đèn chiếu sáng, máy cắt cỏ hệ thống tưới tiêu kết nối với cơng nghệ đại dễ dàng phối hợp với 10 Trang wed hoạt động đọc liệu lên Firebase mong muốn 65 KẾT LUẬN Kết đạt Các kết thu sau thực đề tài:  Thiết kế mơ hình hệ thống  Phân tích ứng dụng thực tế vào hệ thống  Tìm hiểu board ESP32  Thiết lập hoạt động hệ thống  Xây dựng hệ thống giám sát điều khiển hệ thống thông qua Internet máy tính smart phone Các khó khăn gặp phải Trong q trình thực đề tài kết thu được, chúng em gặp phải số khó khăn:  Thiếu kiến thức chun mơn lập trình wed nên hệ thống giao diện giám sát cịn chưa hồn thiện, chưa tận dụng lợi ích Internet cung cấp hay phát triển thêm tính tích hợp thời gian biểu, lịch thời vụ cụ thể, thơng số thích hợp với loại trồng khác  Các thiết bị sử dụng hệ thống dừng lại việc sử dụng mơ hình nghiên cứu, chưa đảm bảo đưa vào sử dụng điều kiện thực tế, điều kiện thực nghiệm hạn chế  Cơ sở lưu trữ liệu mạng sơ sài, chưa có tính bảo mật Hướng phát triển đề tài Trong tương lai, đề tài có triển vọng phát triển theo số hướng sau:  Hoàn thiện sở lưu trữ liệu mạng, tối ưu giao diện giám sát điều khiển internet 66  Đưa mơ hình vào thực tế việc sử dụng thiết bị công nghiệp với số lượng nhiều  Thực tối ưu hóa hệ thống để đưa vào sản xuất nông nghiệp cung ứng nhu cầu tự trồng rau với diện tích nhỏ hẹp thành phố  Kết hợp hệ thống tưới phun sương với bón phân phun thuốc trừ sâu tự động  Thiết kế hệ thống cảnh báo cố gặp phải sms hay ứng dụng mạng khác 67 PHỤ LỤC #include #include #include #include #include #include "FirebaseESP32.h" #define ONE_WIRE_BUS #define FIREBASE_HOST "https://test21422-d5d53-defaultrtdb.firebaseio.com/" #define FIREBASE_AUTH "ZYp10vPKcdhN4Z0tdzHgAxYqvtbZ5nncat47gyfM" FirebaseData dulieu; FirebaseJson json; LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,16,2); OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS); DallasTemperature sensors(&oneWire); const char* ssid = "P202"; const char* password = "phanquan@123"; const int led1=11; const int bom=6; const int quat=8; int doam=0; float nhietdo=0; int demc =0; int tgv =0; int demq =0; int tgvq =0; 68 int demb =0; int tgvb =0; void setup() { // put your setup code here, to run once: pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT); lcd.init(); lcd.backlight(); pinMode(3,INPUT_PULLUP); pinMode(4,INPUT_PULLUP); pinMode(5,INPUT_PULLUP); pinMode(led1,OUTPUT); pinMode(quat,OUTPUT); pinMode(bom,OUTPUT); pinMode(34,INPUT_PULLUP); WiFi.mode(WIFI_STA); WiFi.begin(ssid, password); while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) { delay(500); lcd.println("Connecting to WiFi "); } lcd.println("Connected to the WiFi network"); Firebase.begin(FIREBASE_HOST, FIREBASE_AUTH); } // int water() { int value = analogRead(34); int percent = map(value, 0, 1023, 0, 100); int doam = 100 - percent; return doam; 69 } // -float temp() { sensors.requestTemperatures(); float tempc = sensors.getTempCByIndex(0); return tempc; } // void tudong(){ int Hum = Firebase.getInt(dulieu,maxOfHum); int am = water(); lcd.println(am); if(am< Hum){ digitalWrite(bom,HIGH); } if(am>Hum){ digitalWrite(bom,LOW); } float t = temp(); int Tem = Firebase.getInt(dulieu,maxOfTemp); lcd.println(t); if(t>Temp){ digitalWrite(quat,HIGH); } if(t