Đang tải... (xem toàn văn)
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Khoa Cơ khí BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC CƠ ĐIỆN TỬ Đề tài Nghiên cứu và thiết kế hệ thống vườn thông minh Giáo viên hướng dẫn Ths Trần Anh Sơn Sinh viên thực.
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Khoa Cơ khí - - BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC CƠ ĐIỆN TỬ Đề tài: Nghiên cứu thiết kế hệ thống vườn thông minh Giáo viên hướng dẫn : Ths Trần Anh Sơn Sinh viên thực : Nguyễn Minh 2019603351 Thân 2019603271 Nguyễn Văn Sơn 2019606549 Nguyễn Chí Thanh Hà Nội - 2022 MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG BIỂU 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 12 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 Các yêu cầu hệ thống vườn thông minh 13 2.1.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống 13 2.2 Phần khí .14 2.2.1 Vật liệu dựng nhà kính 14 2.2.2 Các kích thước yêu cầu .17 2.3 Phần điện 17 2.3.1 Bộ điều khiển .17 2.3.2 Cảm biến 20 2.3.3 Cơ cấu chấp hành 24 2.4 Phần mềm 31 2.4.1 Firebase .31 2.4.2 Mobile app 36 2.4.3 Web 41 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ VƯỜN THƠNG MINH 46 3.1 Tính tốn thiết kế nhà kính .46 3.2 Tính chọn cấu chấp hành 48 3.2.1 Tính chọn máy bơm 48 3.2.2 Tính chọn quạt thơng gió 50 3.3 Tính tốn, thiết kế hệ thống điện, điện tử 52 3.3.1 Thiết kế hệ thống điện .52 3.3.2 Lựa chọn cảm biến 56 3.4 Thiết kế phần mềm 61 3.4.1 Thuật toán điều khiển 61 3.4.2 Thiết lập Firebase 62 3.4.3 Lập trình vi điều khiển 68 3.4.4 Thiết kế Mobile app 72 3.4.5 Thiết kế web 75 KẾT LUẬN 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 PHỤ LỤC .81 PHỤ LỤC .82 PHỤ LỤC .83 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1: Khung nhà kính thực tế 13 Hình 2.2: Màng PE 15 Hình 2.3: Module ESP32 16 Hình 2.4: Sơ dồ chân ESP32 18 Hình 2.5: Relay 19 Hình 2.6: Nguyên lý hoạt động Relay .19 Hình 2.7: Cảm biến nhiệt độ 20 Hình 2.8: Cấu tạo cảm biến nhiệt 21 Hình 2.9: Cảm biến đo độ ẩm 22 Hình 2.10: Hệ thống bơm thực tế 23 Hình 2.11: Cấu tạo hệ thống bơm 23 Hình 2.12: Quá trình hấp thụ nhiệt nhà kính .25 Hình 2.13: Hệ thống thơng gió thực tế 26 Hình 2.14: Màn LCD 27 Hình 2.15: Nút Nhấn Đề Giữ Trạng Thái Có Đèn LA38 30 Hình 2.16: Firebase 31 Hình 2.17: Ưu điểm Firebase 33 Hình 2.18: Người dùng khơng có quyền truy cập mã nguồn .34 Hình 2.19: Mobile App gì? 35 Hình 2.20: Sự khác Native Mobile app Hybrid Mobile app 36 Hình 2.21: Visual Studio Code 37 Hình 2.22: Node JS 38 Hình 2.23: React Native .39 Hình 2.24: Expo 40 Hình 2.25: Website .40 Hình 2.26: Thư viện jQuery .41 Hình 2.27: Thư viện Bootstrap 42 Hình 2.28: Thư viện Font Awesome 43 Hình 2.29: Tiện ích Live Server 44 Hình 3.1: Ống thép mạ kẽm .45 Hình 3.2: Màng PE 46 Hình 3.3: Mơ hình nhà kính 3D 46 Hình 3.4: Bơm CM100 48 Hình 3.5: Quat BNF-900 50 Hình 3.6: Sơ đồ khối hệ thống 51 Hình 3.7: Aptomat 53 Hình 3.8: Thiết kế mạch điện .54 Hình 3.9: Sơ đồ đấu nối từ relay bơm quạt .54 Hình 3.10: Sơ đồ đấu nối LCD với ESP32 55 Hình 3.11: Cảm biến nhiệt độ 55 Hình 3.12: Giao tiếp 1-Wire 56 Hình 3.13: Truyền liệu 57 Hình 3.14: Cảm biến độ âm đất điện dung SEN0193 58 Hình 3.15: Thuật toán điều khiển 61 Hình 3.16: Đăng nhập Firebase 61 Hình 3.17: Add project .62 Hình 3.18: Đặt tên cho project 62 Hình 3.19: Chọn tài khoản 63 Hình 3.20: Tạo dự án thành cơng .63 Hình 3.21: Realtime Database 64 Hình 3.22: Tạo sở liệu thời gian thực 65 Hình 3.23: Chọn mục đích xây dựng dự án .65 Hình 3.24: Sơ đồ tổ chức Realtime Database 66 Hình 3.25: Set up tài nguyên phục vụ lập trình 67 Hình 3.26: Cài đặt biên dịch cho ESP32 Arduino 68 Hình 3.27: Khai báo chân kết nối, biến địa Firebase 69 Hình 3.28: Chương trình 70 Hình 3.29: Mã QR trỏ đến preview trực tiếp dự án 72 Hình 3.30: Lập trình dự án Visual Studio Code 73 Hình 3.31: Mobile app hoàn chỉnh 73 Hình 3.32: Khởi tạo dự án 74 Hình 3.33: lập trình giao diện Web 74 Hình 3.34: Lập trình CSS 75 Hình 3.35: Lập trình Logic cho Web 75 Hình 3.36: Web hồn chỉnh 76 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Bảng thông số ESP32 17 Bảng 3.1: Thống kê số mẫu quạt 49 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 thông 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 mơ 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 khoáng 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 hoá chất độc hại, thuốc bảo vệ thực vật, chất kích thích sinh trưởng, sử dụng nguồn đất nước nhiễm để trồng rau ngồi tầm kiểm sốt Đa phần người tiêu dùng chủ yếu tiêu thụ sản phẩm nông nghiệp rau xanh, hoa khơng rõ nguồn gốc Hình 1.1:Thực trạng phun thuốc trừ sâu độc hại Theo số liệu thống kê, năm, nước xảy 170 vụ ngộ độc thực phẩm với gần 5.000 người mắc Vấn đề an tồn thực phẩm (ATTP) nơng nghiệp diễn biến phức tạp, người tiêu dùng, kể người tiêu dùng làm nghề quản lý an toàn thực phẩm 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 q 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 tồn, 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 Hình 1.2: Thực trạng thực phẩm bẩn gây ung thư xanh Hình 3.54: Set up tài nguyên phục vụ lập trình Cài đặt biên dịch cho ESP32 Arduino, Vào Tool chọn Board chọn tiếp Boards Manager, nhập vào tìm kiếm từ khóa esp32, chọn ESP32 by Espressif Systems nhấn install, vui lòng chờ vài phút để hồn tất cài đặt Hình 3.55: Cài đặt biên dịch cho ESP32 Arduino Cài đặt tài nguyên cho phần mềm xong, trở lại giao diện để viết chương trình Bước đầu, ta khai báo thư viện để sử dụng chương trình: FirebaseESP32.h WiFi.h LiquidCrystal_I2C.h OneWire.h DallasTemperature.h Tiếp theo, khai báo chân kết nối, biến địa Firebase Để khai báo địa mật Firebase ta sử dụng lệnh # define FIREBASE_HOST “” #define FIREBASE_AUTH “” Hình 3.56: Khai báo chân kết nối, biến địa Firebase Trong phần Void setup () chương trình chạy lần, ta khai báo chân vào, ra, khởi động hình lcd, kết nối Wifi, kết nối với Firebase Khai báo chân INPUT/OUTPUT, ta sử dụng lệnh pinmode: Khởi động bật đèn hình LCD: Kết nối ESP32 với mạng Wifi: Sau kết nối với Wifi, ta khởi động kết nối lên Firebase: Tiếp theo, ta viết chương trình Các chương trình sử dụng để giải tốn nhỏ, sau chúng gọi chương trình với câu lệnh Mỗi chương trình giải công việc sau: Lấy trả giá trị nhiệt độ Lấy trả giá trị độ ẩm đất Đặt chế độ Auto Manual Gửi giá trị nhiệt độ, độ ẩm lên Firebase Đặt nhận trạng thái biến điều khiển Firebase Chương trình Auto Chương trình Manual Chương trình nằm phần void loop (), nơi mà chương trình chạy lặp lại liên tục Tại ta cần gọi tên chương trình viết mà khơng cần lập trình lại hành động nhỏ: Hình 3.57: Chương trình 3.4.4 Thiết kế Mobile app Không giống với React Native tuý nơi bạn phải cài đặt cấu hình Android Studio Xcode phụ thuộc khác, với Expo có vài bước để làm theo để bắt đầu phát triển ứng dụng: Bước 1: Tải cài đặt Node.js Expo phụ thuộc vào tảng Node.js cơng cụ dịng lệnh quản lý phụ thuộc hoạt động Bước 2: Cài đặt Expo go thiết bị iOS Android bạn Ứng dụng dùng để xem trước app bạn phát triển Bước 3: Cài đặt cơng cụ dịng lệnh Cơng cụ cho phép bạn tạo dự án Expo mới, bắt đầu trình build thứ khác Thực thi lệnh sau để cài đặt nó: npm install -g expo-cli Khi bạn cài đặt tất phụ thuộc, bạn tạo ứng dụng Expo mới: exp init GardenHouse Một tạo xong, tạo thư mục gọi Gardenhouse Chuyển vào bên thu mục bắt đầu chạy máy chủ phát triển: cd GardenHouse exp start Một máy chủ phát triển chạy, bạn thấy thứ sau: Hình 3.58: Mã QR trỏ đến bản preview trực tiếp dự án Đó mã QR trỏ đến preview trực tiếp dự án Hãy mở ứng dụng Expo client điện thoại bạn quét mã QR scanner Lúc này, bạn xem hình mặc định Mỗi có thay đổi tập tin dự án, xem trước tự động tải lại để phản ánh thay đổi Bây sẵn sàng để viết ứng dụng Ứng dụng bao gồm hai phần Phần thức Giao diện, React Native cung cấp cho nhiều thẻ để thiết kế giao diện mobile app cách dễ dàng như: thẻ View, thẻ Text, thẻ Button, … Ngồi cịn có nhiều thư viện hỗ trợ như: Bottom tabs, Icon, … Phần thứ hai Xử lý, phần viết javascrip Việc lập trình thực ứng dụng Visual Studio Code Hình 3.59: Lập trình dự án Visual Studio Code Và thành cuối cùng: Hình 3.60: Mobile app hồn chỉnh 3.4.5 Thiết kế web Khởi tạo dự án Ta tạo thư mục tên Smart_Garden thư mục assets để chứa file hình ảnh file css, lib để chứa file thư viện cụ thể Jquery Font Awesome index.html Hình 3.61: Khởi tạo dự án Lập trình giao diện web Thẻ dùng để config thuộc tính trang web, ta import thư viện Jquery, Font Awesome file main.css thẻ link Trong thẻ nội dung trang web Hình 3.62: lập trình giao diện Web Tiếp theo, ta lập trình css giúp cho trang web đẹp thân thiện Hình 3.63: Lập trình CSS Lập trình logic cho web Hình 3.64: Lập trình Logic cho Web Ta sử dụng ajax thể call api tương tác với firebase Hồn thành trang Web Hình 3.65: Web hoàn chỉnh 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 trình thực đề tài kết thu được, chúng em gặp phải số khó khăn: Thiếu kiến thức chuyên 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 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 TÀI LIỆU THAM KHẢO Lê Ngọc Duy, Bùi Thanh Lâm & Nhữ Quý Thơ Giáo trình cảm biến hệ thống đo Hà Nội: Trường DHCN Hà Nội, 2019 https://firebase.google.com/ https://reactnavigation.org/ http://vietjack.com/html/index.jsp CHƯƠNG 4: PHỤ LỤC PHỤ LỤC PHỤ LỤC ... 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Các yêu cầu hệ thống vườn thông minh 2.1.1 Các yêu cầu hệ thống vườn thông minh - Nhà kính có kết cấu vững chắc, chịu yếu tố bất lợi môi trường - Các cấu chấp hành hoạt... người thông qua mạng Internet Đề tài ? ?Vườn thông 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... 12 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 13 2.1 Các yêu cầu hệ thống vườn thông minh 13 2.1.1 Các yêu cầu hệ thống vườn thông minh 13 2.1.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống 13 2.2 Phần
