ĐỀ TÀI: Mô hình chăm sóc rau tự động bằng phương pháp thủy canh

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: Mơ hình chăm sóc rau tự động phương pháp thủy canh Sinh viên thực hiện: Mã sinh viên: Giảng viên hướng dẫn: Ngành : Chuyên ngành : Lớp : Khóa : TRẦN PHƯƠNG NAM 1781420026 ThS NGUYỄN NGỌC VĂN CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP VÀ DÂN DỤNG D12 DCN&DD 2017 - 2022 Hà Nội, tháng 10 năm 2021 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: Mơ hình chăm sóc rau tự động phương pháp thủy canh Sinh viên thực hiện: Mã sinh viên: Giảng viên hướng dẫn: Ngành : Chuyên ngành : Lớp : Khóa : TRẦN PHƯƠNG NAM 1781420026 ThS NGUYỄN NGỌC VĂN CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP VÀ DÂN DỤNG D12 DCN&DD 2017 - 2022 Hà Nội, tháng 10 năm 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi, Trần Phương Nam, cam đoan nội dung đồ án thực hướng dẫn ThS Nguyễn Ngọc Văn Các số liệu kết đồ án trung thực chưa công bố cơng trình khác Các tham khảo đồ án trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên cơng trình, thời gian nơi cơng bố Nếu khơng nêu trên, tơi hồn tồn chịu trách nhiệm đồ án Hà Nội, ngày 20 tháng 10 năm 2021 Người cam đoan (Ký ghi rõ họ tên) LỜI CẢM ƠN Trong chặng đường gần năm học tập khoa Kỹ Thuật Điện Trường Đại Học Điện Lực, đến tận vừa hoàn thành xong đợt Đồ án tốt nghiệp Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến: Ban giám hiệu, quý thầy cô Trường Đại học Điện Lực tạo điều kiện thuận lợi suốt trình học tập rèn luyện trường Q Thầy/Cơ khoa Kỹ Thuật Điện tận tình giảng dạy hết lòng truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm học quý báu Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn đến thầy NGUYỄN NGỌC VĂN, giảng viên trực tiếp hướng dẫn suốt thời gian làm đồ án vừa qua Cảm ơn thầy hướng dẫn, giúp đỡ, bổ sung kiến thức chuyên mơn bổ ích để em hồn thành đề tài Cuối cùng, chân thành cảm ơn đến bạn học tập, giúp đỡ ủng hộ em suốt thời gian vừa qua Vì kiến thức thân cịn hạn chế nên q trình hồn thiện đồ án em khơng tránh khỏi sai sót, kính mong nhận ý kiến đóng góp từ q thầy Một lần em kính chúc q thầy cô công tác Trường Đại học Điện Lực lời chúc sức khỏe dồi – thành công – hạnh phúc! Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày20 tháng 10 năm 2021 Sinh viên thực Trần Phương Nam NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TT Nội dung Hình thức trình bày Ý kiến nhận xét Đồ án thực đầy đủ nội dung đề tài Các kết tính tốn Thái độ làm việc Tổng thể Các ý kiến khác: Hà Nội, ngày tháng năm Giảng viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) ĐÁNH GIÁ CỦA HỘI ĐỒNG CHẤM TT Nội dung Ý kiến nhận xét Hình thức trình bày đồ án Đồ án thực đầy đủ nội dung đề tài Các kết tính tốn Kỹ thuyết trình Trả lời câu hỏi Tổng thể Các ý kiến khác: Hà Nội, ngày tháng năm Uỷ viên hội đồng Thư ký hội đồng Chủ tịch hội đồng MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .1 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I : CƠ SỞ LÝ THUYẾT .4 1.1- Khái niệm hệ thống thủy canh .4 1.2- Ưu nhược điểm phương pháp trồng rau thủy canh 1.2.1 Ưu điểm phương pháp trồng rau thủy canh .5 1.2.1 Nhược điểm phương pháp trồng rau thủy canh 1.3- Một số hệ thống trồng rau thủy canh .12 CHƯƠNG 2: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ PHÁT TRIỂN CỦA RAU THỦY CANH VÀ CẤU TRÚC CỦA CÁC HỆ THỐNG THỦY CANH 17 2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến phát triển rau thủy canh 17 2.2 Phân tích lựa chọn cấu trúc hệ thống thủy canh 20 2.3 Chọn cấu trúc để xây dựng mơ hình 28 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ THI CƠNG MƠ HÌNH .29 3.1 Lựa chọn điều khiển: 29 3.2 Đặc điểm kỹ thuật điều khiển chọn .32 3.3 Lựa chọn thiết bị khác sử dụng mơ hình (cảm biến, bơm nước…) 36 3.3.1 Kit rf thu phát wifi esp8266 node mcu 36 3.3.2- Module LM 2596 38 3.3.3- Nguồn Adapter 12V-2A .39 3.3.4- LCD 16*2 40 3.3.5- Cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11 41 3.3.6- Cảm biến đo độ ẩm đất 42 3.3.7- Cảm biến đo độ PH 43 3.3.8- LED chiếu sáng quang trở .44 3.4 Xây dựng mơ hình 46 3.4.1 Thiết kế phần khí 46 3.4.2 Thiết kế phần điện 49 3.4.3- Lập trình .52 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN 62 4.1 Kết luận .62 4.2 Phương hướng phát triển 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Tên viết tắt Ý nghĩa LAN Local Area Network: mạng máy tính nội I/O Input/Output: ngõ vào/ IDE Intelligent Electronic Device: thiết bị điện tử thông minh ESP Module Wifi SoC System-on-a-chip: hệ thống vi mạch MCU Thiết bị điều khiển đa điểm DHT11 Cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory: là một chip nhớ PWM Pulse Width Modulation: tín hiệu RAM Random Access Memory nhớ tạm SRAM Static random-access memory nhớ truy cập ngẫu nhiên hay RAM tĩnh CPU Central Processing Unit xử lý trung tâm GPIO General Purpose Input Output là một chân tín hiệu kỹ thuật số ADC Analog-to-Digital Converter chuyển đổi analog sang kỹ thuật số LCD Liquid Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng RFID Radio Frequency Identification cơng nghệ nhận dạng đối tượng sóng vơ tuyến I2C Inter-Integrated Circuit một giao thức truyền thông nối tiếp DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Hệ thống thủy canh Hình 1.2: Hệ thống khung giàn Hình 1.3: Hệ thống trồng rau khí canh Hình 1.4: Hệ thống trồng rau thủy canh dạng bấc Hình 1.5: Hệ thống trồng rau nhỏ giọt Hình 1.6: Hệ thống trồng rau ngập, rút định kì Hình 1.7: Hệ thống trồng rau hồi lưu Hình 3.1: Mợt sớ loại rơ le thơng dụng Hình 3.2: Bợ điều khiển PLC Hình 3.3: Vi điều khiển ATMEGA Hình 3.4: Kit Arduino Nano với vi điều khiển ATEMEGA328P Hình 3.5: Sơ đồ chân Arduino Nano Hình 3.6: Node MCU 8266 Hình 3.7: Sơ đồ chân Node MCU Hình 3.8: Module LM2596 Hình 3.9: Nguồn Adapter 12V-2 Hình 3.10: Màn hình LCD 1602 xanh Hình 3.11: Cảm biến DHT11 Hình 3.12: Sơ đồ ngun lí Hình 3.13: Cảm biến đo độ ẩm đất Hình 3.14: Cảm biến đo độ PH Hình 3.15: Mơ hình 3D hệ thống trồng rau IOT Hình 3.16: Phần mềm thiết kế mạch Altium Hình 3.17: Sơ đồ mạch ngun lí mạch điều khiển Hình 3.18: Mạch 2D PCB Hình 3.19: Mạch 3D PCB Hình 3.20 Phần mềm Arduino IDE 3.4.2 Thiết kế phần điện Sơ đồ mạch thiết kế Altium: Altium Designer trước có tên gọi Protel DXP, công cụ vẽ mạch điện tử mạnh Được phát triển hãng Altium Limited Altium Designer phần mềm chuyên ngành sử dụng thiết kế điện tử Nó phần mềm mạnh với nhiều tính thú vị, nhiên phần mềm biết đến so với phần mềm chức khác ORCAD hay PROTEUS Hình 3.16- Phần mềm thiết kế mạch Altium Altium Designer có số đặc trưng sau:  Giao diện thiết kế, quản lí chỉnh sửa thân thiện, dêc dàng biên dịch, quản lí file, quản lí phiên tài liệu thiết kế  Hỗ trợ mạnh mẽ cho việc thiết kế tự động, dây tự động theo thuật tốn tối ưu, phân tích lắp ráp linh kiện Hỗ trợ cho việc tìm giải pháp thiết kế chỉnh sửa mạch, linh kiện có sẵn trước theo tham số  Mở, xem in file thiết kế mạch dễ dàng với đầy đủ thơng tin linh kiện, liệu vẽ, kích thước số lượng  Hệ thống thư viện linh kiện phong phú, chi tiết hoàn chỉnh bao gồm tất linh kiện nhúng, số tương tự  Đặt sửa đối tượng lớp khí, định nghĩa luật thiết kế, tùy chỉnh lớp mạch in, chuyển từ schematic sang PCB, đặt vị trí linh kiện PCB 50  Mơ mạch PCB 3D, đem lại hình ảnh ,mạch điện trung thực không gian chiều, hỗ trợ MCAD-ECAD, liên kết trực tiếp với mơ hình STEP, kiểm tra khoảng cách cách điện , cấu hình 2D 3D  Hỗ trợ thiết kế PCB sang FFGA ngược lại Hình 3.17- Sơ đồ mạch ngun lí mạch điều khiển 51 Hình 3.18- Mạch 2D PCB Hình 3.19- Mạch 3D PCB 52 3.4.3- Lập trình  Phần mềm Arduino IDE Hình 3.20 Phần mềm Arduino IDE Arduino IDE phần mềm sử dụng rộng rãi phổ biến giúp ta lập trình cho dịng sản phẩm Arduino Arduino Uno, Arduino Mega, Nano, Lập trình Arduino IDE cách tiếp cận đơn giản cho người đam mê điện tử muốn tạo sản phẩm nhúng ấn tượng mà không cần nhiều kiến thức chuyên sâu điện tử Chương trình Arduino viết C C++.Arduino IDE kèm với thư viện phần mềm gọi “wiring” từ dự án lắp ráp ban đầu, cho hoạt động đầu vào/ đầu phổ biến trở nên dễ dàng nhiều Người sử dụng cần định nghĩa hai hàm để thực chương trình điều hành theo chu kỳ Khi bật điện bảng mạch Arduino reset hay nạp chương trình mới, hàm setup () gọi đến Sau xử lý xong hàm setup (), Arduino nhảy đến hàm loop() lặp vô hạn hàm tắt điện board mạch Arduino Lập trình cho vi điều khiển Arduino Nano: #include 53 LiquidCrystal lcd(12,11,10,9,8,7); #include DHT dht(4,DHT11); #include SoftwareSerial at(2,3); //RX, TX #define BOM #define LED #define PH A0 #define HUMID_GND A1 #define LDR1 A2 #define LDR2 A3 int cnt_send=0; float calibration_value = 21.34 - 0.3; int phval = 0; unsigned long int avgval; int buffer_arr[10],temp; float ph_act=0; char buf[5]; String string1="D",string2="Wet"; void setup() { Serial.begin(9600); at.begin(9600); 54 dht.begin(); pinMode(BOM,OUTPUT);digitalWrite(BOM,1); pinMode(LED,OUTPUT);digitalWrite(LED,1); pinMode(HUMID_GND,INPUT); lcd.begin(16,2); lcd.setCursor(0,0); lcd.print("Loading ."); delay(1000);lcd.clear(); lcd.print(" Water Garden "); delay(1000);lcd.clear(); lcd.setCursor(0,0);lcd.print("T:"); // in nhiet tu dht11 lcd.setCursor(0,1);lcd.print("0"); lcd.setCursor(3,0);lcd.print("H:"); // in am tu dht11 lcd.setCursor(3,1);lcd.print("0"); lcd.setCursor(6,0);lcd.print("PH:"); // in PH cua nuoc lcd.setCursor(6,1);lcd.print("0.0"); lcd.setCursor(10,0);lcd.print("AS:"); // in ngay/dem lcd.setCursor(11,1);lcd.print(string1); lcd.setCursor(14,0);lcd.print("G:"); lcd.setCursor(13,1);lcd.print(string2); 55 // in am dat delay(1000); } void loop() { //Transfer data String ss = "DT_pk_ts:" + String(readTempKhach()) + "," + String(readHumidKhach()) + ","+String(readPH())+","+string1+","+string2+"."; Serial.println(ss); at.println(ss); if(analogRead(LDR1)>950&&analogRead(LDR2)>950){ digitalWrite(LED,0); string1="N"; } else { // day digitalWrite(LED,1); string1="D"; } if(digitalRead(HUMID_GND)==0){ digitalWrite(BOM,1); string2="Wet"; } else { digitalWrite(BOM,0); string2="Dry"; 56 //có nước // night } lcd.setCursor(0,0);lcd.print("T:"); // in nhiet tu dht11 lcd.setCursor(0,1);lcd.print(readTempKhach()); lcd.setCursor(3,0);lcd.print("H:"); // in am tu dht11 lcd.setCursor(3,1);lcd.print(readHumidKhach()); lcd.setCursor(6,0);lcd.print("PH:"); // in PH cua nuoc lcd.setCursor(6,1);lcd.print(readPH()); lcd.setCursor(10,0);lcd.print("AS:"); // in ngay/dem lcd.setCursor(11,1);lcd.print(string1); lcd.setCursor(14,0);lcd.print("G:"); lcd.setCursor(13,1);lcd.print(string2); } float readPH(){ for(int i=0;i