Thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu nông nghiệp sử dụng các cảm biến ứng dụng trong hệ thống nhà màng.pdf

NTTU-NCKH-05 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc Đơn vị chủ trì: Trường Đại học Nguyễn Tất Thành BÁO CÁO TƠNG KẾT ĐÈ TÀI NCKH DÀNH CHO CÁN Bộ - GIẢNG VIÊN 2019 - 2020 Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế hệ thống tự động khuyến cáo giám sát tiêu nước tảng Raspian phục vụ nuôi trồng thủy sản Số hợp đồng: 2020.01.018 /HĐ-KHCN Chủ nhiệm đề tài: ThS Lê Trường Giang Đơn vị công tác: Việ n Kỹ Thuật Công Nghệ Cao Nguyễn Tất Thành Thời gian thực hiện: 01/2020 - 12/2020 TP Hồ Chí Minh, ngày thảng năm 2020 CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc Đơn vị chủ trì: Trường Đại học Nguyễn Tất Thành BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐÈ TÃI NCKH DÀNH CHO CÁN Bộ - GIẢNG VIÊN 2019- 2020 Tên đề tài: Thiết kế hệ thống thu thập liệu nông nghiệp sử dụng cảm biến ứng dụng hệ thống nhà màng Số hợp đồng:: 2020.01.018 /HĐ-KHCN Chủ nhiệm đề tài: ThS Lê Trường Giang Đơn vị công tác: Việ n Kỳ Thuật Công Nghệ Cao Nguyễn Tất Thành Thời gian thực hiện: 2018 - 2020 Các thành viên phổi họp cộng tác: STT Họ tên Lê Trường Giang Chuyên ngành Kỳ thuật điện tử truyền thông Dương Văn Tú Cơ điện tử Co’ quan công tác Việ n Kỳ Thuật Công Nghệ Cao Nguyền Tất Thành Việ n Kỳ Thuật Công Nghệ Cao Nguyền Tất Thành Ký tên MỤC LỤC MỎ ĐẢU ❖ Mục tiêu tổng quan đề tài nghiên cứu CHƯƠNG TÓNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Tình hình nghiên cứu nước nghiên cứu nước 10 CHƯƠNG NỘI DUN, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cứu VÀ KẾT QUẢ 23 2.1 Các nội dung nghiên cứu đề tài 23 2.2 Mục tiêu, phương pháp nghiên cứu 24 2.3 Nội dung 1: Nghiên cứu thiết kế mạch điện chọn cảm biến 30 2.4 Nội dung 2: Thiết kế phần mềm điều khiển cho vi xử lý 53 2.4.1 Chương trình giao tiếp với cảm biến 53 2.4.2 Chương trình điều khiển (on/off) thiết bị điện 54 2.5 Nội dung 3: Thiết kế phần mềm hiển thị thông số cảm biến 71 2.5.1 Trang hiển thị thơng tin 71 2.5.2 Trang cài đặt thời gian 72 2.5.3 Trang hiển thị thông số 73 2.5.4 Trang kiếm tra thông số đưa khuyến cáo 74 2.5.5 Trang nhập giá trị đặt tham số môi trường 75 2.6 Nội dung 4: Hoàn thiện hồ sơ báo cáo đề tài 79 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 BÁO CÁO KHOA HỌC CẮP SỞ PHỤ LỤC 1: Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt 3G: third-generation 4G: fourth-generation AI: artificial intelligence CDMA 2000: Code Division Multiple Access 2000 CDMA: Code Division Multiple Access DEMO: demonstration of a product ĐHỌG: Đại Học Quốc Gia loT: Internet of Things KHTN: Khoa Học Tự Nhiên LAN: Local Area Network RF: Radio Frequency TD-CDMA:T ime-division-Code division multiple access TDMA: Time Division Multiple Access W-CDMA: Wideband Code Division Multiple Access PHỤ LỤC 2: Danh mục bảng biểu, sơ đồ, hình ảnh Báng 1: Một số cặp nhiệt điện thông dụng Báng 2: Đặc diêm kỹ thuật cảm biến lựa chọn Báng 3: Thơng số cấu hình board mạch dự kiến thiết kế Bảng 4: Tỉnh toán chọn giả trị cho điện trở hạn dòng Ic cùa PC817 Bảng 5: Bảng liệt kê hàm chức xử lý Hình 2.3.1: WiSmart EC32Wxx [12] Hình 2.3.2: Module GS1500 Hình 2.3.3: Module GS1500 kết với cám biến vỉ điều khiên [13] Hình 2.3.4-Module MRF24WB0MA(/B) [14] Hình 2.3.5-Module TICC3000 [15] Hình 2.3.6- Sơ đồ chi tiết chức I/O xử lý Raspberry Pi B+ Hình 2.3.7 - Raspberry Pi zero w Hình 2.3.8 - Ăng-ten onboard Raspberry Pi Zero w Hình 2.3.9 - Bảo cảo dự đoản CISCO năm 2013 Hình 2.3.10-Bảo cảo dự đoản IHS năm 2015 Hình 2.3.11 - Các thành phần bên hệ thong loT Hình 2.3.12 - Sơ đồ khối hệ thong giảm sát Hình 2.3.13- Các LED hiển thị Hình 2.3.14: Sơ đồ khối cùa Node điều khiến loT thơng dụng Hình 2.3.15-Sơ đồ khối Node cảm biến điều khiên loT kết hợp Hình 2.3.16 - Các cong kết nối cảm biến đầu vào Hĩnh 2.3.17 Cảm biến Oxy hòa tan DO (Dỉssloved Oxyen) Hình 2.3.18 Cảm biến nhiệt độ độ ấm khơng khỉ AM2315 Hình 2.3.19 Cảm biến nhiệt độ dung dịch DS18B20 Hình 2.3.20 - Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn Hình 2.3.21-Bảo cảo dự đoản HIS Markit năm 2015 (nguồn: www.ihs.com) Hình 2.3.22: Phân loại ứng dụng điên hình cơng nghệ loT dựa táng thiết bị Hình 2.3.23: Mơ tả chức loT Gateway Hình 3.2.24: Các tốn lớn lĩnh vực loT Hình 2.3.25 Mạch điện tích hợp cảm biến điền khiển thiết kế Hình 2.3.26: Sơ đồ nguyên lý Opto cách ly chân Hình 3.2.27: Mạch ứng dụng PC817(trảỉ) gián đồ xung điều khiển với độ trễ sườn lên tr sườn xuống tf (phải) Hình 3.2.28: Mạch điểu khiên tắt mở mảy dùng Opto-coupler kết hợp Relay Hình 3.2.29 Module truyền nhận tin nhan SMS Hình 3.2.30- Mạch điểu khiến kết nối thiết bị ngoại vi (Version 1.0) Hình 3.4 ỉ-Sơ đồ đọc liệu AM2320 Hình 3.4.2 - Lưu đồ giải thuật xử lý chỉnh Hình 2.5.1 - Thiết lập bảng sở liệu MySQL Hình 2.5.2 - Thiết lập bảng sở cho relay Hình 2.5.3- Giao diện hệ thống thu thập liệu thử nghiệm Hình 2.5.4- Giao diện chức hẹn hệ thong Hình 2.5.5- Giao diện chỉnh hệ thống thu thập liệu thử nghiệm Hình 2.5.6- Giao diện chức hẹn hệ thong Hình 2.5.7- Giao diện cài đặt giá trị ngưỡng Hình 2.5.8- Giao diện chức xem liệu dạng biểu đồ hệ thống Hình 2.5.9 - Giao diện chức kiêm tra khuyến cảo (xuẩt thông bảo) dựa liệu nhập vào cảm biến đo Hình 2.5.10 Minh họa thuật toán điều khiến theo giả trị đặt Hình 2.5.11 Mơ hình sau gia cơng Hình 2.5.12 Thử nghiệm hiệu chỉnh cảm biến phòng thỉ nghiệm Hình 2.5.13 Anh chụp log file hình theo dõi hoạt động hệ thống Hình 2.5.14 Anh chụp thông tin hệ điều hành Raspbian định dạng *.img MỞĐẢƯ Cuộc Cách mạng Công nghệ 4.0 (CMCN 4.0) xác định theo phát triển tảng số hoá cùa CMCN 3.0 đời thực tế ảo, đối tượng thông minh gắn kết không gian thực không gian số Thuật ngữ Công nghiệp 4.0 (Industry 4.0) năm 2000, đến 2011 đề cập đến Hội chợ Chương trình Cơng nghiệp Hannover đến 2012 trở thành thuật ngừ thức CHLB Đức Hiện nay, thuật ngữ trở thành cụm từ nói đến nhiều kế hoạch, chiến lược phát triển nhiều nước Khác với CMCN trước đầy - CMCN 4.0 phát triển tiếp nối thành tựu KH & CN nhân loại, có tính cách mạng, làm biến đổi sâu sắc toàn hệ thống quản lý quốc gia, giới, làm đảo lộn phương thức truyền thống giao tiếp, mua bán, sinh hoạt, Các thành tố cùa CMCN 4.0 bao gồm Internet kết nối vạn vật loT (Internet of Things); Điện tốn đám mây (Cloud Computing); Trí tuệ nhân tạo AI (Artificial Intelligence); Máy in 3D (Printer 3D); Năng lượng tái tạo Công nghệ sinh học Mục tiêu đề tài thực tổng quan, tập trung vào khảo sát, phân tích, đánh giá hệ thống loT, từ đề xuất cấu hình yêu cầu cho hệ thống ứng dụng cảm biến loT vào nuôi trồng thủy sản CHƯƠNG 1: TĨNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Tình hình nghiên cứu nước mục tiêu chi tiết đề tài nghiên cứu liệt kê tóm tắt bên - ứng dụng cơng nghệ cảm biến loT đế xây dựng hệ thống giúp tự động theo dõi kiếm tra, cảnh báo cho môi trường nuôi trồng thủy sản - Hệ thống xây dựng tảng Linux (Raspian) đồng liệu lên mạng internet (cloud/server) thông qua giao thức kết nối mạng lĩnh vực loT - Thiết kế lập trình ứng dụng tảng webapp hồ trợ người dùng truy cập điện thoại di động - Cho phép điều khiển từ xa qua mạng cục (LAN) - Hệ thống loT + Tự động hoá trang trại (cảm biến loT hệ điều khiển) cung cấp dừ liệu q trình sản xuất phân tích, kiếm tra giá trị thông số theo công thức chuyên ngành, đồng thời sè đưa cảnh báo vượt ngưỡng cho phép - ứng dụng thực nghiệm phép đo cho cảm biến be ni cá, ni giống nhà màng (mơ hình Aquarium, Hydroponic, Thủy canh hồi lưu ) - Hệ thống thiết kế để chạy độc lập (Seft-operation) điều hành Linux (Raspian) cho phép chạy Offline (khơng có kết nối mạng) 2.1 MỤC TIÊU, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cúu Đe giám sát đảm bảo ổn định ngưỡng an tồn thơng số môi trường sống hệ động thực vật trạng thái thiết bị nhà máy, nguồn nước thách thức người giá trị cạn kiệt dần nguồn tài nguyên quý giá Ngoài ra, tốc độ thị hóa, cơng nghiệp hóa có tốc độ phát trien nhanh tốc độ ứng dụng thành tựu khoa học kỳ thuật giúp ích cho người, thu hẹp dần diện tích đất nơng nghiệp, ô nhiễm môi trường phân bón hóa học, dư lượng thuốc trừ sâu yếu tố gây ô nhiễm môi trường, nguồn nước, dịch bệnh nguy hiểm, dề lây lan mà người cần kiểm soát hạn chế yếu tố lại Hiện nay, để đo đạt giám sát thông số người ta thường sử dụng thiết bị cảm biến điện tử, công nghệ truyền thông liệu lưu trừ chúng mạng máy tính, cloud Cơng nghệ Internet of Things đời từ nhu cầu, thách thức lớn Internet of Things (IoT) mạng lưới thiết bị điện tử cảm biến vật lý có the kết nối vào mạng Internet loT cơng nghệ cần thiết giảm rủi ro cho tổ chức người sử dụng chúng Trong chuồi cung ứng sản phẩm, loT sử dụng loại cảm biến để theo dõi điều kiện sống trồng (hình ảnh, nhiệt độ, độ ẩm, pH ), ghi nhật ký kiện vào sở dừ liệu de blockchain sè xử lý thông sau có the gửi thơng báo/cảnh báo đến người dùng Các thiết bị loT sử dụng công nghệ không dây đế liên lạc, trao đối thông tin phương thức truyền thông tin loT phân loại giao tiếp máy với máy (Machine to Machine-M2M) để phân biệt chúng với phương thức truyền thống người truyền thông với Trong nhiều ứng dụng nói chung, hệ thống cảm biến cách sử dụng phương thức khơng dây (ví dụ: nhiệt độ, độ ấm, áp suất, cường độ ánh sáng ) từ giới vật lý từ thực thể giới vật lý, thu thập đe theo dõi sau phân tích thơng số thiết bị truyền Mơ hình loT lớn số lượng kết nối thiết bị lượng thông tin, giới hạn đề tài giải tất vấn đề liên quan đề cập Trong Hình bên cho thấy mơ hình thu nhỏ mạng cảm biến loT thu nhỏ sử dụng kết nối dien hình 10 ... Tất Thành BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐÈ TÃI NCKH DÀNH CHO CÁN Bộ - GIẢNG VIÊN 2019- 2020 Tên đề tài: Thiết kế hệ thống thu thập liệu nông nghiệp sử dụng cảm biến ứng dụng hệ thống nhà màng Số hợp đồng::... hình thu nhỏ mạng cảm biến loT thu nhỏ sử dụng kết nối dien hình 10 sử dụng (1-hop) đơn giản kết nối (liên kết màu đỏ) kết nối nhiều nút cảm biến (liên kết chấm đen) từ thiết bị đầu cuối đến thiết. .. lưới thiết bị điện tử cảm biến vật lý có the kết nối vào mạng Internet loT cơng nghệ cần thiết giảm rủi ro cho tổ chức người sử dụng chúng Trong chuồi cung ứng sản phẩm, loT sử dụng loại cảm biến