Đang tải... (xem toàn văn)
Bài luận văn đạt điểm 9 trong kì báo cáo luận văn tốt nghiệp . Đề tài thiếu kế mô hình điều khiển nhà trồng rau, điều khiển các thông số cần thiết cho các loại rau như nhiệt độ, đổ ẩm, ánh sáng,.... Có sử dụng Lora, IOT,... Đề tài có nghiên cứu và thiết kế app sử dụng qua điện thoại.
TÓM TẮT LUẬN VĂN Chương 1: Giới thiệu Trong chương giới thiệu lý thực đề tài “Thiết kế thi cơng mơ hình nhà kính trồng rau sử dụng mạng Lora”, đưa số mơ hình nơng nghiệp áp dụng cơng nghệ cao thị trường, từ so sánh lựa chọn giải pháp thích hợp ứng dụng cho đề tài Chương 2: Tìm hiểu số khái niệm, cơng nghệ sử dụng đề tài Phần tìm hiểu số khái niệm công nghệ sử dụng mơ hình nơng nghiệp cơng nghệ cao Qua bổ sung thêm kiến thức để tiến hành so sánh, lựa chọn chương Chương 3: Thiết kế mơ hình cho nhà kính trồng rau Trong chương bắt đầu lên ý tưởng thiết kế, tìm hiểu so sánh phương pháp truyền liệu có khả áp dụng vào dụng vào đề tài, từ đưa lý áp dụng mạng Lora vào đề tài Đồng thời, chương so sánh, lựa chọn thiết bị điện sử dụng để điều khiển nhà kính phù hợp Qua đề xuất sơ đồ khối chung cho mơ hình Chương 4: Lựa chọn linh kiện, công cụ sử dụng đề tài Chương sử dụng tiêu chí kĩ thuật mơ hình để so sánh lựa chọn linh kiện, vi xử lý, thiết bị đo, … phù hợp với đề tài Chương 5: Thiết kế thi công hệ thống giám sát điều khiển thơng số nhà kính Từ u cầu đề tài, chương trình bày quy trình từ thiết thi cơng hệ thống thơng qua sơ đồ nguyên lý sơ đồ mạch in tương ứng Chương 6: Giải thuật điều khiển cho hệ thống nhà kính Chương đề cập đến kịch tự động cho hệ thống nhà kính sau xây dựng lưu đồ giải thuật cho hệ thống Ngồi ra, chương cịn trình bày việc xây dựng lưu đồ giải thuật cho ứng dụng giám sát điều khiển smartphone Chương 7: Vận hành thử nghiệm, đánh giá mơ hình nhà kính sử dụng mạng Lora Chương bao gồm kết thử nghiệm mơ hình nhiều tiêu chí: độ ổn định, tầm xa Lora, … từ đánh giá hệ thống thực hiện, rút nhận xét, đề xuất hướng phát triển cho đề tài ii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Hệ thống nhà kính trồng rau [1] Hình 1.2 Mơ hình nhà kính trồng rau Đà Lạt Hình 1.3 Sky Green VinEco Hình 1.4 Giám sát điều khiển vườn rau dễ dàng với Farmbot [4] Hình 2.1 Internet of Things ngày gắn liền với sống Hình 2.2 Các loại QoS giao thức MQTT Hình 2.3 Hình minh họa thành phố thông minh sử dụng mạng Lora 11 Hình 2.4 Bảng so sánh số thông số vài mạng không dây 12 Hình 2.5 Cấu trúc thiết bị hỗ trợ LoraWAN 13 Hình 2.6 Các tầng giao thức mạng LoraWAN 14 Hình 2.7 Radio packet Lora 15 Hình 2.8 Mối liên hệ BER hệ số SF 17 Hình 2.9 Kiến trúc hệ thống mạng Lora 17 Hình 3.1 Một mơ hình nhà kính trồng rau 19 Hình 3.2 Máy bơm phun sương 24 Hình 3.3 Quạt hút ẩm sử dụng nhà kính 25 Hình 3.4 Nhà kính có cửa thơng gió 26 Hình 3.5 Đèn LED quang hợp dùng nhà kính [8] 27 Hình 3.6 Máy sấy khơng khí 27 Hình 3.7 Sơ đồ khối chung hệ thống nhà kính 28 Hình 4.1 Bảng so sánh dòng vi xử lý phổ biến thị trường [9] 30 Hình 4.2 Module ESP32 Wifi Lora 31 Hình 4.3 Sơ đồ chân ESP32 Wifi Lora [10] 33 Hình 4.4 Kit Arduino UNO phiên Việt 34 Hình 4.5 Sơ đồ khái quát số phận Arduino UNO 35 Hình 4.6 Module relay kích mức thấp có sử dụng opto 35 Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý hoạt động relay 36 Hình 4.8 Sơ đồ mạch opto 37 Hình 4.9 Module Lora E32 sử dụng giao tiếp UART 38 Hình 4.10 Module Lora Ra-02 sử dụng giao tiếp SPI 38 Hình 4.11 Cảm biến ánh sáng BH1750 40 Hình 4.12 Module DHT11 chân 41 Hình 4.13 Sơ đồ giao tiếp DHT11 với MCU 42 Hình 4.14 Xung tín hiệu Start 43 Hình 4.15 Tín hiệu bit từ DHT11 gửi 44 Hình 4.16 Tín hiệu bit từ DHT11 gửi 44 Hình 4.17 Cảm biến độ ẩm đất 45 Hình 4.18 Biểu tượng phần mềm Arduino IDE 46 Hình 4.19 Biểu tượng phần mềm Android Studio 47 Hình 4.20 Phần mềm SketchUp giúp mơ hình hóa ý tưởng 48 Hình 5.1 Sơ đồ khối Lora Node 51 Hình 5.2 Sơ đồ khối Gateway 52 Hình 5.3 Sơ đồ khối toàn hệ thống 52 Hình 5.4 Mơ hình nhà kính 54 iii Hình 5.5 Mơ hình nhà kính phịng điều khiển 54 Hình 5.6 Bố trí thiết bị nhà kính 55 Hình 5.7 Phịng điều khiển 55 Hình 5.8 Bảng điều khiển gateway 56 Hình 5.9 Mơ hình tủ điện chứa node 56 Hình 5.10 Sơ đồ ghép nối phần cứng node 57 Hình 5.11 Sơ đồ nguyên lý node 58 Hình 5.12 Mạch layout node 59 Hình 5.13 Dạng 3D Layout xem Altium Designer 60 Hình 5.14 Mạch sau thi công 60 Hình 5.15 Node sau thi công 61 Hình 5.16 Sơ đồ nguyên lý gateway 62 Hình 5.17 Mạch PCB gateway 62 Hình 5.18 Mạch gateway sau thi cơng 63 Hình 6.1 Lưu đồ giải thuật node 65 Hình 6.2 Lưu đồ giải thuật gateway 67 Hình 6.3 Lưu đồ giải thuật ứng dụng điều khiển giám sát nhà kính 70 Hình 6.4 Biểu tượng ứng dụng 70 Hình 6.5 Giao diện đăng nhập 71 Hình 6.6 Thơng báo xuất đăng nhập sai 72 Hình 6.7 Giao diện chính ứng dụng 73 Hình 6.8 Giao diện điều khiển thiết bị 74 Hình 6.9 Giao diện giám sát thông số môi trường 75 Hình 6.10 Cài đặt tài khoản 76 Hình 6.11 Giao diện cài đặt kết nối với MQTT server 77 Hình 7.1 Cấp nguồn thử nghiệm node 78 Hình 7.2 Giao tiếp Node với Gateway thành công chế độ điều khiển tay 79 Hình 7.3 Chế độ điều khiển tự động 79 DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1 Ý tưởng thiết kế cho đề tài 19 Bảng 3.2 Bảng so sánh giao thức sử dụng nhà kính 20 Bảng 3.3 Bảng so sánh giải pháp tưới cho hệ thống nhà kính 22 Bảng 3.4 Bảng so sánh giải pháp điều khiển độ ẩm không khí 24 Bảng 3.5 Bảng so sánh giải pháp điều khiển độ sáng nhà kính 26 Bảng 4.1 Bảng so sánh module Ra-02 E32 38 Bảng 4.2 Bảng so sánh loại cảm biến ánh sáng thông dụng thị trường 39 Bảng 4.3 Bảng so sánh thông số DHT11 DHT22 41 Bảng 4.4 Bảng so sánh MQTT HTTP 46 Bảng 6.1 Kịch điều khiển cho nhà kính 64 iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN Error! Bookmark not defined TÓM TẮT LUẬN VĂN i DANH MỤC HÌNH ẢNH iii DANH MỤC BẢNG iv Chương 1: GIỚI THIỆU 1.1 Tổng quan đề tài 1.2 Một số mơ hình nơng nghiệp áp dụng cơng nghệ cao 1.2.1 Mô hình nhà kính sử dụng cơng nghệ cao [2] 1.2.2 Nông trường thủy canh Hội An [3] 1.2.3 Hệ thống trồng chăm sóc rau tự động không cần người FarmBot 1.3 Giải pháp trồng rau thông minh 1.4 Tóm tắt chương Chương 2: TÌM HIỂU MỘT SỐ KHÁI NIỆM, CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI 2.1 Tổng quan Internet of Things 2.1.1 Internet of Things gì? 2.1.2 IoT công nghệ tương lai giới 2.2 Tổng quan MQTT [5] 2.2.1 Mơ hình Publish, Subscribe MQTT 2.2.2 Qualities of Service (QoS) MQTT 2.2.3 Retain 2.2.4 Last Will and Testament 2.3 Tổng quan LoRa [6] 10 2.3.1 LoRa gì? 10 2.3.2 LoRaWAN gì? 11 2.3.3 Cấu trúc mạng LoraWAN 12 v 2.3.4 Các thông số mạng LoRaWAN [7] 14 2.3.5 Tỉ lệ lỗi bit BER 15 2.3.6 Kiến trúc LoRaWAN 16 2.4 Tóm tắt chương 17 Chương 3: THIẾT KẾ MƠ HÌNH CHO NHÀ KÍNH 18 3.1 Lên ý tưởng thiết kế cho mơ hình trồng rau 18 3.2 Tìm hiểu, lựa chọn phương pháp truyền thơng cho nhà kính 19 3.3 Tìm hiểu, lựa chọn phương pháp điều khiển thông số môi trường thiết bị sử dụng nhà kính 21 3.3.1 Phương pháp, thiết bị để điều khiển độ ẩm đất nhà kính 21 3.3.2 Phương pháp, thiết bị để điều khiển độ ẩm khơng khí nhà kính 24 3.3.3 Phương pháp, thiết bị để điều khiển độ sáng nhà kính 25 3.3.4 Phương pháp, thiết bị để điều khiển nhiệt độ khơng khí nhà kính 26 3.4 Đề xuất mơ hình cho đề tài 26 3.5 Tóm tắt nội dung chương 27 Chương 4: LỰA CHỌN LINH KIỆN, CÁC CÔNG CỤ SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI 29 4.1 Lựa chọn linh kiện phần cứng, thiết bị sử dụng đề tài 29 4.1.1 Lựa chọn linh kiện cho khối Gateway 30 4.1.2 Lựa chọn linh kiện cho Lora node 32 4.2 Tìm hiểu cảm biến cần dùng đề tài 38 4.2.1 Cảm biến ánh sáng 38 4.2.2 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm 39 4.2.3 Cảm biến độ ẩm đất 43 4.3 Lựa chọn giao thức truyền thông liệu server 44 4.4 Một số phần mềm hỗ trợ trình thực đề tài 45 4.4.1 Arduino IDE 45 vi 4.4.2 Phần mềm Sublime Text 46 4.4.3 Android Studio [11] 46 4.4.4 Phần mềm thiết kế Sketchup 47 4.5 Tóm tắt chương 48 Chương 5: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT, ĐIỀU KHIỂN CÁC THÔNG SỐ CỦA NHÀ KÍNH 49 5.1 Thiết lập sơ đồ khối chi tiết mơ hình hệ thống nhà kính sử dụng công nghệ Lora 49 5.1.1 Thiết kế sơ đồ khối cho LoRa node 49 5.1.2 Thiết kế sơ đồ khối cho Gateway 50 5.1.3 Thiết lập sơ đồ khối chi tiết cho tồn hệ thống nhà kính 51 5.1.4 Mơ mơ hình nhà kính sử dụng công nghệ LoRa 52 5.2 Thiết kế thi công node 55 5.2.1 Thiết kế sơ đồ nguyên lý 55 5.2.2 Thiết kế PCB cho LoRa node 57 5.2.3 Thi công mạch 58 5.3 Thiết kế thi công gateway 59 5.3.1 Thiết kế sơ đồ nguyên lý 59 5.3.2 Thiết kế PCB cho gateway 60 5.3.3 Thi công gateway 60 5.4 Tóm tắt chương 61 Chương 6: GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG 61 6.1 Kịch điều khiển nhà kính 61 6.2 Lưu đồ giải thuật giám sát, điều khiển nhà kính 63 6.2.1 Thiết kế lưu đồ giải thuật cho Lora node 63 6.2.2 Thiết kế lưu đồ giải thuật cho gateway 64 6.3 Ứng dụng điều khiển giám sát nhà kính 65 vii Chương 7: VẬN HÀNH THỬ NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ MƠ HÌNH NHÀ KÍNH SỬ DỤNG MẠNG LORA 75 7.1 Thử nghiệm truyền nhận liệu node gateway 75 7.2 Hạn chế hướng phát triển đề tài 77 7.2.1 Hạn chế 77 7.2.2 Hướng phát triển 78 PHỤ LỤC 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 98 viii Chương 1: GIỚI THIỆU 1.1 Tổng quan đề tài Ngày nay, với gia tăng ô nhiễm đất, nước, khơng khí dù khơng sử dụng phân bón, hóa chất bảo vệ thực vật, rau xanh có nguy nhiễm độc cao Chưa kể yếu tố nấm, sâu bệnh điều kiện mơi trường bình thường gây hại cho rau gián tiếp tác động xấu đến sức khỏe người tiêu dùng Hình 1.1 Hệ thống nhà kính trồng rau [1] Nắm bắt yếu tố này, mơ hình nơng nghiệp ứng dụng công nghệ cao ngày nhân rộng, thay mơ hình nơng nghiệp truyền thống Việc ứng dụng khoa học kĩ thuật công nghệ cao kiểm sốt yếu tố, mơi trường phát triển nông sản như: nhiệt độ, độ ẩm suất, chất lượng ổn định Tuy nhiên, việc ứng dụng khoa học kĩ thuật, tự động hóa vào mơ hình nơng nghiệp Việt Nam cịn nhiều hạn chế, cần phải có thêm nhiều ý tưởng, sản phẩm phù hợp để nâng cao hiệu suất canh tác Đó lý em chọn đề tài: “Thiết kế thi cơng mơ hình nhà kính trồng rau sử dụng mạng lora” 1.2 Một số mơ hình nơng nghiệp áp dụng cơng nghệ cao Vì khơng có đủ thời gian để khảo sát cho loại rau cụ thể nên đề tài khơng thực mơ hình áp dụng cho loại rau cụ thể Các mơ hình khảo sát mang tính chất 1.2.1 Mơ hình nhà kính sử dụng cơng nghệ cao [2] Hình 1.2 Mơ hình nhà kính trồng rau Đà Lạt Nhà kính - sử dụng phổ biến nước ta, đặc biệt Đà Lạt - nơi có lợi khí hậu thời tiết Nhà kính ban đầu đời với mục đích giúp tách ly trồng với điều kiện thời tiết bên Dần dần, bổ xung thêm hệ thống kiểm sốt khí hậu bên nhà kính (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, ) hệ thống điều khiển tưới Hiểu nôm na hai hệ thống sau: Hệ thống điều khiển tưới: Hệ thống bao gồm thiết bị: đầu tưới nhỏ giọt đầu tưới phun sương/mưa, châm phân, điều khiển tưới, Hệ thống giúp tưới nước/phân cách tiết kiệm, hiệu đạt suất cao Giúp người nông dân giảm giá thành chi phí sản xuất Hệ thống điều khiển vi khí hậu: Hệ thống bao gồm cảm biến nhận biết nhiệt độ, độ ẩm bên (và bên ngoài) nhà kính, hệ thống quạt thơng gió để đối lưu khơng khí, hệ thống đèn chiếu sáng để tăng cường ánh sáng cần thiết, trạm đo thời tiết để biết thông số: cường độ xạ mặt trời, cảnh báo mưa, tốc độ gió, lưu lượng mưa, Mục đích giúp nhà kính trì điều kiện mong muốn Nhận xét: Mơ hình nhà kính có đầy đủ thiết bị điều khiển, thiết bị đo thông số môi trường chưa thể điều khiển, giám sát từ xa quy mô nhà if (!root.success()) { Serial.println("parseObject() failed"); return; } if(incoming[0] == 'B') { Add = "{\"lora1\":" + incoming.substring(1) +"}"; L_LCD = root["Light"]; T_LCD = root["Temp"]; H_LCD = root["Hum"]; G_LCD = root["Ground"]; R1_LCD = root["1"]; R2_LCD = root["2"]; R3_LCD = root["3"]; R4_LCD = root["4"]; MODE_LCD = root["M"]; if(Toggle_LCD_Display) { u8x8.clear(); u8x8.setCursor(2,0); u8x8.print(" -NODE:1 "); 85 u8x8.setCursor(0,2); u8x8.print("Light:"); u8x8.print(L_LCD); u8x8.setCursor(12,2); u8x8.print("R1:"); u8x8.print(R1_LCD); u8x8.setCursor(0,3); u8x8.print("Temp:"); u8x8.print(T_LCD); u8x8.print("*C:"); u8x8.setCursor(12,3); u8x8.print("R2:"); u8x8.print(R2_LCD); u8x8.setCursor(0,4); u8x8.print("Hum:"); u8x8.print(H_LCD); u8x8.print("%"); u8x8.setCursor(12,4); u8x8.print("R3:"); u8x8.print(R3_LCD); u8x8.setCursor(0,5); u8x8.print("Ground:"); u8x8.print(G_LCD); u8x8.print("%"); u8x8.setCursor(12,5); 86 u8x8.print("R4:"); u8x8.print(R4_LCD); if(MODE_LCD == 1) { u8x8.setCursor(2,7); u8x8.print("CONTROL MODE"); } else if(MODE_LCD == 2) { u8x8.setCursor(4,7); u8x8.print("AUTOMODE"); } } } else if(incoming[0] == 'C') { Add = "{\"lora2\":" + incoming.substring(1) +"}"; L_LCD = root["Light"]; T_LCD = root["Temp"]; H_LCD = root["Hum"]; G_LCD = root["Ground"]; R1_LCD = root["1"]; 87 R2_LCD = root["2"]; R3_LCD = root["3"]; R4_LCD = root["4"]; MODE_LCD = root["M"]; if(Toggle_LCD_Display) { u8x8.clear(); u8x8.setCursor(2,0); u8x8.print(" -NODE:2 "); u8x8.setCursor(0,2); u8x8.print("Light:"); u8x8.print(L_LCD); u8x8.setCursor(12,2); u8x8.print("R1:"); u8x8.print(R1_LCD); u8x8.setCursor(0,3); u8x8.print("Temp:"); u8x8.print(T_LCD); u8x8.setCursor(12,3); u8x8.print("*C"); u8x8.print("R2:"); u8x8.print(R2_LCD); u8x8.setCursor(0,4); u8x8.print("Hum:"); u8x8.print(H_LCD); u8x8.print("%"); u8x8.setCursor(12,4); 88 u8x8.print("R3:"); u8x8.print(R3_LCD); u8x8.setCursor(0,5); u8x8.print("Ground:"); u8x8.print(G_LCD); u8x8.print("%"); u8x8.setCursor(12,5); u8x8.print("R4:"); u8x8.print(R4_LCD); if(MODE_LCD == 1) { u8x8.setCursor(2,7); u8x8.print("CONTROL MODE"); } else if(MODE_LCD == 2) { u8x8.setCursor(4,7); u8x8.print("AUTOMODE"); } } } char charBuf[Add.length() + 1]; Add.toCharArray(charBuf,Add.length() + 1); 89 client.publish(mqtt_topic_pub, charBuf);// đẩy lên broker Serial.println(Add); } } B Lập trình node Để lập trình node, ta cần phải lập trình cho node Tuy nhiên, node có phần mã lập trình tương tự nhau, nên phần đề cập đến mã lập trình node B Dưới phần mã lập trình cho node B #include #include #include //BH1750 IIC Mode #include #include #include "DHT.h" #define Relay1 #define Relay2 #define Relay3 A2 #define Relay4 A3 #define ControlMode #define AutoMode bool r1 = true; bool r2 = true; bool r3 = true; bool r4 = true; unsigned int MODE = ControlMode; 90 const int csPin = 10; int resetPin = 9; const const int irqPin = 2; int period = 5000; unsigned long time_now = 0; #define BH1750address 0x23 // Địa i2c Light sensor byte buff[2]; #define DHTPIN A0 #define DHTTYPE DHT11 DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE); int BH1750_Read(int address) { int i=0; Wire.beginTransmission(address); // Gửi địa Wire.requestFrom(address, 2); while(Wire.available()) { byte // Yêu cầu nhận respons (ack) // có nhận giá trị lưu vào buff buff[i] = Wire.read(); // receive one i++; } Wire.endTransmission(); i; // Sau đóng kết nối return // trả gúa trị cảm biến } void BH1750_Init(int address) { Wire.beginTransmission(address); 91 Wire.write(0x10); Wire.endTransmission(); } void setup() { for(int i = 3;i