NGHIÊN cứu THIẾT kế, CHẾ tạo bộ đo độ ẩm đất KHÔNG dây sử DỤNG NĂNG LƯỢNG mặt TRỜI

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM   BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN ĐỀ TÀI THAM GIA XÉT GIẢI THƯỞNG “SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC” NĂM 2022   NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐO ĐỘ ẨM ĐẤT KHÔNG DÂY SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI DHL2022-CK-SV_07 Thuộc lĩnh vực khoa học công nghệ: Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thanh Hữu Nguyễn Văn Phi Trần Đắc Bình Dân tộc: Kinh   Lớp, khoa: Cơ khí Công nghệ Năm thứ: 4    Số năm đào tạo: 4,5 Ngành học: Kỹ thuật Cơ-điện tử   Người hướng dẫn chính: TS Võ Công Anh Huế, 11/2022 ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo đo độ ẩm đất không dây sử dụng lượng mặt trời - Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thanh Hữu Nguyễn Văn Phi Trần Đắc Bình - Lớp: Kỹ thuật Cơ - Điện tử K52 Khoa: Cơ khí Công nghệ - Năm thứ: Số năm đào tạo: 4,5 - Người hướng dẫn: TS Võ Công Anh Mục tiêu đề tài: - Mục tiêu chung: Thiết kế chế tạo đo độ ẩm đất không dây - Mục tiêu cụ thể: Thiết kế mạch in Altium Designer Thiết kế App Android điều khiển thông qua Google Firebase Lắp đặt mơ hình thử nghiệm thực tế Tính sáng tạo: Kết nghiên cứu: - Báo cáo tổng kết - 01 đo độ ẩm đất không dây - 01 Poster Đóng góp mặt kinh tế - xã hội, giáo dục đào tạo, an ninh, quốc phòng khả áp dụng đề tài: Công bố khoa học sinh viên từ kết nghiên cứu đề tài (ghi rõ họ tên tác giả, nhan đề yếu tố xuất có) nhận xét, đánh giá sở áp dụng kết nghiên cứu (nếu có): Ngày tháng năm Sinh viên chịu trách nhiệm thực đề tài (ký, họ tên) Nhận xét người hướng dẫn đóng góp khoa học sinh viên thực đề tài (phần người hướng dẫn ghi): Ngày tháng năm Xác nhận đơn vị Người hướng dẫn (ký tên đóng dấu) (ký, họ tên) ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÔNG TIN VỀ SINH VIÊN CHỊU TRÁCH NHIỆM CHÍNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI I SƠ LƯỢC VỀ SINH VIÊN: Ảnh 4x6 Họ tên: Nguyễn Thanh Hữu Sinh ngày: 06 tháng 03 năm 2000 Nơi sinh: xã Tam Ngọc, Tam Kỳ, tỉnh Quảng Nam Lớp: Kỹ thuật Cơ điện tử Khóa: 52 Khoa: Cơ khí Cơng nghệ Địa liên hệ: kiệt 21 Lê Trung Đình, phường Thuận Lộc, Huế Điện thoại: 0348304697 Email: 18L1041032@huaf.edu.vn II QUÁ TRÌNH HỌC TẬP (kê khai thành tích sinh viên từ năm thứ đến năm học): * Năm thứ 1: Ngành học: Cơ-Điện tử Khoa:Cơ khí Cơng nghệ Kết xếp loại học tập: Trung bình Sơ lược thành tích: * Năm thứ 2: Ngành học: Cơ-Điện tử Khoa:Cơ khí Cơng nghệ Kết xếp loại học tập: TB-Khá Sơ lược thành tích: * Năm thứ 3: Ngành học: Cơ-Điện tử Khoa:Cơ khí Cơng nghệ Kết xếp loại học tập: Khá Sơ lược thành tích: * Năm thứ 4: Ngành học: Cơ-Điện tử Khoa:Cơ khí Công nghệ Kết xếp loại học tập: Khá Sơ lược thành tích: Ngày tháng năm Xác nhận đơn vị Sinh viên chịu trách nhiệm (ký tên đóng dấu) thực đề tài (ký, họ tên) DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Dòng tiêu thụ công suất linh kiện nút phát 25 Bảng 2.2 Danh sách linh kiện nút phát 29 Bảng 2.3 Danh sách linh kiện nút thu 31 Bảng 2.5 Bảng thông số cài đặt hai module XBee 44 DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ, ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ Hình Mạng cảm biến khơng dây nước .1 Hình Mạng cảm biến khơng dây lịng đất Hình Hệ thống theo dõi sức khỏe từ xa Hình Các sản phẩm thông dụng nhà thông minh Hình Hệ thống đo thông số điều khiển hệ thống tự động thơng qua điện thoại máy tính Hình 1.1 Cấu trúc mạng cảm biến khơng dây .6 Hình 1.2 Các dạng liên kết mạng cảm biến Hình 1.3 Google Firebase 10 Hình 1.4 “Cây” JSON Realtime Database .11 Hình 1.5 Firebase Authentication 11 Hình 1.6 ThingSpeak 12 Hình 1.7 Giao diện thiết kế Kodular 13 Hình 1.8 ATmega328P-PU .14 Hình 1.9 Modul Xbee S2C 16 Hình 1.10 Sơ đồ chân ESP8266-01 17 Hình 1.11 Sơ đồ chân ESP8266-12 18 Hình 1.12 Pin mặt trời .18 Hình 1.13 Cảm biến độ ẩm đất điện trở .19 Hình 1.14 Cảm biến độ ẩm đất điện dung 20 Hình 1.15 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 20 Hình 1.16 Bơm nước 21 Hình 1.17 Mạch sạc tích hợp .22 Hình 1.18 Pin 18650 22 Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống .23 Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý nút phát 24 Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý nút thu 25 Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý nút điều khiển 26 Hình 2.5 Mạch in nút phát 29 Hình 2.6 Mơ mạch nút phát 29 Hình 2.7 Mạch in nút thu 30 Hình 2.8 Mơ mạch nút thu 31 Hình 2.9 Nút thu thực tế 31 Hình 2.10 Mạch in nút điều khiển .32 Hình 2.11 Mơ mạch nút điều khiển 32 Hình 2.12 Mạch điều khiển thực tế 33 Hình 2.13 Lưu đồ thuật toán nút phát 35 Hình 2.14 Lưu đồ thuật toán nút thu 35 Hình 2.15 Lưu đồ thuật tốn nút điều khiển 36 Hình 2.16 Logo phần mềm Arduino IDE 36 Hình 2.17 Giao diện lập trình phần mềm Arduino IDE 37 Hình 2.18 Giao diện thiết kế Kodular 48 Hình 3.1 Mơ hình trồng rau thử nghiệm 51 Hình 3.2 Kết chạy thực tế 51 Mục Lục PHẦN MỞ ĐẦU .1 Tổng quan tình hình nghiên cứu Lý chọn đề tài 3 Mục tiêu đề tài 4 Phạm vi phương pháp nghiên cứu 4.1 Phạm vi đối tượng nghiên cứu .4 4.2 Phương pháp nghiên cứu KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ Chương 1: Tổng quan đề tài .6 1.1 Tổng quan mạng cảm biến không dây 1.2 Tổng quan Firebase 10 1.3 Tổng quan Thingspeak 12 1.4 Tổng quan Kodular 12 1.5 Tổng quan linh kiện .13 Chương 2: Tính tốn thiết kế 23 2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 23 2.2 Tính tốn chọn linh kiện 26 2.3 Thi công hệ thống 28 Chương 3: Thử nghiệm đưa kết .51 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 PHỤ LỤC 55 MỞ ĐẦU Tổng quan tình hình nghiên cứu  Trên giới Những năm gần đây, cảm biến không dây phát triển mạnh mẽ giới với ứng dụng nhiều ngành khoa học kỹ thuật Nó giúp người thu thập được thông số từ môi trường nguy hiểm nói có chất phóng xạ, nơi người tiếp cận núi lửa, đáy biển, Hình Mạng cảm biến khơng dây nước Hình Mạng cảm biến khơng dây lịng đất Ngồi cịn đóng góp đời sống xã hội như: - Lĩnh vực y tế giám sát sức khỏe: Kiểm tra tình trạng bệnh nhân; chẩn đoán; quản lý dược phẩm bệnh viện; kiểm tra di chuyển chế sinh học bên côn trùng loài sinh vật nhỏ khác; kiểm tra từ xa số liệu sinh lý người; giám sát, kiểm tra bác sĩ bệnh nhân bên bệnh viện - Tự động hóa gia đình điện dân dụng: SmartHome thuật ngữ để ngơi nhà thơng minh với ứng dụng tồn diện thiết bị cảm biến không dây Một ứng dụng điều khiển chung từ xa, PDA điều khiển TV, máy nghe DVD, dàn âm thiết bị điện tử gia đình khác hay bóng đèn, cánh cửa, ổ khoá trang bị với kết nối mạng cảm biến không dây Với điều khiển chung từ xa, điều khiển ngơi nhà từ tiện ích ghế - Môi trường: theo dõi di chuyển lồi chim, lồi thú nhỏ, trùng; kiểm tra điều kiện môi trường ảnh hưởng tới mùa màng vật ni; tình trạng nước tưới; cơng cụ vĩ mô cho việc giám sát mặt đất phạm vi rộng thám hiểm hành tinh; phát hóa học, sinh học; tính tốn nơng nghiệp; kiểm tra mơi trường khơng khí, đất trồng, biển; phát cháy rừng; nghiên cứu khí tượng địa lý; phát lũ lụt; vẽ đồ sinh học phức tạp môi trường nghiên cứu ô nhiễm môi trường - Ngành nơng nghiệp:  Người chăn ni sử dụng mạng cảm biến trình định vị trí động vật trang trại với cảm biến gắn theo động vật, xác định yêu cầu cho phương pháp điều trị để phòng chống động vật ký sinh Người chăn ni lợn gà có đàn chuồng ni mát, thống khí Mạng cảm biến khơng dây sử dụng cho việc giám sát nhiệt độ khắp chuồng ni, đảm bảo an tồn cho đàn Hình Hệ thống theo dõi sức khỏe từ xa Bước 4: Bây giờ, cửa sổ bật lên, nhấp vào "Add selected devices" Bước 5: Bây giờ, mô-đun XBee xuất phía bên trái cửa sổ Nhấp vào để cập nhật giao diện người dùng Bước 6: Để cập nhật firmware, nhấp vào "Update", chọn "802.15.4 TH" Chức chọn firmware phiên Firmware nhấp vào cập nhật Sau đó, cửa sổ bật lên xuất Nhấp vào "Update" 38 Bước 7: Nhập chữ số dạng PAN ID PAN ID mã định danh mạng khu vực cá nhân (PANs) Mỗi mạng phải cung cấp ID Đảm bảo hai mô-đun XBee, PAN ID nhập Điều hai mô-đun XBee nằm mạng 39 Bước 8: Cung cấp chữ số cho Destination Address Số tương tự phải nhập dạng Source Address cho mô-đun XBee khác Bước 9: Cung cấp chữ số cho Source Address Số tương tự phải nhập Destination Address cho mô-đun XBee khác 40 Bước 10: Trong CE (Coordinator Enable) Đặt thiết bị " Coordinator [1]" thiết bị khác "End Device [0]" Bước 11: Bây giờ, nhấp vào Write Sau thành công, thiết bị Coordinater có biểu tượng chữ “C”, thiết bị End Device có biểu tượng chữ “E” Như đề cập bước, điều phải thực cho hai modul XBee Sự khác biệt hai Destination Address Source Address Hãy chọn hai số khác modul tráo lại modul khác Phải đảm bảo hai modul XBee cung cấp địa ID PAN 41 Bảng 2.5 Bảng thông số cài đặt hai module XBee   XBee module (Coordinator) XBee module Device) (End Destination Address Source Address PAN ID 9999 8888 2000 8888 9999 2000 a) Chạy thử nghiệm giao tiếp modul XBee Bước 1: Sau kết nối modul với máy tính Mở phần mềm XCTU để quét chọn thêm hai thiết bị vào danh sách Bước 2: Nhấp chọn vào hai modul hiển thị Để bắt đầu gửi tin nhắn, phải mở Console Để làm điều ta nhấp vào biểu tượng bảng điều khiển để xem điều khiển Để bắt đầu nhấn Open Bước 3: Lập lại tương tự với Modul khác để mở hai bảng điều khiển Sau đó, nhập vào bảng điều khiển chuyển sang bảng điều khiển khác để xem tin nhắn vừa gửi 42 Bây hai modul truyền tín hiệu cho Ta kết nối chúng với vi xử lý Arduino hay Node MCU để tiến hành truyền nhận tín hiệu c Lập trình phần mềm cho Smartphone Kodular phần mềm lập trình xây dựng ứng dụng điện thoại thông minh cho phép người dùng tạo ứng dụng Android đơn giản, tiện dụng mà không cần phải có kiến thức đặc biệt lập trình Nó cho phép người bắt đầu lập trình mà không cần nhiều năm học ngôn ngữ mã hóa Việc lập trình App dựa cơng cụ kéo thả thành phần Kodular xây dựng sẵn Kodular lập trình trực tuyến trang web kodular.io nên người dùng không cần phải cài đặt phần mềm lập trình máy tính Với ưu điểm Giao diện đẹp mắt Component đa dạng nhiều App Inventor Có hỗ trợ đặt quảng cáo vào App, đơn vị quảng cáo đa dạng từ Admob đến facebook Xây dựng android cao nên App trông đẹp chuyên nghiệp App Inventor Được cập nhật sửa lỗi liên tục Cập nhật API liên tục để phù hợp với sách Google Play Nhưng có nhiều component nên có nhiều component bị xung đột nên bị lỗi vặt, nhiên lỗi sớm khắc phục đội ngũ bảo dưỡng phát triển liên tục tìm kiếm lỗi để nâng cấp khắc phục 43 Hình 2.18 Giao diện thiết kế Kodular 2.3.3 Hướng dẫn sử dụng thao tác 2.3.3.1 Phần cứng a Nút phát Bước 1: Kết nối cảm biến với board Bước 2: Cấp nguồn từ lượng mặt trời pin dự phòng b Nút thu Bước 1: Cấp nguồn 5VDC thông qua đầu USB Bước 2: Kết nối WiFi cho ESP8266 Chờ khoảng 5-10s Nếu: - Đèn báo nháy chậm ESP8266 kết nối Internet thành cơng 44 - Đèn báo nháy nhanh ESP8266 phát mạng wifi có tên NCKH CKCN Node với password 12345678 để kết nối nhập thông tin mạng Wifi mà ta muốn ESP8266 kết nối đến - Sau kết nối thành công tự đưa đến trang kết nối WiFi - Chọn Configure WiFi, lựa chọn mạng Wifi mà muốn kết nối, nhập mật - Kéo xuống đăng nhập email tạo Firebase Authentication - Nếu thành công đèn báo nháy chậm thoát khỏi mạng Wifi ESP8266 Nếu không kết nối lại mạng Wifi ESP c Nút điều khiển Bước 1: Nối dây cho thiết bị với ngõ Rely Bước 2: Cấp nguồn 12VDC thông qua cổng DC Socket Bước 3: Kết nối WiFi cho ESP8266 (Giống bước nút thu) 2.3.3.2 Phần mềm Bước 1: Đăng ký tài khoản người dùng Đăng nhập Firebase sử dụng để lưu liệu, vào Authentication sử dụng gmail mật tùy ý để đăng ký tài khoản người dùng cho app android Bước 2: Mở ứng dụng xuất trang đăng nhập Sử dụng tài khoản Firebase đăng ký trước để đăng nhập 45 Sau đăng nhập thành công chuyển đến trang chính, nơi hiển thị giá trị cảm biến, điều khiển cài đặt giá trị thông số Nếu muốn đăng xuất hay xem thông tin thêm ứng dụng chọn vào trái hình góc 46 Chương 3: Thử nghiệm đưa kết Bô đo độ ẩm đất không dây hoạt động đáp ứng yêu cầu giám sát độ ẩm đất thực địa thông qua trang web Thingspeak Hình cho ta thấy giá trị nhận từ nút cảm biến biểu diễn thành biểu đồ gồm nhiều điểm nối lại với Mỗi điểm biểu đồ giá trị đo từ cảm biến thời điểm Hình 3.1 Mơ hình trồng rau thử nghiệm Từ biểu đồ giúp ta nắm tình trạng độ ẩm đất thực địa Từ đưa định phù hợp Hình 3.2 Kết chạy thực tế 47 Nhận xét hệ thống:  Ưu điểm: - Có thể hoạt động lâu dài nhờ lượng cung cấp từ pin mặt trời - Mạch nhỏ gọn - Tiêu thụ lượng - Khoảng cách truyền liệu tương đối xa (Khoảng 500m) - Dễ lắp đặt sử dụng - Dễ thay linh kiện xảy trường hợp hư hỏng - Dễ dàng thiết lập lại thông tin WiFi, tài khoản cho nút thu nút điều khiển  Nhược điểm: - Thời gian cập nhật liệu lên Thingspeak có độ trễ định so với thời gian thực tế - Điểm nút đặt vị trí cố định nên lượng quang nhận không tối ưu  Đề xuất cải tiến: - Mở rộng thêm cổng kết nối để kết nối với loại cảm biến tùy theo nhu cầu sử dụng - Mở rộng mạng lưới nút để đo nhiều vị trí khác Đảm bảo tính khách quan số liệu - Pin mặt trời quay theo hướng nắng đảm bảo quang thu lớn Chú thích: Vì đo độ ẩm đất khơng dây mà ta thực có nút nút thu, nên ta thiết lập hai mô-đun Xbee theo mạng liên kết point-to-point Đặc biệt, với thiết lập trạm gốc nhận liệu từ nút cảm biến mà thơi Khi có từ nút trở lên ta phải thiết lập lại thông số mô-đun Xbee lại, để đảm bảo trạm gốc nhận lúc nhiều tín hiệu từ nhiều nút cảm biến khác (xem Phụ Lục) 48 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Qua trình thực nghiên cứu, nhóm em đạt kết sau: - Viết chương trình điều khiển hệ thống đo độ ẩm đất không dây Đưa lưu đồ thuật tốn cho trương trình điều khiển hệ thống đo độ ẩm đất không dây cài đặt cho module XBee Tính tốn thiết kế đo độ ẩm đất, phần điện phần điện tử cho hệ thống Chế tạo thành công đo độ ẩm đất không dây Tạo App Android từ Kodular cho hệ thống KIẾN NGHỊ 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu nước [1] IoT Maker Việt Nam, Internet of Things cho người bắt đầu [2] PGS TS Nguyễn Đức Quý, TS Nguyễn Văn Dung (2006), Độ ẩm đất tưới nước hợp lý cho trồng [3] Giáo trình “Lập Trình IoT Với ESP8266 – Lê Mỹ Hà, Phạm Quang Huy” – Nhà Xuất Bản Thanh Niên - 2015 [4] Giáo trình “Kỹ Thuật Vi Điều Khiển – Nguyễn Đình Phú” – Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật tp.HCM - 2005 Tài liệu nước [5] Alaa Sagheer (06-2021), A Cloud-Based IoT Platform for Precision Control of Soilless Greenhouse Cultivation [6] A Kumar, K Kamal (24-5-2022), Smart Irrigation Using Low-Cost Moisture Sensors and XBee-based Communication [7] J Phys.: Conf (2018), Soil Moisture Monitoring System using Wireless Sensor Network Tài liệu Internet [8] https://www.alldatasheet.com [9] Wireless sensor networks for greenhouses - An end-to-end review.pdf 50 PHỤ LỤC Các bước cấu hình giúp trạm gốc nhận liệu từ nhiều nút cảm biến khác sử dụng firmware 802.15.4 TH Thiết lập điều phối viên Kênh CH: Điều mặc định C PAN ID: Đây số cho thiết lập mạng ta cần phải giống tất mô-đun XBee Để tránh xung đột với XBee khác, thay đổi điều thành số thập lục phân FFFF Ở ta chọn 1729 Địa đích DH: Được để mặc định Địa đích DL thấp: Bởi thiết bị XBee mà thiết lập Điều phối viên, ta cần cho phép giao tiếp với tất XBee khác mạng Để làm điều này, ta đặt giá trị thành FFFF địa phát sóng cho tất mơ-đun khác Địa nguồn 16 bit ta để điều mức Tiếp tục xuống cài đặt, mục CE Coordinator Enable Thay đổi điều để mô-đun Điều phối viên (Coodinator) 51 Nhấp vào Write để lưu thay đổi 52 ... sử dụng kết nối không dây giúp ta kết nối khoảng cách xa hơn, tiện lợi nhiều Từ vấn đề trên, nên nhóm chọn thực đề tài ? ?Nghiên cứu, thiết kế chế tạo đo độ ẩm đất không dây sử dụng lượng mặt trời? ??... ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo đo độ ẩm đất không dây sử dụng lượng mặt trời - Sinh viên thực hiện: Nguyễn... tự động hóa, tài liệu tham khảo, internet… b) Đối tượng nghiên cứu  Pin mặt trời  Cảm biến độ ẩm đất phương pháp đo  Các phương pháp giao tiếp không dây 4.2 Phương pháp nghiên cứu  Nghiên cứu