Ứng dụng iot trong điều khiển và giám sát nhiệt độ hồ cá thông minh

LỜI CẢM ƠN Nhóm sinh viên thực đề tài xin chân thành cảm ơn thầy Lê Khánh Tân tận tình hƣớng dẫn, hỗ trợ tài liệu nghiên cứu trang thiết bị, dụng cụ cần thiết giúp chúng em hồn thành đƣợc đề tài thời hạn! Chúng em xin cảm ơn thầy phản biện có nhận xét đánh giá xác, thơng qua chúng em nhận đƣợc hạn chế tồn đề tài, nhờ cải tiến khắc phục hạn chế đề tài Chúng em xin chân thành cảm ơn q thầy khoa Cơ Khí Động Lực tận tình dạy cho chúng em suốt năm qua, nhờ quý thầy cô mà chúng em đƣợc trang bị kiến thức nghề nghiệp bản, giúp chúng em tìm đƣợc việc làm tƣơng lai Xin chân thành cảm ơn! Nhóm sinh viên thực hiện: Đỗ Văn Rul Lƣơng Anh Tuấn MSSV: 12145140 12145209 i TÓM TẮT Vấn đề nghiên cứu - Nghiên cứu số lồi cá có giá trị kinh tế cao đƣợc nuôi nƣớc ta - Phƣơng pháp trao đổi nhiệt - Phƣơng pháp điều khiển có tín hiệu phản hồi từ cảm biến nhiệt độ Các hƣớng tiếp cận Tham khảo tài liệu, sách nguồn mạng Internet để đƣa phƣơng án thực Cách giải vấn đề - Lập trình LabVIEW myRIO để điều khiển, hiển thị truyền liệu chuẩn wifi - Tìm kiếm thêm tài liệu internet, tham khảo ý kiến bạn bè đặc biệt giảng viên hƣớng dẫn thầy Lê Khánh Tân - Tổng hợp thiết kế, chế tạo hồ cá thông minh Kết thu đƣợc - Thiết kế, chế tạo đƣợc hồ cá thông minh - Thiết kế đƣợc giao diện điều khiển hiển thị thông tin hồ cá - Điều khiển giám sát hoạt động hồ cá từ xa chuẩn wifi ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT ii Vấn đề nghiên cứu .ii Các hƣớng tiếp cận ii Cách giải vấn đề ii Kết thu đƣợc .ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC HÌNH vi DANH MỤC CÁC BẢNG viii CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Phạm vi, đối tƣợng nghiên cứu 1.2.1 Phạm vi nghiên cứu 1.2.2 Đối tƣợng nghiên cứu 1.2.3 Phƣơng pháp nghiên cứu 1.2.4 Hƣớng giải 1.3 Các hƣớng nghiên cứu có nƣớc 1.4 Các hƣớng nghiên cứu có nƣớc ngồi 1.5 Các vấn đề tập trung nghiên cứu giải đề tài CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu công nghệ IoT 2.2 Giới thiệu board lập trình NI myRIO 11 2.3 Giới thiệu phần mềm LabVIEW myRIO 2016 16 2.4 Giới thiệu sị nóng lạnh (Peltier) 19 2.5 Ứng dụng kiến thức lý thuyết nêu vào đồ án 20 2.5.2 Nghiên cứu điều khiển hồ cá theo điều kiện thời tiết thực tế 21 iii 2.5.3 Ứng dụng LabVIEW myRIO 2016 phạm vi đồ án 22 2.5.3 Ứng dụng IoT điều khiển giám sát hoạt động hồ cá 31 2.6 Giới thiệu số lồi cá có giá trị cao đƣợc ni nƣớc ta 32 2.6.1 Cá hồi vân 32 2.6.2 Cá chình 34 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ - CHẾ TẠO MƠ HÌNH 36 3.1 Công việc thực 36 3.1.1 Tổng quan mơ hình 36 3.2 Thi cơng lắp đặt mơ hình hồ cá thông minh 42 3.2.1 Thiết kế khung sắt cho hồ cá 42 3.2.2 Lắp đặt khung sắt 44 3.2.3 Lắp đặt hệ thống ống nƣớc cho hồ cá 45 3.2.4 Lắp đặt dây điện cho hệ thống 47 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 51 4.1 Kết thực 51 4.1.1 Kết hồ cá nƣớc ấm 51 4.1.2 Kết hồ cá nƣớc lạnh 53 4.2 Đánh giá, bàn luận kết thực nghiệm 54 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 55 5.1 Kết luận 55 5.1.1 Kết đạt đƣợc đề tài 55 5.1.2 Đóng góp đề tài 55 5.2 Hƣớng phát triển đề tài 55 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 iv DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu Diễn giải Đơn vị AC - Dòng điện xoay chiều Volt (V) DC - Dòng điện chiều Volt (V) LabVIEW - Phần mềm máy tính (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) NI MyRIO - Board điều khiển hãng NI IoT - Công nghệ Internet of Things (Internet vạn vật) USB - Chuẩn kết nối đa dụng máy tính (Universal Serial Bus) RS232 - Chuẩn giao tiếp RS232 để nối ghép thiết bị ngoại vi với máy tính v DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 - Hồ composite nuôi cá giống nƣớc ta Hình 1.2 – Hệ thống quạt bơm khí ơxy hồ ni tơm Hình 1.3 - Heater sƣởi hồ cá Hình 1.4 - Trứng cá hồi tƣơi Hình 1.5 – Khay ấp hệ thống ấp trứng cá hồi Hình 1.6 – Hồ ni cá hồi giống (1-5 gram) nhà Hình 1.7 – Hệ thống điều khiển nhiệt độ nƣớc hồ cá giống Hình 1.8 – Ao ni cá hồi ngồi trời Hình 2.1 – Cơng nghệ IoT Hình 2.4 – Board NI myRIO 11 Hình 2.5 – Các phụ kiện kèm 12 Hình 2.6 – Mặt sau board NI myRIO 13 Hình 2.7 – Các chân kết nối nút bấm board NI myRIO 13 Hình 2.8 - Các chân mặt trái board NI myRIO 14 Hình 2.9 - Các chân mặt phải board NI myRIO 14 Hình 2.10 – Phần mềm LabVIEW myRIO 2016 16 Hình 2.11 – Thƣ viện myRIO 18 Hình 2.12 – Cấu tạo sị nóng lạnh (Peltier) 19 Hình 2.13 - Cấu tạo bên trao đổi nhiệt 20 Hình 2.14 – Cấu tạo bên ngồi trao đổi nhiệt 21 Hình 2.15 - Giao diện LabVIEW điều khiển hiển thị 24 Hình 2.16 – Hoạt động hệ thống K=1 (trƣờng hợp 3) 26 Hình 2.17 – Hoạt động hệ thống K=2, 6, 27 Hình 2.18 - Hoạt động hệ thống K=3 (trƣờng hợp 1) 28 Hình 2.19 – Hoạt động hệ thống K=7 (trƣờng hợp 4) 29 Hình 2.20 – Hoạt động hệ thống K=4 (trƣờng hợp 5) 30 Hình 2.21 – Hoạt động hệ thống K=5 (trƣờng hợp 2) 31 Hình 2.22 – Cài đặt cấu hình wifi cho board NI myRIO 32 Hình 2.23 – Cá hồi vân 33 Hình 2.24 – Cá chình bơng 34 Hình 3.1 – Mơ hình hồ cá thông minh 36 Hình 3.2 – Mặt trƣớc mặt bên khung 43 Hình 3.3 – Khung sắt thiết kế hoàn chỉnh 43 Hình 3.4 – Sắt lỗ chữ V đa dụng 44 Hình 3.5 – Bu lơng, đai ốc bát hình tam giác 44 vi Hình 3.6 – Ghép nối sắt lỗ chữ V bu lông, đai ốc, bát tam giác 45 Hình 3.8 – Ống nhựa ti-ơ 46 Hình 3.9 –Hệ thống ống nƣớc hồn chỉnh 47 Hình 3.10 – Đi dây điện cho modul relay 47 Hình 3.11 - Connector A 48 Hình 3.12 - Connecter B 48 Hình 3.13 – Các chân Digital sử dụng Connecter A 48 Hình 3.14 – Kết nối giắc cắm vào board NI myRIO 50 Hình 4.1 – Đồ thị nhiệt thực nghiệm hồ cá nƣớc ấm 52 Hình 4.2 - Đồ thị nhiệt thực nghiệm hồ cá nƣớc lạnh 54 Hình 5.1- Cảm biến nhiệt độ DS18B20 56 vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 – Bảng thống kê thiết bị sử dụng mơ hình 37 Bảng 3.2 – Chức thiết bị mơ hình 40 Bảng 3.3 - Thống kê số lƣợng relay hệ thống 41 Bảng 3.4 - Thống kê số lƣợng cảm biến hệ thống 41 Bảng 3.5 – Công suất tiêu thụ hệ thống 42 Bảng 3.6 – Bảng thống kế vật liệu lắp đặt ống nƣớc cho hồ cá 46 Bảng 3.7 – Các chân sử dụng board NI myRIO 49 Bảng 4.1 - Thống kê tóm tắt nhiệt độ hồ ấm sau 51 Bảng 4.2 - Thống kê tóm tắt nhiệt độ hồ lạnh sau 53 viii CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Lý chọn đề tài - Cho đến bây giờ, ngành nuôi trồng thủy sản nƣớc ta chƣa đa dạng chƣa có hiệu cao Một lý quan trọng dẫn đến tình trạng nƣớc ta nằm vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, có lồi thủy hải sản vùng nhiệt đới sinh trƣởng phát triển đƣợc Bên cạnh nhiệt độ mơi trƣờng lý có ảnh hƣởng đáng kể Ví dụ nhƣ: Hà Nội, nhiệt độ trung bình tháng cao lên tới 30oC (cuối tháng 6), nhiệt độ thấp giảm xuống dƣới 17oC (tháng 1)[1] Chính điều ảnh hƣởng đáng kể đến sinh sản phát triển nhiều loại thủy hải sản Để đảm bảo đa dạng suất nuôi trồng, ngƣời nông dân tìm nhiều cách tác động đến mơi trƣờng sống loài thủy sản Một biện pháp thƣờng gặp nghiên cứu điều chỉnh nhiệt độ mơi trƣờng nƣớc cho phù hợp với điều kiện sinh trƣởng loại thủy sản Tuy nhiên phƣơng pháp mà nơng dân áp dụng cịn nhiều hạn chế - Ở đồ án này, nhóm chúng em trình bày ý tƣởng thiết kế, chế tạo trao đổi nhiệt nhằm điều khiển nhiệt độ nƣớc hồ nuôi cá giống loại nhỏ để giúp cho ngành nuôi trồng thủy hải sản nƣớc ta trở nên đa dạng có suất cao Nhiệt độ hồ cá giống đƣợc điều khiển hoàn toàn tự động tùy theo giá trị cài đặt ngƣời sử dụng, cảm biến nhiệt độ nƣớc gửi tín hiệu feedback, giá trị nhiệt độ từ cảm biến đƣợc hiển thị hình giúp cho việc giám sát điều khiển trở nên dễ dàng 1.2 Phạm vi, đối tƣợng nghiên cứu 1.2.1 Phạm vi nghiên cứu - Do thời hạn làm đồ án hạn hẹp, nhóm chúng em nghiên cứu chế tạo thử nghiệm mơ hình điều khiển nhiệt độ hồ cá giống thơng minh với kích thƣớc nhỏ - Phạm vi ứng dụng đề tài nhằm phục vụ cho việc điều khiển nhiệt độ hồ nuôi cá giống loại nhỏ 1.2.2 Đối tƣợng nghiên cứu - Một số lồi cá có giá trị kinh tế cao đƣợc nuôi nƣớc ta - Phƣơng pháp trao đổi nhiệt sị nóng lạnh (Peltier) 1.2.3 Phƣơng pháp nghiên cứu - Tìm kiếm nguồn tài liệu thông qua Internet - Nghiên cứu thuật tốn điều khiển có phản hồi - Thực nghiệm đo nhiệt độ hồ cá từ mơ hình thực tế chế tạo 1.2.4 Hƣớng giải - Từ yêu cầu đặt ra, đồ án đƣợc thực sở có kết hợp lý thuyết thực nghiệm Đồ án hƣớng đến hệ thống gồm thành phần: + Phần cứng: lắp đặt khung sắt, hồ cá, hệ thống ống nƣớc, dây điện cho mơ hình hồ cá thơng minh + Phần mềm: lập trình điều khiển cho board NI myRIO phần mềm LabVIEW Điều khiển van, bơm, trao đổi nhiệt thơng qua tín hiệu phản hồi từ cảm biến nhiệt độ 1.3 Các hƣớng nghiên cứu có nƣớc - Vào mùa hè, thời tiết nóng làm giảm khả sinh trƣởng loài thủy sản tạo loại khí độc hồ cá nhƣ: NH3, H2S,…tạo môi trƣờng lý tƣởng cho bệnh thủy sản nhƣ: bệnh đốm đỏ, bệnh viêm ruột,…phát triển Để khắc phục, nông dân thực biện pháp nhƣ: tăng mực nƣớc hồ, sử dụng bơm sục khí ơxy vào hồ, nhiên phƣơng pháp có hiệu nơng dân khó để điều khiển xác nhiệt độ hồ 3.2.2 Lắp đặt khung sắt - Khung mơ hình đƣợc làm thép V lỗ để thuận tiện cho việc chế tạo lắp đặt mơ hình Hình 3.4 – Sắt lỗ chữ V đa dụng - Các sắt lỗ chữ V sau đƣợc đo đạc cắt rời theo kích thƣớc thiết kế đƣợc lắp nối với bu lông, đai ốc thơng qua bát tam giác Hình 3.5 – Bu lơng, đai ốc bát hình tam giác 44 Hình 3.6 – Ghép nối sắt lỗ chữ V bu lông, đai ốc, bát tam giác 3.2.3 Lắp đặt hệ thống ống nƣớc cho hồ cá - Hồ cá đƣợc lắp mơ hình loại thùng nhựa hình chữ nhật tích 30 lít Hình 3.7 – Thùng nhựa chữ nhật 30 lít 45 - Các hồ cá, van, bơm,bộ trao đổi nhiệt đƣợc kết nối với thông qua hệ thống ống nƣớc Để lắp đặt, nhóm định chọn ống nhựa Ti-ơ dẻo, suốt ống có nhiều ƣu điểm nhƣ: giá thành rẻ, dễ uốn cong, bền,… Hình 3.8 – Ống nhựa ti-ô Bảng 3.6 – Bảng thống kế vật liệu lắp đặt ống nƣớc cho hồ cá STT Tên dụng cụ Cút nối đồng Hình ảnh Số lƣợng 32 (cái) Ø 21 T đồng (cái) Keo non 10 (cuộn) Keo Silicon (chai) 46 Hình 3.9 –Hệ thống ống nƣớc hoàn chỉnh 3.2.4 Lắp đặt dây điện cho hệ thống Hình 3.10 – Đi dây điện cho modul relay 47 Các chân Analog sử dụng để đọc tín hiệu cảm biến board NI myRIO Hình 3.11 - Connector A Hình 3.12 - Connecter B Các chân Digital sử dụng để gửi tín hiệu điều khiển đến relay board NI myRIO Hình 3.13 – Các chân Digital sử dụng Connecter A 48 Bảng 3.7 – Các chân sử dụng board NI myRIO Connector Tên chân A Chức Chân tín hiệu nhiệt độ hồ lạnh Chân tín hiệu nhiệt độ hồ ấm B 11 Kích relay van 1,2 13 Kích relay van 3,4 15 Kích relay van 5,6 17 Kích relay van 7,8 18 Kích relay van 9,10 19 Kích relay van 11,12 21 Kích relay van 13,14 23 Kích relay van 15,16 25 Kích relay bơm 1,2 27 Kích relay bơm 3,4 29 Kích relay trao đổi nhiệt số 31 Kích relay trao đổi nhiệt số Chân tín hiệu nhiệt độ hồ phụ Chân tín hiệu nhiệt độ mơi trƣờng 49 Hình 3.14 – Kết nối giắc cắm vào board NI myRIO 50 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 4.1 Kết thực - Hoàn thành code điều khiển hệ thống - Hồn thành mơ hình hồ cá thông minh với việc điều khiển đƣợc nhiệt độ hồ theo ý muốn, phù hợp với nhiệt độ tối ƣu loài cá - Việc giám sát điều khiển đƣợc thực từ xa thơng qua chuẩn giao tiếp wifi - Mơ hình đƣợc chạy thực nghiệm thu đƣợc kết khả quan Điều kiện tiến hành thực nghiệm - Nhiệt độ mơi trƣờng khoảng 350C - Thể tích hồ : 15 lít nƣớc - Tiến hành chạy mơ hình thời gian 4.1.1 Kết hồ cá nƣớc ấm Bảng 4.1 - Thống kê tóm tắt nhiệt độ hồ ấm sau Thời gian (giây) Nhiệt độ hồ cá nƣớc ấm Bắt đầu 31.3159 300 32.0718 600 33.1825 900 34.3306 1200 35.1713 1500 35.9218 1800 36.002 2100 36.4467 2400 37.1192 51 2700 37.5703 3000 38.0772 3300 38.3395 3600 38.6211 Hình 4.1 – Đồ thị nhiệt thực nghiệm hồ cá nƣớc ấm 52 4.1.2 Kết hồ cá nƣớc lạnh Bảng 4.2 - Thống kê tóm tắt nhiệt độ hồ lạnh sau Thời gian (giây) Nhiệt độ hồ cá nƣớc lạnh Bắt đầu 31.3813 300 30.4189 600 30.4812 900 31.0189 1200 30.8255 1500 30.7347 1800 28.4421 2100 29.1358 2400 28.8763 2700 28.0094 3000 27.2089 3300 27.3541 3600 26.454 53 Hình 4.2 - Đồ thị nhiệt thực nghiệm hồ cá nƣớc lạnh 4.2 Đánh giá, bàn luận kết thực nghiệm - Nhiệt độ hồ tăng, giảm nhanh vào thời gian đầu sau chậm lại lúc đầu khoảng chênh lệch nhiệt độ hồ mơi trƣờng cịn thấp nên việc gia nhiệt diễn nhanh, lúc khoảng chênh lệch nhiệt độ tăng nên việc gia nhiệt diễn chậm lại - Nhiệt độ hồ ấm có khoảng chênh lệch lớn (khoảng 70C) hồ lạnh (khoảng 50C) so với môi trƣờng vào thời điểm bắt đầu kết thúc trình thử nghiệm - Nhìn chung nhiệt độ hồ có xu hƣớng tăng (giảm) dần, nhiên có lúc tăng (giảm) đột ngột khơng ổn định cảm biến 54 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 5.1 Kết luận 5.1.1 Kết đạt đƣợc đề tài Sau thời gian tiến hành nghiên cứu chế tạo thử nghiệm, đề tài đạt đƣợc số kết nhƣ sau: - Hoàn chỉnh chƣơng trình điều khiển hồ cá thơng minh có khả ổn định nhiệt độ hồ phù hợp với nhiệt độ sống loài cá - Ứng dụng đƣợc IoT vào q trình điều khiển - Hồn thành mơ hình hồ cá thơng minh với khả ni đƣợc loại cá có khoảng nhiệt độ sống khác - Hoàn thành giao diện LabVIEW giúp cho việc điều khiển giám sát hoạt động hồ cá thực cách dễ dàng, trực quan sinh động - Thu thập đƣợc liệu nhiệt độ hồ cá theo thời gian vẽ đƣợc đồ thị nhiệt độ thực nghiệm 5.1.2 Đóng góp đề tài Đề tài mở hƣớng cho ngành thủy sản nƣớc ta Thiết bị điều chỉnh nhiệt độ môi trƣờng nƣớc cho phù hợp cho loài thủy sản phục vụ cho ngành nuôi trồng thủy sản – mạnh kinh tế nƣớc ta Thiết bị góp phần giúp ngành thủy sản phát triển loại cá khác nhau, tăng suất tiết kiệm lƣợng Ý tƣởng mở đƣờng cho nơng dân Việt Nam nâng cao khả nuôi trồng đa dạng thủy sản mà không bị ảnh hƣởng thay đổi nhiệt độ môi trƣờng xung quanh 5.2 Hƣớng phát triển đề tài - Tăng công suất trao đổi nhiệt để giảm thời gian gia nhiệt tăng khoảng gia nhiệt 55 Đề xuất: Sử dụng nhiều Peltier cho trao đổi nhiệt - Tăng tính ổn định nhƣ xác cảm biến Đề xuất: Cách nƣớc tốt cho cảm biến LM35 thay cảm biến chuyên sử dụng cho môi trƣờng nƣớc Cảm biến đề xuất : DS18B20 Hình 5.1- Cảm biến nhiệt độ DS18B20 - Mở rộng phạm vi giám sát hệ thống cách giám sát điện thoại thơng minh thơng qua sóng điện thoại - Thêm phần báo động an tồn cho hệ thống có cố nhƣ hỏng cảm biến, hỏng van điện từ, bơm nƣớc,… - Tiến hành nuôi cá thử nghiệm thực tế 56 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://www.vietnamtourism.com/index.php/about/items/2531 [2] http://www.vietlinh.vn/vietlinh/2012_UW_hatchery_vi.asp [3] http://iotvietnam.com/internet-of-things-la-gi/ [4] http://dbm.com.vn/vn/tin-tuc/tren-tay-ni-MyRIO-cong-cu-ho-tro-dac-luc-cho- sinh-vien.html [5] http://forum.cncprovn.com/threads/8388-Gioi-thieu-ve-LabVIEW [6] http://arduino.vn/bai-viet/1116-so-nong-lanh-va-nhung-ung-dung-hay-cua-no [7] http://nghenong.com/quy-trinh-nuoi-ca-hoi-van-thuong-pham-15935.html [8] http://tepbac.com/technical/full/173-Ky-thuat-nuoi-ca-chinh-thuong-pham-trongao-dat.htm 57 ... nhiệt độ hồ ấm, giữ nguyên nhiệt độ hồ lạnh - Trƣờng hợp 5: Nhiệt độ hồ cá lạnh cao nhiệt độ cài đặt nhiệt độ hồ cá ấm thấp nhiệt độ cài đặt Cần giảm nhiệt độ hồ cá lạnh, tăng nhiệt độ hồ cá ấm... 1: Nhiệt độ hồ cao nhiệt độ cài đặt Cần giảm nhiệt độ hồ - Trƣờng hợp 2: Nhiệt độ hồ thấp nhiệt độ cài đặt Cần tăng nhiệt độ hồ - Trƣờng hợp 3: Nhiệt độ hồ ấm phù hợp nhiệt độ cài đặt, nhiệt độ. .. độ hồ lạnh cao nhiệt độ cài đặt Cần giảm nhiệt độ hồ lạnh, giữ nguyên nhiệt độ hồ ấm - Trƣờng hợp 4: Nhiệt độ hồ lạnh phù hợp nhiệt độ cài đặt, nhiệt độ hồ ấm thấp nhiệt độ cài đặt Cần tăng nhiệt