(Đồ án hcmute) thiết kế và thi công hệ thống giám sát độ mặn, độ đục và mực nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT MÁY TÍNH THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐỘ MẶN, ĐỘ ĐỤC VÀ MỰC NƯỚC GVHD: THS NGUYỄN NGÔ LÂM SVTH: NGUYỄN TRUNG TRIỂN MSSV: 14119128 SVTH: QUÁCH GIA HƯNG MSSV: 14119086 SKL 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 08/2020 an BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐỘ MẶN, ĐỘ ĐỤC VÀ MỰC NƯỚC SVTH : MSSV : SVTH : MSSV : Khóa : Ngành : GVHD: NGUYỄN TRUNG TRIỂN 14119128 QUÁCH GIA HƯNG 14119086 2014 CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÁY TÍNH ThS NGUYỄN NGƠ LÂM Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2020 an BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐỘ MẶN, ĐỘ ĐỤC VÀ MỰC NƯỚC SVTH : MSSV : SVTH : MSSV : Khóa : Ngành : GVHD: NGUYỄN TRUNG TRIỂN 14119128 QUÁCH GIA HƯNG 14119086 2014 CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÁY TÍNH ThS NGUYỄN NGƠ LÂM Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2020 an CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** Tp Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng năm 2020 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Trung Triển Qch Gia Hưng Ngành: Cơng nghệ kỹ thuật máy tính Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Ngô Lâm Ngày nhận đề tài: 27/3/2020 MSSV: 14119128 MSSV: 14119086 Lớp: 14119CL2 ĐT: 0908434763 Ngày nộp đề tài: 14/8/2020 Tên đề tài: Thiết kế thi công hệ thống giám sát độ mặn, độ đục mực nước Các số liệu, tài liệu ban đầu: Đồ án môn học 2, đồ án mơn học 2; đồ án tốt nghiệp khóa trước: Thiết kế thi công hệ thống vườn lan kết nối Web Server, thiết kế xây dựng hệ thống hồ nuôi tôm Nội dung thực đề tài: Thiết kế xây dựng hệ thống đo khoảng cách mực nước, đô mặn, độ đục Giám sát thông số hệ thống qua hình hiển thị Web Server Hệ thống có phần cài đặt cảnh báo phần cứng Sản phẩm: Mơ hình hệ thống đo độ mặn, độ đục, mực nước giám sát cảnh báo qua mạng GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN an CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ tên Sinh viên: Nguyễn Trung Triển MSSV: 14119128 Quách Gia Hưng MSSV: 14119086 Ngành: Công nghệ kỹ thuật máy tính Tên đề tài: Thiết kế thi cơng hệ thống giám sát độ mặn, độ đục mực nước Họ tên Giáo viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Ngô Lâm NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm:……………….(Bằng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2020 Giáo viên hướng dẫn an CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ tên Sinh viên: Nguyễn Trung Triển MSSV: 14119128 Quách Gia Hưng MSSV: 14119086 Ngành: Công nghệ kỹ thuật máy tính Tên đề tài: Thiết kế thi công hệ thống giám sát độ mặn, độ đục mực nước Họ tên Giáo viên phản biện: NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm:……………….(Bằng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2020 Giáo viên phản biện an LỜI CẢM ƠN Nhóm thực xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Ngơ Lâm tận tình dẫn, trực tiếp tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em thực đồ án tốt nghiệp Tất thầy bảo nhiệt thành cơng việc giảng dạy thầy gương sáng cho chúng em noi theo Nhóm xin chân thành cảm ơn đến quý thầy/cô, giảng viên trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Khoa đào tạo chất lượng cao, quý vị nhiệt tâm truyền đạt kiến thức chuyên môn quý báu, kinh nghiệm cần thiết, điều tảng sở để nhóm thực hoàn thành đồ án tốt nghiệp Đó sở giúp chúng em định hướng cho nghề nghiệp tương lai mai Bên cạnh đó, nhóm xin gửi lời cảm ơn bậc phụ huynh, bạn sinh viên khóa, anh chị sinh viên trước, yêu thương, tận tình giúp đỡ chia sẻ với nhóm vật chất tinh thần Sau cùng, dù đồ án hồn thành chắn cịn nhiều thiếu sót, mong quý thầy/cô, anh chị bạn nhận xét góp ý thêm Xin chân thành cảm ơn i an LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, tượng biến đổi khí hậu, thiên tai xảy thường xuyên, với ô nhiễm môi trường nước mối nguy đáng lo ngại ngành nông nghiệp, quan chức kĩ sư nghiên cứu nông nghiệp, gây nhiều hậu nghiêm trọng khơng phát kịp thời khơng có biện pháp phòng chống hiệu Với phát triển nghành cơng nghệ giới số, vi xử lí Việc ứng dụng công nghệ vào nông nghiệp cần thiết thiết thực Nắm cần thiết đó, nhóm lựa chọn thực nghiên cứu đề tài THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐỘ MẶN, ĐỘ ĐỤC VÀ MỰC NƯỚC nhằm tìm hiểu thêm tầm quan trọng vi xử lí, mạng truyền thơng IoT Hệ thống có chức cập nhật mực nước, độ mặn độ đục nước qua mạng, cảnh báo theo ngưỡng cài đặt trước qua có biện pháp phù hợp để phòng chống khắc phục hiệu ii an MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN LỜI CẢM ƠN i LỜI NÓI ĐẦU ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH vii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY 1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 1.4 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU .2 1.5 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1.5.1 Đối tượng nghiên cứu 1.5.2 Phạm vi nghiên cứu 1.6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.7 BỐ CỤC ĐỒ ÁN CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 GIỚI THIỆU MÁY TÍNH NHÚNG RASPBERRY PI 2.1.1 Giới thiệu chung 2.1.2 Phần cứng Raspberry Pi 2.1.3 Hệ điều hành cho Raspberry Pi 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 Module HC-SR05 MODULE ĐỒNG HỒ THỜI GIAN THỰC RTC DS3231 10 MODULE LCD 11 MODULE UART-TDS-V1 .13 CẢM BIẾN ĐỘ ĐỤC 16 CẢM BIẾN MƯA 18 iii an 2.8 CÁC CHUẨN TRUYỀN SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI 19 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG 23 3.1 YÊU CẦU VÀ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG 23 3.1.1 Yêu cầu hệ thống 23 3.1.2 Sơ đồ khối chức khối 23 3.1.3 Hoạt động hệ thống 24 3.2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHẦN CỨNG 25 3.2.1 Khối thời gian thực .25 3.2.2 Khối cảm biến đo mực nước 25 3.2.3 Khối cảm biến mưa .26 3.2.4 Khối hiển thị 26 3.2.5 Khối cảm biến độ đục ADC 27 3.2.6 Khối cảm biến độ mặn 28 3.2.7 Khối xử lí trung tâm 29 3.2.8 Khối nguồn 31 3.3 THIẾT KẾ PHẦN MỀM 31 3.3.1 Yêu cầu phần mềm: .31 3.3.2 Lưu đồ giải thuật hệ thống 32 3.3.3 Lưu đồ giải thuật đọc giá trị cảm biến đo mực nước 33 3.3.4 Lưu đồ giải thuật đọc giá trị cảm biến đo độ mặn 34 3.3.5 Lưu đồ giải thuật đọc giá trị cảm biến đo độ đục 35 3.3.6 Lưu đồ giải thuật đọc giá trị cảm biến mưa .35 3.3.7 Thiết kế Web Server 36 3.3.8 Kết nối Board Raspberry pi với Dcom 3G .36 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC HIỆN 39 4.1 KẾT QUẢ PHẦN CỨNG 39 4.2 KẾT QUẢ PHẦN MỀM 41 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG 43 5.1 KẾT LUẬN 43 5.2 HẠN CHẾ VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN .43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 iv an 3.3.2 Lưu đồ giải thuật hệ thống Giải thích lưu đồ: - Đầu tiên khai báo khởi tạo giá trị ban đầu, khai báo thư viện, chân I/O, biến - Tiếp theo đọc giá trị cảm biến đo khoảng cách, cảm biến đo độ mặn, đo độ đục, cảm biến mưa, thời gian thực - Các giá trị trạng thái cảm biến hiển thị hình LCD theo thứ tự - Các giá trị, thông số từ hệ thống gửi lên thingspeak để thị - Hệ thống thực vịng lặp liên tục Hình 3.8 Lưu đồ giải thuật chương trình 32 an 3.3.3 Lưu đồ giải thuật đọc giá trị cảm biến đo mực nước Giải thích lưu đồ: - Đầu tiên cảm biến khoảng cách bật chân trig, delay khoảng 10us, sau tắt chân trig - Trong khoảng thời gian tiếp theo, có xung dội chân echo cảm biến đo độ rộng xung, xung có giá trị tương ứng với thời gian từ lúc cảm biến khoảng cách phát lúc gặp vật cản, tiếp tính tốn khoảng cách dự thời gian đo Nếu khơng có xung dội chân echo tính tốn khoảng cách khơng - Hệ thống đọc giá trị cảm biến - Hệ thống lặp lại Hình 3.9 Lưu đồ giải thuật đọc giá trị cảm biến 33 an 3.3.4 Lưu đồ giải thuật đọc giá trị cảm biến đo độ mặn Giải thích lưu đồ: - Gửi lệnh AT để lấy giá trị TDS - Tính tốn giá trị độ mặn - Nếu giá trị độ mặn nhỏ 0.1% hiển thị giá trị lên LCD - Nếu ngược lại hiển thị chuỗi “OVER RANGE” lên LCD Hình 3.10 Lưu đồ giải thuật đọc giá trị cảm biến độ mặn 34 an 3.3.5 Lưu đồ giải thuật đọc giá trị cảm biến đo độ đục Giải thích lưu đồ: - Đọc giá trị cảm biến độ đục Tính tốn , đưa giá trị điện áp Hiển thị LCD Hình 3-0.11 Lưu đồ giải thuật đọc giá trị cảm biến độ đục 3.3.6 Lưu đồ giải thuật đọc giá trị cảm biến mưa Giải thích lưu đồ: - Đọc tín hiệu cảm biến mưa - Nếu trả “0” hiển thị chuỗi “CĨ MƯA” - Nếu trả “1” hiển thị chuỗi “KHƠNG CĨ MƯA” Hình 3.12 Lưu đồ giải thuật đọc giá trị cảm biến mưa 35 an 3.3.7 Thiết kế Web Server Giải thích lưu đồ: - Đầu tiên, hệ thống nhận giá trị cảm biến - Gửi giá trị đọc lên thingspeak để hiển thị Hình 3.13 Lưu đồ giải thuật gửi liệu lên thingspeak 3.3.8 Kết nối Board Raspberry pi với Dcom 3G  Bước : Kết nối mạng cho Raspberry Pi (Ethernet Wifi) Cài số phần mềm cần thiết : sudo apt-get update sudo apt-get install ppp usb-modeswitch  Bước : Cài đặt Sakis 3G wget http://raspberry-at-home.com/files/sakis3g.tar.gz sudo tar -zxvf sakis3g.tar.gz sudo chmod +x sakis3g  Bước : Kiểm tra thiết bị kết nối 36 an Dùng câu lệnh : lsusb để kiểm tra cổng USB kết nối với USB3G Hình 3.14 kiểm tra cổng USB kết nối với USB3G USB 3G kết nối tô đậm hình, sử dụng cho bước setup tới Hình 3.15 Bảng lựa chọn  Chọn “connect with 3G”  Chọn thiết bị dị tìm  Đặt tên password cho thiết bị  Kiểm tra lại: dùng lệnh fconfig –a 37 an Hình 3.16 kết nối thành cơng  Kết nối thành công 38 an CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC HIỆN 4.1 KẾT QUẢ PHẦN CỨNG Qua trình thiết kế phần cứng, chọn lựa linh kiện, nhóm tiến hành kiểm tra kết nối module, linh kiện với cho sản phẩm hình bên Hình 4.1: Sản phẩm hồn thành Hệ thống hoàn chỉnh phần cứng với cảm biến đo mực nước, độ mặn, độ đục, module thời gian thực DS3231, cảm biến mưa, LCD, nút nhấn Hệ thống hoạt động ổn định Ưu điểm: mơ hình kết cấu chắn chắn, cảm biến module bảo qua lớp foam toàn, hiển thị trực quan 39 an Nhược điểm: kết nối dây chưa gọn gàng, mơ hình cồng kềnh Hình 4.2 Dữ liệu cảm biến hiển thị LCD - LCD hiển thị hàng là: thời gian thực lấy từ internet LCD hiển thị hàng là: mực nước đô từ cảm biến siêu âm SR05 LCD hiển thị hàng là: độ mặn nước đo qua cảm biến đo độ mặn LCD hiển thị hàng là: độ đục nước đo qua cảm biến đo độ đục Hình 4.3 Menu lựa chọn LCD Hàng thứ LCD lúc để hiển thị cảnh báo có mưa Ngồi ta cịn điều chỉnh cài đặt hình LCD nút nhấn, Qua q trình nghiên cứu, nhóm thực đề tài đạt vấn đề sau: Đã hiểu ứng dụng cảm biến đo mực nước, độ mặn, độ đục Hệ thống truyền liệu, lưu trữ hiển thị Web Server Nhìn chung, mạch đạt yêu cầu đặt ra, đo thay đổi mực nước, hiển thị thời gian thực, đo mẫu thử độ đục độ mặn nước, 40 an 4.2 KẾT QUẢ PHẦN MỀM Giao diện thingspeak, hiển thị kết dạng đồ thị biểu đồ: Hình 4.4 Hiển thị thingspeak Giao diện gồm có đồ thị bên trái hiển thị liệu cảm biến đo mực nước, cảm biến đo độ mặn, cảm biến đo độ đục, biểu đồ bên phải hiển thị giá trị khoảng cảnh báo theo màu: Với cảm biến đo mực nước: màu nâu cảnh báo mực nước thấp, màu xanh lam cho thấy mực nước ổn điịnh bình thường, màu đỏ cảnh báo mực nước cao gây lũ lụt 41 an Với cảm biến độ mặn: màu xanh lam thể mức độ bình thường nước, màu đỏ biểu thị mặn hóa nước Với cảm biến độ đục, giá trị điện áp tăng độ đục giảm Ngồi ta cịn có cảnh báo mưa Hình 4.5 Cảnh báo mưa Nút chuyển màu đỏ cảnh báo có mưa 42 an CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG 5.1 KẾT LUẬN Sau nghiên cứu xây dựng đề tài, nhóm thực vấn đề sau: - Tìm hiểu ngơn ngữ python để lập trình cho raspberry pi - Tìm hiểu, lắp đặt thành công hệ thống truyền liệu từ Raspberry pi lên Web server - Tìm hiểu board nhúng Raspberry Pi - Hệ thống hoạt động đo giá trị cảm biến hiển thị LCD gửi lên Web Server 5.2 HẠN CHẾ VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI 5.2.1 Hạn chế - Trong trình thực đề tài cịn gặp nhiều khó khăn tiếp cận với module mới, mạch thiết kế chưa đẹp - Số liệu cảm biến tương đối, xuất sai số nhiều - Q trình thu thập liệu thơng qua cảm biến chưa xác - Truyền nhận liệu qua mạng nhiều thời gian chờ - Phải cài đặt ngưỡng phần cứng - Khơng có nguồn cung cấp cho hệ thống 5.2.2 Hướng phát triển  Kết hợp với nhiều cảm biến khác, dùng cảm biến có độ chinh xác chuyên dụng  Xây dựng hệ thống cảnh báo, gửi tin nhắn cho người dùng hệ thống xảy vấn đề có hành vi cố tình xâm nhập vào hệ thống  Nghiên cứu sâu lập trình web, tạo Web Server hồn thiện tính năng, bảo mật  Kết hợp pin lượng mặt trời để cung cấp nguồn cho hệ thống  Xây dựng ứng dụng để cài đặt qua smartphone 43 an TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] https://raspberrypi.vn/thu-thuat-raspberry-pi/huong-dan-cai-dat-va-truy-capraspberry-pi-thong-qua-remote-desktop-1527.pi [2] https://raspberrypi.vn/thu-thuat-raspberry-pi/tim-dia-chi-ip-cua-raspberry-pi920.pi [3] https://thepihut.com/blogs/raspberry-pi-tutorials/hc-sr04-ultrasonic-rangesensor-on-the-raspberryi?fbclid=IwAR297FQuJfrIFIScWdgIihVNG6sRiXlxrtm5cYcE4IcyX1p_z7H KPz0F-Pc [4] https://www.best-microcontrollerprojects.com/ads1115.html?fbclid=IwAR2BfQz-BPEwJarYXQG3GjsOp6z49PaIIjlgc-FK0RZjZyCYbaDu2Uz3rA#Full_Scale_Resolution [5] https://vi.wikipedia.org/wiki/T%E1%BB%95ng_ch%E1%BA%A5t_r%E1%B A%AFn_h%C3%B2a_tan [6] https://mlab.vn/index.php?_route_=2292196-cam-bien-do-do-duc-chatlong.html [7] https://mlab.vn/index.php?_route_=63504-bai-17-ket-noi-usb-3g-voiraspberry-pi.html [8] Phan Tuấn Vũ – Huỳnh Ngọc Kha, “Đồ án – THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG VƯỜN LAN THÔNG MINH KẾT NỐI WEB SERVER”, trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam [9] Trần Xuân Bách-Nguyễn Quyết Thắng, “Đồ án – THIẾT KẾ HỆ THỐNG HỒ NUÔI TÔM”, trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam [10] Nguyễn Đình Phú, “Giáo trình Vi xử lý – Vi điều khiển”, 2013, trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam [11] Datasheet DS3231 [12] Datasheet SRF05 [13] Datasheet LCD [14] Datasheet Raspberry pi 44 an 45 an an ... Thi? ??t kế thi công hệ thống giám sát độ mặn, độ đục mực nước Các số liệu, tài liệu ban đầu: Đồ án môn học 2, đồ án môn học 2; đồ án tốt nghiệp khóa trước: Thi? ??t kế thi cơng hệ thống vườn lan kết... kiện hệ thống liên quan đến đề tài Chương 3: Thi? ??t kế xây dựng hệ thống giám sát độ mặn, độ đục mực nước hồ Trình bày yêu cầu hệ thống Trình bày sơ đồ khối chức khối, hoạt động hệ thống Thi? ??t kế. .. nghành công nghệ giới số, vi xử lí Việc ứng dụng cơng nghệ vào nông nghiệp cần thi? ??t thi? ??t thực Nắm cần thi? ??t đó, nhóm lựa chọn thực nghiên cứu đề tài THI? ??T KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐỘ MẶN,