(Đồ án hcmute) thiết kế và thi công hệ thống thủy canh ứng dụng công nghệ iots

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ÐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG THỦY CANH ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ IOTS GVHD: Nguyễn Ngơ Lâm SVTH:TRẦN NGỌC HẢI MSSV: 14141088 SVTH: PHẠM TẤN PHÁT MSSV: 14141503 SKL 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 01/2019 an BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CHẤT LƯỢNG CAO - - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG THỦY CANH ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ IoTs SVTH: TRẦN NGỌC HẢI MSSV: 14141088 PHẠM TẤN PHÁT 14141503 Khóa : 2014 Ngành: Cơng Nghệ Kỹ Thuật Điện tử, Truyền thông GVHD: ThS Nguyễn Ngô Lâm Tp Hồ Chí Minh, Tháng năm 2019 an CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2019 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Phạm Tấn Phát MSSV: 14141503 Trần Ngọc Hải MSSV: 14141088 Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử truyền thông Lớp: 14141CLDT2 Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Ngô Lâm ĐT: 0908434763 Ngày nhâ ̣n đề tài: 7/9/2018 Ngày nộp đề tài: 15/1/2019 Tên đề tài: Hệ thống thủy canh ứng dụng công nghệ IoTs Các số liệu, tài liệu ban đầu: Giáo trình vi xử lý: vi điều khiển; Giáo trình thực hành vi điều khiển PIC; lập trình php html, Arduino Tutorial Nội dung thực hiê ̣n đề tài: Thiết kế xây dựng hệ thống thủy canh hồi lưu thông qua độ dinh dưỡng, độ pH điều khiển máy bơm để tưới, cân dinh dưỡng, pH Giám sát thông số hệ thống điều khiển hoạt động hệ thống qua hệ thống Web Server Sản phẩm: Mơ hình hệ thống giàn trồng thủy canh hồi lưu gồm hai phần thu thập liệu điều khiển động bơm, tưới thông qua Web server TRƯỞNG NGÀNH 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: Trần Ngọc Hải MSSV: 14141088 Họ tên Sinh viên: Phạm Tấn Phát MSSV: 14141503 Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện tử, Truyền thông Tên đề tài: Hệ thống thủy canh ứng dụng công nghệ IoTs Họ tên Giáo viên hướng dẫn: Th.S 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 Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) an năm 20… 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: Trần Ngọc Hải MSSV: 14141088 Họ tên Sinh viên: Phạm Tấn Phát MSSV: 14141503 Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện tử, Truyền thông Tên đề tài: Hệ thống thủy canh ứng dụng công nghệ IoTs 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 20… Giáo viên phản biện (Ký & ghi rõ họ tên) an LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, lời nhóm xin cảm ơn chân thành đến tồn thể thầy cô trường Đại học Sư phạm Kỹ Thuật TP.HCM nói chung thầy khoa Chất lượng cao nói riêng, người tận tình hướng dẫn, dạy dỗ trang bị cho sinh viên kiến thức bổ ích năm năm vừa qua Đặc biệt xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo Th.S Nguyễn Ngô Lâm, người tận tình hướng dẫn, trực tiếp bảo tạo điều kiện giúp đỡ suốt trình làm đồ án tốt nghiệp Sau nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè động viên, cổ vũ đóng góp ý kiến trình học tập, nghiên cứu trình làm đồ án tốt nghiệp Xin chân thành cảm ơn! Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm Sinh Viên i an TĨM TẮT Nơng nghiệp ngành kinh tế chủ lực gắn bó với người Việt Nam từ lâu đời Ngày nay, nhờ áp dụng khoa học kĩ thuật vào trồng trọt chăn nuôi mà nông nghiệp gặt hái thành tựu to lớn Tuy nhiên, thiết bị nông nghiệp cịn thơ sơ, chưa bắt kịp cơng nghệ tiên tiến giới Xu hướng phổ biến IoTs tạo mạng lưới vạn vật kết nối thông qua internet ứng dụng nông nghiệp thơng minh theo mơ hình lớn nói chung mà cịn diện theo dạng mơ hình nhỏ nói riêng hộ gia đình Trong thực trạng kinh doanh khơng quan tâm đến sức khỏe người bán đặt lợi ích cá nhân cao lợi ích cộng đồng, nơng sản bẩn có nhiều hội tiếp cận gây nhiều ảnh hưởng trầm trọng cho sức khỏe cho người tiêu dùng Đề tài “Hệ thống thủy canh ứng dụng cơng nghệ IoTs” mơ hình trồng rau sử dụng cơng nghệ IoTs nhóm sinh viên thực đề tài chọn để tìm hiểu nghiên cứu nhằm giải vấn đề trồng rau an toàn cho người sử dụng Với hệ thống thiết kế, người dùng lựa chọn loại rau điều khiển tưới tiêu thông qua giao diện Web server xây dựng kết nối Internet Ngồi người dùng theo dõi thông số môi trường sinh trưởng trồng thông qua cảm biến nhằm tạo điều kiện tốt cho trồng phát triển Kết đồ án mơ hình thi cơng cho hệ thống thủy canh mức độ quy mô nhỏ với hai lựa chọn auto manual cho người dùng Ở chế độ auto, hệ thống thiết kế để lựa chọn thông số áp dụng vào trồng loại rau định Ở chế độ manual, người dùng tự bật tắt thiết bị thủ cơng theo ý muốn điều khiển Do thời gian thực đồ án có hạn nên nhóm sinh viên thực đề tài mong nhận đóng góp ý kiến từ q thầy bạn ii an MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vii DANH MỤC HÌNH ẢNH viii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 1.1.1 Đặt vấn đề: 1.1.2 Tính cấp thiết vấn đề: 1.1.3 Mục tiêu đề tài: 1.1.4 Giới hạn đề tài: 1.1.5 Bố cục đồ án: CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 CÁC CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1.1 Chuẩn truyền liệu nối tiếp UART 2.1.1.1 Thông số chuẩn truyền UART 2.1.2 Giao tiếp I2C 2.1.2.1.Các khái niệm 2.1.2.2.Cấu tạo nguyên lý hoạt động 2.1.3 Web Sever Cơ sở liệu 2.1.3.1 Các ngôn ngữ lập trình cho website 2.1.4 Lý thuyết sóng Wifi 10 2.1.5 Giao thức TCP 12 iii an 2.1.5.1 Giới thiệu 12 2.1.5.2 Phương thức hoạt động 13 2.1.6 Độ dẫn điện dung dịch 13 2.1.6.1 Khái niệm 13 2.1.6.2 Vai trò độ dẫn điện dung dịch 14 2.1.7 Độ pH 14 2.1.7.1 Khái niệm 14 2.1.8 Kỹ thuật trồng thủy canh 15 2.2 GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG: 18 2.2.1 ARDUINO UNO R3 18 2.2.1.1 Giới thiệu 18 2.2.1.2 Bộ nhớ sử dụng 20 2.2.1.3 Các cổng vào/ra Board Arduino Uno R3 20 2.2.2 Module Wifi ESP8266 Node MCU 21 2.2.3 Module Cảm biến độ dẫn điện dung dịch 22 2.2.4 Cảm biến nhiệt độ dung dịch DS18B20 25 2.2.5 Module cảm biến nồng độ pH 26 2.2.6 Bơm nhu động 27 2.2.7 Van điện từ DC 28 2.2.8 Động bơm nước LifetTech AP3100 29 2.2.9 SSD1306 OLED 128X64 0.96 Inch – I2C 30 2.2.10 Module cảm biến mực nước 31 2.2.11 Nguồn tổ ong 31 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HÊ THỐNG 33 3.1 YÊU CẦU VÀ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG 33 3.1.1 Yêu cầu hệ thống 33 iv an 3.1.2 Sơ đồ khối chức khối 34 3.1.3 Chức khối hệ thống 35 3.1.4 Sơ đồ chi tiết khối điều khiển khối thu thập liệu 35 3.1.5 Hoạt động hệ thống 37 3.2 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG 38 3.2.1 Khối thu thập liệu: 38 3.2.2 Khối điều khiển: 45 3.2.3 Khối Web server: 53 3.3 PHẦN MỀM SỬ DỤNG 54 3.3.1 Tóm tắt cơng đoạn thực 54 3.3.2 Phần mềm PHP Designer 54 3.3.3 Cơ sở liệu Database phpMyAdmin 55 3.3.4 Các giai đoạn chăm sóc rau Xà lách 55 3.5 KẾT NỐI PHẦN CỨNG VÀ XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH 59 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM 72 4.1 KẾT QUẢ: 72 4.1.1 Thi công mạch in 72 4.1.2 Mạch thực tế thi cơng mơ hình 74 4.1.2.1 Mạch thực tế 74 4.1.2.2 Thiết kế mơ hình 75 4.2 THỰC NGHIỆM: 76 4.2.1 Hoạt động khối hệ thống 76 4.2.2 Nhận xét 79 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 80 5.1 Kết luận: 80 5.2 Hướng phát triển: 80 v an 4.1.2 Mạch thực tế thi cơng mơ hình 4.1.2.1 Mạch thực tế  PCB mạch thu thập liệu sau thi cơng thể hình 4.3: Hình 4.3: Mạch thu thập liệu sau thi công  Mạch Điều khiển gồm hai phần (a) (b), mạch điều khiển (a) gồm vi điều khiển điều khiển ngõ OLED hiển thị thông số; mạch (b) mạch gồm relay điều khiển thiết bị ngõ ra, thể hình 4.4 4.5: Hình 4.4: Mạch điều khiển (a) sau Hình 4.5: Mạch điều khiển (b) sau thi công thi công 74 an 4.1.2.2 Thiết kế mơ hình Sau tiến hành thiết kế khối hệ thống, nhóm tiến hành thiết kế thi cơng mơ hình cho hệ thống, hệ thống gồm khung để làm giàn trồng thủy canh hai khối thu thập liệu điều khiển thiết kế thành hai hộp riêng để bảo vệ dễ quản lí hoạt động, khắc phục cố Mơ hình hệ thống sau thi cơng mơ tả hình 4.6(a) 4.6(b): (a) (b) Hình 4.6: (a), (b) Mặt trước sau mơ hình sau thi cơng 75 an 4.2 THỰC NGHIỆM: 4.2.1 Hoạt động khối hệ thống  Khối nguồn Thơng qua tính tốn lựa chọn khối nguồn cho hệ thống, gồm nguồn tổ ong 12VDC 5VDC cấp cho hệ thống Bên hình 4.7(a) 4.7(b) mơ tả việc kiểm tra nguồn cung cấp 3.3V cho MCU khối điều khiển 5V cho khối thu thập liệu sau qua mạch giảm áp (a) (b) Hình 4.7: (a), (b) Kết kiếm tra hoạt động mạch nguồn  Khối giao tiếp gửi liệu qua Internet Websever nhận liệu từ sở liệu nhận qua khối cảm biến gửi lên, đồng thời gửi tín hiệu xuống khối điều khiển, hình 4.8 gửi thơng số chế độ hoạt động MANUAL xuống khối điều khiển để hoạt động theo chế độ Hình 4.9 thể thơng số thu thập liệu dưa lên webside 76 an Hình 4.8: Trang hiển thị chọn chế độ hoạt động hiển thị Web Hình 4.9: Thơng số thu thập nồng độ dinh dưỡng hiển thị Web 77 an  Khối cảm biến hiển thị Màn hình OLED hiển thị thơng số cảm biến nhận từ sở liệu chuyển trang thơng qua nút nhấn, hình ảnh 4.10 khung hiển thị thông số là: Độ dinh dưỡng Ec, nhiệt độ, độ pH mực nước thùng chứa dung dịch (a) (b) (c) (d) Hình 4.10: (a), (b), (c), (d) Màn hình OLED hiển thị thông số dinh dưỡng, nhiệt độ, pH mực nước 78 an  Khối điều khiển Khối điều khiển sau thi công gồm hai mạch ghép cấp nguồn hai nguồn tổ ong 5VDC 12VDC, 5VDC cấp nguồn cho khối relay; nguồn 12VDC qua mạch chuyển áp 5VDC cấp cho mạch thu thập liệu chuyển áp thành 3.3VDC cấp cho Node MCU thể hình 4.11(a) 4.11(b) Mạch relay Node MCU đáp ứng nhanh việc nhận liệu gửi xuống trình hoạt động (a) (b) Hình 4.11: (a), (b) Mạch điều khiển sau thi công tủ điện 4.2.2 Nhận xét  Các khối hệ thống sau thiết kế thi công hoạt động ổn định thông qua việc kiểm tra hoạt động khối  Thời gian đáp ứng node gửi nhận liệu tương đối nhanh xác, nhiên cần phải gửi nhận liệu liên tục để hệ thống hoạt động ổn định  Hạn chế hệ thống trình hoạt động yêu cầu phải có Wifi để trì việc gửi nhận liệu để điều khiển, nên khơng thể hoạt động độc lập khơng có mạng Wifi 79 an CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết luận: Sau trình tìm hiểu thực với thời gian kiến thức giới hạn, nhóm thực đề tài hồn thành nội dung sau:  Nghiên cứu tổng quát ứng dụng IoTs nông nghiệp, hệ thống trồng rau kỹ thuật thủy canh thực tế  Trình bày lý thuyết tổng quan hệ thống kỹ thuật trồng thủy canh Tìm hiểu mơ hình hệ thống IoTs lập trình thiết kế web  Xây dựng phần cứng đề tài, thiết kế mạch giao tiếp cảm biến để thu thập liệu từ mơi trường, từ điều khiển hệ thống cách tự động  Thiết kế giao diện người dùng để điều khiển quản lý hệ thống đồng thời giao tiếp với phần cứng thông qua Web server sở liệu  Hạn chế hệ thống không hoạt động cách tự động khơng có wifi, nguồn cung cấp cho hoạt động phải trì 5.2 Hướng phát triển: Đề tài “Hệ thống thủy canh ứng dụng cơng nghệ Iots” nhóm nghiên cứu thi cơng dạng mơ hình hoạt động mức độ hộ gia đình  Trong tương lai tối ưu chức web, lưu trữ liệu tự động trồng nhiều loại  Kết hợp thiết kế ứng dụng điện thoại để thuận tiện giám sát điều khiển  Phần cứng hệ thống thiết kế phát triển dạng module để người dùng tháo lắp dễ dàng Qua hệ thống thương mại hóa tương lai  Hướng tới mở rộng mơ hình thành nhiều Node để xây dựng hệ thống trồng thủy canh phạm vi lớn mà kiểm sốt việc thu thập liệu điều khiển, đồng thời mở rộng việc quản lí sở liệu 80 an TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Lập trình PHP, HTLM, CSS Khai thác từ: [1] Cộng đồng Arduino Việt Nam (18/5/2016), Lập trình ESP8266 Arduino IDE Khai thác từ: http://arduino.vn/bai-viet/1172-lap-trinh-esp8266-bang-arduino-ide [2] Giới thiệu Arduino Uno R3 : http://arduino.vn/bai-viet/42-arduino-uno-r3-la-gi [3] Trần Minh Sang – Đoàn Trọng Hiếu, “Đồ án – ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ IoTs TRONG HỆ THỐNG KHÍ CANH”, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam [4] http://gmpclean.vn/nhung-hieu-biet-ve-nuoc.htm?fbclid=IwAR2uP597bmui8h1Wi g-acGb3YLe5jqchPU-pUbalrKNL-39zz5x9qDkk1cQ [5] https://vietjack.com/html/index.jsp [6] https://vietjack.com/css/index.jsp [7] https://vietjack.com/php/index.jsp [10] Datasheet SSD1306 OLED 128X64 Tiếng Anh Tài liệu loại cảm biến Khai thác từ: [11]https://www.dfrobot.com/wiki/index.php/Analog_EC_Meter_SKU:DFR0300 [12]https://www.dfrobot.com/wiki/index.php/Gravity:_Analog_Electrical_Conductivi ty_Sensor_/_Meter_V2_(K%3D1)_SKU:DFR0300 [13]https://www.dfrobot.com/wiki/index.php/PH_meter(SKU:_SEN0161) Lập trình PHP, HTLM, CSS Khai thác từ: [14]https://www.w3schools.com/html/ [15]https://www.w3schools.com/css/ [16]https://www.w3schools.com/php/ 81 an PHỤ LỤC  Hướng dẫn sử dụng thiết lập hệ thống: Sau cấp nguồn toàn hệ thống ta bắt đầu thiết lập hệ thống với bước sau: Bước 1: Kiểm tra nút nguồn switch on khối điều khiển khối thu thập liệu truy cập website http://spktgardens.tech/ để tiến hành đăng nhập vào hệ thống điều khiển hiển thị thông tin web Sau đăng nhập thành công tự động vào trang chủ website Đây phần giới thiệu tổng quan hệ thống Bước 2: Sử dụng công cụ : - Cài đặt: Để thực chọn chế độ Manual hay Auto cho hệ thống 82 an - Thông số: Để giám sát thông tin cảm biến đưa thao tác phù hợp cho dinh dưỡng trồng Có thể giám sát từ biểu đồ liệu theo thời gian: - Ngồi giám sát từ bảng số liệu chi tiết: 83 an Có thể xem lại lịch sử cảnh báo thiết bị cảm biến: - Thông tin: Đây phần hướng dẫn trồng xà lách tửng giai đoạn cụ thể: 84 an PHỤ LỤC  Sơ đồ nguyên lý cảm biến độ dinh dưỡng Ec hãng DF Robot: 85 an  Sơ đồ nguyên lý cảm biến nồng độ pH hãng DF Robot: 86 an PHỤ LỤC Bao gồm code phần cứng hệ thống code Web:  Code phần cứng: (Đính kèm đĩa CD)  Code web: (Đính kèm đĩa CD) 87 an S an K L 0 ... GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CHẤT LƯỢNG CAO - - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THI? ??T KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG THỦY CANH ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ IoTs SVTH:... ? ?Hệ thống thủy canh ứng dụng công nghệ IoTs? ?? thầ y Nguyễn Ngô Lâm, giảng viên Trường ĐH Sư Pha ̣m Kỹ Thuâ ̣t TPHCM hướng dẫn 1.1.2 Tính cấp thi? ??t vấn đề: Đề tài ? ?Hệ thống thủy canh ứng dụng. .. dàng cho người sử dụng Để hiể u rõ về ứng dụng IoTs nói chung nhóm sinh viên quyế t đinh ̣ cho ̣n đề tài cho đồ án tốt nghiệp là: ? ?Hệ thống thủy canh ứng dụng công nghệ IoTs? ?? Dưới nhóm