(Đồ án hcmute) ứng dụng công nghệ iots trong hệ thống khí canh

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 ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ IoTs TRONG HỆ THỐNG KHÍ CANH GVHD: LÊ MINH THÀNH SVTH: TRẦN MINH SANG MSSV: 14119167 SVTH: ĐOÀN TRỌNG HIẾU MSSV: 14119146 SKL 0 6 Tp Hồ Chí Minh, tháng 08/2018 an TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO    ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ IoTs TRONG HỆ THỐNG KHÍ CANH GVHD : ThS LÊ MINH THÀNH SVTH : TRẦN MINH SANG MSSV:14119167 ĐOÀN TRỌNG HIẾU MSSV:14119146 KHĨA : 2014 NGÀNH: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT MÁY TÍNH TP Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2018 an CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** Tp Hồ Chí Minh, ngày - tháng - năm 2017 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Trần Minh Sang MSSV:14119167 Đoàn Trọng Hiếu MSSV:14119146 Ngành: Cơng Nghệ Kỹ Thuật Máy Tính Lớp: 14119CL1 Giảng viên hướng dẫn: ThS Lê Minh Thành Ngày nhận đề tài: 25/02/2018 Ngày nộp đề tài: 19/07/2018 Tên đề tài: Ứng dụng công nghệ IoTs hệ thống khí canh Các số liệu, tài liệu ban đầu: Kiến thức môn Mạch điện, Điện tử bản, Vi xử lý, lập trình android, webserver Nội dung thực đề tài:      Nghiên cứu tài liệu Thiết kế hệ thống Thi cơng hệ thống Hiệu chỉnh, hồn thiện hệ thống Báo cáo hồn thiện Sản phẩm: Hệ thống khí canh ứng dụng cơng nghệ IoTs Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20… Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) an CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ tên Sinh viên: Trần Minh Sang MSSV: 14119167 Đoàn Trọng Hiếu MSSV: 14119146 Ngành: Cơng Nghệ Kỹ Thuật Máy Tính Tên đề tài: Ứng dụng công nghệ IoTs hệ thống khí canh Họ tên Giáo viên hướng dẫn: ThS Lê Minh Thành 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 hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) an LỜI CẢM ƠN Để hồn thành đồ án tốt nghiệp có kiến thức vơ q báu q trình thực hiện, nhóm em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Th.S Lê Minh Thành giảng viên thời gian qua hướng dẫn cho nhóm em nhiệt tình, tâm huyết đầy trách nhiệm từ giúp nhóm định hướng cách thức thực góp phần chỉnh sửa giúp nhóm mặt hạn chế đề tài Chia kinh nghiệm q báu người thầy để trị hoàn thành luận văn tốt nghiệp Chúng em xin cảm ơn Thầy Cô môn kỹ thuật máy tính - viễn thơng trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh truyền đạt lại nhiều kiến thức tảng tạo điều kiện thuận lợi để chúng em hồn thành tốt đồ án nhóm em xin cảm ơn quý thầy cô trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao dạy dỗ chúng em suốt thời gian qua Nhóm xin chân thành gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô hội đồng bảo vệ dành chút thời gian để xem luận văn tốt nghiệp giúp nhóm mặt tích cực hạn chế Nhóm thực đề tài xin gửi lời cảm ơn đặc biệt tới tất bạn bè lớp 14119CL1 đồng hành giúp đỡ lẫn suốt năm qua, khoảng thời gian đáng quý đáng nhớ Cuối cùng, nhóm thực xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến bậc cha mẹ, người thân động viên giúp đỡ nhóm suốt chặng đường học tập vừa qua trình nghiên cứu đồ án tốt nghiệp Do thời gian thực đề tài có hạn, kiến thức cịn hạn hẹp, dù nhóm cố gắng khơng tránh khỏi sai sót hạn chế Nhóm mong nhận lời dẫn, góp ý q báu từ q thầy bạn Xin chân thành cảm ơn! i an TÓM TẮT Nông 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 nơng nghiệp cịn thơ sơ, chưa bắt kịp công nghệ tiên tiến giới Xu hướng phổ biến IoTs tạo mạng lưới vạn vật kết nối thông qua internet ứng dụng nông nghiệp thông 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 “Ứng dụng công nghệ IoTs hệ thống khí canh” 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 ứng dụng điện thoại di động cài đặt 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 khí canh mức độ quy mơ nhỏ với hai sự lựa chọn auto manual cho người dùng Ở chế độ auto, hệ thống thiết kế với loại rau trồng thông dụng Ở chế độ manual, thơng số hệ thống cài đặt linh hoạt từ người dùng Do thời gian thực đồ án có hạn nên nhóm sinh viên thực đề tài mong nhận sự đóng góp ý kiến từ quý thầy cô bạn ii an ABSTRACT Agriculture is a key economic sector and has been attached to Vietnamese people for a long time Today, thanks to the application of science and technology into cultivation and animal husbandry, agriculture has gained tremendous achievements However, the equipment in agriculture is still rudimentary, not catch up the advanced technology in the world The prevalence of IoTs in the creation of Internet networks connected via the internet is applied not only in the large scale agro-industry but also in the small-scale model in particular households In a business situation that does not care about health when the seller places a personal interest above the public interest, dirty products have more access to and have had a lesser impact on the health of the person consumption The topic of "Applying IoTs technology in the system of Aeroponic" is a model of growing clean vegetables using IoTs technology, which has been selected by students for research and research to solve the problem of growing clean vegetables Safety for the user With the system designed, users can select vegetables and control irrigation through the installed mobile phone interface and internet connection In addition, the user can monitor the growth parameters of plants through the sensors to create the best conditions for growing plants The result of the project is that the model of the gasification system is small scale with two options auto and manual for the user In auto mode, the system is designed with only one common vegetable In manual mode, system parameters can be set flexibly from the user Due to limited time for the project implementation, the student group is expected to receive feedback from teachers and friends iii an MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN I TÓM TẮT II ABSTRACT II DANH MỤC HÌNH ẢNH VI DANH MỤC BẢNG BIỂU IX CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tình hình nghiên cứu 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Giới hạn đề tài 1.4 Bố cục đề tài .4 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Công nghệ iots 2.1.1 Mơ hình hệ thống iots 2.1.2 Các chuẩn truyền thông thiết bị iots 2.2 Kỹ thuật trồng khí canh 2.3 Hệ điều hành android CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 12 3.1 Yêu cầu hệ thống 12 3.2 Sơ đồ khối hệ thống 13 3.3 Thiết kế khối hệ thống .14 3.3.1 Khối vi điều khiển 14 3.3.2 Khối cảm biến 17 3.3.3 Khối hiển thị .25 3.3.3 Khối công suất 26 3.3.4 khối nguốn 30 3.4 Thiết kế phần mềm 33 3.4.1 Thiết kế ứng dụng android .33 3.4.2 Cloud 40 3.5 lưu đồ giải thuật .42 3.5.1 arduino .42 iv an 3.5.2 nodemcu 44 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM 53 4.1 Kết 53 4.1.1 Khung mơ hình 53 4.1.2 Chi tiết mơ hình 53 4.1.3 Thi công mạch in 55 4.1.4 Mạch thực tế .56 4.1.5 Ưu nhược điểm hệ thống 56 4.2 Thực nghiệm 57 4.2.1 Kiểm tra hoạt động khối hệ thống .57 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .61 5.1 Kết luận 61 5.2 Hướng phát triển .61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 PHỤ LỤC 63 v an DANH MỤC HÌNH ẢNH Trang Hình 1.1: IoTs nơng nghiệp Hình 1.2: Nhà vườn khí canh trụ đứng Hình 1.3: Hệ thống trồng rau sạnh AeroFarm .3 Hình 1.4: Hệ thống bơm phun Hình 2.1: The Internet of Things Hình 2.2: a) Khí canh dạng máng, b) Khí canh dạng trụ [3] .8 Hình 2.3: Cấu trúc Hệ điều hành Android .10 Hình 3.1: Sơ đồ khối toàn hệ thống 13 Hình 3.2: Sơ đồ khối xử lý trung tâm .14 Hình 3.3: Sơ đồ chân Arduino Uno R3 14 Hình 3.4: ESP8266 NodeMCU 16 Hình 3.5: ESP8266 NodeMCU kết nối với Arduino 17 Hình 3.6: Que đo pH 17 Hình 3.7: Sơ đồ kết nối cảm biến pH với Arduino 18 Hình 3.8: Cảm biến DS18B20 dạng dây đo .19 Hình 3.9: Sơ đồ kết nối cảm biến DS18B20 với Arduino .20 Hình 3.10: Module cảm biến đo độ dẫn điện 21 Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý cảm biến đo độ dẫn điện .21 Hình 3.12: Đồ thị thể mối quan hệ độ dẫn điện giá trị điện áp 22 Hình 3.13: Sơ đồ kết nối cảm biến Ec với Arduino 23 Hình 3.14: Cảm biến siêu âm SRF05 .24 Hình 3.15: Giản đồ xung hoạt động chế độ .24 Hình 3.16: Màn hình Oled 0.96 inch 25 Hình 3.17: Sơ đồ kết nối hình OLED với NodeMCU 25 Hình 3.18: Bơm nhu động 26 Hình 3.19: Bơm sục khí 27 Hình 3.20: Máy bơm phun sương 28 Hình 3.21: Sơ đồ kết nối relay với NodeMCU 29 Hình 3.22: Sơ đồ kết nối relay với NodeMCU 29 Hình 3.23: Nguồn xung thực tế 30 Hình 3.24: Module LM2596 ADJ .31 Hình 3.25: Sơ đồ nguyên lý 32 Hình 3.25: Màn hình đăng nhập .34 vi an Chương KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM 4.1 Kết 4.1.1 Khung mơ hình Thiết kế khung mơ hình hệ thống khí canh: Mơ hình hệ thống xây dựng hình 4.1, mơ hình với khung sắt thiết kế với kích thước 62x43x70cm để đặt bồn nước dinh dưỡng bên khay trồng rau trên, thuận tiện lắp đặt hệ thống bơm chất dinh dưỡng máy phun sương Hình 4.1: Khung mơ hình 4.1.2 Chi tiết mơ hình Các chi tiết hệ thống nhóm thực thiết kế theo kỹ thuật hồi lưu, mơ hình nhỏ gọn thuận tiện để di chuyển linh hoạt 53 an a) b) Hình 4.2: a)Thùng chứa hỗn hợp dinh dưỡng, b) Thùng khí canh a) b) Hình 4.3: a) Cảm biến đo lưu lượng chất dinh dưỡng, b) hệ thống bơm chất dinh dưỡng a) b) Hình 4.3: a) Hệ thống lọc bơm phun dinh dưỡng, b) Hệ thống trộn dinh dưỡng cảm biển 54 an 4.1.3 Thi công mạch in Từ sơ đồ mạch nguyên lí nêu phần 3.4, sử dụng phần mềm Altium Designer vẽ mạch ta sơ đồ mạch in PCB mạch PCB mạch relay hình sau: Hình 4.4: PCB mạch Hình 4.5: PCB mạch relay 55 an 4.1.4 Mạch thực tế Hình 4.6: Mạch thực tế 4.1.5 Ưu nhược điểm hệ thống  Ưu điểm  Hệ thống trồng nhà  Có thể theo dõi, điều khiển hệ thống từ xa ứng dụng điện thoại có kết nối internet  Khuyết điểm  Hệ thống khơng hoạt động khơng có Wifi  Ứng dụng hỗ trợ điện thoại có hệ điều hành Android  Ở chế độ tự động hệ thống hỗ trợ trồng loại salad  Chưa gửi cảnh báo giá trị ngưỡng không đăng nhập vào ứng dụng  Không thay đổi mật ứng dụng 56 an 4.2 Thực nghiệm 4.2.1 Kiểm tra hoạt động khối hệ thống  Khối nguồn Kiểm tra áp của nguồn tổ ong cung cấp 12V cho bơm dinh dưỡng, áp module LM2596 chuyển xuống 5V cung cấp cho hệ thống a) b) Hình 4.7: a) Áp nguồn tổ ong, b) Áp module LM25  Khối cảm biến Các cảm biến kết nối với Arduino đọc giá trị từ môi trường  Cảm biến pH Đặt cảm biến pH vào dung dịch pha, sau so sánh với kết đo với giấy quỳ pH = 6.96 so sánh với giấy quỳ độ pH =7 Hình 4.8: Kiểm tra pH 57 an  Cảm biến Ec Đặt cảm biến Ec vào hủ có dinh dưỡng định mức sẵn, sau xem kết hiển thị hình Oled Kết cảm biến Ev đọc Ec = 1.20 ms/cm Hình 4.9: Kiểm tra Ec  Cảm biến nhiệt độ Đặt cảm biến nhiệt độ vào bình chứa dung dịch pha, sau xem kết hiển thị hình Oled Kết đọc từ cảm biến nhiệt độ t = 26o Hình 4.10: Kiểm tra nhiệt độ 58 an  Cảm biến siêu âm Đặt cảm biến siêu âm thành bình chứa dung dịch để đo khoảng cách mực nước, sau quan sát ứng dụng điện thoại xem kết trả về, đơn vị khoảng cách chuyển đổi sang %, với 20cm 100% Hình 4.11: Kết khối cảm biến siêu âm  Khối hiển thị Màn hình Oled kết nối với NodeMCU, hiển thị giá trị cảm biến đọc theo khung ảnh a) b) c) d) Hình 4.12: a) Nồng độ pH, b) Độ TDS, c) Nhiệt dộ, d) Lưu lượng dinh dưỡng 59 an  Khối cơng suất Hình 4.13: Kiểm tra kết khối công suất 60 an Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết luận Sau trình tìm hiểu thực với thời gian kiến thức cịn giới hạn, nhóm thực đề tài hoàn thành nội dung sau:  Nghiên cứu tổng quát ứng dụng IoTs nông nghiệp, hệ thống trồng rau kỹ thuật khí canh ngồi thực tế  Trình bày lý thuyết tổng quan hệ thống kỹ thuật trồng khí canh Tìm hiểu mơ hình hệ thống IoTs hệ điều hành Android  Xây dựng phần cứng đề tài, thiết kế mạch giao tiếp cảm biến để thu thập liệu từ môi trường, từ điều khiển hệ thống cánh tự động  Thiết kế ứng dụng Android để điều khiển quản lý hệ thống đồng thời giao tiếp với phần cứng thông qua Realtime Database Firebase 5.2 Hướng phát triển Đề tài “Ứng dụng công nghệ IoTs hệ thống khí canh” nhóm nghiên cứu thi cơng dạng mơ hình hoạt động mức độ hộ gia đình  Trong tương lai tối ưu chức ứng dụng, lưu trữ liệu tự động trồng nhiều loại  Ứng dụng đa dạng hệ điều hành không Android mà phát triển tảng hệ điều hành khác, mục đích tạo sự đa dạng thiết bị kết nối với hệ thống cho người dùng  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 61 an TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Prathibha S R1, Anupama Hongal 2, Jyothi M P3 (2017) IOT BASED MONITORING SYSTEM IN SMART AGRICULTURE Assistant Professor, Karnataka, India P.81 [2] https://www.iotforall.com/iot-applications-in-agriculture/ [3] http://autofarm.vn/san-pham/he-thong-thap-khi-canh/ [4] http://www.techz.vn/internet-of-things-la-gi-tai-sao-no-se-la-xu-huong-cuatuong-lai-qv1-ylt41541.html [5] http://www.gocnhinalan.com/bai-tieng-anh/the-gioi-tuong-lai-cua-internet-ofthings.html [6] Everton Cavalcante, Marcelo Pitanga Alves, An Analysis of Reference Architectures for the Internet of Things, Corba 2015 IEEE [7]Android_Programming_Guide_Android_App_Development_Programming(.pdf) [8] http://www.netnam.vn/index.php/en/news/about-netnam/52-bao-chi-noi-vnetnam/454-10-cong-nghe-dua-internet-of-things-den-gan-cuoc-song-hon.html [9] http://aerofarms.com/technology/ [10] http://www.thongtindalat24h.com/2017/09/da-lat-dot-nhap-liangbiang-farmxem-mo-hinh-trong-rau-khi-canh.html [11] http://vn.apps-gcp.com/firebase-va-android/ [12] http://www.zbook.vn/ebook/nghien-cuu-ung-dung-ky-thuat-thuy-canh-va-khicanh-trong-san-xuat-cay-rau-cai-xanh-xa-lach-o-hai-phong-46276/[1] 62 an PHỤ LỤC  Các bước tạo project Firebase Bước 1: Tạo tài khoản chọn Get Started for free ấn vào đăng nhập, dùng tài khoản google Hình 6.1: Đăng nhập vào Firebase Bước 2: Tạo project Hình 6.2: Tạo project Firebase 63 an Bước 3: Vào Database tạo đối tượng Hình 6.3: Tạo đối tượng firebase Lưu ý: giá trị project phải để null tiến hành tạo đối tượng buzzer có giá trị hello hình nhấn enter click chuột vào add Hình 6.4: Tạo đối tượng Firebase Sau hoàn thành bước bắt đầu vào viết chương trình có cách để ghi liệu vào database firebase :  Quản trị (có key) phép ghi liệu vào database  Tự ghi liệu vào firebase  Ghi liệu vào firebase 64 an Để sử ghi liệu vào cách này, cần phải cho phép database nhận liệu từ nguồn người quản trị :  tiến hành sửa giá trị Null thành true phép sử dụng chức Hình 6.5: Cấu hình cho Firebase nhận liệu  Code cấu hình đăng nhập vào firebase arduino Hình 6.6: Code cấu hình đăng nhập vào Firebase Arduino  Firebase_host : địa database (tùy vào nơi đối tượng cần ghi liệu)  Firebase_auth : key bảo mật database (vì ví dụ không cần bảo mật, nên FIREBASE_AUTH để trống) Hình 6.7: Cấu hình cho firebase nhận liệu 65 an  Bảo mật ghi liệu vào firebase Với chức này, có người quản trị ghi liệu vào firebase Như giới thiệu cách 1, để lấy key bảo mật thực sau : Setting > project settings > show > copy Add secret Hình 6.8: Lấy key bảo mật Firebase Hình 6.9: Key liên kết Friebase 66 an S an K L 0 ... 1.4: Hệ thống bơm phun Với mong muốn áp dụng công nghệ IoTs hệ thống trồng rau dùng kỹ thuật khí canh với quy mô nhỏ, áp dụng môi trường thành thị, đề tài ? ?Ứng dụng cơng nghệ IoTs hệ thống khí canh? ??... cứu tài liệu Thiết kế hệ thống Thi cơng hệ thống Hiệu chỉnh, hồn thiện hệ thống Báo cáo hồn thiện Sản phẩm: Hệ thống khí canh ứng dụng cơng nghệ IoTs Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20… Giáo viên... cơng nghệ IoTs ứng dụng IoTs nông nghiệp thông minh Song song kỹ thuật sử dụng hệ thống khí canh trình bày chương sở lý thuyết Sau đó, hệ thống khí canh nhóm sinh viên thiết kế thực với phần cứng