BÁO CÁO ĐỒ ÁN - He Thong Nong Trai Thong Minh smart farm

Đồ án thiết kế hệ thống nhúng Nhóm 02 thangc2k53@gmail.com HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ BÁO CÁO BÀI TẬP Môn học: Đồ án thiết kế hệ thống nhúng Hệ thống trang trại thơng minh Giảng viên Nhóm mơn học Sinh viên thực : Nguyễn Ngọc Minh : 02 : Nguyễn Văn Thắng : Phạm Hoàng Long : Nguyễn Cao Đàm : Nguyễn Thành Nam B18DCDT241 B18DCDT133 B18DCDT038 B18DCDT169 Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Đồ án thiết kế hệ thống nhúng Nhóm 02 thangc2k53@gmail.com Lời cảm ơn Trong thời gian thực đề tài, chúng em nhận giúp đỡ thầy cô bạn bè nên đề tài hoàn thành Chúng em xin chân thành cảm ơn đến : Thầy Nguyễn Ngọc Minh, giảng viên Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng trực tiếp hướng dẫn nhiệt tình giúp đỡ tạo điều kiện để chúng em hồn thành tốt đề tài thời hạn Chúng em gửi lời đồng cảm ơn đến bạn Khoa Kĩ thuật Điện – Điện tử chia sẻ trao đổi kiến thức kinh nghiệm quý báu giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài Xin chân thành cảm ơn! Người thực đề tài Nguyễn Văn Thắng Nguyễn Cao Đàm Phạm Hoàng Long Nguyễn Thành Nam Đồ án thiết kế hệ thống nhúng Nhóm 02 thangc2k53@gmail.com Mục Lục Chương 1: Tổng quan .6 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu 1.3 Nội dung thực Chương 2: Cơ sở lý thuyết 2.1 Giới thiệu phần cứng .8 2.1.1 ESP32 .8 2.1.2 Cảm biến nhiệt độ DHT11 10 2.1.3 Cảm biến ánh sáng 11 2.1.4 Cảm biến siêu âm 12 2.1.5 Máy bơm nước 13 2.1.6 Relay .14 2.1.7 Cảm biến vân tay AS608 14 2.1.8 Động servo SG90 .15 2.2 Các loại chuẩn giao tiếp 16 2.2.1 Chuẩn giao tiếp one-wire .16 2.2.2 Chuẩn giao tiếp I2C 18 2.3 Hệ điều hành FreeRTOS .20 2.3.1 Khái niệm .20 2.3.2 Các khái niệm hệ điều hành thời gian thực RTOS 20 2.3.3 Cách hoạt động RTOS 23 2.4 Cơ sở liệu MySQL 24 2.4.1 Khái niệm 24 2.4.2 Mơ hình Client-server .24 2.4.3 Làm việc với sở liệu .25 2.4.4 Kết nối Socket io với MYSQL 27 2.5 Socket io .28 2.5.1 Khái niệm .28 2.5.2 Cấu trúc Socket io 28 2.6 HTML, CSS, JS 30 Đồ án thiết kế hệ thống nhúng Nhóm 02 thangc2k53@gmail.com 2.6.1 HTML .30 2.6.2 CSS 31 2.6.3 Javascript .32 Chương : Thiết kế hệ thống .33 3.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống .33 3.2 Sơ đồ nguyên lý 34 3.2 Lưu đồ thuật toán 35 3.2.1 Lưu đồ thuật toán cho Esp 35 3.2.2 Lưu đồ thuật toán cho webserver 36 3.3 Nguyên lý hoạt động 36 3.4 Kết xây dựng Webserver .37 Chương : Kết luận hướng phát triển 38 4.1 Kết luận 38 4.2 Hướng phát triền 38 Tài liệu tham khảo 39 Đồ án thiết kế hệ thống nhúng Nhóm 02 thangc2k53@gmail.com Danh mục hình ảnh Hình 1: Vi điều khiển esp32 Hình 2 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 10 Hình Cảm biến ánh sáng 12 Hình cảm biến siêu âm .12 Hình Máy bơm nước 13 Hình Module Relay Với Opto Cách Ly Kích H/L (5VDC) 14 Hình Cảm biến vân tay AS608 15 Hình Động sevro SG90 16 Hình Chuẩn giao tiếp One Wire .16 Hình 10 Cách gửi tin giao tiếp One Wire 17 Hình 11 Cấu tạo chuẩn giao tiếp I2C 18 Hình 12 Quá trình truyền liệu 19 Hình 13 Cấu tạo Kernel .20 Hình 14 Trạng thái Task Rtos 21 Hình 15 Cấu taọ Priority base 22 Hình 16 Message queue – Hàng đợi tin nhắn 23 Hình 17 Cách hoạt động RTOS 23 Hình 18 Mơ hình Client – Server 24 Hình 19 Cách hoạt động MySQL client 25 Hình 20 Cấu trúc socket io 28 Hình Sơ đồ khối hệ thống 33 Hình Sơ đồ nguyên lý .34 Hình 3 Lưu đồ thuật toán Esp32 35 Hình Lưu đồ thuật toán webserver 36 Hình Giao diện điều khiển , giám sát .37 Hình Giao diện thị lịch sử đo 37 Chương 1: Tổng quan Đồ án thiết kế hệ thống nhúng Nhóm 02 thangc2k53@gmail.com 1.1 Đặt vấn đề Ngành nông nghiệp ngành truyền thống nước ta không,phát triển cách mạnh mẽ với lối canh tác truyền thống, cịn gặp phải nhiều hạn chế, hiệu khơng cao Việc áp dụng công nghệ, kỹ thuật hướng mang lại “làn gió mới” cho ngành nông nghiệp nước nhà Việc ứng dụng IoT vào nông nghiệp mang lại nhiều thuận lợi cho người nông dân, quan trọng nâng cao hiệu trồng trọt, nâng cao hiệu kinh tế Như biết khí hậu ngày trở nên khắc nghiệt, nên việc người tự theo dõi thời tiết can thiệp, chăm sóc trồng cho kịp với thay đổi khí hậu, thật tốn nhiều thời gian cơng sức, hiệu lại không cao Thế với can thiệp máy móc, hệ thơng cảm biến, giúp người nơng dân giám sát cách xác hiệu Ngày nay, loT ứng dụng vào nông nghiệp hầu hết giai đoạn từ q trình sản xuất đến đóng, gói phân phối nông sản đến người tiêu dùng Nhận thấy thuận lợi tính ứng dụng cao IoT ngành nông nghiệp, cụ thể là trồng, nhóm chúng tơi định chọn đề tài “Hệ thống nông nghiệp thông minh” Ý tưởng cốt lõi hệ thống thông tin từ cảm biến thu thập đưa đến xử lý trung tâm, sau trung tâm đưa xử lý cho hệ thống bơm phun sương, quạt, đèn hoạt động cách phù hợp đề tạo môi trường thuận lợi cho trồng phát triển tối ưu 1.2 Mục tiêu Tìm hiểu thực việc điều khiển thiết bị nông nghiệp đèn, quạt, máy bơm nước,… thông qua mạng Internet Cụ thể tìm hiểu chip ESP32 để điều khiển thiết bị thơng qua mạng Wifi Tìm hiểu tiến hành xây dựng sở liệu thông qua MySQL, thực truyền nhận thiết bị server Socket io Xây dựng giao diện Webserver để điều khiển giám sát thiết bị Thiết kế thi cơng mơ hình nơng nghiệp thông minh 1.3 Nội dung thực Nội dung 1: Tìm hiểu nguyên lý hoạt động thiết kế mạch điều khiển sử dụng chip ESP32, cảm biến, thiết bị sử dụng Nội dung 2: Thiết kế mạch nguồn mạch cơng suất cho mơ hình Đồ án thiết kế hệ thống nhúng Nhóm 02 thangc2k53@gmail.com Nội dung 3: Tìm hiểu xây dựng sở liệu Nội dung 4: Thiết kế lưu đồ giải thuật viết chương trình điều khiển thiết bị, xây dựng Socket Server, thiết kế giao diện Webserver điều khiển, giám sát trạng thái đóng mở thiết bị Nội dung : Thi cơng mơ hình Nội dung : Thử nghiêm điều chỉnh phần cứng chương trình để mơ hình tối ưu Đánh giá thơng số mơ hình Nội dung 7: Viết báo cáo thực Chương 2: Cơ sở lý thuyết Đồ án thiết kế hệ thống nhúng Nhóm 02 thangc2k53@gmail.com 2.1 Giới thiệu phần cứng 2.1.1 ESP32 Module ESP32-WROOM bao gồm:  30 chân GPIO  Điện áp logic 2,7 đến 3,3 V  Enable Button (Chân reset) User Button(GPIO 0)  Led báo nguồn User Led (GPIO 2)  UART: Serial Debug mặc định UART  Clock: 240MHz Hình 1: Vi điều khiển esp32 Input Only Pins: GPIO 34 đến 39 – input only pins Các chân nội trở kéo lên kéo xuống Chúng khơng thể sử dụng làm output, sử dụng chân làm input:  GPIO 34  GPIO 35  GPIO 36  GPIO 39 Analog to Digital Converter (ADC) Đồ án thiết kế hệ thống nhúng Nhóm 02 thangc2k53@gmail.com ESP32 có 18 kênh input ADC độ phân giải 12 bit (trong ESP8266 có kênh ADC độ phân giải 10 bit) Đây GPIO sử dụng làm ADC kênh tương ứng:  ADC1_CH0 (GPIO 36)  ADC1_CH1 (GPIO 37)  ADC1_CH2 (GPIO 38)  ADC1_CH3 (GPIO 39)  ADC1_CH4 (GPIO 32)  ADC1_CH5 (GPIO 33)  ADC1_CH6 (GPIO 34)  ADC1_CH7 (GPIO 35)  ADC2_CH0 (GPIO 4)  ADC2_CH1 (GPIO 0)  ADC2_CH2 (GPIO 2)  ADC2_CH3 (GPIO 15)  ADC2_CH4 (GPIO 13)  ADC2_CH5 (GPIO 12)  ADC2_CH6 (GPIO 14)  ADC2_CH7 (GPIO 27)  ADC2_CH8 (GPIO 25)  ADC2_CH9 (GPIO 26) Digital to Analog Converter (DAC)  DAC1 (GPIO25)  DAC2 (GPIO26) PWM Bộ điều khiển ESP32 LED PWM có 16 kênh độc lập cấu hình để tạo tín hiệu PWM với đặc tính khác Tất chân hoạt động output sử dụng làm chân PWM (GPIO từ 34 đến 39 khơng thể tạo PWM) Các thơng số cấu hình:  Tần số tín hiệu  Duty cycle  Kênh PWM Đồ án thiết kế hệ thống nhúng Nhóm 02 thangc2k53@gmail.com  Chân GPIO xuất tín hiệu I2C ESP32 có hai kênh I2C chân cấu hình làm chân SDA SCL Khi sử dụng ESP32 với Arduino IDE, chân I2C mặc định là:  GPIO 21 (SDA)  GPIO 22 (SCL) SPI ESP32 có module giao tiếp SPI với thiết bị ngoại vi, gọi SPI0, SPI1, HSPI, VSPI SPI0 dành riêng để kết nối nhớ flash ESP32 với thiết bị bố nhớ flash khác bên SPI1 kết nối tương tự SPI0 dùng để ghi liệu cho nhớ Flash chip HSPI VSPI sử dụng tự SPI1 HSPI VSPI có cổng kết với chip, giúp dễ dàng kết nối đồng thời với slave giao tiếp SPI mà ESP32 thiết bị master Interrupts Tất GPIO cấu ngắt 2.1.2 Cảm biến nhiệt độ DHT11 Cảm biến độ ẩm nhiệt độ DHT11 Temperature Humidity Sensor cảm biến thông dụng chi phí rẻ dễ lấy liệu thông qua giao tiếp wire (giao tiếp digital dây truyền liệu nhất) Bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp cảm biến giúp bạn có liệu xác mà khơng phải qua tính tốn So với cảm biến đời DHT22 DHT11 cho khoảng đo độ xác nhiều Hình 2 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 DHT11 cảm biến đọc nhiệt độ độ ẩm lúc Cấu tạo gồm chân: 10 ... gồm 40bit liệu theo thứ tự: bit biểu thị phần nguyên độ ẩm + bit biểu thị phần thập phân độ ẩm + bit biểu thị phần nguyên nhiệt độ + bit biểu thị phần thập phân nhiệt độ + bit check sum Ví dụ:... thangc2k53@gmail.com Để giao tiếp với vi điều khiển, tín hiệu bus one-wire chia thành khe thời gian 60 µs Một bit liệu truyền bus dựa khe thời gian (time slots) Các thiết bị slave khác cho phép có thời gian... ngành nông nghiệp, cụ thể là trồng, nhóm chúng tơi định chọn đề tài “Hệ thống nông nghiệp thông minh? ?? Ý tưởng cốt lõi hệ thống thông tin từ cảm biến thu thập đưa đến xử lý trung tâm, sau trung