Ứng dụng IOT trong thiết kế và thi công hệ thống trồng rau xà lách

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 ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ỨNG DỤNG IOT TRONG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG RAU XÀ LÁCH GVHD: NGUYỄN MẠNH HÙNG SVTH : LÊ ANH KHOA MAI ĐĂNG KHOA SKL009332 Tp Hồ Chí Minh, tháng 08/2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG IOT TRONG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG TRỒNG RAU XÀ LÁCH NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Sinh viên: Lê Anh Khoa Mai Đăng Khoa GVHD: TS Nguyễn Mạnh Hùng TP Hồ Chí Minh, 8/2022 18161090 18161091 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG IOT TRONG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG TRỒNG RAU XÀ LÁCH NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Sinh viên: Lê Anh Khoa Mai Đăng Khoa 18161090 18161091 GVHD: TS Nguyễn Mạnh Hùng TP Hồ Chí Minh, 8/2022 CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** Tp Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 02 năm 2022 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Lê Anh Khoa Mai Đăng Khoa MSSV: 18161090 MSSV: 18161091 Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện tử - Viễn thông Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Mạnh Hùng Lớp: 18161CLDT2A Ngày nhận đề tài: 28/02/2022 Ngày nộp đề tài: 30/07/2022 Tên đề tài: Ứng dụng IoT thiết kế thi công hệ thống trồng rau xà lách Các số liệu, tài liệu ban đầu: Kiến thức môn học điện tử, kiến thức lập trình arduino, ứng dụng android, đồ án mơn học 2: thiết kế thi cơng mơ hình hệ thống chăm sóc giám sát vườn lan Nội dung thực đề tài: Tìm hiểu loại cảm biến dùng đề tài công nghệ truyền thông LoRa, tiến hành thiết kế sơ đồ khối, giải thích chức khối, thiết kế sơ đồ mạch, giải thích ngun lý hoạt động mạch, tính tốn, lựa chọn linh kiện, tiến hành thi công xây dựng mơ hình, gửi nhận liệu từ Firebase, viết ứng dụng android phần mềm Android Studio, viết Web kết nối liệu với Firebase, hoàn thiện hệ thống kiểm thử, cuối viết báo cáo làm thuyết trình Sản phẩm: Mơ hình hệ thống vườn rau xà lách gồm hai trạm hệ thống thu liệu vườn trạm trung tâm thu thập liệu từ trạm con, điều khiển trực tiếp thơng qua ứng dụng Android Web GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN 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: Lê Anh Khoa Mai Đăng Khoa MSSV: 18161090 MSSV: 18161091 Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện tử - Viễn thông Lớp: 18161CLDT2A Tên đề tài: Ứng dụng IoT thiết kế thi công hệ thống trồng rau xà lách Họ tên Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Mạnh Hùng 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 2022 Giáo viên hướng dẫn 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: Lê Anh Khoa MSSV: 18161090 Mai Đăng Khoa Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện tử - Viễn thông MSSV: 18161091 Lớp: 18161CLDT2A Tên đề tài: Ứng dụng IoT thiết kế thi công hệ thống trồng rau xà lách 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 2022 Giáo viên phản biện LỜI CAM ĐOAN Nhóm cam đoan đề tài nhóm thực dựa vào kiến thức tích lũy dựa vào số tài liệu kham khảo trích dẫn nguồn thích rõ ràng sự hướng dẫn giáo viên hướng dẫn không chép từ tài liệu hay cơng trình nghiên cứu có trước Các kết trình bày báo cáo hồn tồn trung thực, có chép nhóm xin hồn tồn chịu trách nhiệm Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2022 Sinh viên thực Lê Anh Khoa – Mai Đăng Khoa I LỜI CẢM ƠN Lời nhóm thực đề tài xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Nguyễn Mạnh Hùng Trong trình nghiên cứu tìm hiểu, nhóm nhận sự quan tâm, hướng dẫn tận tình thầy, tạo điều kiện tốt cho nhóm suốt q trình thực đề tài nhóm để hồn thành khóa luận cách trọn vẹn Bên cạnh đó, nhóm xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến công sức ba, mẹ nuôi dưỡng, động viên chỗ dựa tinh thần cho nhóm, cảm ơn thầy cô Khoa Điện−Điện tử Khoa Đào tạo chất lượng cao nói chung thầy thuộc ngành CNKT Điện tử - Viễn thơng nói riêng giúp nhóm có đủ kiến thức để thực đề tài cách tốt Đồng thời, nhóm xin cảm ơn đến bạn bè giúp đỡ đóng góp ý kiến để nhóm hồn thành tốt đề tài Nhóm mong nhận ý kiến đóng góp Thầy/Cơ để hồn thiện đề tài cách tốt tích lũy thêm kinh nghiệm cho thân Sau cùng, nhóm kính chúc q thầy cô thật dồi sức khỏe, tràn đầy nhiệt huyết đường giảng dạy thành công sự nghiệp Nhóm thực xin chân thành cảm ơn! II TĨM TẮT Trong phạm vi khn khổ đề tài, dựa vào đề tài liên quan đến IoT nơng nghiệp có trước nhóm tiến hành nghiên cứu ứng dụng IoT để thiết kế thi cơng mơ hình hệ thống vườn rau xà lách thu thập thơng số mơi trường để quan sát đồng thời điều khiển thiết bị công suất bơm, đèn, mái, … để chăm sóc trồng Bên cạnh đó, hệ thống cịn ứng dụng cơng nghệ Wifi LoRa để giám sát khu vườn rộng lớn hay khoảng cách xa liên kết với server gửi, lấy liệu để điều khiển giám sát thông qua ứng dụng Android Web, giúp cho việc chăm sóc khu vườn dễ dàng thuận tiện III MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II TÓM TẮT III DANH MỤC CÁC HÌNH VI DANH MỤC CÁC BẢNG IX CÁC TỪ VIẾT TẮT X Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề lý chọn đề tài 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Giới hạn đề tài 1.4 Phương pháp nghiên cứu 1.5 Bố cục nội dung thực Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu đặc tính sinh trưởng rau xà lách 2.2 Giới thiệu chung công nghệ truyền dẫn không dây Chương 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG 3.1 Yêu cầu sơ đồ khối hệ thống 3.1.1 Yêu cầu hệ thống 3.1.2 Sơ đồ khối chức khối 3.1.3 Hoạt động hệ thống 10 3.2 Thiết kế phần cứng 10 3.2.1 Thiết kế module Node 12 3.2.2 Thiết kế module Master 21 3.2.3 Thiết kế khối nguồn 37 3.3 Thiết kế phần mềm 42 IV Hình 4.1 mạch PCB node gồm khối xử lý trung gian Arduino Uno, module Lora, module chuyển áp 3.3 cảm biến nhiệt độ, độ ẩm đất; node node cảm biến cảm biến mưa cảm biến ánh sáng Hình 4.2 mạch PCB nguồn gồm có mạch giảm áp LM2596 với nguồn đầu vào 12V lấy từ nguồn tổ ong qua mạch giảm áp xuống 5V, mạch cấp cho mạch master mạch lại qua domino cấp cho mạch node Hình 4.3 mạch PCB master bao gồm khối MCU Arduino Mega, khối giao tiếp Wifi ESP8266, module Lora, DS1307, L298N, LCD 20x4, module relay, nút nhấn header để nối servo cơng tắc hành trình Hình 4.4 trình bày số hình ảnh mơ hình hệ thống hoàn chỉnh a 54 b c d 55 e f g Hình 4.4 Một số hình ảnh mơ hình hệ thống hồn chỉnh a Mơ hình hệ thống hoàn chỉnh b Tủ điện (bao gồm khối master khối nguồn) c Khối node (cảm biến nhiệt độ, độ ẩm cảm biến độ ẩm đất) d Khối node (cảm biến ánh sáng cảm biến mưa) e Khối động rèm f Khối động mái g Khối bơm nước 56 4.2 Kết hoạt động tồn hệ thống Như hình 4.4, hệ thống sau hồn chỉnh gồm có tầng, tầng để trồng có cảm biến độ ẩm đất cắm thẳng vào đất cảm biến nhiệt độ, bơm phun sương bơm nước gắn bên hông Tầng tầng lắp băng chuyền với động để điều khiển kéo đóng mở rèm Tầng có lắp servo để quay đóng mở mái đồng thời cịn có cảm biến mưa ánh sáng lắp Bên cạnh mơ hình hệ thống tủ điện chứa mạch master nguồn, có hình LCD 20x4 phía trước để theo dõi, phía LCD nút nhấn điều khiển bên góc mơ hình bình chứa nước cho bơm nước bơm phun sương Hoạt động hệ thống: Khi vừa cấp nguồn hệ thống chạy chế độ thủ công LCD hiển thị thông số đo từ cảm biến, hiển thị thời gian thực từ module DS1307 trạng thái thiết bị bơm, đèn, phun sương, rèm mái che Ở chế độ này, người dùng điều khiển thiết bị bật tắt đóng mở mái che kéo rèm trực tiếp thông qua nút nhấn, Với rèm mơ hình có gắn hai cơng tắc hành trình để giới hạn đường rèm, rèm chạm vào công tắc hành trình động dừng lại rèm ngun vị trí Để chuyển sang chế độ tự động nhấn nút chuyển chế độ, chế độ tự động trước tiên phải cài đặt giá trị giới hạn cho thông số môi trường Đầu tiên, ta nhấn nút chuyển hình để sang hình cài giới hạn, đây, thay đổi tăng giảm thơng số nhút nhấn như: Nhiệt độ, độ ẩm đất cài trên/dưới, ánh sáng cài để thông số môi trường thỏa điều kiện đặt trước hệ thống tự động điều khiển khối công suất hoạt động Cũng tương tự, để qua chế độ thời gian nhấn nút chuyển chế độ thêm lần chế độ tự động chuyển sang hình cài đặt thời gian để tiến hành cài đặt thời gian tưới mở đèn hệ thống, bên cạnh hệ thống cịn có hình thứ tư để xem thời gian Hệ thống liên tục cập nhật gửi giá trị thông số cảm biến, trạng thái thiết bị giá trị cài đặt giới hạn lên Firebase module ESP8266 thông qua Wifi Đồng thời, hoạt động hệ thống điều khiển từ xa thông qua ứng 57 dụng Anroid Web có kết nối Wifi Dữ liệu điều khiển từ ứng dụng Web gửi lên Firebase module ESP8266 cập nhật khối xử lý trung tâm để điều khiển hệ thống 4.3 Kết phần mềm Sau tìm hiểu cách viết ứng dụng, Web để điều khiển cách liên kết chúng để gửi lấy liệu từ Firebase, nhóm hồn thành hai mục kết trình bày a b c Hình 4.5 Giao diện app điều khiển a Màn hình theo dõi b Màn hình điều khiển c Màn hình cài giới hạn Hình 4.5 giao diện ứng dụng điều khiển, hình (hình 4.5_a) hình chính, hiển thị mở ứng dụng, hình thông số đo từ cảm biến lấy từ Firebase Phía có nút nhấn “CONTROL” để chuyển qua hình thứ hình điều khiển Ở hình điều khiển (hình 4.5_b) có bảng chọn để chuyển chế độ thủ công, tự động thời gian 58 cách nhấn vào biểu tượng tam giác phần “Mod” bảng chọn chế độ Tiếp nút nhấn toggle để điều khiển đèn, bơm nước, phun sương, mái che rèm chế độ thủ công Khi chuyển sang chế độ tự động thời gian cần phải cài đặt giới hạn để thiết bị tự động hoạt động, ta nhấn nút “SET LIMIT” để chuyển sang hình thứ hình cài giới hạn Ở hình (hình 4.5_c) ta nhập giới hạn cài đặt cho cảm biến phần phần hình nhập giá trị thời gian cho chế độ thời gian sau nhấn nút “UPDATE” liệu cài đặt gửi lên Firebase (do giá trị cảm biến đo từ – 99 nên nhập q 99 có thơng báo lên “Do not enter number greater than 99” nhập đưa liệu lên được), tương tự phút nhập q 24 60 có thơng báo lên Các giá trị thay đổi từ ứng dụng gửi lên Firebase hình 4.6 Hình 4.6 Các thông số liệu Firebase 59 Với Web nhóm thiết kế trang Web đơn giản với mục tiêu biết cách thiết kế giao diện Web liên kết liệu từ Firebase qua Web Hình 4.7 Giao diện web trang giám sát điều khiển Hình 4.7 giao diện Web trang giám sát điều khiển, quan sát giá trị thông số môi trường, trạng thái thiết bị từ hệ thống gửi lên điều khiển thiết bị cách nhấn vào nút nhấn hình Bên cạnh bảng giám sát chế độ, chỗ hiển thị trạng thái chế độ hệ thống, ví dụ hình 4.8 hệ thống chế độ thủ công Trang thứ hai Web trang cài đặt hình 4.8, trang người dùng chọn chế độ khung chọn hình thức tưới, bấm vào khung này, bảng chọn với chế độ để lựa chọn (Manual - thủ công, Auto - tự động Time - thời gian) Hai khung phía hiển thị giá trị cài đặt hai chế chế độ tự động thời gian Để cài đặt giá trị giới hạn bấm vào chỗ “CÀI ĐẶT” khung, tab cài đặt hình 4.9 phía dưới, sau điền giá trị vào chọn cài đặt giá trị cài đặt gửi lên Firebase Cũng ứng dụng Android thì giá trị cài cho cảm biến chế độ tự động phải không 99 chế độ thời gian thời gian không 24, phút không 60 Nếu cài đặt q có thơng báo tương tự ứng dụng Android 60 Hình 4.8 Giao diện web trang cài đặt Hình 4.9 Bảng cài đặt giá trị giới hạn Ngồi trang điều khiển trên, nhóm cịn làm trang hiển thị thông tin trồng trồng hình 4.10 để người dùng có thêm thơng tin loại mà trồng xà lách điều kiện sinh trưởng (nhiệt độ, độ ẩm đất, độ ẩm khơng khí ánh sáng), cách thức, phương pháp trồng, thu hoạch cách bảo quản lợi ích việc ăn rau xà lách 61 Hình 4.10 Giao diện web trang thông tin trồng 4.4 Đánh giá kết Sau hồn thành mơ hình hệ thống, nhóm tiến hành chạy thử hệ thống đưa số đánh giá Về độ trễ nút nhấn, chế độ thủ công điều khiển thiết bị trực tiếp khơng bị trễ, nhấn thiết bị hoạt động cịn việc gửi liệu lên Firebase cịn độ trễ, cụ thể độ trễ tính theo giây nút nhấn liệt kê bảng 4.1 Bảng 4.1 Kiểm tra độ trễ nút nhấn gửi liệu lên Firebase (giây) Nút nhấn Mod Đèn Bơm Phun sương 0.5 1.5 1 1.5 2 0.5 1 1.5 0.5 1.5 2 2.5 0.7 1.5 1.5 1.5 0.7 1.5 2 0.5 1.5 1.5 1.5 Lần thử Mái che Rèm 62 0.5 1.5 1.5 1.5 0.5 1.5 1.5 0.7 1.5 2 10 0.5 1.5 1 Qua bảng 4.1 ta thấy độ trễ gửi liệu lên Firebase trung bình rơi vào khoảng 1.5 đến giây điều tùy thuộc vào độ mạnh mạng Wifi mà module ESP sử dụng Bảng 4.2 Độ trễ gửi liệu từ node master (giây) Giá trị Nhiệt Độ ẩm Độ ẩm Ánh Trạng thái Lần thử độ khơng khí đất sáng mưa 1 1 1.5 0.5 0.5 1 1 0.5 1.5 1.5 0.5 0.5 0.5 1.5 0.5 0.5 0.5 1 1.5 1 0.5 1.5 1.5 1 0.5 1.5 0.5 0.5 1.5 1.5 10 0.5 0.5 1 1.5 Nhóm tiến hành kiểm thử độ trễ liệu gửi từ module Node module Master với khoảng cách 10m sau thu kết bảng 4.2 nhận thấy việc truyền liệu từ hai khối node khối master tương đối nhanh, giá trị cập nhật liên tục với độ trễ không giây Node 1.5 giây với Node Đối với việc điều khiển ứng dụng Android Web gửi liệu lên Firebase gần tức q trình module ESP lấy liệu xuống để điều khiển đơi lúc có bị delay mạng yếu trình bày trên, ngồi ra, ứng dụng 63 Web thiếu phần bảo mật đăng nhập để xác thực thông tin người dùng Một số hạn chế khác nút nhấn cảm ứng điện dung nhạy cộng với việc thiết kế PCB nhóm sếp nút nhấn gần nên hay bị bấm nhầm thiết kế mái che chưa tối ưu nên q trình đóng/mở mái che cịn cồng kềnh Cịn khối cảm biến, hiển thị khối công suất hoạt động tốt khơng gặp trục trặc 64 Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết luận Sau trình tìm hiểu thực đề tài “Ứng dụng IoT thiết kế thi công hệ thống trồng rau xà lách”, vài hạn chế nêu mục đánh giá chương so với mục tiêu ban đầu nhóm hồn thành hầu hết mục tiêu đề ra: ➢ Đã thiết kế thi cơng hồn thiện mơ hình chăm sóc vườn xà lách với ba chế độ thủ công, tự động thời gian ➢ Giao tiếp khối xử lý trung tâm Arduino Mega với khối LoRa, cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, mưa, nút nhấn, realtime, công suất, khối giao tiếp Wifi giao tiếp khối giao tiếp Wifi với Firebase ➢ Ứng dụng công nghệ LoRa để chuyển tiếp liệu viết ứng dụng Web điều khiển qua việc gửi lấy liệu từ Firebase thông qua Wifi ➢ Việc điều khiển thiết bị trực tiếp thơng qua nút nhấn khơng bị trễ việc gửi lấy liệu từ Firebase cịn bị trễ lớn điều khiển từ xa ➢ Các cảm biến, LCD khối công suất hoạt động tốt mơ hình cịn sơ sài cồng kềnh 5.2 Hướng phát triển Về hướng phát triển để sản phẩm ứng dụng nhiều vào thực tế tiếp cận với người dùng, sản phẩm cần phải đạt độ xác cao hơn, độ trễ thấp hơn, quan trọng chi phí phần cứng phải cắt giảm mức thấp Vì đề tài phát triển cải tiến thêm theo hướng sau: ➢ Nghiên cứu, tối ưu hóa code để giảm tối đa thời gian delay truyền nhận liệu ➢ Phát triển thêm phần xác thực người dùng ứng dụng Web để tăng tính bảo mật cho hệ thống 65 ➢ Thiết kế xây dựng thêm hệ thống cảnh báo hệ thống gặp trục trặc lúc chạy nguồn dự phịng để hệ thống hoạt động liên tục bị điện ➢ Có thể chuyển khối thiết bị từ module Master qua module Node để tiện cho việc điều khiển dây 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Thanh Huyền (2016), “Kỹ thuật trồng chăm sóc số loại rau”, Nxb Hồng Đức, Hà Nội [2] Đào Xuân Hiệp (2018), “Công nghệ Lora cho ứng dụng IoT”, Trường ĐH Bách khoa, Hà Nội [3] Chris rush (2021), “What is LoRa & LoRaWAN technology”, US [4] Nguyễn Quang Thạnh, Phan Thanh Triều (2019), “Thi cơng mơ hình hệ thống trồng hoa lan”, Trường ĐH Sư phạm kỹ thuật, Tp.HCM [5] Phan Minh Nhựt, Đoàn Duy Tân (2020), “Thiết kế thi công hệ thống tự động giám sát chăm sóc trồng”, Trường ĐH Sư phạm kỹ thuật, Tp.HCM [6] Hồng Việt Anh (2019), “Tìm hiểu lập trình sở với android firebase ứng dụng”, Trường ĐH Dân lập Hải Phòng, Hải Phòng [7] Trung tâm đào tạo công nghệ Khoa Phạm (2016) “Tự học lập trình Android bản”, Tp.HCM [8] Nguyễn Văn Hiệp, Đinh Quang Hiệp (2014), “Giáo trình lập trình android bản”, Trường ĐH Sư phạm kỹ thuật, Tp.HCM, [9] Phan Anh Cang, Nguyễn Thị Hồng Yến, Trần Thị Kim Ngân, Trần Quốc Thịnh (2021), “Giáo trình lập trình web”, NxB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [10] Dương Thanh Long, Bùi Văn Minh, Phạm Quang Huy (2019), “Lập trình điều khiển từ xa với ESP8266, ESP32 Arduino”, Nxb Thanh Niên, Hà Nội 67 S K L 0