Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển mô hình trồng rau và nuôi cá

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CNKT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH TRỒNG RAU VÀ NI CÁ GVHD: THS PHAN VÂN HỒN SVTH: NGUYỄN VĂN VŨ VÕ TRẦN TRÍ SKL009699 Tp.Hồ Chí Minh, tháng 3/2023 BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH - KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH TRỒNG RAU VÀ NI CÁ GVHD : ThS Phan Vân Hồn SVTH1 : Nguyễn Văn Vũ MSSV : 17141266 SVTH2 : Võ Trần Trí MSSV : 17141250 Tp Hồ Chí Minh - 03/2023 I TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc Tp HCM, ngày 29 tháng 12 năm 2022 NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Chuyên ngành: Hệ đào tạo: Khóa: Nguyễn Văn Vũ Võ Trần Trí Cơng nghệ kỹ thuật Điện Tử - Truyền Thơng Đại học quy 2017 MSSV: 17141266 MSSV: 17141250 Mã ngành: 41 Mã hệ: Lớp: 17141DTA I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH KẾT HỢP TRỒNG RAU VÀ NUÔI CÁ II NHIỆM VỤ Các số liệu ban đầu: - Vi điều khiển: ESP32 - Các loại module: AHT20, YF - S401, Loadcell, cảm biến độ ẩm đất… - Màn hình hiển thị: LCD TFT RA8875 - Điều khiển tải ngõ : máy bơm, động bước, relay Nội dung thực hiện: - Nghiên cứu, tham khảo đề tài, luận văn liên quan có - Tìn hiểu HTML CSS - Kết nối cảm biến tải với xử lý trung tâm - Lập trình ESP32 hiển thị liệu căm biến đo lên hình cảm ứng RA8875 - Thiết kế icon đại diện cho liệu đo từ cảm biến - Viết code HTML CSS để tạo web server - Truyền liệu cảm biến đo lên web server - Xây dựng mơ hình - Vẽ mạch in - Viết báo cáo - Báo cáo đề tài tốt nghiệp III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: 13/09/2022 29/12/2022 ThS Phân Vân Hoàn II CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y III TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP - Y SINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc Tp HCM, ngày 29 tháng 12 năm 2022 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Nguyễn Văn Vũ Lớp: 17141DTA MSSV: 17141266 Họ tên sinh viên 2: Võ Trần Trí Lớp: 17141DTA MSSV: 17141250 Tên đề tài: Thiết kế hệ thống giám sát điều khiển mơ hình kết hợp trồng rau nuôi cá Tuần/ngày Nội dung Tuần (13/9 – 18/9) - Gặp GVHD để nghe phổ biến quy định, thực chọn đề tài, thời gian báo cáo tiến độ - Duyệt đề tài - Tìm kiếm kiến thức - Chọn cảm biến phù hợp với đề tài - Thiết kế hình hiển thị giá trị cảm biến - Kết nối cảm biến với vi điều khiển - Thiết kế sơ đồ nguyên lý - Tìm hiểu ngôn ngữ HTML & CSS - Vẽ mạch in, thiết kế mơ hình - Lập trình hồn thiện phần hiển thị LCD - Tạo web server - Viết báo cáo - Hiển thị liệu lên web server - Làm silde thuyết trình Tuần - (19/9 – 2/10) Tuần - (2/10 – 23/10) Tuần - (24/10 –13/11) Tuần 10-12 (14/11 – 4/12) Tuần 12 - 15 (5/12 –29/12) Xác nhận GVHD GV HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) IV LỜI CAM ĐOAN Đề tài chúng em tự thực dựa vào số tài liệu trước khơng chép từ tài liệu hay cơng trình có trước Người thực đề tài Nguyễn Văn Vũ Võ Trần Trí V LỜI CẢM ƠN Đầu tiên nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Phan Vân Hoàn Cảm ơn Thầy dành thời gian quý báu để hướng dẫn tận tình giúp đỡ nhóm, khơng có giúp đỡ cố vấn từ Thầy, nhóm khơng thể hồn thành tốt đồ án Bên cạnh đó, nhóm xin chân thành cảm ơn giảng viên trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh nói chung q thầy khoa Điện – Điện tử nói riêng, thầy cô truyền đạt lại cho chúng em kiến thức vô quý báu tri thức tâm huyết cơng việc giảng dạy Nhờ chúng em kiến thức cần thiết để tạo dựng móng vững cho thân tiền đề quan trọng để chúng em hồn thành đồ án tốt nghiệp Và em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến người bạn ngành trao đổi kiến thức, chia sẻ kinh nghiệm q báu để góp phần giúp nhóm hồn thành đề tài tốt Cuối cùng, nhóm xin phép cảm ơn gia đình, bạn bè ln bên cạnh hỗ trợ, động viên mặt tinh thần lẫn tài suốt thời gian thực đề tài Xin chân thành cảm ơn ! Người thực đề tài Nguyễn Văn Vũ Võ Trần Trí VI MỤC LỤC NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP I LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP III LỜI CAM ĐOAN IV LỜI CẢM ƠN V MỤC LỤC VI LIỆT KÊ HÌNH VIII LIỆT KÊ BẢNG XII TÓM TẮT XIII CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.2 MỤC TIÊU 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.4 GIỚI HẠN 1.5 BỐ CỤC CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG IOT 2.1.1 Khái niệm 2.1.2 Cấu trúc hệ thống IOT 2.1.3 Đặc điểm IOT 2.1.4 Ứng dụng IOT .5 2.2 CÁC CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU 2.2.1 Chuẩn giao tiếp I2C 2.2.2 Chuẩn giao tiếp SPI 2.3 KHÁI QUÁT VỀ HTML & CSS 2.3.1 Khái niệm 2.3.2 JSON 10 CHƯƠNG TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 12 3.1 GIỚI THIỆU 12 3.2 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG 12 VII 3.3 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 13 3.3.1 Khối xử lý trung tâm giao tiếp WIFI 13 3.3.2 Khối cảm biến 18 3.3.3 Khối hiển thị .35 3.3.4 Khối ngõ 38 3.3.5 Khối hiển thị giao tiếp từ xa 60 3.3.6 Khối nguồn 60 3.4 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ TOÀN MẠCH .65 CHƯƠNG THI CÔNG HỆ THỐNG 66 4.1 GIỚI THIỆU .66 4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG 66 4.2.1 Thi công mạch in 66 4.2.2 Lắp ráp kiểm tra 70 4.3 ĐĨNG GĨI VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH 73 4.3.1 Đóng gói hiển thị 73 4.3.2 Thi công mô hình 73 4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 76 4.4.1 Lưu đồ giải thuật 76 4.4.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển 83 4.4.3 Phần mềm lập trình cho web 84 4.5 TÀI LIÊU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC 85 4.5.1 Tài liệu hướng dẫn sử dụng 85 4.5.2 Quy trình thao tác 86 CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 90 5.1 GIỚI THIỆU 90 5.2 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC .90 5.3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 91 5.4 ĐÁNH GIÁ .102 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 104 6.1 KẾT LUẬN 104 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO 105 PHỤ LỤC 107 VIII LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình Trang Hình 2.1: Mơ hình mạng I2C Hình 2.2: Kết nối master với slave qua giao thức SPI Hình 2.3: Truyền nhận liệu giao thức SPI .9 Hình 2.4: Logo HTML 10 Hình 2.5: Logo CSS 10 Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống 12 Hình 3.2: ESP32 16 Hình 3.3: Sơ đồ chân ESP32 16 Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý vi điều khiển 18 Hình 3.5: Module AHT20 19 Hình 3.6: Sơ đồ kết nối ESP32 với module AHT20 20 Hình 3.7: GY-68 BMP180 20 Hình 3.8: Sơ đồ kết nối ESP32 với module BMP180 22 Hình 3.9: BH1750FVI 22 Hình 3.10: Sơ đồ kết nối ESP32 với module BH1750FVI 24 Hình 3.11: Cảm biến độ ẩm đất 24 Hình 3.12: Sơ đồ kết nối ESP32 với cảm biến độ ẩm đất 25 Hình 3.13: Cảm biến pH .26 Hình 3.14: Sơ đồ kết nối ESP32 với cảm biến pH .26 Hình 3.15: Cảm biến nồng độ chất tan 27 Hình 3.16: IC DS18B20 28 Hình 3.17: Sơ đồ kết nối ESP32 với cảm biến nồng độ chất tan IC DS18B20 28 Hình 3.18: Cảm biến siêu âm HC-SR04 29 Hình 3.19: Sơ đồ kết nối ESP32 với cảm biến siêu âm HC-SR04 29 Hình 3.20: Cảm biến lưu lượng nước YF-S401 30 Hình 3.21: Cảm biến Hall .30 Hình 3.22: Sơ đồ kết nối ESP32 với cảm biến lưu lượng nước YF-S401 31 Hình 3.23: Cảm biến cân nặng Load Cell 32 Hình 3.24: Mạch cảm biến cân nặng HX711 .32 Hình 3.25: Sơ đồ kết nối ESP32 với HX711 33 IX CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Khi nhiệt độ nước cao ảnh hướng đến sinh trưởng cá hệ thống tự động giảm nhiệt độ nước cách kích hoạt sị nóng lạnh ( chế độ lanh) kết hợp với máy bơm quạt tản nhiệt, để giảm nhiệt độ nước ngưỡng sinh trưởng tốt Hình 5.4a: Hình ảnh web tự động giảm nhiệt độ nước nhiệt độ nước cao Hình 5.4b: Hình ảnh LCD tự động giảm nhiệt độ nước nhiệt độ nước cao BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 94 CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Khi ánh sáng mơi trường xung quanh cao đèn led tắt (< 40 lux đèn bật) Hình 5.5a: Hình ảnh web đèn tắt độ sáng xung quanh cao Hình 5.5b: Hình ảnh LCD đèn tắt độ sáng xung quanh cao BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 95 CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Hình 5.5c: Hình ảnh web đèn bật độ sáng xung quanh thấp Hình 5.5d: Hình ảnh LCD đèn bật độ sáng xung quanh thấp BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 96 CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Khi thức ăn mức 0g bật chế độ tự cho cá ăn Hình 5.6a: Hình ảnh web chế độ tự cho cá ăn khởi động Hình 5.6b: Hình ảnh LCD chế độ tự cho cá ăn khởi động BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 97 CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Hình 5.6c: Hình ảnh động bước hoạt động Hình 5.6d: Hình ảnh LCD bổ sung thêm 179g thức ăn BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 98 CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Hình 5.6e: Hình ảnh web tắt chế độ tự động cho cá ăn Khi mực nước bể cá 10 cm bơm bơm nước từ bể dự trữ sang Hình 5.7a: Hình ảnh web mực nước thấp bơm hoạt động BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 99 CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Hình 5.7b: Hình ảnh LCD mực nước thấp bơm hoạt động Khi mực nước 10 cm bơm tắt, bơm bơm xả nước Hình 5.7c: Hình ảnh web mực nước cao bơm hoạt động BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 100 CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Hình 5.7d: Hình ảnh LCD mực nước cao bơm hoạt động Khi nồng độ chất tan cao chứng tỏ nước đục bơm oxi bật Hình 5.8a: Hình ảnh web nồng độ chất tan cao bơm oxi hoạt động BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 101 CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Hình 5.8b: Hình ảnh LCD nồng độ chất tan cao bơm oxi hoạt động 5.4 ĐÁNH GIÁ Sau q trình vận hành thử nghiệm hệ thống nhóm thu liệu sau: Bảng 5.1: Số liệu thực nghiệm Số lần thực nghiệm Điều khiển tải thông 40 Số lần thành công Đánh giá 40 Đạt 40 Đạt 40 Đạt qua hình LCD Điều khiển tải thông 40 qua web Để hệ thống chạy 40 chế độ auto Qua số liệu bảng trên, nhóm em đánh giá hệ thống mục tiêu ban đầu đặt Hệ thống vận hành tốt, dễ sử dụng, tính ứng dụng thực tế cao Tuy nhiên số hạn chế muốn đưa vào thực tế: + Hệ thống cần kết nối mạng tốt để cập nhật liệu lên webserver cách nhanh chóng BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP - Y SINH 102 CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ + Hệ thống cần thêm host riêng để truy cập vào webserver đâu cần có internet Từ nhóm kết luận phương pháp điều khiển trực tiếp qua hình LCD cảm ứng tốt BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 103 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 KẾT LUẬN Đề tài “ Thiết kế hệ thống giám sát điều khiển mơ hình kết hợp trồng rau nuôi cá” ứng dụng IOT nhằm cải thiện nhu cầu thực phẩm “ cung không đủ cầu” giúp người nông dân tiết kệm thời gian công sức lao động Nhóm hồn thành mục tiêu ban đầu đặt Sau ưu nhược điểm hệ thống: Ưu điểm: - Hệ thống thu giá trị nhiệt độ - độ ẩm môi trường, nhiệt độ nước, nồng độ chất tan, pH,…Có khả tự động tưới rau, tự động cho cá ăn tự động tăng giảm nhiệt độ nước - Hệ thống hoạt động ổn định, liệu cập nhật liên tục - Có web server để người dùng giám sát, điều khiển từ xa - Giao diện LCD web server hiển thị đẹp mắt, tính trực quan hóa cao - Mơ hình có tính thẩm mỹ, an toàn - Hệ thống dễ sử dụng, dễ thao tác Nhược điểm: - Khoảng cách truyền nhận không xa - Hệ thống ngừng hoạt động điện - Không thể kêt nối vào webserver mạng toàn cầu 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN - Thiết kế app androi ios để tăng thêm khả giám sát, điều khiển - Tạo host riêng để người dùng truy cập mạng toàn cầu - Kết hợp thêm pin lượng mặt trời để giải trường hợp điện đột ngột - Tích hợp thêm camera để người dùng quan sát từ xa, từ giảm thiệt hại khơng đáng có - Cảnh báo qua email mà không cần người dùng thường xuyên truy cập quản lý BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU THAM KHẢO Sách tham khảo [1] Nguyễn Trường Duy – Võ Đức Dũng – Nguyễn Thanh Hải, “Giáo trình Kỹ thuật số”, Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh, Nhà xuất ĐH Quốc Gia TP Hồ Chí Minh, 2018 [2] Nguyễn Việt Hùng, Nguyễn Ngơ Lâm, Nguyễn Văn Phúc, “Giáo trình kỹ thuật truyền số liệu”, Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh, 2011 [3] Huỳnh Xuân Dũng – Trần Nhật Minh, Đồ án tốt nghiệp: Hệ thống IoT điều khiển giám sát nhà, 2018 Trang web tham khảo [4] https://www.interviewbit.com/blog/difference-between-html-and-css/,tìm hiểu khái niệm HTML CSS [5] https://www.w3schools.com/whatis/, tìm hiểu Json [6] https://www.alldatasheet/, tìm hiểu thơng số kỹ thuật ESP 32 [7] https://www.alldatasheet/,tìm hiểu thơng số kỹ thuật GY-68 BMP180 [8] https://www.alldatasheet/,tìm hiểu thơng số kỹ thuật BH150FVI [9] https://assets.omega.com/,ìm hiểu thơng số kỹ thuật pH sensor [10] https://media.digikey.com/,tìm hiểu thơng số kỹ thuật TDS [11] https://www.alldatasheet/,tìm hiểu thơng số kỹ thuật IC DS18B20 [12] https://cdn.sparkfun.com/, tìm hiểu thơng số kỹ thuật HC-SR04 [13] https://www.alldatasheet/,tìm hiểu thơng số kỹ thuật YF-S401 [14] https://media.digikey.com/, tìm hiểu thơng số kỹ thuật load cell [15] https://www.alldatasheet./,tìm hiểu thơng số kỹ thuật HX711 [16] https://www.alldatasheet/,tìm hiểu thơng số kỹ thuật DS3231 [17] https://www.alldatasheet/,tìm hiểu thơng số kỹ thuật LCD RA8875 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO [18] https://www.alldatasheet/,tìm hiểu thơng số kỹ thuật PCF8574T [19] https://www.alldatasheet/,tìm hiểu thơng số kỹ thuật TXS0108E [20] https://5.imimg.com/, tìm hiểu động RS385 [21] https://www.alldatasheet/,tìm hiểu thơng số kỹ thuật TEC1-12706 [22] https://www.foneacc-motion.com/, tìm hiểu động RS390 [23] https://www.alldatasheet/,tìm hiểu thơng số kỹ thuật 28BYJ-48 [24] https://www.alldatasheet/,tìm hiểu thơng số kỹ thuật ULN203 [25] https://www.thegioiic.com/, tìm hiều thông số kỹ thuật nguồn xung 220V [26] https://www.alldatasheet/,tìm hiểu thơng số kỹ thuật LM2596 BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 106 PHỤ LỤC PHỤ LỤC Danh mục từ viết tắt IoT: Internet of Things HTML: HyperText Markup Language CSS: Cascading Style Sheets JSON: JavaScript Object Notation SPI: Serial Peripheral Interface Phần code hệ thống dài nên nhóm xin phép up lên Google Drive https://drive.google.com/file/d/1DeJ9C0I94FwXACYksTDcNbh_eyNNzTHB/vi ew?usp=share_link BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 107 S K L 0