Đồ án tốt nghiệp đại học cnkt máy tính thiết kế hệ thống đo, giám sát chất lượng nước ao nuôi

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CNKT MÁY TÍNH BÙI XUÂN HIẾU ĐÀM LONG GIANG LÊ VĂN THÔNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO, GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG NƯỚC AO NUÔI CBHD: ThS ĐỖ THỊ NGỌC ÁNH Nhóm sinh viên thực hiện: BÙI XUÂN HIẾU_ Mã SV: 2019603897 ĐÀM LONG GIANG_ Mã SV: 2019603519 LÊ VĂN THÔNG_ Mã SV: 2019604723 CNKT MÁY TÍNH Hà Nội – 2023 < PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI ĐATN – BẢN GỐC > < KẾ HOẠCH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP > Thời gian Nội dung Tuần Lựa chọn phân tích đề tài (20/3 – 26/3) Tuần (27/3 – 2/4) Tuần (3/4 – 9/4) - Lựa chọn vi điều khiển, cảm biến, giao thức truyền nhận liệu phù hợp - Xác định yêu cầu đồ án - Xác định kết dự kiến Nghiên cứu kiến thức liên quan - Tìm hiểu dịng IC STM32F103C8T6 - Tìm hiểu cảm biến nhiệt độ cảm biến PH - Tìm hiểu vể module truyền nhận liệu HC12, HC05 - Tìm hiểu Lập trình Android với Bluetooth Thiết kế sơ đồ khối - Thiết kế sơ đồ khối cho mạch mạch đo mạch điều khiển trung tâm Thiết kế nguồn 12V DC -> 5V/3.3V DC Tuần (10/4 – 16/3) Tuần (17/4 – 23/4) Tuần - Lập trình Android kết nối Bluetooth - Lập trình STM32 với cảm biến - Lập trình Android gửi/nhận liệu qua Bluetooth - Lập trình STM32 gửi nhận liệu qua module HC12, HC05 - Vẽ sơ đồ nguyên lý, mạch in Mua linh kiện hoàn thiện phần cứng (24/4 – 30/4) Tuần (1/5 –6/5) Viết báo cáo I LỜI CẢM ƠN Với phát triển ngành nuôi trồng thủy sản, nhu cầu đo lường giám sát chất lượng nước ao nuôi ngày quan tâm Điều trở nên quan trọng bối cảnh nguồn nước ngày khan ô nhiễm môi trường ngày trầm trọng Vì vậy, việc thiết kế hệ thống đo, giám sát chất lượng ao ni có vai trị quan trọng việc đảm bảo sức khỏe tăng trưởng tôm, cá ao ni Điều góp phần nâng cao suất, giảm chi phí sản xuất, đảm bảo an tồn vệ sinh thực phẩm bảo vệ mơi trường Trong q trình thực đồ án, tơi học nhiều kiến thức thành phần hệ thống đo, giám sát chất lượng nước, cách hoạt động chúng, phương pháp đo lường xử lý liệu Ngồi ra, tơi cịn học cách thiết kế mạch điện tử, lập trình vi điều khiển cách làm việc với công cụ phần mềm việc xử lý liệu Tôi muốn gửi lời cảm ơn đến giảng viên hướng dẫn giúp đỡ động viên tơi q trình thực đồ án Nhờ giúp đỡ bạn, tơi hồn thành đồ án cách tốt áp dụng kiến thức học vào thực tế Cuối cùng, hy vọng hệ thống đo, giám sát chất lượng ao nuôi mà tơi thiết kế đóng góp vào việc nâng cao hiệu sản xuất bảo vệ môi trường, đồng thời bước đệm cho nghiên cứu phát triển lĩnh vực II MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu .6 1.2 Nội dung lý thuyết CHƯƠNG THIẾT KẾ……… .9 2.1 Phân tích u cầu tốn 2.1.1 Mục tiêu thiết kế .9 2.1.2 Điều kiện ràng buộc thiết kế 2.1.3 Thông số kỹ thuật 10 2.1.4 Tiêu chí đánh giá sản phẩm 10 2.2 Thiết kế ý tưởng 10 2.3 Thiết kế chi tiết 11 2.3.1 Vi điều khiển STM32F103C8T6 11 2.3.2 Màn hình LCD 16 2.3.3 Mô-đun HC-12 .18 2.3.4 Mô-đun HC-05 .20 2.3.5 Một số linh kiện khác 21 CHƯƠNG THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 27 III DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT IV DANH MỤC BẢNG BIỂU V DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.2.1.1-1: Vi điều khiển STM32F103C8T6 12 Hình 1.2.1.2-1: Sơ đồ chân STM32F103C8T6 14 Hình 1.2.2.1-1: Màn hình LCD 16x2 16 Hình 1.2.2.1-2: Sơ đồ khối hình LCD 16x2 17 Hình 1.2.3.1-1: Mơ-đun HC-12 18 Hình 1.2.3.1-2: Sơ đồ chân mơ-đun HC-12 19 Hình 1.2.4.1-1: Mô-đun HC-05 20 Hình 1.2.4.1-2: Sơ đồ chân mơ-đun HC-05 20 Hình 1.2.5.1-1: LM7805 22 Hình 1.2.5.1-2: Sơ đồ chân LM7805 22 Hình 1.2.5.2-1: Sơ đồ chân LM1117 23 Hình 1.2.5.3-1: Sơ đồ chân DS18B20 24 Hình 1.2.5.4-1: Một số loại tụ điện 25 Hình 1.2.5.5-1: Điện trở .25 Hình 1.2.5.6-1: Nút nhấn 25 Hình 1.2.5.7-1: Led 26 MỞ ĐẦU Lý lựa chọn đề tài Trong ngành nuôi trồng thủy sản, chất lượng nước yếu tố quan trọng để đảm bảo sức khỏe phát triển lồi thủy sản Đặc biệt, ao ni thủy sản, việc đảm bảo chất lượng nước đóng vai trị vơ quan trọng để đảm bảo sức khỏe tăng trưởng động vật nuôi Tuy nhiên, nay, việc quản lý giám sát chất lượng nước ao ni cịn nhiều hạn chế, gây nhiều vấn đề môi trường thúc đẩy phát triển bệnh tật ao Thực trạng nhiều ao ni tồn cầu đối mặt với vấn đề chất lượng nước tăng độ mặn, giảm lượng oxy hòa tan, tăng độ axit, nồng độ hợp chất hữu vô cơ, ô nhiễm vi khuẩn, virus chất khác Các vấn đề ảnh hưởng đến sức khỏe động vật nuôi, ảnh hưởng đến hiệu sản xuất gây vấn đề môi trường Nguyên nhân vấn đề nhiều yếu tố chủ yếu xâm nhập người vào môi trường nước cách sử dụng hóa chất thuốc trừ sâu, thải nước thải công nghiệp, nông nghiệp sinh hoạt Các hoạt động làm tăng nồng độ hợp chất độc hại nước gây thay đổi hệ thống sinh thái địa phương Hậu vấn đề ảnh hưởng đến sức khỏe phát triển động vật nuôi, gây thiếu hụt sản xuất tăng chi phí ni, đồng thời gây nhiễm mơi trường làm giảm chất lượng môi trường nước Đề tài "Thiết kế đo giám sát chất lượng ao nuôi" phù hợp với chun ngành kỹ thuật máy tính, liên quan đến việc áp dụng cơng nghệ thơng tin để giải vấn đề thực tế lĩnh vực nuôi trồng thủy sản Cụ thể, đề tài sử dụng thiết bị đo cảm biến kết hợp với phần mềm hệ thống thông tin để giám sát chất lượng ao ni, từ cải thiện hiệu sản xuất giảm thiểu rủi ro cho người nuôi Nghiên cứu Thiết kế đo giám sát chất lượng ao nuôi nhằm giải vấn đề giám sát đo lường chất lượng nước ao nuôi cách xác, đồng thời cải thiện hiệu sản xuất ngành nuôi trồng thủy sản Cụ thể, nghiên cứu trả lời câu hỏi như:  Dựa kết đo được, làm để đánh giá chất lượng nước ao nuôi?  Nếu phát nước ao ni có chất lượng khơng đạt yêu cầu, cần thực biện pháp để cải thiện tình trạng này?  Có cần thực đo nhiệt độ pH ao nuôi định kỳ hay có dấu hiệu bất thường chất lượng nước? Việc sử dụng kết hợp nhiều phương pháp đo lường giúp cho người ni có nhìn tổng quan chất lượng nước ao ni, từ đưa biện pháp cải thiện chất lượng nước, giảm thiểu tác động tiêu cực đến tôm cá đảm bảo hiệu sản xuất ngành nuôi trồng thủy sản Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu số chất lượng nước ao nuôi thủy sản - Nghiên cứu lựa chọn mô-đun cảm biến phù hợp - Nghiên cứu chọn lựa mô-đun truyền thông phù hợp - Nghiên cứu xây dựng sơ đồ khối hệ thống - Nghiên cứu thiết kế mạch đo mạch trung tâm - Nghiên cứu thiết kế mạch in - Nghiên cứu thiêt kế phần mềm Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu đo nhiệt độ pH ao nuôi nhằm giúp giám sát đánh giá chất lượng nước ao ni cách xác hiệu quả, từ giải vấn đề liên quan đến chất lượng nước cải thiện hiệu suất sản xuất ngành nuôi trồng thủy sản Vấn đề đặt để nghiên cứu làm để đo giám sát chất 38 đọc ADC Vi điều khiển Thông số kỹ thuật cảm biến độ pH DFRobot Gravity: Analog pH Sensor/Meter Pro Kit V2 sau: - Điện áp hoạt động: 3.3V - 5.5V - Dải đo: - 14 pH - Độ xác: ±0.1 pH (ở 25°C) - Điện cực: Điện cực thủy tinh - Thời gian phản hồi: < giây - Nhiệt độ hoạt động: 0°C - 60°C - Tín hiệu ra: Analog (0 - 5V) - Độ dài dây cáp: mét - Kích thước cảm biến: 42mm x 32mm x 20mm - Trọng lượng: 42g Sơ đồ ghép nối: 39 2.3.4 Khối truyền/nhận: HC-12 mô-đun truyền thông không dây RF (Radio Frequency) tảng LoRa (Long Range), hoạt động tần số 433MHz có khả truyền thông lên đến 1km điều kiện đất đai phẳng, khơng có vật cản Hình 1.2.3.1-6: Mơ-đun HC-12 Mô-đun HC-12 thiết kế đơn giản với anten nối đầu số chân đơn giản để kết nối với linh kiện khác vi điều khiển, Arduino, 40 Raspberry Pi, vv Các chân HC-12 bao gồm: Hình 1.2.3.1-7: Sơ đồ chân mơ-đun HC-12 Chức chân: - VCC: Chân cấp nguồn cho mô-đun, thường 3.3V - GND: Chân đất mô-đun - TXD: Chân truyền liệu mô-đun - RXD: Chân nhận liệu mô-đun - SET: Chân cấu hình cho mơ-đun, sử dụng để thiết lập tốc độ truyền, độ nhạy, vv Cách hoạt động: Mô-đun HC-12 hoạt động tần số sóng radio 433MHz sử dụng giao thức truyền thông UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) để giao tiếp với thiết bị điều khiển STM32, vi điều khiển hay máy tính Khi cấu hình kết nối cách, HC-12 truyền nhận liệu khơng dây qua sóng radio mơ-đun HC-12 khác Việc truyền liệu thực nhiều chế độ khác nhau, bao gồm chế độ truyền liên tục (Full Duplex), chế độ truyền đơn phương (Simplex) chế độ truyền tùy chỉnh (Configurable mode) HC-12 trang bị anten tích hợp để tăng khả thu sóng phát sóng Ngồi ra, mơ-đun hỗ trợ nhiều tính bảo mật mã hóa liệu để đảm bảo tính riêng tư bảo mật liệu truyền qua sóng radio Để sử dụng HC-12, ta cần kết nối mô-đun với thiết bị điều khiển, chẳng hạn vi điều khiển hay STM32, thiết lập thông số truyền 41 nhận liệu phù hợp Sau đó, ta truyền nhận liệu không dây hai mô-đun HC-12 qua sóng RF tần số 433MHz 2.3.5 Khối hiển thị: Hiện nay, hình tinh thể lỏng dùng rộng rãi thiết bị điện tử số dùng sinh hoạt, thiết bị khoa học,… Hình 1.2.2.1-8: Màn hình LCD 16x2 LCD thay thiết bị đơn giản LED đoạn,… vì: LCD hiển thị ký tự chữ số dạng diot chấm sáng Led ma trận LCD soạn thảo ghi phơng chữ có kích thước dạng khác LCD hiển thị hình ảnh đồ họa với độ phân giải cao Do đó, dùng làm hình phẳng thay cho ống hình điện tử (CRT) tivi hệ cũ với độ tương phản tốt, ánh sáng nhẹ, thích hợp với người quan sát LCD hiển thị nhiều sắc đẹp gần với màu sắc tự nhiên ống hình CRT Cấu trúc LCD Sơ đồ khối: 42 Hình 1.2.2.1-9: Sơ đồ khối hình LCD 16x2 Trên hình ta thấy LCD gồm: - Đế hình tinh thể lỏng ma trận điểm (dot matrix LCD panel) - Vi mạch điều khiển (controller & driver IC) - Các điều khiển đoạn (segment driver) Thực chất, LCD vi điều khiển chuyên dụng để điều khiển hình tinh thể lỏng LCD với khối vi điểu khiển có hệ lệnh gồm 11 lệnh với mã lệnh dạng HEX, có nhớ RAM(DD RAM) để ghi phát liệu, có nhớ ROM(CG ROM) để ghi phát mẫu kí tự dạng mã ASCII Dưới đây, xét tới lệnh LCD, thấy chúng liên quan tới phần chức vi mạch, ghi lện liệu, bit trạng thái bận (BF-Búy Flag) Bộ đếm địa (Address Count), nhớ ROM phát ký tự(CG ROMCharacter Generator ROM), bọ nhớ RAM chứa ký tự người dùng (CG RAM – Character Generator RAM) khối khác LCD 16×2 được sử dụng để hiển thị trạng thái thơng số LCD 16×2 có 16 chân chân liệu (D0 – D7) chân điều khiển (RS, RW, EN) chân lại dùng để cấp nguồn đèn cho LCD 16×2 Các chân điều khiển giúp ta dễ dàng cấu hình LCD chế độ lệnh chế độ liệu Chúng cịn giúp ta cấu hình chế độ đọc ghi 43 Sơ đồ nguyên lý: 2.3.6 Khối gửi liệu: HC-05 mô-đun Bluetooth hãng sản xuất Đài Loan Linvor, sử dụng phổ biến ứng dụng IoT điều khiển từ xa Mơ-đun có kích thước nhỏ gọn, giá phải chăng, dễ sử dụng có khả truyền liệu khơng dây qua Bluetooth Hình 1.2.4.1-10: Mô-đun HC-05 Mô-đun HC-05 hoạt động giao thức Bluetooth 2.0 hỗ trợ kết nối không dây hai thiết bị phạm vi khoảng 10m Nó sử dụng chuẩn kết nối UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) để truyền nhận liệu Mơ-đun HC-05 có chân dùng để kết nối với thiết bị khác, bao gồm VCC, GND, RXD, TXD, KEY STATE 44 Hình 1.2.4.1-11: Sơ đồ chân mô-đun HC-05 Chức chân sau: - VCC: Nguồn cấp 3.3V đến mô-đun HC-05 - GND: Chân đất - RXD: Chân nhận liệu - TXD: Chân truyền liệu - KEY: Chân kích hoạt chế độ đồng hóa liệu, sử dụng để chuyển đổi chế độ AT chế độ liệu - STATE: Chân trạng thái, sử dụng để biểu thị trạng thái kết nối mô-đun Cách hoạt động: Mô-đun HC-05 sử dụng công nghệ Bluetooth để kết nối truyền liệu thiết bị Nó có hai chế độ hoạt động chế độ Master chế độ Slave Trong chế độ Slave, mô-đun phát kết nối với thiết bị khác thông qua Bluetooth Khi thiết bị khác muốn kết nối với mô-đun HC-05, gửi yêu cầu kết nối qua Bluetooth Sau đó, mơ-đun HC-05 phản hồi thiết lập kết nối với thiết bị Trong chế độ Master, mơ-đun HC-05 kết nối với thiết bị khác 45 điều khiển chúng thông qua Bluetooth Khi thiết bị khác u cầu kết nối, mơ-đun HC-05 tìm kiếm kết nối với thiết bị Sau đó, gửi nhận liệu thiết bị Mô-đun HC-05 hỗ trợ loạt lệnh AT (Attention) để cấu hình thơng số nó, chẳng hạn tần số truyền thơng, mã hóa, tốc độ truyền liệu, v.v Ta cấu hình thông số cách gửi lệnh AT đến mô-đun HC-05 qua cổng UART 2.3.7 Khối giám sát: Để xây dựng ứng dụng Android nhận liệu qua Bluetooth, cần thực bước sau: Thêm quyền sử dụng Bluetooth vào file Manifest.xml ứng dụng: ```xml ``` Tạo đối tượng BluetoothAdapter để quản lý Bluetooth thiết bị ```java BluetoothAdapter bluetoothAdapter = BluetoothAdapter.getDefaultAdapter(); ``` Bật Bluetooth thiết bị ```java if (!bluetoothAdapter.isEnabled()) { Intent enableBtIntent = new Intent(BluetoothAdapter.ACTION_REQUEST_ENABLE); 46 startActivityForResult(enableBtIntent, REQUEST_ENABLE_BT); } ``` Tìm kiếm thiết bị Bluetooth khác phạm vi ```java Set pairedDevices = bluetoothAdapter.getBondedDevices(); ``` Kết nối với thiết bị Bluetooth cụ thể ```java BluetoothDevice device = bluetoothAdapter.getRemoteDevice(deviceAddress); BluetoothSocket socket = device.createInsecureRfcommSocketToServiceRecord(uuid); socket.connect(); ``` Nhận liệu qua Bluetooth hiển thị lên giao diện ```java InputStream inputStream = socket.getInputStream(); byte[] buffer = new byte[1024]; int bytes; while (true) { bytes = inputStream.read(buffer); String message = new String(buffer, 0, bytes); // Hiển thị liệu lên giao diện } 47 ``` Đây ví dụ cách xây dựng ứng dụng Android nhận liệu qua Bluetooth Tuy nhiên, để xây dựng ứng dụng Bluetooth hoàn chỉnh, cần xử lý trường hợp ngoại lệ tình đặc biệt, đồng hóa liệu, gửi liệu, xử lý lỗi kết nối đảm bảo tính an toàn ứng dụng 2.3.4 Thiết kế ghép nối thành phần Mạch đo: Mạch trung tâm 48 2.3.5 Thiết kế sản phẩm Mạch in Sản phẩm thực tế 2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG Trong chương này, nhóm phân tích u cầu đồ án từ đưa mục tiêu thiết kế, điều kiện ràng buộc thiết kế thông số kỹ thuật tiêu chí đánh giá sản phẩm Ngồi ra, nhóm trình bày việc lên ý tưởng, đưa giải pháp khác vi điều khiển, phương pháp đo, tảng giám sát phương thức truyền nhận liệu từ lựa chọn giải pháp tối ưu Bên cạnh việc lên ý tưởng thiết kế chi tiết cho khối nghiên cứu liên kiện khối 49 CHƯƠNG THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 3.1 VẬN HÀNH SẢN PHẨM 3.2 THỬ NGHIỆM VÀ KIỂM CHỨNG SẢN PHẨM 3.3 ĐÁNH GIÁ SẢN PHẨM 3.4 ỨNG DỤNG CỦA SẢN PHẨM 3.5 TÁC ĐỘNG CỦA SẢN PHẨM THIẾT KẾ TỚI MÔI TRƯỜNG/KINH TẾ/ XÃ HỘI 3.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 50 KẾT LUẬN KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ < Đề xuất việc sử dụng áp dụng kết nghiên cứu đề tài (có thể áp dụng vào thực tiễn; cần tiếp tục hoàn thiện sở hình thành dự án sản xuất thử nghiệm cần tiến hành nghiên cứu tiếp theo…); Kiến nghị chuyển giao kết dự án vào sản xuất qui mơ cơng nghiệp, thương mại hóa sản phẩm…> 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO (Chỉ bao gồm tài liệu trích dẫn, sử dụng đề cập tới đồ án) PHỤ LỤC HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG SẢN PHẨM MÃ NGUỒN (SOURCE CODE) 2.1 mã nguồn mạch đo 2.2 mã nguồn mạch điều khiển 2.3 mã ứng dụng di động PHỤ LỤC KHÁC (Nếu có)