Đồ án cơ nghành đề tài nghiên cứu thiết kế hệ thống giám sát điều khiển nông nghiệp 4 0 sử dụng esp8266

  TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN TỬ  BỘ MÔN: ĐỒ ÁN CƠ NGHÀNH ĐỀ TÀI: Nghiên cứu thiết kế hệ thống giám sát điều khiển nông nghiệp 4.0 sử dụng ESP8266 Sinh viên thực hiện: Ngô Đăng Đạt   Quách Trường Giang   Dương Thanh Hải Giáo viên hướng dẫn: Vũ Việt Hưng Hà Nội, Tháng 11 năm 2022   MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề .8 1.2 Thực tiễn đề tài 1.3 Khái niệm IoT 10 1.3.1 IoT gì? .10 1.4 Tổng quan ứng dụng điều khiển Blynk 10 1.5 Tổng kết chương .11 CHƯƠNG :CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12 2.1 Node MCU ESP 8266 12 2.1.1 Giới thiệu node MCU ESP 8266 12 2.1.2 Cấu tạo node MCU ESP8266 12 2.1.3 Tính NODEMCU ESP8266 13 2.1.4 Quản lý lượng NODE MCU ESP8266 14 2.2 Module nguồn LM2596 .15 2.3 DHT11 16 2.3.1 Giới thiệu DHT11 cảm biến nhiệt độ độ ẩm 16 2.3.2 Thông số kỹ thuật 17 2.3.3 Nguyên lý hoạt động .17 2.4 Module Cảm biến độ ẩm đất 19 2.4.1 Giới thiệu 19 2.4.2 Thông số kỹ thuật 19 2.4.3 Nguyên lý hoạt động .20 2.5 Cơ sở lý thuyết Blynk 21 2.6 Tổng kết chương .22 CHƯƠNG THI CÔNG VÀ THIẾT KẾ .23   3.1 Khái niệm, nhiệm vụ hệ thống tưới nước tự động 23 3.2 Tổng quan thiết kế hệ thống tưới .23 3.3 Thiết kế hệ thống tưới 23 3.4 Sơ đồ khối 25 3.4.1 Khối nguồn 25 3.4.2 Khối điều khiển .27 3.4.3 Khối cảm biến .27 3.4.4 Khối thi hành hiển thị .29 3.5 Lưu đồ thuật toán 30 3.6 Thiết kế mạch in 31 3.7 Xây dựng giao diện giám sát thiết bị thông minh 34 3.8 Tổng kết chương .34 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 36 4.1 PHỤ LỤC 38 4.2 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Một hệ thống tưới thực tế .10 Hình 1.2 Khái niệm Internets of Things 11 Hình 1.3 Phần mềm điều khiển blynk 12 Hình 2.1 Hình ảnh thực tế Chip NODEMCU ESP8266 13 Hình 2.2 Sơ đồ chân kết nối esp 8266 14 Hình 2.3 Module LM2596S 17 Hình 2.4 Hình ảnh thực tế sơ đồ chân 17 Hình 2.5 Kích thước khoảng cách chân DHT11 18 Hình 2.6 Kết nối MCU DHT11 19   Hình 2.7 Hình ảnh thực tế module 20 Hình 2.8 Module cảm biến độ ẩm đất 20 Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý module cảm biến 21 Hình 2.10 Giao diện Blynk .23 Hình 3.1 Sơ đồ khối 26 Hình 3.2 Khối nguồn .27 Hình 3.3 Sơ đồ chi tiết module LM2596: .27 Hình 3.4 Khối điều khiển 28 Hình 3.5 Cảm biến DTH-11 độ ẩm đất 29 Hình 3.6 Khối điều khiển 29 Hình 3.7 Khối điều khiển 30 Hình 3.8 Lưu đồ thuật toánDSD 31 Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý 33 Hình 3.10 Giao diện thiết bị thông minh .35 Hình 4.1 Hoạt động thực tế mơ hình 36   DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng anh Tiếng việt IOT Internet of Things Internet vạn vật LED Light Emitting Diode Điốt phát sáng PCB Printed Circuit Board Bảng mạch in RFID Radio Frequency Identification  Nhận dạng tần số vô tuyến điện LTE Long Term Evolution Sự tiến hóa dài hạn AI Artificial intelligence Trí tuệ nhân tạo   MỞ ĐẦU Tại số địa phương canh tác số loại cây, hoa, rau có giá trị kinh tế cao, nhiên cịn đơn vị tiến hành nghiên cứu thiết kế mơ hình tự động đáp ứng điều kiện kinh tế, môi trường nước ta.  Thực tế sống ngày bận rộn, nhiều người có thú vui trồng cảnh, vườn rau khơng gian trống nhà sân thượng, ban công Tuy nhiên, lúc bạn bận cơng việc ngày cảnh vườn hoa nhà không tưới nước Trong thời  buổi xã hội ngày phát triển khoa học kỹ thuật ngày tiên tiến nhu cầu kỹ thuật quan tâm phát triển Đặc biệt cơng trình nghiên cứu khoa học nhằm thiết kế sản phẩm ứng dụng có ý nghĩa thiết thực vào sống Nó thay người, giảm lao động chân tay giúp người quan sát, kiểm tra nơi độc hai, nguy hiểm mà thể người chịu đựng Lý chọn đề tài Thấy tầm quan trọng nhu cầu thiết yếu xã hội, đồng thời trình học tập nhóm nghiên cứu học nhiều KIT nhúng cách hoạt động cảm biến Nên chọn đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống giám sát điều khiển nông nghiệp „ Mục tiêu đề tài Đề tài triển khai nghiên cứu hướng tới mục tiêu sau: Theo dõi nhiệt độ, độ ẩm khơng khí thông qua cảm biến DHT11 độ ẩm đất qua cảm biến độ ẩm đất Điều chỉnh hệ thống thông qua blynk gồm chế độ : chế độ điều khiển tự động điều khiển trực tiếp    Nếu chế độ tự động hệ thống điều khiển bơm nước thông qua relay MCU dựa vào giá trị cài đặt tự động chương trình để hoạt động  phù hợp với loại mà chủ trang trại canh tác Nếu chế độ trực tiếp hệ thống điều khiển đèn bơm nước thông qua relay dựa vào trạng thái bật/tắt người điều khiển Đối tượng nghiên cứu - Kit ESP8266 - Relay kênh tích cực mức cao - Cảm biến DHT11, cảm biến độ ẩm đất Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu đề mạch phải đảm bảo việc hiển thị xác nhiệt độ độ ẩm kích hoạt thiết bị giúp cho việc ổn định nhiệt độ nhằm giúp rau phát triển tốt công nghệ đại giảm bớt khó khăn trồng trọt Giới hạn nghiên cứu - Hệ thống theo dõi giám sát nhiệt độ, độ ẩm khơng khí độ ẩm đất - Hạn chế module dùng mục đích nghiên cứu, độ sai lệnh cao - Chưa thiết kế nguồn dự phòng hệ thống điện -   CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề Khi sống người nâng cao, nhu cầu sống ngày cao đòi hỏi phải hỗ trợ tốt Và từ nhu cầu thực tế ý tưởng mơ hình nhà vườn trồng nơng nghiệp hình thành Một nhà vườn cung cấp loại thực phẩm hỗ trợ giúp đỡ cho sống đầy rẫy loại nông nghiệp mà người trồng khơng cịn trọng chất lượng, khơng quan tâm đến người khác mà vụ lợi cho thân  Ngày nay, với phát triển cách nhanh chóng ngành điện tử nhiều ngành khác ý tưởng nhà vườn thơng minh khơng cịn vướng rào cản cơng nghệ Việc điều khiển nhà vườn thông minh thông qua smartphone máy tính tạo nên bước ngoặc lớn việc điều khiển tự động, khơng dây cách linh hoạt, nói phát triển khơng ngừng smartphone làm cho cơng nghệ có thêm bước tiến, việc điều khiển dễ dàng Từ ý tưởng đó, nhu cầu sống tốt nên việc xây dựng “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống giám sát điều khiển nông nghiệp” để đáp ứng phần sống người 1.2 Thực tiễn đề tài Ứng dụng Vi điều khiển vào mơ hình hệ thống tự động Sử dụng cảm biến đo ẩm nhiệt độ kết nối với ESP8266 điều khiển động tạo hệ thống tưới tiêu tự động Tất việc tự động diễn trình cài đặt sẵn qua cảm biến để điều tiết việc tưới hợp lí thời tiết Từ ví dụ thực tiễn với giúp đỡ giáo viên hướng dẫn, lựa chọn phát triển đề tài theo hướng tự động hoá Ứng dụng đơn giản qua thao tác nút bấm cài đặt thời gian hẹn để tưới   làm việc thông minh qua cảm biến Trước hết cảm biến nhiệt độ độ ẩm áp dụng với khí hậu thời tiết nhiệt đới ẩm gió mùa với mùa rõ rệt nên cảm biến nhiệt độ độ ẩm có tầm quan trọng khâu tự động Đo mức nhiệt độ cần thiết đáp ứng cho trồng ưu tiên hàng đầu ứng dụng Đối với mùa mưa nên quan tâm nên tơi thêm  phần thiết kế cảm biến mưa để tránh lúc tưới tiêu không cần thiết vào mùa mưa gây ảnh hưởng trồng Hệ thống đảm bảo mảng thời gian cài đặt, đảm bảo nhiệt độ thay đổi qua mùa, độ ẩm theo khí hậu cảm biến mưa tất kết hợp tạo thành hệ thống thông minh đáp ứng nghĩa với người trồng Vì việc tưới tiêu trồng với người cơng nghệ thay hồn tồn người Một hệ thống trồng thông minh đáp ứng thời tiết kết hợp việc cài đặt thời gian tưới phù hợp trồng tất điện thoại di động Phù hợp với người bận công việc, phù hợp với việc sản xuất nông nghiệp cao đưa chất lượng trồng tốt Một số ứng dụng cụ thể áp dụng qua đề tài: Tưới phun sương cho lan, tưới phun sương trồng nấm, tưới phun tia mưa cho hoa cúc, Các hình ảnh ứng dụng thực tế nhà trồng Hình 1.1 Một hệ thống tưới thực tế   10 1.3 Khái niệm IoT 1.3.1 IoT gì? IoT viết tắt Internet of Things- internet vạn vật đề cập đến hàng tỷ thiết bị vật lý khắp giới kết nối với internet, thu thập chia sẻ liệu Nhờ xử lý giá rẻ mạng khơng dây, biến thứ, thành phần IoT Điều bổ sung “thông minh kỹ thuật số” cho thiết bị, cho phép chúng giao tiếp mà khơng cần có người tham gia hợp giới kỹ thuật số vật lý IoT khái niệm với nhiều người Nói cách đơn giản, IoT hệ thống kết nối thứ xung quanh lại với qua Internet, xe hơi, vật dụng nhà chí hệ thống lớn phức tạp đèn giao thông hay cảm biến thời tiết Chúng ta điều khiển, quản lý thu thập thông tin từ chúng cách dễ dàng qua thiết bị cầm tay Hình 1.2 Khái niệm Internets of Things 1.4 Tổng quan ứng dụng điều khiển Blynk    27 Cũng sử dụng biến trở thay cho R1 để điều khiển điện áp đầu Điều cho IC dễ sử dụng mạch cấp nguồn biến đổi Cần điện áp V   = 5V ổn định ta có phương trình: out  (  5 =1,23 +   R2  ) 1.21 k  => Giải phương trình R2 = 3.71kΩ => Xoay biến trở mức % ( 3.71 k  50 k   ) 3.4.2 Khối điều khiển Vi điều khiển ESP8266 xử lý tín hiệu để điểu khiển thiết bị hiển thị Duy trì kết nối internet để đồng liệu lên sở liệu từ người dùng giám sát hệ thống thiết bị di động Hình 3.17 Khối điều khiển 3.4.3 Khối cảm biến Sử dụng cảm biến DTH-11 để nhận biết nhiệt độ, độ ẩm, cảm  biến tương thích IC giải mã tác động mơi trường xử lý truyền liệu sau xử lý thông qua giao tiếp wire vi xử lý   28 Sử dụng cảm biến đo độ ẩm đất để giám sát môi trường đất nơi canh tác, cảm biến truyền trực tiếp tín hiệu điện (Analog) vi điều khiển Vi điều khiển đọc giá trị điện áp quy đỗi độ ẩm  Độ ẩm=  ADC  × 100% Trong ADC giá trị điện áp mà cảm biến trả Hình 3.18 Cảm biến DTH-11 độ ẩm đất Hình 3.19 Khối điều khiển  Ngồi tín hiệu đưa từ cảm biến vi điều khiển cịn xử lý tín hiệu đưa từ nút nhấn tác động lên chân GPIO, trạng thái bình thường chân tín hiệu ghim mức cao nhấn tín hiệu chuyển từ cao   29 xuống thấp, nhận biết thay đổi vi điều khiển xử lý thi hành chức theo lưu đồ thuật toán 3.4.4 Khối thi hành hiển thị Khối thi hành sử dụng opto để chống nhiễu với vi điều khiển Ở trạng thái thấp diode phát quang opto không sáng, transistor bên diode không dẫn Ở trạng thái cao diode phát quang opto sáng, transistor bên diode dẫn Điện áp 5V dẫn từ C => E Led báo trạng thái kích điện sáng báo trạng thoái hoạt động thiết bị, đồng thời cực B cúa transistor Q4 kích điện áp cao = > Q4 dẫn cực C E thơng bão hịa trường hợp Q4 đóng vai trị khóa điện tử [1], cực cịn lại cuộn hút relay có điện, relay kích điều khiển thiết bị thực tế Hình 3.20 Khối điều khiển   30 3.5 Lưu đồ thuật tốn Hình 3.21 Lưu đồ thuật toánDSD Cấp nguồn cho hệ thống, hệ thống trạng thái khởi tạo kết nối Wifi Sau kết nối thành công đồng liệu sở liệu xuống cho  phân cứng kết thúc trình khởi tạo Kiểm tra xem nút nhấn có tác động hay khơng có trạng thái thiết bị đảo trạng thái trước Nếu khơng tác động nhận liệu gửi từ cảm biến Kiểm tra độ ẩm đất độ ẩm thấp độ ẩm tối thiểu tự động kích hoạt máy bơm nước   31  Nếu độ ẩm đất cao độ ẩm tối đa tự động hủy trạng thái bơm Ở trạng thái lại thiết bị giữ nguyên trạng thái Dữ hiệu phần cứng phần mềm đồng với thơng qua kết nối internet Có thể giám sát phần cứng thơng qua Led trạng thái, giám sát thông qua thiết bị thông minh Điện thoai, Máy tính… 3.6 Thiết kế mạch Từ yêu cầu đặt ban đầu sau thiết kế khối chức tiến hành thiết kế mạch sử dụng phần mềm thiết kế mạch Altium Designer  [1] Yêu cầu mạch đảm bảo yêu cầu chức hệ thống, đường mạch đảm bảo công suất, đường dây tối ưu, hạn chế nhiễu Mạch nhỏ gọn đảm bảo độ thẩm mĩ cao   32 uyên lý   33   34 3.7 Xây dựng giao diện giám sát thiết bị thơng minh   Hình 3.10 Giao diện thiết bị thông minh 3.8 Tổng kết chương Trong chương tìm hiểu phần cứng mạch tìm hiểu sơ đồ nguyên lý khối có mạch Đã xây dựng sơ đồ khối   35 hệ thống Và từ khối chức như: khối nguồn, khối điều khiển, khối cảnh báo, khối điều khiển, xây dựng mạch nguyên lý từ khối chức từ thiết kế mạch in lập trình   36 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ Một số hình ảnh thực tế mơ hình Hình 4.23 Hoạt động thực tế mơ hình Đánh giá hoạt động mơ hình Mạch chạy ổn định, thực chức đưa lưu đồ thuật toán   37 1) Chế độ điều khiển thông minh từ xa Sử dụng App Blynk để quản lý điều khiển giám sát thiết bị điện thoại cần có kết nối Internet - Thiết kế đo nhiệt độ (oC), độ ẩm thời tiết dựa sở để điều khiển động hoạt động VD: thời tiết nhiệt độ 30oC với điều kiện động hoạt động lâu việc tưới nước tăng lên đảm bảo cho trồng phát triển tốt gặp thời tiếp xấu -Thiết kế cảm biến mưa tạo khả băng tiết kiệm lượng nguyên liệu tưới khơng cần thiết với khí hậu xấu Đảm bảo cho trồn tạo thêm khả thông minh cho điều khiển -Thiết kế mảng thời gian thực cập nhật liên tục từ internet đưa cho người dùng thông tin thời gian, tạo mảng thời gian điều khiển động tưới tự động -Thiết kế đèn LED hiển thị trạng thái hoạt động thiết bị cho người sử dụng giám sát trực tiếp Ưu điềm: Giải yêu cầu đề đề tài  Dễ dàng quan sát, sử dụng, chi phí thấp  Có server quản lý điều khiển giám sát trạng thái đóng tắt thiết  bị  Thiết kế mơ hình tương đối trực quan Nhược điểm × Do module dừng mức độ nghiên cứu nên độ bên học chưa cao × Khả ổn định hệ thống phụ thuộc vào tốc độ truy cập mạng, chưa xây dựng tính bảo mật hệ thống Hướng phát triển đề tài   38 - Đo thông số độ ẩm môi trường xung quanh - Đo thông số nhiệt độ thời tiết địa phương - Thông báo trạng thái thời tiết - Đưa thông tin đo lên thẻ nhớ liệu thông báo việc tưới tiêu - Trước hết áp dụng mơ hình trồng rau, cây, hoa cảnh hộ gia đình - Có thể phát triển khu sản xuất rau diện rộng 4.1 PHỤ LỤC Code: #define BLYNK_TEMPLATE_ID "TMPLT3pcEfU9" #define BLYNK_DEVICE_NAME "ESP8266" #define BLYNK_FIRMWARE_VERSION   "0.1.0" #define BLYNK_PRINT Serial #define APP_DEBUG #define USE_NODE_MCU_BOARD #include "BlynkEdgent.h" #include "DHTesp.h" DHTesp dht; int dht_pin=5; int relay_bomtuoi=4; int doam_bomtuoi=0; int doam_tatbomtuoi=0; int button_bomtuoi=14;  boolean button_bomtuoiState=HIGH;  boolean chedo_hoatdong=0; unsigned long times=millis(); WidgetLED ledconnect(V0); void setup() {   Serial. begin(115200);   delay(100);   pinMode( button_bomtuoi,INPUT_PULLUP);   pinMode(relay_bomtuoi,OUTPUT);   digitalWrite(relay_bomtuoi,LOW);   BlynkEdgent. begin();   dht.setup(dht_pin, DHTesp::DHT11); }   39 void loop() {   BlynkEdgent.run();   if (millis()-times>1000){   //Chớp tắt led connect app blynk    if (ledconnect.getValue()){   ledconnect.off ();   }else{   ledconnect.on();   }   //Đọc ghi giá trị nhiệt độ độ ẩm khơng khí lên blynk    float humidity = dht.getHumidity();   float temperature = dht.getTemperature();   Serial. print(dht.getStatusString());   Serial. print("\t");   Serial. print(humidity, 1);   Serial. print("\t\t");   Serial. print(temperature, 1);   Blynk .virtualWrite(V1,temperature);   Blynk .virtualWrite(V2,humidity);   //Ghi giá trị độ ẩm đất lên blynk    int doam_dat = analogRead(A0);   doam_dat = map(doam_dat,0,1023,100,0);   Serial. println("Độ ẩm đất: " + String(doam_dat));   Blynk .virtualWrite(V3,doam_dat);   //Chế độ tự động bơm tưới   if (chedo_hoatdong==0){   if (doam_datdoam_tatbomtuoi){   digitalWrite(relay_bomtuoi,LOW);   Blynk .virtualWrite(V5,digitalRead(relay_bomtuoi));   Serial. println("Tắt bơm tưới!");   }   }   }   times=millis();  }   //Điều khiển trực tiếp nút nhấn vật lý   if (digitalRead( button_bomtuoi)==LOW){   if ( button_bomtuoiState==HIGH){   button_bomtuoiState=LOW;   chedo_hoatdong=1;   Blynk .virtualWrite(V4,HIGH);   digitalWrite(relay_bomtuoi,!digitalRead(relay_bomtuoi));   Blynk .virtualWrite(V5,digitalRead(relay_bomtuoi));   40   Serial. println("Relay bơm tưới: " + String(digitalRead(relay_bomtuoi)));   delay(200);   }   }else{   button_bomtuoiState=HIGH;  } } BLYNK_CONNECTED(){   Blynk .syncVirtual(V4,V5,V6,V7); //Đồng liệu từ server xuống esp kết nối } BLYNK_WRITE(V4){  chedo_hoatdong = param.asInt();   Serial. println("Chế độ hoạt động: " + String(chedo_hoatdong)); } BLYNK_WRITE(V5){   if (chedo_hoatdong==1){   int p = param.asInt();   digitalWrite(relay_bomtuoi,p);   Serial. println("Relay bơm tưới: " + String(digitalRead(relay_bomtuoi)));  } } BLYNK_WRITE(V6){  doam_bomtuoi = param.asInt();   Serial. println("Độ ẩm bơm tưới: " + String(doam_bomtuoi)); } BLYNK_WRITE(V7){  doam_tatbomtuoi = param.asInt();   Serial. println("Độ ẩm tắt bơm tưới: " + String(doam_tatbomtuoi)); } 4.2 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Arduino.cc, "IoT Blink - Getting started with IoT," https://create.arduino.cc/projecthub/support/iot-blink-getting-startedwith-iot-451da6, pp 17-19, 2018 [2] IoT Maker Viet Nam, Arduino cho người bắt đầu [3] Hshop.vn, "Cảm Biến Độ Ẩm, Nhiệt Độ DHT11," https://hshop.vn/products/cam-bien-do-am-nhiet-do-dht11, 2019 [4] L M Long, Giáo trình Thực hành điện tử 1, Nhà Xuất Khoa học Kĩ thuật, 2013 [5] P M Hà, Kỹ thuật mạch điện tử, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 1999   41 [6] N V Tiến, Giáo trình CAD điện tử, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2017