Báo cáo bài tập lớn hệ thống giám sát và tưới tự động dựa trên độ ẩm đất esp8266

  HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN o0o BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN Hệ thống giám sát tưới tự động dựa độ ẩm đất - ESP8266 Môn học: Xây dựng hệ thống nhúng Số thứ tự nhóm: 16 Đồn Văn Bình MSSV: B19DCCN066 Bùi Khắc Phong MSSV: B19DCCN497 Vũ Đức Mạnh MSSV: B19DCCN425 Giảng viên hướng dẫn: Đinh Xuân Trường HÀ NỘI, 05/2023   LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy Đinh Xn Trường, người ln tận tình hướng dẫn bảo chúng em suốt trình học tập môn học Xây dựng hệ thống nhúng Nhờ hướng dẫn thầy, từ hiểu biết mơ hồ môn học, chúng em biết hệ thống nhúng, cách thức hoạt động, cách xây dựng chúng Và để cụ thể hóa kiến thức học từ mơn học này, nhóm em có xây dựng tập lớn Do trình vừa học vừa làm, kiến thức chúng em hạn chế nhiều bờ ngỡ Do vậy, thiếu sót điều chắn tránh khỏi, em mong nhận ý kiến đóng góp thầy bạn để kiến thức em hoàn thiện Xin cảm ơn Học viện Công nghệ Bưu Viễn Thơng tồn thể thầy cố học viện đưa mơn học đầy bổ ích vào giảng dạy Và xin gửi lời cảm ơn đến thành viên nhóm, người nỗ lực phối hợp để hoàn thành tập lớn Xin chân thành cảm ơn!   MỤC LỤC CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Các giải pháp hạn chế  1.3 Mục tiêu định hướng giải pháp  1.4 Đóng góp tập lớn 1.5 Bố cục tập lớn CHƯƠNG 2. NỘI DUNG ĐỀ TÀI 2.1 Yêu cầu hệ thống  2.2 Thành phần phần cứng 2.3 Thành phần phần mềm 2.4 Các bước xây dựng, thiết kế hệ thống nhúng 10 CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG 13 3.1 Lập bảng liệu 13 3.2 Xây dựng server Blynk  13 3.3 Giao diện hệ thống 14 3.4 Mơ hình mạch mạch điện thực tế  15 3.5 Nạp mã nguồn cho arduino esp8266 15 CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN  24 4.1 Kết luận 24 4.2 Hướng phát triển tương lai  24 TÀI LIỆU THAM KHẢO 26   DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1 Hình 2.2 Hình 2.3 Hình 2.4 Hình 2.5 ESP8266  Board test   Relay  Cảm biến độ ẩm  Blynk  8 10 Hình 3.1 Thơng tin Server   Hình 3.2 Virtual Pin DataStream Cảm biến  Hình 3.3 Virtual Pin DataStream Chế độ tự động  Hình 3.4 Virtual Pin DataStream Ngưỡng độ ẩm trên  Hình 3.5 Virtual Pin DataStream Ngưỡng độ ẩm   Hình 3.6 Virtual Pin DataStream trạng thái  Hình 3.7 Virtual Pin DataStream chế độ đặt lịch   Hình 3.8 Virtual Pin DataStream Relay   Hình 3.9 Virtual Pin DataStream Led1  Hình 3.10 Virtual Pin DataStream Led2  Hình 3.11 Hình 1.Giao diện hệ thống Blynk Server  Hình 3.12 Hình 1.Giao diện hệ thống Blynk App  Hình 3.13 Hình 1.Mơ hình mạch  Hình 3.14 Hình 1.Mạch điện thực tế  Hình 3.15 Định nghĩa kết nối đến Blynk Server   Hình 3.16 Cấu hình mạng   Hình 3.17 Khai báo biến   Hình 3.18 Khai báo mã nguồn  Hình 3.19 Ánh xạ giá trị biến   Hình 3.20 Đoạn mã xử lý độ ẩm ngưỡng   Hình 3.21 Đoạn mã xử lý độ ẩm ngưỡng dưới  Hình 3.22 mã nguồn bật tắt Relay   14 14 15 15 16 16 17 17 18 18 19 19 20 20 21 21 21 22 22 22 23 23 i   DANH MỤC BẢNG BIỂU ii   DANH MỤC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT Thuật ngữ Ý nghĩa API CPU HTN HTTP IC IDE Giao diện lập trình ứng dụng (Application Programming Interface) Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit) Hệ thống nhúng Giao thức Truyền tải Siêu Văn Bản (Hyper Text Transfer Protocol) Mạch tích hợp (Integrated Circuit) mơi trường tích hợp dùng để phát triển phần mềm giúp bạn lập trình tốt hơn(Integrated Development Environment) iii   CHƯƠNG GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề Là nước lên từ nông nghiệp nông nghiệp chiếm phần không nhỏ GDP nước nhà Nước ta hướng đến phát triển nông nghiệp theo hướng đại hóa, ứng dụng khoa học kỹ thuật vào sản xuất nhiều nơi hạn chế Rất nhiều quy trình kỹ thuật trồng trọt, chăm sóc tiến hành chủ yếu theo kinh nghiệm mà ông cha ta để lại hay theo cách chủ quan, không đảm bảo u cầu Trong nơng nghiệp, ngồi kỹ thuật trồng trọt việc đảm bảo độ ẩm cho đất khâu tối quan trọng, giúp sinh trương phát triển khỏe mạnh Tưới tưới đủ nước giúp phát triển tốt, chống chịu phần sâu bệnh phá hoại, từ hạn chế lượng thuốc trừ sâu, cho sản phẩm từ trồng đáp ứng tốt an toàn vệ sinh thực phẩm kèm theo suất hiệu cao Cũng tầm quan trọng độ ẩm đất sinh trưởng phát triển cây, tưới nước lúc lượng tiêu chí quan trọng Chính hệ thống nhận biết kiểm sốt máy móc, công nghệ đem lại hiệu tốt Nhằm giải vấn đề đó, dựa vào kiến thức học, nhóm em định xây dựng "Hệ thống giám sát cảnh báo độ ẩm đất" Hệ thống theo dõi độ ẩm đất dựa cảm biến,tưới nước tự động kết hợp theo dõi từ xa thơng qua điện thoại Ngồi tăng xác, Hệ thống tưới nước tự động kết hợp theo dõi từ xa cịn tiết kiệm sức lao động chi phí nhân cơng Mong ý tưởng nhóm ứng dụng vào thực tế hỗ trợ vào nông nghiệp nước nhà 1.2 Các giải pháp hạn chế + Tổng quan công nghệ xây dựng cho hệ thống Hệ thống sử dụng Esp8266 NodeMCU phát triển dựa chip wifi Esp8266 bên module esp-12e để kết nối với wifi Board tích hợp IC CP2102 giúp kết nối với máy tính thơng qua cổng USB Để đo độ ẩm đất, hệ thống sử dụng cảm biến độ ẩm với điện áp 3.3 – 12VDC Tín hiệu đầu Analog theo điện áp cấp nguồn tương ứng Digital (High Low) điều chỉnh độ ẩm mong muốn biến trở thơng qua mạch so sánh tích hợp Để xây dựng logic cho hệ thống hoạt động, nhóm sử dụng arduino IDE để giúp   CHƯƠNG GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI cho việc giao tiếp với esp8266 trở nên đơn giản Để giao tiếp, điều khiển từ xa điện thoại, hệ thống sử dụng Blynk Server: nhận thông tin gửi/nhận yêu cầu từ điện thoại gửi yêu cầu thực thi lại cho NodeMCU Blynk cung cấp API giao diện người dùng tương tự cho tất thiết bị phần cứng hỗ trợ + Hạn chế Hệthóngmớichỉđượcxâydựngởmứcmơhìnhđểkiểmthửcáchthứchoạtđộng 1.3 Mục tiêu định hướng giải pháp Bài tập lớn hướng đến việc xây dụng mơ hình cảnh báo độ ẩm đất kết hợp với hệ thống tưới nước Hệ thống bao gồm hoạt động như: Cung cấp cho người dùng thông tin độ ẩm đất( cần cảm biến để đo độ ẩm đất, nhận liệu từ cảm biến độ ẩm thông qua esp8266 hiển thị cho người dùng ứng dụng điện thoại) Bật tắt hệ thống tưới nước thông qua điện thoại( Ứng dụng điện thoại có nút cho phép bật tắt hệ thống tưới nước theo yêu cầu người quản lý, để bật tắt hệ thơng tưới nước cần có relay cho phép điều khiển trình hoạt động máy bơm, relay cần liên kết với Esp8266) Hiển thị thông báo hoạt động máy bơm(nếu relay trạng thái tắt hiển thị lên giao diện người dùng trạng thái OFF, ngược lại hiển thị trạng thai ON) Cho phép đặt ngưỡng độ ẩm cho việc tưới nước tự động( bao gồm đặt ngưỡng độ ẩm thấp nhất, ngưỡng độ ẩm cao nhất) Thơng báo tình trạng độ ẩm đất: Trên ứng dụng có màu cảnh báo đỏ, xanh, vàng tượng trưng cho đèn LED màu hệ thống - Nếu độ ẩm đất nhỏ ngưỡng độ ẩm thấp nhất,trên ứng dụng di động gửi cảnh báo độ ẩm thấp, đồng thời bật màu cảnh báo đỏ,cùng với hệ thống đèn LED đỏ sáng lên - Nếu độ ẩm đất cao ngưỡng độ ẩm cao nhất, ứng dụng di động gửi cảnh báo độ ẩm cao, đồng thời bật màu cảnh báo vàng,cùng với hệ thống đèn LED vàng sáng lên - Nếu độ ẩm đất nằm ngưỡng độ ẩm thấp độ ẩm cao nhất, ứng dụng di động gửi thông báo độ ẩm bình thường, đồng thời bật màu thơng báo xanh,cùng với hệ thống đèn LED xanh sáng lên Hệ thống tự động tưới nước(Khi ngưỡng độ ẩm đất nhận từ cảm biến nhỏ ngưỡng độ ẩm thấp người quản lý đặt, hệ thống bật máy bơm cách khởi động relay Hệ thống tiếp tục bơm, đồng thời cập nhật độ ẩm đất   CHƯƠNG GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI hiển thị đèn LED- hệ thống, màu sắc - ứng dụng, độ ẩm đạt đến ngưỡng độ ẩm bình thường dừng máy bơm lại) Đặt lịch cho hệ thống tự động tưới theo khoảng thời gian, sau khoảng thời gian cài đặt tự động bật tưới 10 phút(mặc định) Để hệ thống hoạt động theo lịch trình, cần bật chức schedule ứng dụng 1.4 Đóng góp tập lớn Bài tập lớn có đóng góp sau: Đưa thơng tin tìm hiểu số công nghệ phần cứng: Esp8266, Blynk, arduino Khảo sát, tìm hiểu, phân tích cơng nghệ xây dựng hệ thống giám sát cảnh báo độ ẩm đất Đưa phương pháp thực hiện, bước tiến hành cài đặt hệ thống 1.5 Bố cục tập lớn Bố cục báo cáo tập lớn nhóm: Trước bắt tay vào xây dựng hệ thống, cần biết cần làm hệ thống, từ xây dựng hệ thống theo u cầu đặt Chính chương 2, trình bày yêu cầu hệ thống, tìm hiểu thành phần phần cứng, phần mềm Phần yêu cầu hệ thống nêu tất chức có hệ thống Hệ thống sử dụng board mạch điều khiển NodeMCU phát triển dựa Chip WiFi ESP8266 bên Module ESP-12E dễ dàng kết nối WiFi với vài thao tác Board cịn tích hợp IC CP2102 Phần mềm sử dụng Blynk app cho phép điều khiển phần cứng từ xa, hiển thị liệu cảm biến, lưu trữ liệu, ảo hóa làm nhiều thứ khác Trong phần cuối chương phương pháp thực phát triển hệ thống gồm bước bản: phần cứng, yêu cầu thị trường, mẫu mô tả hệ thống, cấu trúc, phân tích đánh giá kiến trúc, viết tài liệu Chương phân tích chi tiết nội dung nguyên lý hoạt động hệ thống, phần cứng, phần mềm sửa dụng hệ thống đề bước phát triển Từ dễ dàng triển khai thiết kế hệ thống Phần trình bày chương - Chương Trong chương trình bày chi tiết hệ thống đề phương pháp thực Chương 3, tiến hành thiết kế hệ thống Trước thiết kế hệ thống cần lập bảng liệu chức Blynk App NodeMCU.Sau thiết kế sơ đồ mạch điện trình bày lưu đồ thuật tốn Tiếp theo thiết kế ứng dụng điện thoại thông minh, cuối viết code cho chương trình điều khiển Chương nêu rõ bước   CHƯƠNG NỘI DUNG ĐỀ TÀI Bao gồm: thông tin tương tự (analog), thơng tin số hóa giải số hóa vi mạch chức (ADC/DAC) Sau truyền thông liệu nối tiếp tốc độ chậm, tốc độ cao, đồng hay dị có hay khơng có giao thức điều khiển (UART, chip truyền thơng có cấy giao thức), khoản cách xa hay gần cần có lựa chọn thích hợp Khi ghép vào hệ thống để trao đổi liệu (IN/OUT data) sử dụng kỉ thuật ghép nối ghép song song, ghép nối tiếp, qua cổng hay DMA, cần cân nhắc cụ thể cho loại thiết bị cách thức quản lí thiết bị bao gồm lựa chọn : CPU chủ động (điều khiển có điều kiện-đối thoại, khơng điều kiện) Thiết bị chủ động (ngắt, DMA) Sự lựa chọ phương pháp cho hiệu khác nhau, ảnh hưởng lớn tới hiệu hệ thống, đặc biệt với xử lí thời gian thực - Phát triển phần mềm cho HTN: Coding cho phần cứng xây dựng (mua bo mạch có sẳn) dễ dàng cho thiết kế độc lập, tự làm Ngày theo cách sử dụng nhiều phần mềm mở (bao gồm mã nguồn dạng C, thư viện công cụ phát triển), tải xuống, gỡ rối (debugging code), sửa đổi cho phù hợp, biên dịch nạp vào HTN - Gở rối mô phỏng: Gồm hoạt động như: Mô mức thấp, Gỡ rối bo mạch, Gỡ rối mức tác vụ (task debug), Gỡ rối kí hiệu (symbolic debug),Tối ưu code, Xray, Hệ phát triển-HPT (development system), Kỉ thuật mô (Emulation),Hệ phát triển-HPT (development system) - Phát triển Hệ thống nhúng 12   CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.1 Lập bảng liệu Lập bảng liệu chức sử dụng hệ thống Virtual Pin V1 Widget V2 Button V3 Slider V4 Slider V6 LCD V7 Button V9 Button V10, V11, V12 Led Gauge Chức Chân kết nối Hiển thị độ ẩm đo từ A0 nối với cảm biến độ ẩm đo nhiệt độ đất Điều chỉnh chế độ tự động D5 nối với Led D6 nối với Led D7 nối với Led Điều chỉnh giá trị ngưỡng độ ẩm Điều chỉnh giá trị ngưỡng độ ẩm Hiển thị trạng thái hệ thống (trạng thái độ ẩm trạng thái hoạt động) Điều chỉnh chế độ tưới theo lịch đặt trước Bật tắt hệ thống thủ công D2 kết nối với Relay qua Blynk Led hiển thị ba chế độ hệ thống 3.2 Xây dựng server Blynk Các bước xây dựng server Blynk để điều khiển hệ thống: B1: Tạo tài khoản BlynkBlynk B2: Tạo Template Humidity với phần cứng ESP8266 có kết nối Wifi B3: Tạo DataStream 13   CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG Hình 3.1: Thơng tin Server Hình 3.2: Virtual Pin DataStream Cảm biến B4: Tạo Web Dashboard 3.3 Giao diện hệ thống Giao diện hệ thống Blynk Server App điện thoại bố trí sau: 14   CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG Hình 3.3: Virtual Pin DataStream Chế độ tự động Hình 3.4: Virtual Pin DataStream Ngưỡng độ ẩm 3.4 Mơ hình mạch mạch điện thực tế 3.5 Nạp mã nguồn cho arduino esp8266 Để kết nối đến Blynk server cần ba thông số phần thông tin tạo template: BLYNK TEMPLATE ID, BLYNK DEVICE NAME, BLYNK AUTH TOKEN 15   CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG Hình 3.5: Virtual Pin DataStream Ngưỡng độ ẩm Hình 3.6: Virtual Pin DataStream trạng thái 16   CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG Hình 3.7: Virtual Pin DataStream chế độ đặt lịch Hình 3.8: Virtual Pin DataStream Relay 17   CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG Hình 3.9: Virtual Pin DataStream Led1 Hình 3.10: Virtual Pin DataStream Led2 18   CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG Hình 3.11: Hình 1.Giao diện hệ thống Blynk Server Hình 3.12: Hình 1.Giao diện hệ thống Blynk App 19   CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG Hình 3.13: Hình 1.Mơ hình mạch Hình 3.14: Hình 1.Mạch điện thực tế 20   CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG Hình 3.15: Định nghĩa kết nối đến Blynk Server Hình 3.16: Cấu hình mạng Khai báo thư viện ESP8266Wifi, BlynkSimpleEsp8266 cấu hình mạng cho mạch kết nối gồm tên mật wifi Hình 3.17: Khai báo biến Khai báo biến sử dụng mạch gồm đèn, cổng giá trị trung gian sử dụng Khai báo biến, thiết đặt thông số Đoạn mã chạy lần sau cấp nguồn cho arduino tới reset hệ thống Ánh xạ lấy giá trị lựa chọn từ Blynk Server lựa chọn chế độ Nếu độ ẩm lớn ngưỡng trên, thực bật led thứ thông báo độ ẩm cao bảng thông báo, tắt Relay 21   CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG Hình 3.18: Khai báo mã nguồn Hình 3.19: Ánh xạ giá trị biến Hình 3.20: Đoạn mã xử lý độ ẩm ngưỡng 22   CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG Hình 3.21: Đoạn mã xử lý độ ẩm ngưỡng Nếu độ ẩm nhỏ ngưỡng thực bật đèn thứ nhất, bật Relay tưới nước thông báo "Độ ẩm thấp" nằm khoảng ngưỡng ngưỡng bật đèn thứ 2, tắt Relay tưới nước thơng báo độ ẩm bình thường Hình 3.22: mã nguồn bật tắt Relay Bật tắt Relay tưới nước dựa vào giá trị thu 23   CHƯƠNG KẾT LUẬN 4.1 Kết luận Các vấn đề mà tập lớn giải Sau trình tìm hiểu, tham khảo từ nhiều nguồn tài liệu khác nhau, kiến thức thu lớp từ mơn học, tập lớn nhóm em đáp ứng mục tiêu để đề tài: “Hệ thống giám sát cảnh báo độ ẩm đất” Các mục tiêu đạt được: - Mạch có cấu tạo hoạt động đơn giản khơng phức tạp - Mạch dễ lắp ráp, người khơng có nhiều kinh nghiệm với mạch điện tử - Mạch có giá thành rẻ, dễ dàng mua bên ngồi thị trường - Có chế thay đổi độ ẩm đất( đặt giới hạn độ ẩm đất cao nhất, thấp linh hoạt loại trồng khác nhau) - Có chế tưới nước tự động, khơng cần có can thiệp người, giúp giảm chi phí đáng kể nhân cơng - Thơng báo cho người dùng tình trạng độ ẩm đất - Ngồi ra, cịn tưới nước theo lịch trình định sẵn, tưới nước thủ cơng theo u cầu người dùng - Nếu người quản lý đâu xa, kiểm sốt, nắm bắt thơng tin khu đất trồng - Mạch Có thể mở rộng phát triển dễ dàng Những vấn đề tồn đọng Bên cạnh ưu điểm đạt hệ thống có nhiều vấn đề cần cải thiện: - Hệ thống dùng lại mức mơ hình cách thức hoạt động, nhiều bước phát triển để đưa đến tay người dùng - Hiện mơ hình hệ thống chưa có máy bơm, thay vật liệu, dụng cụ khác - Hệ thống kiểm soát cảm biến độ ẩm, nên đáp ứng khu vực đất nhỏ 4.2 Hướng phát triển tương lai Hiện tại, tập lớn xây dựng, mô hệ thống tưới nước bản, cảm biến độ ẩm đất theo dõi, điều khiển từ xa Trong tương lai, nhóm muốn mở rộng mơ hình, xây dựng với nhiều cảm biến độ ẩm, giúp kiểm soát vùng rộng lớn hơn, đáp ứng nông trại quy mô vừa nhỏ Ngồi ra, mở rộng hơn, ngồi việc quản lý độ ẩm đất có thể  24   CHƯƠNG KẾT LUẬN phát triển lên thành hệ thống vườn thông minh, phù hợp với nhu cầu xã hội 25   PHỤ LỤC 26