THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CNKT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG Tp Hồ Chí Minh, tháng 8/2017 GVHD ThS NGUYỄN THANH GIÀU SVTH LÊ NGỌC NGÂN[.]
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 TRUYỀN THÔNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TRONG HỆ THỐNG IOT NÔNG NGHIỆP GVHD: ThS NGUYỄN THANH GIÀU SVTH : LÊ NGỌC NGÂN HÀ HỒNG HỮU HÙNG SKL009989 Tp Hồ Chí Minh, tháng 8/2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TRONG HỆ THỐNG IOT NÔNG NGHIỆP Sinh viên thực hiện: Lê Ngọc Ngân Hà Hoàng Hữu Hùng Hướng dẫn: ThS Nguyễn Thanh Giàu TP HCM, Tháng 08 Năm 2017 MỤC LỤC MỤC LỤC Danh mục hình ảnh Mở đầu Tổng quan tình hình nghiên cứu Tính cấp thiết Mục tiêu 4 Cách tiếp cận Phương pháp nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Chương Cơ sở lý thuyết 1.1 Sơ lược chuẩn giao tiếp UART 1.2 Sơ lược phương thức M2M 1.3 Sơ lược giao thức MQTT 1.4 Sơ lược chuẩn giao tiếp I2C 1.5 Sơ lược giao thức truyền liệu Bluetooth 1.6 Sơ lược mơ hình OSI 1.7 Giới thiệu phần cứng 1.8 Giới thiệu điều kiện ngoại cảnh thích hợp q trình canh tác nông nghiệp 10 Chương Tính tốn thiết kế 11 2.1 Kiến trúc hệ thống 11 2.2 Sơ đồ khối hệ thống 13 2.3 Tính tốn thiết kế mạch 14 Chương 3: Thi công hệ thống 16 3.1 Thi công board mạch 16 3.2 Lưu đồ giải thuật 17 Trang – 3.3 Chương 4: Giới thiệu phần mềm lập trình 19 Kết - Nhận xét – Đánh giá 20 4.1 Kết đạt 20 4.2 Nhận xét – Đánh giá 22 Chương 5: Kết luận – Hướng phát triển 23 5.1 Kết luận 23 5.2 Hướng phát triển 23 Tài liệu tham khảo 24 Trang – Danh mục hình ảnh Hình Mơ hình OSI hệ thống 11 Hình Quy trình truyền liệu cảm biến lên web 12 Hình Quy trình truyền liệu từ web đến thiết bị ngoại vi 12 Hình Mơ hình hoạt động hệ thống 12 Hình Tầng vật lý khu vực 13 Hình Mơ hình hoạt động hệ thống sử dụng WiFi 13 Hình Mơ hình hoạt động hệ thống sử dụng Bluetooth 13 Hình Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển cách ly 14 Hình Quan hệ yếu tố nhiệt độ hệ số phụ thuộc 14 Hình 10 Board mạch điều khiển khu vực hộp điều khiển 16 Hình 11 Board mạch điều khiển khu vực hộp điều khiển 16 Hình 12 Board mạch điều khiển thiết bị ngõ hộp điều khiển 17 Hình 13 Bộ điều khiển hệ thống 17 Hình 14 Mặt trước mơ hình 20 Hình 15 Bộ điều khiển hệ thống 20 Hình 16 Giao diện điều khiển khu vực 21 Hình 17 Giao diện ứng dụng 21 Hình 18 Giao diện cài đặt thông số web 22 Hình 20 Thời gian đáp ứng tín hiệu điều khiển hệ thống 22 Trang – Mở đầu - Tổng quan tình hình nghiên cứu Cơng nghệ IoT đóng vai trị vơ quan trọng phát triển ngành công nghiệp ngành dịch vụ; song ngành nơng nghiệp cịn dè chừng chưa áp dụng cơng nghệ vào q trình canh tác cách phổ biến - Điều kiện môi trường yếu tố định đến trình canh tác nơng nghiệp - Tự động hố q trình canh tác nhằm đáp ứng nhu cầu thị trường nước ngồi nước - Tính cấp thiết Thời tiết ln tục thay đổi, khí hậu khắc nghiệt ảnh hưởng đến suất - nuôi trồng canh tác nơng nghiệp Q trình canh tác cịn phụ thuộc vào người, không đáp ứng nhu cầu người tiêu dùng nước không đủ điều kiện chất lượng sản phẩm để xuất nước - Nơng sản nước ngồi tràn ngập thị trường nước với giá thấp so với mặt hàng nước; mà hàm lượng dinh dưỡng mặt hàng giá rẻ khơng đảm bảo Mục tiêu Mục tiêu đề tài xây dựng hệ thống IoT nơng nghiệp có khả giám sát nhiệt độ, độ ẩm (thông qua cảm biến), ổn định điều kiện môi trường (thông qua bơm nước, quạt lò sưởi) Hệ thống cho phép thực thao tác giám sát – điều khiển trang web thông qua WiFi ứng dụng Android - Cách tiếp cận Tìm hiểu trình canh tác thực tế - Tìm hiểu q trình truyền – nhận thơng tin theo chuẩn truyền khơng dây Khảo sát loại cảm biến - Tìm hiểu loại vi điều khiển Trang – - Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu sử dụng loại cảm biến Nghiên cứu khả giao tiếp vi điều khiển với loại cảm - biến Nghiên cứu q trình truyền – nhận thơng tin theo chuẩn truyền không dây - Thực xây dựng hệ thống truyền – nhận liệu từ cảm biến đến thiết bị ngoại vi có cơng suất lớn - Nghiên cứu, xây dựng trang web ứng dụng cho hệ thống Khảo sát tìm hiểu mơ hình canh tác nơng nghiệp tỉnh - Lâm Đồng Thiết kế mơ hình canh tác ứng dụng hệ thống điều khiển giám sát với điều kiện canh tác tương tự thực tế - Đối tượng phạm vi nghiên cứu Các loại nông sản tỉnh Lâm Đồng như: rau xà lách, rau bó xôi rau cải bắp - Giám sát thông số môi trường nhiệt độ, độ ẩm, độ ẩm đất cường độ ánh sáng thông qua giao thức truyền không giây WiFi, - Bluetooth Điều khiển thiết bị có nhiệm vụ ổn định điều kiện canh tác bơm - nước, quạt, lò sưởi đèn chiếu sáng Hệ thống cho phép tương tác với người nuôi trồng thông qua website ứng dụng điện thoại - Nội dung nghiên cứu Giao tiếp Arduino với cảm biến, điều khiển thiết bị xoay chiều, hiển thị giá trị cảm biến trạng thái thiết bị xoay chiều lên - LCD 16x2 Thiết kế website dựa tảng Node JavaScript (Node.js), HTML để thực trình truyền – nhận liệu cho hệ thống thông qua module thu – phát WiFi Esp8266 Node MCU Trang – - Thiết kế ứng dụng chạy điện thoại có hệ điều hành Android Gửi giá trị cảm biến trạng thái ngõ lên ứng dụng thông qua module Bluetooth HC05 - Liên kết đồng hoá liệu ứng dụng website Thiết kế phần cài đặt loại trồng website Cập nhật thơng số - giới hạn để điều khiển hệ thống hai chế độ: tự động tay Thiết kế – thi công mạch điều khiển - Tìm hiểu trình canh tác loại rau củ tỉnh Lâm Đồng Thiết kế – thi cơng mơ hình trồng rau nơng nghiệp Trang – Chương Cơ sở lý thuyết Chương trình bày chuẩn giao tiếp sử dụng trình truyền – nhận liệu; giới thiệu phần cứng hệ thống điều khiển; giới thiệu điều kiện thích hợp để canh tác rau xà lách, rau bó xôi rau cải bắp tỉnh Lâm Đồng 1.1 Sơ lược chuẩn giao tiếp UART UART, (là chữ viết tắt từ cụm từ tiếng Anh “Universal Asynchronous Receiver Transmitter”), kiểu truyền nối tiếp không đồng [1] Trong đề tài này, chuẩn giao tiếp sử dụng q trình tuyền – nhận thơng tin hai board Arduino Mega2560 hai khu vực, board Arduino Mega2560 module Esp8266 Node MCU 1.2 Sơ lược phương thức M2M a Sơ lược phương thức M2M M2M (là chữ viết tắt từ cụm từ tiếng Anh “Machine to Machine”), phương thức giao tiếp máy với máy [2], kiện nhờ hệ thống mạng [3] Trong đề tài, nhóm áp dụng phương thức truyền vào trình giám sát điều khiển hai khu vực độc lập riêng biệt Mà phương thức truyền cụ thể sử dụng WiFi Bluetooth b Các thuật toán điều khiển M2M Sơ lược điều khiển mờ Bộ điều khiển dựa lý thuyết logic mờ gọi điều khiển mờ Khác với kỹ thuật điều khiển truyền thống, kỹ thuật điều khiển mờ thích hợp với đối tượng phức tạp, khó xác định xác, mà người vận hành điều khiển kinh nghiệm Sơ lược mạng Neural nhân tạo Mạng Neural nhân tạo, (Artificial Neural Networks: ANN), đời dựa mô hoạt động não người Kết hợp chặt chẽ với logic mờ, mạng Neural nhân tạo tạo nên cách mạng thực việc thơng minh hóa vạn hóa điều khiển kỹ thuật cao cho tương lai Trang – Phương pháp tốn học Trong đề tài nhóm sử dụng phương pháp toán học, phương pháp đơn giản, để thiết lập quy luật cho hệ thống Phương pháp kế thừa phép tốn trung bình cộng Với hai ngõ vào phụ thuộc vào hai yếu tố a b, tương ứng có hệ số phụ thuộc ngõ x, y, z ngõ O1, O2, O3; tổng x, y, z 1; công thức cụ thể sau: 𝑥 𝑂1 + 𝑦 𝑂2 + 𝑧 𝑂3 𝑂= 𝑥+𝑦+𝑧 1.3 Sơ lược giao thức MQTT MQTT, (là chữ viết tắt từ cụm từ tiếng Anh “Message Queuing Telemetry Transport”), giao thức truyền liệu nhiều thiết bị thông qua trạm trung gian (gọi Broker – application chạy máy tính server/Cloud) [4] Trong đề tài này, thiết bị đóng vai trị Client là: module Esp8266 Node MCU; thiết bị đóng vai trò Broker là: MQTT Cloud 1.4 Sơ lược chuẩn giao tiếp I2C I2C, (là chữ viết tắt từ cụm từ tiếng Anh “Inter-Integrated Circuit”), loại bus nối tiếp phát triển hãng sản xuất linh kiện điện tử Philips [5] Trong đề tài này, chuẩn giao tiếp I2C sử dụng để thực q trình truyền – nhận thơng tin board Arduino Mega2560 LCD 16x2 1.5 Sơ lược giao thức truyền liệu Bluetooth Bluetooth công nghệ không dây cho phép thiết bị điện – điện tử kết nối với với khoảng cách ngắn thuộc dải tần 2.40 – 2.48 GHz [6] Trong đề tài, sử dụng giao thức truyền liệu để thực q trình truyền – nhận thơng tin Arduino App Android, thông qua module thu, phát Bluetooth HC05 Trang – Chương Tính tốn thiết kế Chương này, trình bày kiến trúc hệ thống, sơ đồ khối cách tính tốn lựa chọn nguốn cung cấp cho hệ thống Đồng thời, chương đề cập đến việc áp dụng điều khiển mờ vào hệ thống 2.1 Kiến trúc hệ thống Mơ hình OSI hệ thống bao gồm tầng hình 1: Tầng vật lý (Physical Layer) Tầng liên kết liệu (Data-Link Layer) Tầng mạng (Network Layer) Hình Mơ hình OSI hệ thống Cảm biến thuộc tầng vật lý, có nhiệm vụ chuyển đổi thơng số mơi trường thành tín hiệu điện, chuyển lên tầng thứ hai Các thiết bị ngoại vi nhận tín hiệu điều khiển từ tầng thứ hai Ở tầng liên kết liệu – tầng thứ hai, vi điều khiển Atmega2560 đóng vai trị điều khiển trung tâm, nhận tín hiệu điện từ cảm biến truyền tín hiệu điện điều khiển thiết bị ngoại vi Thiết bị thực truyền – nhận tín hiệu từ tầng thứ hai thực truyền – nhận thông tin lên web thông qua WiFi module Esp8266 Node MCU Module Bluetooth HC05 thực truyền – nhận liệu từ tầng thứ hai, sau truyền lên ứng dụng điện thoại Quy trình truyền liệu cảm biến lên web hình trình ngược lại, liệu từ web đến thiết bị ngoại vi hình Trang – 11 Hình Quy trình truyền liệu cảm biến lên web Hình Quy trình truyền liệu từ web đến thiết bị ngoại vi Hình Mơ hình hoạt động hệ thống Hình trình bày khái quát giao thức mà hệ thống sử dụng để thực truyền – nhận thông tin từ tầng vật lý đến tầng mạng Phương thức truyền – nhận liệu Bluetooth sử dụng giải pháp giúp hệ thống tránh tình trạng gián đoạn xảy cố Internet Trang – 12 2.2 Sơ đồ khối hệ thống Hình Tầng vật lý khu vực Hình Mơ hình hoạt động hệ thống sử dụng WiFi Hình Mơ hình hoạt động hệ thống sử dụng Bluetooth Trang – 13 2.3 Tính tốn thiết kế mạch a Tính tốn điện áp dòng điện cho khối nguồn Tổng dòng điện sử dụng cho board mạch điều khiển khu vực 1: 1.4 A Tổng dòng điện sử dụng cho board mạch điều khiển khu vực 2: 1.36 A Vậy tổng dòng điện cần dùng là: 2.76 A Chọn dịng điện có giá trị A Chọn điện áp có giá trị V (dựa vào thông số kỹ thuật linh kiện trình bày chương 1) b Tính tốn điện áp dịng điện cho board mạch điều khiển thiết bị ngoại vi Đề tài thiết kế mạch điều khiển thiết bị ngõ – thiết bị ngoại vi có sử dụng Opto PC817 relay V, có sơ đồ nguyên lý hình bên Hình Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển cách ly c Áp dụng điều khiển mờ vào diều khiển cho hệ thống Dựa vào nhiệt độ môi trường a nhiệt độ vườn b, người thực đưa quy luật hình Hình Quan hệ yếu tố nhiệt độ hệ số phụ thuộc Trang – 14 Đề tài sử dụng phương pháp thay đổi tần số biến tần để thay đổi tốc độ động Bảng Quy định giá trị tần số điều khiển quạt Ví dụ: Khi nhiệt độ mơi trường bên ngồi a=270C, nhiệt độ vườn b=320C Theo hình 9, ta có hệ số phụ thuộc 270C 320C tương ứng (0;0.6;0.4) (0;0;1) Cần chọn giá trị hệ số phụ thuộc nhỏ (nhưng phải lơn 0) để đảm bảo hệ số lớn hệ thống hoạt động theo yêu cầu Suy ra, giá trị hệ số phụ thuộc chọn (0; 0.6;0.4), (vì 0