Đang tải... (xem toàn văn)
Trong khối vậy lý này ESP8266 sẽ có chức năng sau: Thực hiện việc đọc giá trị nhiệt độ độ ẩm từ DHT11. Hiển thị giá trị nhiệt độ, độ ẩm lên màn hình LCD. Đẩy các giá trị lên Database và thực hiện việc truyền nhận các Topic từ khối ứng dụng. Giao tiếp UART với Arduino. Truyền các chuỗi Json để Arduino điều khiển các thiết bị Arduino có các chức năng sau: Nhận các chuỗi Json từ ESP8266 Thông qua các chuỗi Json điều khiển bật tắt Relay để điều khiển hệ thống Sử dụng Button để bật tắt thiết bị điều khiển khi hệ thống ở chế độ thủ công
HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ I *** BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN: Đồ án Hệ thống nhúng Đề tài : Lò ấp trứng tự động, giám sát điều khiển từ Wed Học kỳ II - Năm học 2021 - 2022 Lò ấp trứng tự động GVHD: Nguyễn Ngọc Minh MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG I NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Ý tưởng điều kiện thực tế 1.2 Giới thiệu IoT 1.3 Mục tiêu đề tài CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỀ TÀI 2.1.Các linh kiện sử dụng chức 2.2 Các phần mềm thực 13 CHƯƠNG III THIẾT KẾ HỆ THỐNG 19 3.1 Sơ đồ khối mô tả hệ thống 19 3.2 Khối vật lý 20 3.3 Khối MQTT, khối MySQL, khối ứng dụng 20 CHƯƠNG IV THIẾT KẾ SẢN PHẨM 22 4.1 Kết nối ESP Module 23 4.2 Cơ sở liệu 27 4.3 Khối ứng dụng 28 CHƯƠNG V KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 33 5.1 Kết 33 5.2 Hướng phát triển 34 LỜI CẢM ƠN 37 Lò ấp trứng tự động GVHD: Nguyễn Ngọc Minh LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại phát triển nay, công cụ, máy móc dần đưa vào phục vụ cho sống người ngày nhiều phổ biến Đặc biệt Việt Nam bước vào cách mạng công nghiệp lần thứ tư, cách mạng sản xuất gắn với đột phá chưa có công nghệ, liên quan đến kết nối Internet, công nghệ cảm biến,… Là nước có truyền thống chăn nuôi nông nghiệp nên việc áp dụng công nghệ để làm hệ thống tự động phục vụ cho việc sản xuất dễ dàng quan tâm phát triển Từ cầu phát triển hệ thống tự động hóa, Việt Nam xuất nhiều hệ thống tự động hóa phục vụ cho việc sản xuất nơng nghiệp “Vườn tự động tưới tiêu, Hệ thống giám sát trình sinh trưởng cây,…” Trong báo cáo hơm nay, nhóm 16 chúng em muốn trình bày với cô hệ thống tự động hỗ trợ cho gia đình thực việc ấp trứng để nở giống gà Đề tài “Lò ấp trứng tự động, gám sát điều khiển từ Wed” bọn em giúp người chủ lò ấp gà theo dõi q trình ấp nở trứng để đảm bảo điều kiện nhiệt độ, độ ẩm đảo trứng Đề tài gồn chương: Chương 1: Nghiên cứu tổng quan Chương 2: Cơ sở lý thuyết đề tài Chương 3: Thiết kế sơ đồ hệ thống Chương 4: Thiết kế sản phẩm Trong q trình thực đề tài này, nhóm chúng em nhận quan tâm, giúp đỡ tận tình thầy Nguyễn Ngọc Minh thầy cô giáo khoa Kỹ thuật Điện tử I để chúng em hồn thành đề tài Tuy nhiên thời gian trình độ thân cịn hạn chế nên đề tài không tránh khỏi thiếu sót, mong góp ý từ thầy Nhóm em xin chân thành cảm ơn! Lò ấp trứng tự động GVHD: Nguyễn Ngọc Minh CHƯƠNG I NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN Chương trình bày tổng quan đề tài, bao gồm ba phần Phần thứ trình bày ý tưởng đề tài điều kiện thực tế Phần thứ hai trình bày khái niệm mơ hình Internet of Thing (IoT) giới thiệu hệ thống giám sát từ xa Phần thứ ba trình bày mục tiêu đề tài 1.1 Ý tưởng điều kiện thực tế Từ thực tế lò ấp trứng, lò ấp sử dụng thủ cơng việc giám sát điều khiện để ấp từ trứng gà Từ với phát triển điện tử kèm với cơng nghệ, nhóm chúng em đưa ý tưởng hệ thống giúp chủ lị ấp giám sát điều khiển lị ấp từ xa với độ xác cao Hệ thống “Lò ấp trứng tự động, giám sát điều khiển từ Wed” có chế độ tự động thủ cơng để tạo điều khiện sử dụng thuận lợi cho chủ lị Chế độ tự động hoạt động với quyền điều khiển vi điều khiển song song với người chủ lị điều khiển trực tiếp từ Wed, mạng để điều khiển Điều kiện cho việc ấp trứng phức tạp phải đảm bảo nhiệt độ cho trứng nhiệt độ tốt Nhiệt độ thấp lò 35 độ, nhiệt độ tối đa 38 độ mức trì tốt khoảng 37 độ đến 38 độ Nhiệt độ không nên 38 độ ảnh hưởng nhiều đến trứng nở Lò ấp cần có thời gian để đảo trứng để tránh tình trạng phơi trứng để lâu chỗ bị chết phơi Lị ấp khoảng ngày đem soi để lọc trứng Sau 11 ngày tiếp theo, trứng mang nở, lúc trứng khơng cần đảo trì mức nhiệt độ khác Nhiệt độ lúc nở khoảng từ 36 độ đến 37 độ Và sau ngày mang nở, trứng nở gà Từ điều kiện phải đảm bảo mức tốt nên việc giám sát thủ công vất vả, đặc biệt vào đêm mùa điển mùa hè thường nhiệt độ lên cao mùa đông nhiệt độ xuống nhanh Lò ấp trứng tự động GVHD: Nguyễn Ngọc Minh 1.2 Giới thiệu IoT Từ khái niệm IoT đời vào năm 1999, Internet of things (IoT) từ giấc mơ đơn mông lung tới thực hữu rõ ràng Ngun nhân việc sử dụng rộng rãi giao thức Internet (IP), phát triển phổ cập máy tính, phát triển khơng ngừng phân tích liệu Ngồi cịn số nhân tố khác tạo phát triển ngành Internet of Thing (IoT) hay cụ thể Mạng lưới vạn vật kết nối Internet Mạng lưới thiết bị kết nối Internet liên mạng, thiết bị kết nối với Việc kết nối thực qua Wifi, mạng viễn thông băng rộng (3G, 4G), Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại… Các thiết bị điện thoại thơng minh, máy pha cafe, máy giặt, tai nghe, bóng đèn nhiều thiết bị khác Cisco, nhà cung cấp giải pháp thiết bị mạng hàng đầu dự báo: Đến năm 2020, có khoảng 50 tỷ đồ vật kết nối vào Internet, chí số cịn gia tăng nhiều IoT mạng khổng lồ kết nối tất thứ, bao gồm người tồn mối quan hệ người người, người thiết bị, thiết bị thiết bị Hình 1.1: Internet of Things IoT mạng lưới mà đó, đồ vật, người cung cấp định danh riêng mình, tất có khả truyền tải, trao đổi thơng tin, liệu qua mạng mà không cần đến tương tác trực tiếp người với người hay người với máy tính Lị ấp trứng tự động GVHD: Nguyễn Ngọc Minh Ngồi IoT có nhiều ứng dụng sống xung quanh như: Nhà thơng minh (Smart Home): Hình 1.2: Smart Home Nông nghiệp thông minh (Smart Farm): Áp dụng hệ thống cảm biến tự động hóa q trình từ chuẩn bị, ni dưỡng đến phân phối Hình 1.3: Smart Farm 1.3 Mục tiêu đề tài - Thiết kế thành công hệ thống máy ấp trứng tự động cung cấp nhiệt độ ấp cần thiết, thừa nhiệt có quạt xả nhiệt tự động đảo trứng - Giám sát thông số nhiệt độ, thời gian đảo, báo hiệu thừa nhiệt Wed - Hệ thống hoạt động với mức ổn định cao mục tiêu - Đáp ứng đủ nhu cầu, điều kiện nhiệt độ, đảo việc ấp nở trứng Lò ấp trứng tự động GVHD: Nguyễn Ngọc Minh CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỀ TÀI Chương bắt đầu trình bày nội dung thiết bị phần mềm ngôn ngữ lập trình giúp chúng em tạo nên đồ án Html, Css, Bootstrap5, Nodejs, Arduino, Altium, MQTT Mysql Phần thứ tập trung trình bày tổng quan thiết bị sử dụng cho đồ án Cụ thể bao gồm vi điều khiển ESP8266, Arduino, cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11, hình LCD, Relay, động bước Phần thứ hai chương giới thiệu tổng qt ngơn ngữ lập trình hỗ trợ cho đồ án việc đọc giá trị nhiệt độ, độ ẩm gửi lên broker sau lưu vào database, lấy liệu từ database xử lí hiển thị lên web cho quan sát, sử dụng 2.1.Các linh kiện sử dụng chức ESP8266 ESP8266 hệ thống chip (SoC), cơng ty Espressif Trung Quốc sản xuất Nó bao gồm vi điều khiển Tensilica L106 32-bit (MCU) thu phát Wi-Fi Nó có 11 chân GPIO (Chân đầu vào / đầu đa dụng) đầu vào analog, có nghĩa bạn lập trình giống với Arduino vi điều khiển khác Bản thân chip ESP8266 có 17 chân GPIO, số chân (6-11) sử dụng để giao tiếp với chip nhớ flash bo mạch Ngồi có kết nối Wi-Fi, bạn sử dụng để kết nối với mạng Wi-Fi, kết nối Internet, lưu trữ máy chủ web với trang web thực, để điện thoại thông minh bạn kết nối với nó, Khả vơ tận! Khơng có lạ chip trở thành thiết bị IoT phổ biến có ESP8266 dùng để làm Lị ấp trứng tự động GVHD: Nguyễn Ngọc Minh ESP8266 dùng làm module Wifi bên ngoài, sử dụng firmware tập lệnh AT tiêu chuẩn cách kết nối với vi điều khiển sử dụng UART nối tiếp trực tiếp làm vi điều khiển hỗ trợ Wifi, cách lập trình chương trình sở sử dụng SDK cung cấp Các chân GPIO cho phép IO Analog Digital, cộng với PWM, SPI, I2C, v.v ESP8266 có nhiều ứng dụng nói đến IoT Đây số chức mà chip sử dụng Kết nối mạng: Ăng-ten Wi-Fi module cho phép thiết bị nhúng kết nối với định tuyến truyền liệu Xử lý liệu: Bao gồm xử lý đầu vào từ cảm biến analog kỹ thuật số để tính tốn phức tạp nhiều với RTOS SDK khơng phải hệ điều hành Kết nối P2P: Tạo giao tiếp trực tiếp ESP thiết bị khác kết nối IoT P2P Máy chủ Web: Truy cập trang viết HTML ngôn ngữ phát triển Relay Là công tắc điện từ vận hành dịng điện tương đối nhỏ bật tắt dòng điện lớn nhiều Trái tim relay nam châm điện (một cuộn dây trở thành nam châm tạm thời dịng điện chạy qua nó) Bạn nghĩ relay loại địn bẩy điện: Khi bật dịng điện nhỏ bật (“địn bẩy”) thiết bị khác sử dụng dòng điện lớn nhiều Động Servo SG90 Hiện nay, có nhiều loại động servo với tính điều khiển xác vị trí trục Việc điều khiển động servo giúp cho hệ thống vịng kín sử dụng phản hồi vị trí để điều khiển chuyển động vị trí cuối Động thường sử dụng truyền động có kích Lị ấp trứng tự động GVHD: Nguyễn Ngọc Minh thước nhỏ sử dụng để điều khiển phương tiện xe ô tô, thuyền, máy bay, Chúng sinh viên ngành kỹ thuật dùng để chế tạo robot, tạo phận cánh tay robot, chế tạo robot lấy cảm hứng sinh học hay robot có hình người, Động servo SG90 180 độ động DC có tốc độ phản ứng nhanh, bánh làm nhựa nên cần lưu ý nâng tải nặng làm hư bánh răng, động RC Servo 9G có tích hợp sẵn Driver điều khiển động bên nên dễ dàng điều khiển góc quay phương pháp điều độ rộng xung PWM Phương pháp điều khiển PWM: • • Độ rộng xung 0.5ms ~ 2.5ms tương ứng 0-180 độ Tần số 50Hz, chu kỳ 20ms DHT11 - DHT11 có cấu tạo chân hình Nó sử dụng giao tiếp số theo chuẩn dây - Thông số kỹ thuật: • Do độ ẩm: 20%-95% • Nhiệt độ: 0-50ºC • Sai số độ ẩm ±5% o Sai số nhiệt độ: ±2ºC Nguyên lý hoạt động: Lò ấp trứng tự động GVHD: Nguyễn Ngọc Minh - Sơ đồ kết nối vi xử lý: - Nguyên lý hoạt động: Để giao tiếp với DHT11 theo chuẩn chân vi xử lý thực theo bước: • Gửi tin hiệu muốn đo (Start) tới DHT11, sau DHT11 xác nhận lại • Khi giao tiếp với DHT11, Cảm biến gửi lại byte liệu nhiệt độ đo - Bước 1: gửi tín hiệu Start • MCU thiết lập chân DATA Output, kéo chân DATA xuống khoảng thời gian >18ms Trong Code để 25ms Khi DHT11 hiểu MCU muốn đo giá trị nhiệt độ độ ẩm • MCU đưa chân DATA lên 1, sau thiết lập lại chân đầu vào o Sau khoảng 20-40us, DHT11 kéo chân DATA xuống thấp Nếu >40us mà chân DATA ko kéo xuống thấp nghĩa ko giao tiếp với DHT11 • Chân DATA mức thấp 80us sau DHT11 kéo nên cao 80us Bằng việc giám sát chân DATA, MCU biết có giao tiếp với DHT11 ko Nếu tín hiệu đo DHT11 lên cao, hồn thiện q trình giao tiếp MCU với DHT - Bước 2: đọc giá trị DHT11 • DHT11 trả giá trị nhiệt độ độ ẩm dạng byte Trong đó: ❖ Byte 1: giá trị phần nguyên độ ẩm (RH%) ❖ Byte 2: giá trị phần thập phân độ ẩm (RH%) 10 Lò ấp trứng tự động GVHD: Nguyễn Ngọc Minh 4.1 Kết nối ESP Module - Khai báo thư viện sử dụng cho ESP8266, chân kết nối với mạng wifi - Hàm thực kết nối wifi khai báo chân 23 Lò ấp trứng tự động - GVHD: Nguyễn Ngọc Minh Hàm kết nối Wifi setup LCD 24 Lò ấp trứng tự động GVHD: Nguyễn Ngọc Minh - Hàm nhận liệu có Topic từ Wed gửi - Hàm kết nối lại kết nối với MQTT gửi Topic đăng ký để nhận liệu - Kiểm tra kết nối mạng 25 Lò ấp trứng tự động GVHD: Nguyễn Ngọc Minh - Đọc giá trị nhiệt độ, độ ẩm chuyển thành chuỗi Json hiển thị giá tị lên LCD - Gửi chuỗi Json thơng qua Topic HTN_16_LAT để gửi lên Database 26 Lị ấp trứng tự động GVHD: Nguyễn Ngọc Minh 4.2 Cơ sở liệu Tạo databases Mysql: CREATE DATABASE Tên_cơ_sở_dữ_liệu; Xóa databases Mysql: DROP DATABASE Tên_cơ_sở_dữ_liệu; Chọn database: USE Tên_cơ_sở_dữ_liệu; Tạo bảng để lưu liệu database mà muốn: CREATE TABLE Tên_bảng(Tên_cột_1 kiểu_dữ liệu, … ); CREATE TABLE sensor(id Int(3) primary key auto_increment,temp float(3),temp_set int (3),time_h int(3),time_p int(3), humi int(3), updtime time); Xóa bảng database mà bạn muốn xóa: DROP TABLE Tên_bảng; Xem cấu trúc bảng: DESC Tên_bảng; Xem liệu bảng: SELECT * FROM Tên_bảng; Thêm liệu vào bảng: INSERT INTO Tên_bảng(tên_cột_1, tên_cột_2) VALUES(dữ_liệu_cột_1, dữ_liệu_cột_2, ….); Xóa liệu bảng: DELETE FROM Tên_bảng WHERE mệnh_đề; Hình 4.2 Cơ sở liệu Database 27 Lò ấp trứng tự động GVHD: Nguyễn Ngọc Minh Dữ liệu gửi từ khối vật lí lên Mosquitto sử dụn giao thức MQTT để gửi gói tin, Mysql thực đọc gói tin Mosquitto thực trình lưu vào Database Mysql giúp lưu trữ liệu vào database quản lí cách dễ dàng, thuận tiện trình truy xuất Và database sơ đồ kết nối khối vật lý khối ứng dụng Hình 4.3 Sơ đồ thực lưu trữ Database 4.3 Khối ứng dụng Wed hiển thị trang wed nhóm em tạo ngơn ngữ HTML, CSS Bootrap5 gồm có phần chính: Phần hiển thị liệu nhiệt độ, độ ẩm, thời gian, cảnh báo thời gian đảo quy trình ấp Hình 4.4 Hiển thị liệu Phần điều khiển có nút điều chỉnh nút nhấn để người sử dụng tiện điều khiển từ Wed Ngồi cịn có thêm chỗ để cài đặt điều kiện nhiệt độ thời gian đảo máy ấp 28 Lị ấp trứng tự động GVHD: Nguyễn Ngọc Minh Hình 4.5 Bảng điều khiển Phần biểu đồ hiển thị lên thay đổi nhiệt độ, độ ẩm thay đổi theo thời gian để người sử dụng tiện theo dõi trình Dữ liệu cập nhập 2s lần Hình 4.6 Biểu đồ hiển thị Dưới trang Wed hồn chỉnh mà nhóm em thiết kế Đó Wed mà chúng em dựa vào kiến thứ nắm Thông qua trang Wed giúp cho người dùng dễ dàng sử dụng Hình 4.7 Wed hiển thị Sử dụng module mysql2 kết nối tởi MySQL database host máy tính cá nhân Tiến hành tạo table chưa có, lưu giá trị biến khai báo vào cột table Đồng thời Server lấy giá trị từ database đẩy lên webpage 29 Lò ấp trứng tự động GVHD: Nguyễn Ngọc Minh Tạo bảng để lưu liệu MySQL Khai báo tham số để kết nối tới MySQL Thông qua module socket.io, Server phát giá trị lấy từ database vào “topic”: Socket.emit(“tên_topic”, value); Webpage đóng vai trị máy khách, lắng nghe “tên_topic” : Socket.on(“tên_topic”, function(data)); dùng function(data) để truy xuất tới giá trị value “data.value”, sau thực chèn giá trị vào block html webpage 30 Lò ấp trứng tự động GVHD: Nguyễn Ngọc Minh Hàm Check để cập nhật liệu lên Wed từ MySQL Topic với khối vật lý Khai báo Topic để gửi tin khối vật lý Khai báo Socket Function kiểm tra nút chuyển chế độ tự động thủ cơng 31 Lị ấp trứng tự động GVHD: Nguyễn Ngọc Minh Cập nhập giá trị nhiệt độ, độ ẩm lên wed hàm cảnh báo nhiệt độ vượt ngưỡng Các hàm thực Event từ nút bấm Wed gửi Socket từ Wed khối vật lý Các Soket tới khối vật lý đóng gói với Topic khai báo 32 Lò ấp trứng tự động GVHD: Nguyễn Ngọc Minh CHƯƠNG V KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết Thiết kế thành công mạch hệ thống Hệ thống hoạt động ổn định đáp ứng nhu cầu điều kiện lò ấp Áp dụng kiến thức, ngơn ngữ lập trình học đề tài Sử dụng tốt giao thức MQTT, I2C, UART Tạo hệ thống IoT áp dụng vào sống Hình 5.1 Hình ảnh thực sản phẩm Hình 5.2 Mạch in 33 Lị ấp trứng tự động GVHD: Nguyễn Ngọc Minh 5.2 Hướng phát triển Do thời gian nghiên cứu kinh nghiệm thiết kế hệ thống, kinh nghiệm làm việc với ngôn ngữ lập trình cịn hạn chế, đề tài thiết kế dạng nhỏ, số lượng sản phẩm chưa lớn Hướng phát triển là: - Sử dụng thêm vi điều khiển để điều chỉnh chia khối chế độ tự động thủ cơng Hình 5.3 Sơ đồ khối vật lý phát triển - Khối Arduino + Khai báo thư viện khai báo chân sử dụng cho Nút bấm, Motor đẩo chế độ cho Relay 34 Lò ấp trứng tự động GVHD: Nguyễn Ngọc Minh + Chọn chế độ đầu cho chân Relay tốc độ motor + Check Button để kiểm tra chế độ 0,1 nút bấm đảm bảo cho việc thực phiên biến đổi chế độ bật tắt ấn + Sử dụng Switch case để cài đặt trạng thái riêng cho nút bấm 35 Lò ấp trứng tự động GVHD: Nguyễn Ngọc Minh - Tối ưu tốt phần cứng, thiết kế mạch hoàn chỉnh - Ứng dụng thêm kiến thứ AI để tối ưu việc nhận dạng trứng sau ấp để kiểm tra trứng có đủ điều kiện để ấp tiếp hay không - Phát triển ứng dụng Wed không máy tính mà cịn ứng dụng thêm thiết bị thông minh điện thoại để q trình giao tiếp đơn giản hóa 36 Lò ấp trứng tự động GVHD: Nguyễn Ngọc Minh LỜI CẢM ƠN Một lần nữa, chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Ngọc Minh – giảng viên khoa Kỹ thuật điện tử I, tạo điều kiện tốt cho chúng em hồn thành đề tài Với hướng dẫn yêu cầu giúp cho đề tài bọn em hồn thành tiến độ, mở rộng thêm phần cứng lẫn hướng phát triển để tạo nên hệ thống IoT hoàn chỉnh Tuy nhiên trình nghiên cứu thực đề tài , kiến thức chuyên ngành hạn chế, chúng em cịn thiếu sót q trình tìm hiểu , đánh giá trình bày đề tài Rất mong quan góp ý để đề tài chúng em hoàn chỉnh Chúng em xin chân thành cảm ơn ! 37