Thiết kế hệ thống chăm sóc vườn cây dùng công nghệ iot

GIỚI THIỆU

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Dân số thế giới dự kiến sẽ đạt 9,8 tỷ người vào năm 2050, tăng 25% so với hiện tại, với gần 70% dân số sẽ sống ở các khu đô thị Để đáp ứng nhu cầu này, năng suất nông nghiệp cần phải tăng gấp đôi, đồng thời sản xuất nông nghiệp cũng trở nên vô cùng quan trọng không chỉ cho lương thực mà còn cho các cây trồng lâu năm như bông và cao su, góp phần vào sự phát triển kinh tế của nhiều quốc gia Những nhu cầu ngày càng cao này đang tạo thêm áp lực lên nền nông nghiệp vốn đã bị hạn chế.

Internet of Things (IoT) đang ngày càng trở nên quan trọng, giúp mọi thứ trở nên thông minh hơn và thay đổi cuộc sống con người IoT là một mạng lưới rộng lớn, kết nối mọi thiết bị có địa chỉ IP như điện thoại di động, đèn chiếu sáng, đồng hồ, máy móc sản xuất, ô tô và nhiều thiết bị khác, nhằm giảm thiểu sự tương tác của con người Tuy nhiên, bên cạnh những lợi ích to lớn, IoT cũng đối mặt với ba vấn đề chính: vi phạm quyền riêng tư, sự phụ thuộc quá mức vào công nghệ, và nguy cơ mất việc làm.

Cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đã mang đến giải pháp mới cho nông nghiệp thông qua việc phát triển nhà kính sử dụng IoT, cải thiện năng suất và giảm lãng phí Đề tài này không chỉ phục hồi phương thức canh tác truyền thống mà còn hỗ trợ các khu vườn gia đình đô thị Sản phẩm giúp nông dân thu thập dữ liệu thời gian thực từ vườn, giám sát cảm biến và kiểm soát bộ điều khiển, từ đó đóng vai trò quan trọng trong phát triển nông nghiệp và cho phép phân tích dữ liệu từ cảm biến đất để giám sát chính xác hơn.

Công nghệ IoT trong nông nghiệp mặc dù mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng tồn tại một số nhược điểm Một trong những vấn đề chính là sự phụ thuộc vào cường độ tín hiệu wifi; nếu một hệ thống trong vườn cây mất kết nối, toàn bộ chuỗi dữ liệu sẽ không được cập nhật Hơn nữa, nhu cầu về không gian riêng tư cũng khiến việc duy trì liên lạc với gia đình và bạn bè trở nên khó khăn Cuối cùng, rủi ro về việc dữ liệu cá nhân bị lạm dụng là một nhược điểm đáng lưu ý khác của IoT.

Người nông dân có thể theo dõi và chăm sóc một số lượng hạn chế cây trồng thông qua "Hệ thống vườn khép kín" Hệ thống này kế thừa từ các nền tảng giám sát trước đó, cho phép hiển thị các thông số của khu vườn và điều khiển tưới nước thông qua điện thoại thông minh trong phạm vi gần.

Nhóm chúng em đã cải thiện hệ thống tưới cây tự động, cho phép người dùng cài đặt lịch tưới theo khung thời gian cố định mà không cần kết nối internet Điều này giúp người dùng yên tâm hơn khi không có kết nối với khu vườn của mình Đề tài "Thiết kế hệ thống chăm sóc vườn cây dùng công nghệ IoT" mô tả một hệ thống vườn khép kín với cơ chế tưới tiêu dựa trên các thiết lập trên giao diện web.

MỤC TIÊU

Nghiên cứu, thiết kế và sản xuất "Thiết kế hệ thống chăm sóc vườn cây dùng công nghệ IoT" với các đặc điểm cơ bản sau đây:

 Nghiên cứu về cơ sở lý thuyết, thiết kế và xây dựng mô hình khu vườn khép kín.

 Nghiên cứu và phân tích tự động gieo hạt giống cây trồng.

Hệ thống tự gieo hạt và tưới nước được thiết kế cho từng địa điểm cụ thể, với khả năng lập trình trước, cùng với camera tích hợp cho phép giám sát khu vườn từ xa dễ dàng qua thiết bị điện thoại thông minh.

 Phát triển một hệ thống tự động để kiểm tra nhiệt độ, độ ẩm không khí và độ ẩm của đất.

 Nghiên cứu giao diện để theo dõi và kiểm soát các thiết bị trên điện thoại thông minh.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu đã tập trung vào việc lựa chọn hệ thống giám sát và kiểm soát vườn phù hợp, đồng thời đánh giá các yêu cầu thiết kế cho vườn tự động hiện nay Qua đó, chúng tôi đã học hỏi và phát triển thiết kế đúng mục đích sử dụng Kết quả mô phỏng đã được đánh giá và thực hiện mô hình thực tế, từ đó cải thiện kết quả thiết kế nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống.

HẠN CHẾ CỦA ĐỀ TÀI

Những hạn chế của đề tài này bao gồm:

Sử dụng ESP 32 làm bộ điều khiển và vi điều khiển trung tâm kết hợp với một máy ảnh đại diện để truyền tải ảnh không phải là giải pháp tối ưu, do tốc độ truyền và xử lý tín hiệu chậm, phụ thuộc vào băng thông mạng.

 Hệ thống được kiểm soát hoàn toàn thông qua ứng dụng.

 Hệ thống đáp ứng phụ thuộc vào cường độ tín hiệu Wi-Fi.

 Thiết kế mô hình của một thiết bị cho mục đích giáo dục.

NGHIÊN CỨU NỘI DUNG

Sản phẩm này cho phép người dùng điều khiển thiết bị qua mạng, phục vụ cho nhu cầu giám sát và kiểm soát vườn cây từ gia đình đến nông trại Việc sử dụng sản phẩm tiện lợi hơn so với các phương pháp truyền thống, giúp tự động gieo hạt, tưới nước và theo dõi các chỉ số môi trường chỉ bằng một chiếc điện thoại Người dùng có thể kiểm soát theo chế độ thủ công hoặc thiết lập các tham số môi trường để thiết bị tự động chăm sóc vườn Để thiết kế và xây dựng sản phẩm hiệu quả với chi phí tiết kiệm, đề tài đã nghiên cứu tài liệu liên quan đến lập trình điều khiển vi mô và áp dụng vào các chương trình viết bằng IDE Arduino, cùng với lý thuyết cơ bản về điện tử để thiết kế phần cứng.

BỐ CỤC ĐỀ TÀI

Bố cục của đề tài được sắp xếp thành 5 chương:

Chương 1 của bài viết bắt đầu bằng phần mở đầu, trong đó giới thiệu tổng quan về đề tài nghiên cứu, phương pháp luận áp dụng và nội dung chính của nghiên cứu Bài viết cũng cung cấp một số thông tin thực tiễn liên quan đến đề tài, đồng thời đưa ra cái nhìn sơ lược về nội dung Cuối cùng, chương này trình bày mục tiêu nghiên cứu và những hạn chế có thể gặp phải trong quá trình thực hiện.

 Chương 2: Tổng quan tài liệu, giới thiệu tình trạng nghiên cứu, hướng nghiên cứu, các ứng dụng đang được sử dụng.

Chương 3: Thiết kế hệ thống cung cấp một mô hình tổng thể về hệ thống, bao gồm các khối cấu thành, thiết kế và tính toán cho từng khối, cùng với các thiết bị được sử dụng trong các khối này.

 Chương 4: Kết quả đánh giá: trình bày kết quả xây dựng mô hình hệ thống

 Chương 5: Kết luận và khuyến nghị: rút ra kết luận, điểm mạnh và điểm yếu.Trình bày kế hoạch của đề tài trong thời gian tới.

NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

INTERNET OF THINGS (IoT)

Internet of Things (IoT) là một mạng lưới các thiết bị vật lý được kết nối và chia sẻ dữ liệu qua internet Ý tưởng này được Kevin Ashton từ Viện Công nghệ Massachusetts đề xuất vào năm 1999, định nghĩa IoT bao gồm nhiều thiết bị như máy tính, điện thoại di động, tủ lạnh, cửa ra vào và ô tô Các công nghệ liên quan như ‘Machine-to-Machine’, ‘web of Everything’ và hệ thống internet nhúng cũng đóng vai trò quan trọng trong IoT Để kết nối thông minh, các thiết bị vật lý cần được trang bị vi điều khiển và cảm biến, cho phép chúng gửi dữ liệu đến một máy chủ đám mây IoT, hoạt động như trung tâm trao đổi dữ liệu.

Internet of Things (IoT) là công nghệ kết nối mọi người với mọi thứ, cho phép giao tiếp và trao đổi dữ liệu theo thời gian thực IoT giúp ghi lại, phân tích và đánh giá dữ liệu quan trọng, hỗ trợ quá trình ra quyết định và đạt được các mục tiêu đề ra.

Hình 2.3: Các ứng dụng của Internet of Things [29].

Internet of Things (IoT) đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, như đo lượng ánh sáng mặt trời, nhiệt độ và độ ẩm cho nông nghiệp, cùng với khả năng điều khiển thiết bị gia dụng qua ứng dụng di động IoT cũng giám sát lượng nước và khí sinh học, kích hoạt hệ thống báo cháy trong trang trại, cung cấp cảnh báo lũ lụt và ghi lại dữ liệu quan trọng Sự tương thích ngày càng cao với điện thoại thông minh đã làm tăng tính phổ biến của IoT, với các ứng dụng như Blynk, NETPIE và Line Notify, giúp người dùng dễ dàng quản lý và giám sát các thiết bị thông minh.

GIAO THỨC GIAO TIẾP

UART là phương thức truyền dữ liệu nối tiếp không đồng bộ, nhằm chuyển đổi dữ liệu đến và đi thành luồng nhị phân nối tiếp Quá trình này bao gồm việc chuyển đổi dữ liệu nối tiếp 8 bit từ máy tính đầu cuối thành dữ liệu song song và ngược lại, chuyển đổi dữ liệu song song từ CPU Dữ liệu được điều chế và truyền đi với một tốc độ xác định.

UART bắt đầu giao tiếp với một bit bắt đầu có giá trị '0', đánh dấu sự khởi đầu của quá trình truyền dữ liệu nối tiếp Sau khi dữ liệu được truyền, một bit dừng sẽ kết thúc quá trình trao đổi Bên cạnh đó, UART cũng sử dụng một bit chẵn lẻ để kiểm tra tính toàn vẹn của dữ liệu, với bit chẵn lẻ được biểu thị bằng ‘0’ cho số chẵn và ‘1’ cho số lẻ.

Hình 2.4: Định dạng giao thức UART.

Một đường truyền duy nhất được sử dụng để truyền dữ liệu (TxD), trong đó '0' biểu thị khoảng trống và '1' biểu thị điều kiện ký hiệu LSB (bit ít có ý nghĩa nhất) thường được truyền trước, với máy phát cung cấp một bit tại một thời điểm Sau khi truyền một bit, bit tiếp theo được xác định trước, và mỗi bit sẽ được truyền với một độ trễ nhỏ Chẳng hạn, để gửi một byte dữ liệu với tốc độ 9600 baud, mỗi bit được gửi với độ trễ 108 micro giây.

Dòng RxD (bộ thu) được sử dụng để tiếp nhận dữ liệu, như thể hiện trong hình 2.6 Sau khi đọc dữ liệu trong khung, UART sẽ đếm số bit có giá trị 1 và xác định tổng số đó là chẵn hay lẻ Nếu bit chẵn lẻ là 0 (chẵn), tổng số bit 1 trong khung dữ liệu sẽ là số chẵn Ngược lại, nếu bit chẵn lẻ là 1 (lẻ), tổng số bit 1 sẽ là số lẻ.

Hình 2.6: Khung nhận dữ liệu.

Khi bit chẵn lẻ khớp với dữ liệu, UART tự động xác nhận rằng quá trình truyền dữ liệu diễn ra mà không có lỗi Ngược lại, nếu bit chẵn lẻ là 0 với tổng số lẻ, hoặc bit chẵn lẻ là 1 với tổng số chẵn, UART sẽ nhận diện rằng dữ liệu đã bị thay đổi.

Giao thức mạch tích hợp (I2C) cho phép nhiều mạch kỹ thuật số ngoại vi giao tiếp với ít nhất một chip điều khiển, sử dụng hai dây nối tiếp không đồng bộ I2C hỗ trợ lên đến 128 thiết bị và phù hợp với cấu hình đa bộ điều khiển, giúp nhiều bộ điều khiển có thể giao tiếp với bất kỳ thiết bị ngoại vi nào trong hệ thống.

Bus I2C được hình thành từ các tín hiệu SCL và SDA, trong đó SDA đại diện cho dữ liệu và SCL là tín hiệu đồng hồ Bộ điều khiển bus hiện tại phát tín hiệu đồng hồ liên tục, trong khi một số thiết bị ngoại vi có khả năng kéo xung nhịp xuống thấp để ngăn chặn bộ điều khiển gửi thêm dữ liệu.

Trình tự bắt đầu và dừng trong giao thức SDA và SCL là thời điểm quan trọng để dữ liệu được truyền tải Trong quá trình này, SDA sẽ chỉ dịch chuyển khi SCL ở mức cao, như minh họa trong hình 2.8 Đặc biệt, SDA cần giữ nguyên giá trị khi SCL cao để đảm bảo dữ liệu được truyền chính xác Trình tự bắt đầu và dừng xác định rõ ràng thời điểm bắt đầu và kết thúc quá trình giao tiếp với hệ thống phụ.

Hình 2.8: Điều kiện bắt đầu (trái) và dừng (phải).

Mỗi byte dữ liệu 8 bit cần 9 xung clock SCL để truyền, tương ứng với mỗi 8 bit được truyền Nếu thiết bị gửi lại một bit ACK thấp, điều đó có nghĩa là nó đã nhận dữ liệu và sẵn sàng tiếp nhận byte tiếp theo.

Hình 2.9: Bit truyền dữ liệu I2C.

Nếu thiết bị phản hồi với một bit mức cao, điều này có nghĩa là nó không thể tiếp nhận thêm dữ liệu Do đó, quá trình truyền sẽ dừng lại bằng cách gửi một chuỗi dừng.

Địa chỉ I2C thường là 7 bit, nhưng khi gửi địa chỉ 7 bit, master vẫn truyền 8 bit Bit bổ sung này cho phép slave biết liệu master đang ghi dữ liệu cho nó hay đọc từ nó Nếu bit này là 0, master đang gửi dữ liệu; nếu là 1, master đang đọc dữ liệu từ bộ phận phụ Địa chỉ 7 bit được đặt trong 7 bit trên của byte, trong khi bit đọc/ghi (R/W) nằm ở 7 bit dưới (bit quan trọng nhất).

Hình 2.11: Master gửi dữ liệu đến chuỗi bit phụ.

Bit R / W được đặt thành ‘Thấp’ nên máy chủ sẽ gửi dữ liệu đến bit phụ tại 0xC0, được minh họa trong hình 2.11 ở trên.

Hình 2.12: Master đọc dữ liệu từ chuỗi bit phụ.

Bit R / W được thiết lập ở mức ‘Cao’ để tổng thể đọc dữ liệu cho bit phụ ở 0xC1 như trong hình 2.12.

2.3.3 WIFI Được xác định bởi tổ chức công nghệ IEEE (Viện Kỹ sư Điện và Điện tử) Đó là một hệ thống đánh số được sử dụng để phân loại và thống nhất tiêu chuẩn chung cho nhiều giao thức kỹ thuật khác nhau Bốn chuẩn phổ biến của wifi ngày nay là 802.11a / b / g / n [10].

Hình 2.13 tổng hợp tất cả các tiêu chuẩn wifi từ năm 1999 đến 2019, bao gồm tên tiêu chuẩn, năm phát hành, tần suất, tốc độ và phạm vi sử dụng trong nhà cũng như ngoài trời cho từng loại wifi.

Hình 2.13: Tổng hợp các tiêu chuẩn wifi.

Được IEEE lần đầu tiên ra mắt vào năm 1997.

Băng thông hoạt động tối đa 2 Mbps.

Được sử dụng tần số vô tuyến 2,4 GHz.

Nhược điểm: băng thông quá ít dẫn đến việc khó truyền dữ liệu.

Phát hành vào tháng 7 năm 1999, từ chuẩn gốc 820.11 phát triển lên thành 802.11b.

Băng thông lên đến 11 Mbps và tương đương với ethernet truyền thống.

Sử dụng cùng tần số vô tuyến 2,4 GHz như 802.11.

Thích hợp cho mô hình mạng gia đình.

Giá cả hợp lý, tín hiệu tương đối tốt trong phạm vi cho phép.

Một nhược điểm của băng tần 2,4 GHz là lượng băng thông hạn chế, thường dẫn đến hiện tượng nhiễu do có nhiều thiết bị cùng sử dụng, như điện thoại không dây và lò vi sóng.

Ra mắt cùng thời điểm với 802.11b nhưng không được ưa chuộng, do giá thành đắt.

Các mô hình mạng của doanh nghiệp tương thích.

Băng thông tối đa 54 Mbps.

Ưu điểm: tốc độ truyền nhanh.

Nhược điểm: Phạm vi hoạt động hẹp, chi phí tương đối cao, dễ bị che khuất.

Cho ra mắt vào năm 2002-2003.

Băng thông là 54 Mbps, nên sử dụng tần số 2,4 GHz.

Ưu điểm: tốc độ truyền nhanh, tín hiệu tốt và phạm vi hoạt động lớn, ít bị che khuất.

Nhược điểm: giá thành đắt hơn so với 802.11b, các thiết bị chung tần số có thể bị nhiễu khi sử dụng chuẩn này.

Phát hành vào khoảng năm 2009, sử dụng tín hiệu không dây và ăng-ten (Công nghệ MIMO).

Hoạt động trên 2 tần số 2.4 GHz và 5 GHz.

Phù hợp với các thiết bị sử dụng chuẩn 802.11g

Ưu điểm: tốc độ truyền nhanh, dải tín hiệu tốt, chống nhiễu tốt đối với các thiết bị khác sử dụng cùng tần số.

Nhược điểm: chi phí sử dụng chuẩn này tương đối cao.

Hỗ trợ băng thông tối thiểu là 1 Gbps, là phần mở rộng của chuẩn 802.11n Tốc độ tối thiểu cho một liên kết số lẻ là 500 Mbps.

Nó hoạt động ở tần số 5 GHz.

802.11n công nghệ MIMO được sử dụng (lên đến 8 luồng dữ liệu) Nó cũng phù hợp với các kênh băng thông rộng RF (160 MHz, 80 Mhz).

Tần số 60 GHz thường bị oxy trong không khí hấp thụ, dẫn đến hiện tượng nhiễu sóng vô tuyến Do đó, nó chỉ phù hợp cho các kết nối mạng điểm - điểm và các ứng dụng sử dụng anten với khả năng định hướng sóng cao.

THIẾT KẾ HỆ THỐNG

THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

Khu vườn tự động mang lại lợi ích lớn cho nông dân, giúp họ giảm thiểu việc đến nhà kính thường xuyên Hệ thống cho phép nông dân từ xa trồng cây, tưới nước và giám sát chất lượng cây trồng thông qua đầu vòi sen tích hợp camera Ngoài ra, thông tin về tình trạng khu vườn được hiển thị rõ ràng trên màn hình, giúp người dùng nắm bắt tình hình một cách dễ dàng Thiết kế của dự án đã lựa chọn các tham số phù hợp để tối ưu hóa hiệu quả sử dụng.

3.1.1 Thiết kế sơ đồ khối của hệ thống.

Hệ thống này bao gồm các khối lắp ráp với nhau để tạo ra một hệ điều hành ổn định như hình 3.1:

Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống. Ý nghĩa của từng khối được hiển thị trên hình 3.1 như sau:

Khối nguồn(Power Supply): Khối này cấp điện cho tất cả các bộ phận, máy ảnh, cảm biến, ứng dụng, màn hình và các khối hoạt động.

Khối xử lý(CPU): Thu nhận dữ liệu sau đó xử lý, điều khiển các bộ phận hoạt độngvà hiển thị trên nền LCD và ứng dụng Blynk.

Khối xử lý hình ảnh(Server): Xử lý hình ảnh nhận được từ máy ảnh và được truyền tới khối ứng dụng.

Máy ảnh: Chụp ảnh môi trường xung quanh và gửi tín hiệu đến khối xử lý hình

Khối ứng dụng (App) kết nối khối xử lý và máy ảnh, giúp hiển thị và lưu trữ dữ liệu Ứng dụng Blynk cho phép người dùng giám sát và điều khiển khu vườn từ xa thông qua mạng wifi.

Khối hiển thị(Display): Để theo dõi các tham số của môi trường trên màn hình.

Khối cảm biến là thành phần quan trọng trong việc giám sát và kiểm soát khu vườn, vì nó chứa các cảm biến ghi lại các chỉ số môi trường Những chỉ số này giúp người dùng theo dõi tình trạng của khu vườn một cách hiệu quả.

Khối hoạt động (Actuator) nhận tín hiệu từ khối kiểm soát trung tâm để điều khiển tốc độ và hướng di chuyển của động cơ bước Nó cũng thực hiện việc kiểm tra trạng thái của các thiết bị như đèn, quạt và bơm nước.

3.1.2 Thiết kế mạch và tính toán. a Khối nguồn.

Bảng 3.1 tóm tắt các thiết bị sử dụng trong đề tài, bao gồm tên thiết bị, số lượng, điện áp hoạt động và dòng điện tiêu thụ Dựa trên thông tin này, hệ thống đề xuất sẽ tính toán năng lượng tiêu thụ và lựa chọn nguồn cung cấp lý tưởng cho mô hình.

Bảng 3.1: Các tham số và năng lượng của các thành phần.

Tên bộ phận Số lượng Điện áp hoạt động(V) Mức tiêu thụ

ESP32 CAM 1 5 96 Động cơ bơm 1 12 500

Mô-đun rơ-le 1 kênh 1 5 62

Công thức tính tiêu thụ điện năng:

Mức tiêu thụ điện năng của hệ thống bao gồm các bộ phận được liệt kê trong bảng 3.1 được tính như sau:

Để đảm bảo điều kiện nguồn điện, cần chọn khối nguồn sao cho Ipower ≥ Imax và Ppower ≥ Pmax Do đó, việc lựa chọn nguồn 220 AC chuyển đổi thành nguồn DC (12V - 5A) với công suất P = 60 W là đủ để cung cấp năng lượng cho tất cả các khối Nhóm đã quyết định sử dụng nguồn 12V - 5A nhằm đảm bảo tính liên tục cho khu vườn và giảm thiểu chi phí phát sinh từ việc sử dụng pin.

Nguồn cung cấp diện tổ ong 12V 5A, hay còn gọi là nguồn DC 12V, chuyển đổi điện từ 110/220AC thành 12V DC, giúp cung cấp năng lượng cho các thiết bị hoạt động hiệu quả Hình ảnh thực tế của nguồn này được thể hiện trong hình 3.2.

Hình 3.2: Nguồn điện tổ ong.

Nguồn cung cấp điện tổ ong có nhiều tính năng quan trọng như phân tán nhiệt, bảo vệ quá tải và ngắn mạch, cũng như bảo vệ điện áp Nó hoạt động hiệu quả cao và đảm bảo điện áp xuất ra luôn ổn định trong giới hạn công suất cho phép, không bị giảm điện áp khi có dòng điện tiêu thụ lớn.

LM2596 là bộ chuyển đổi DC giảm dần (buck converter) có khả năng cung cấp điện áp ngõ ra ổn định như 3.3V, 5V và 12V, với dung lượng và kiểm soát dòng lớn Mạch điện áp DC-DC Buck LM2596 3A có kích thước nhỏ gọn, có thể giảm điện áp từ 30VDC xuống 1.5VDC với hiệu suất cao (92%), rất phù hợp cho các thiết bị điện áp thấp và nguồn cung cấp điện như máy ảnh, robot, và nhiều ứng dụng khác.

Một số đặc trưng của LM2596:

1 Điều chỉnh điện áp ngõ ra bằng cách dùng đầu phẳng quay lại bộ chống điện biến.

2 Bộ chuyển đổi có thể cung cấp đến 3A dòng điện trực tiếp.

3 Tắt nhiệt và giới hạn dòng điện là hai phương pháp để bảo vệ mạch điện.

Hình 3.4: Sơ đồ của LM2596 Buck Converter [12].

LM2596 là một bộ điều chỉnh điện áp nổi bật với khả năng cung cấp dòng điện lên đến 3A Nó có nhiều phiên bản với điện áp đầu ra cố định như 3.3V, 5V và 12V, nhưng phiên bản phổ biến nhất là LM2596-ADJ với điện áp đầu ra có thể điều chỉnh Điện áp không điều chỉnh được kết nối với chân điện áp ngõ vào (Vin, chân 1) thông qua tụ điện để giảm tiếng ồn đầu vào, và chân 5 cần được nối đất để kích hoạt IC Nếu chân này được đặt ở mức cao, IC sẽ chuyển sang chế độ dừng, giúp ngăn chặn dòng điện rò rỉ và tiết kiệm năng lượng Chân phản hồi đóng vai trò quan trọng trong việc thiết lập điện áp đầu ra, nhận điện áp và điều chỉnh tần số chuyển mạch của công tắc nội bộ để đạt được điện áp đầu ra mong muốn, cuối cùng, điện áp đầu ra được lấy từ chân 2 thông qua bộ lọc LC.

 Tính toán điện áp đầu ra cho LM2596

Điện áp đầu ra của LM2596-ADJ có thể được điều chỉnh thông qua chân phản hồi, nơi nhận điện áp từ mạch chia điện áp R1 và R2 Sơ đồ mạch minh họa cách thức hoạt động của chân phản hồi trong việc kiểm soát điện áp.

Giá trị của R1 và R2 giúp xác định được điện áp đầu ra của IC Công thức tính toán R1 và R2 được trình bày dưới đây.

Giá trị của Vref có thể được coi là 1.23V, vì vậy công thức tính trở thành

R2 cần phải có một cái tua vít đầu phẳng để điều chỉnh.

Ví dụ, nếu đề tài cần có Vout = 5V Theo công thức (3.2) thì R2 là:

Vì vậy, cần phải quay trở lại điện trở biến đổi và đo điện áp đầu ra tương đương với 5V.

Mạch LM2596 có điện áp ngõ vào từ 3V đến 30V và điện áp ngõ ra có thể điều chỉnh thông qua bộ phản kháng R2, với công suất tối đa đạt 15W.

Bảng 3.2: Các thông số kỹ thuật của LM2596 Buck Converter.

Tên thành phần Mô tả Điện áp ngõ vào 3V tới 30V Điện áp ngõ ra Có thể điều chỉnh từ 1.5V tới 30V

Dòng điện phản ứng tối đa 3A

Không gian 45*20*14 (mm) b Khối xử lý trung tâm

ESP32 là một vi điều khiển tích hợp công nghệ wifi và bluetooth với khả năng tiêu thụ điện năng thấp Thiết bị này được thiết kế để cung cấp hiệu suất cao, khả năng thực thi RF mạnh mẽ, độ tin cậy và khả năng thích ứng xuất sắc.

ESP32 được thiết kế để hoạt động ổn định trong các điều kiện khắc nghiệt, với dải nhiệt độ từ -40 °C đến +125 °C Nhờ vào phần cứng điều chỉnh tiên tiến, ESP32 có khả năng giảm thiểu các nhược điểm của mạch bên ngoài và thích ứng linh hoạt với các điều kiện môi trường.

ESP32 là một giải pháp mạng Wi-Fi hoàn chỉnh và khép kín Khi ứng dụng được lưu trữ trên ESP32, nó sẽ khởi động trực tiếp từ bộ nhớ flash bên ngoài Thiết bị này cũng có khả năng kết nối với các bộ điều khiển khác thông qua các giao thức như SPI và I2C, giúp mở rộng khả năng kết nối Wi-Fi.

NGHIÊN CỨU PHẦN MỀM

3.2.1 Giới thiệu về ứng dụng BLYNK

Blynk là nền tảng IoT hàng đầu, cho phép đồng bộ hóa hệ thống với đám mây và thiết kế giao diện người dùng (UI) cùng trải nghiệm người dùng (UX) một cách dễ dàng Ứng dụng Blynk hỗ trợ điều khiển thiết bị từ xa, hiển thị và lưu trữ dữ liệu, mang lại nhiều tính năng hữu ích Blynk tương thích với cả IOS và Android, cùng nhiều loại vi điều khiển khác nhau, bao gồm ba thành phần chính như mô tả trong hình 3.26.

 Ứng dụng Blynk để điều khiển các thiết bị và hiển thị dữ liệu trên các vật dụng.

 Máy chủ Blynk là một dịch vụ đám mây đảm nhận vai trò kết nối mọi thứ với điện thoại.

Thư viện Blynk cung cấp nhiều tiện ích hữu ích như nút điều khiển, định dạng hiển thị, thông báo và quản lý thời gian, giúp thiết bị gửi dữ liệu một cách hiệu quả và thuận tiện trên điện thoại.

Hình 3.26: Sơ đồ làm việc của ứng dụng Blynk.

3.2.2 Nghiên cứu giao diện người dùng

Để bắt đầu, người dùng cần cài đặt ứng dụng Blynk trên thiết bị di động của mình, hỗ trợ cả hai nền tảng Android và iOS Ứng dụng này cho phép tạo bảng điều khiển không dây dễ dàng Hình 3.27 minh họa sự xuất hiện của ứng dụng trên cả hai nền tảng Bạn có thể tải ứng dụng Blynk tại đây.

Hình 3.27: Kho ứng dụng của hai nền tảng trên điện thoại.

Bước 2: Tiếp theo, bạn cần tạo tài khoản mới trên ứng dụng bằng cách sử dụng email, như minh họa trong hình 3.28 Nếu bạn đã có tài khoản, chỉ cần đăng nhập để tiếp tục với các bước tiếp theo.

Hình 3.28: Cách tạo tài khoản trên ứng dụng Blynk.

Bước 3: Tạo đề tài và thiết bị bằng cách nhập tên đề tài, chọn thiết bị ESP32 và kết nối wifi, sau đó nhấn nút tạo Hình ảnh minh họa quá trình tạo đề tài được hiển thị như trong hình 3.29.

Hình 3.29: Tạo một đề tài và thiết bị.

Hệ thống sẽ gửi mã xác thực đến email đã đăng ký khi tạo tài khoản Mã xác thực thiết bị là một chuỗi 32 ký tự duy nhất cho mỗi thiết bị Mã này được sử dụng để lập trình trên Arduino nhằm kết nối với máy chủ, như được minh họa trong hình 3.30.

Hình 3.30: Nhập mã thông báo xác thực, tên người dùng và mật khẩu của wifi để lập trình.

Hình 3.31 cho thấy đề tài với một khung trống, nơi có thể thêm các widget để hiển thị thông tin hoặc để kiểm soát.

Để thêm tiện ích vào đề tài, hãy nhấp vào bất kỳ khoảng trống nào trên canvas hoặc chọn biểu tượng menu ở trên cùng Sau đó, bạn có thể chọn loại tiện ích muốn thêm và kéo thả nó vào canvas Hình ảnh minh họa quá trình thêm widget vào đề tài được thể hiện trong hình 3.32.

Hình 3.32: Thêm tiện ích vào dự án.

Bước 5:Định cấu hình tiện ích con

Mỗi widget trong ứng dụng Blynk đều có màn hình cài đặt riêng, cho phép người dùng dễ dàng điều chỉnh các thông số Đặc biệt, thông số của pin là yếu tố quan trọng nhất, vì nó quyết định mã pin nào sẽ được lập trình cho Blocky Node wifi trong Arduino Hình 3.33 minh họa cách cấu hình widget trên ứng dụng Blynk.

Hình 3.33: Định cấu hình tiện ích con.

Ngoài việc thêm nhiều loại thiết bị tùy theo đề tài, người dùng có thể chuyển từ chế độ “Chỉnh sửa” sang chế độ “Phát” để điều khiển Sau khi thiết kế giao diện điều khiển bằng widget, thao tác với bảng điều khiển có thể thực hiện dễ dàng bằng cách nhấn nút.

“Phát” Nếu muốn thay đổi thiết kế canvas hoặc cài đặt của các widget, hãy nhấp vào nút “Dừng”.

Hình 3.34 thông tin sẽ được hiển thị khi tải chương trình lên vi điều khiển và nhấp vào nút phát trong ứng dụng.

Hình 3.34: Thông tin hiển thị trên ứng dụng.

Hệ thống sử dụng màn hình LCD 16X2 để theo dõi tình trạng môi trường và dữ liệu cảm biến, đồng thời hiển thị ảnh thời gian thực, biểu đồ nhiệt độ và trạng thái thiết bị trên Blynk Hệ thống hoạt động với hai chế độ: thủ công và tự động Trong chế độ thủ công, người dùng có toàn quyền kiểm soát các thiết bị, có thể bật và tắt chúng bất kỳ lúc nào Ngược lại, ở chế độ tự động, người dùng có khả năng chỉ định các chỉ số môi trường, và trạng thái thiết bị sẽ được điều chỉnh dựa trên các chỉ số đo được từ môi trường.

Hình 3.35: Lưu đồ của chế độ lựa chọn.

Lưu đồ hình 3.35 minh họa phương pháp điều khiển chế độ làm việc, bắt đầu với chương trình khởi động để khởi tạo các biến, cảm biến và bộ vi xử lý Sau đó, hệ thống sẽ kiểm tra trạng thái kết nối mạng; nếu mạng ổn định, chế độ tự động sẽ được kích hoạt theo mặc định Trong chế độ tự động, ba thông số môi trường sẽ được hiển thị, kèm theo nút “cài đặt” để người dùng lựa chọn chế độ Đồng thời, trạng thái từ ESP32 sẽ được xác minh và gửi từ ứng dụng để cập nhật chế độ hoạt động.

Chế độ thủ công: các thiết bị được điều khiển tùy ý và được cập nhật thông tin lên ứng dụng.

Chế độ tự động: các chỉ số giới hận của môi trường được cài sẵn, các thiết bị được bật tắt một cách tự động. b Chế độ thủ công

Trong chế độ thủ công, người dùng có thể tự do điều khiển các thiết bị như động cơ bước, servo, máy bơm, quạt và đèn Việc điều khiển này được thực hiện thông qua các nút trên ứng dụng Blynk, như thể hiện trong hình 3.36.

Hình 3.36: Lưu đồ giải thuật cho chế độ thủ công.

Chương trình liên tục quét các nút; khi một nút được kích hoạt, trạng thái của nó sẽ bị đảo ngược (bao gồm nút đèn, nút quạt, nút tưới nước và nút servo) Dựa trên các biến trạng thái (trạng thái == 1), các thiết bị có thể được bật hoặc tắt mà không cần quan tâm đến các chỉ số môi trường Ngoài ra, trạng thái của thiết bị cũng có thể được thiết lập theo thời gian thực từ ứng dụng thông qua ESP, hỗ trợ chế độ tự động.

Hình 3.37: Lưu đồ giải thuật cho chế độ tự động.

Các chỉ số môi trường như nhiệt độ và độ ẩm được điều chỉnh qua các nút cộng và trừ, với chương trình quét liên tục để theo dõi và thay đổi giá trị khi nút được kích hoạt Dựa trên những giá trị này, hệ thống sẽ tự động bật và tắt các thiết bị nhằm duy trì các cài đặt đã được thiết lập Khi người dùng nhấn nút "tưới nước" hoặc "gieo hạt", thông số môi trường sẽ được cập nhật trong ứng dụng và hiển thị trên màn hình LCD, đồng thời nhận một bộ thông số môi trường giới hạn.

Hình 3.38: Lưu đồ giải thuật cho việc xử lý hình ảnh.

Khi hệ thống khởi động, mô đun ESP32-CAM sẽ được khởi tạo và kiểm tra kết nối với mạng WiFi Nếu không kết nối thành công, quá trình này sẽ được lặp lại Sau khi kết nối WiFi được thiết lập, hệ thống sẽ chụp ảnh hoặc ghi hình và truyền tải hình ảnh/video trực tuyến đến ứng dụng Blynk.

KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ

THỰC HIỆN MÔ HÌNH

Hệ thống trồng cây hoàn thành có kích thước 50x50 cm, được thể hiện trong Hình 4.1 Mô hình này bao gồm nhiều khu vực trồng, mỗi khu sẽ được chăm sóc, tưới nước và giám sát thông qua một đầu cắm gắn máy ảnh.

Hình 4.1: Hệ thống chăm sóc vườn cây dùng công nghệ IoT.

Hệ thống được bảo vệ bởi một lớp màng nhựa, ngăn chặn tác động của ánh nắng, mưa và gió mạnh, giúp bảo vệ vườn khỏi những điều kiện khắc nghiệt Lớp màng nhựa cũng bảo vệ các kết nối điện khỏi độ ẩm, làm tăng độ bền cho khu vườn Hình 4.2 minh họa cái nhìn tổng quan từ trên xuống của khu vườn được bao phủ hoàn toàn.

Hệ thống được kết nối bằng dây điện đã được kiểm tra kỹ lưỡng, với các mối nối dây được quấn thành từng bó bằng dây zip và dán keo silicon để ngăn ngừa đứt dây trong trường hợp đoản mạch Ngoài ra, hệ thống còn được bảo vệ bởi lớp vỏ fomex, giúp chống nước và nâng cao giá trị thẩm mỹ.

Hình 4.3: Tủ điều khiển hệ thống.

Hệ thống trang bị màn hình LCD 16x2, giúp cập nhật trạng thái khu vườn theo thời gian thực Màn hình hiển thị các thông tin quan trọng như nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm của đất, chế độ hoạt động hiện tại và trạng thái kết nối mạng Để dễ dàng quan sát, màn hình LCD được gắn vào tủ điện và thông tin về khu vườn được cập nhật liên tục.

Hình 4.4: Hệ thống không kết nối với mạng.

Màn hình LCD hiển thị nhiệt độ 'T: 29 độ', độ ẩm không khí 'H: 76 phần trăm' và độ ẩm đất 'HumG: 22 phần trăm' Tuy nhiên, hệ thống chưa kết nối với wifi, biểu thị bằng dấu '!', cho biết nó chưa sẵn sàng kết nối mạng Vui lòng kết nối hệ thống với wifi để cập nhật thông tin lên ứng dụng Blynk.

Hệ thống trong hình 4.5 được kết nối với mạng wifi và có khả năng giám sát thông qua ứng dụng Blynk Màn hình LCD hiển thị "Ma", cho thấy hệ thống đang ở chế độ thủ công Nếu màn hình LCD hiển thị chữ "Au", điều này cho biết hệ thống đã chuyển sang chế độ tự động, được cấu hình để giới hạn các điều kiện của vườn bằng một mã.

Hình 4.5: Hệ thống được kết nối với mạng.

Khi mở ứng dụng, người dùng sẽ thấy thông tin về khu vườn được hiển thị ngay lập tức Họ có thể theo dõi trạng thái khu vườn trong những ngày trước bằng cách xem biểu đồ nhiệt độ có sẵn trong ứng dụng.

Biểu đồ nhiệt độ khu vườn trong 6 giờ qua được hiển thị trong Hình 4.6 Dữ liệu nhiệt độ được lưu trữ và trình bày qua ứng dụng Blynk, cho phép người dùng theo dõi trực tiếp từng giá trị nhiệt độ trong khoảng thời gian 6 giờ, 1 ngày, 1 tuần hoặc thậm chí 1 tháng trước đó.

Hình 4.6: Biểu đồ nhiệt độ.

Người dùng ứng dụng Blynk có thể theo dõi khu vườn của mình bằng cách sử dụng một máy ảnh gắn trên tiêu đề Máy ảnh có độ phân giải 2MP, cho phép người dùng nhận thông tin tức thì về trạng thái của khu vườn qua ứng dụng.

Hình 4.7: Máy ảnh chụp ảnh trực tiếp.

Hệ thống còn tích hợp tính năng gieo hạt từ xa, cho phép người dùng quan sát quá trình này thông qua camera hoặc ứng dụng.

Hệ thống gieo hạt có hai chế độ hoạt động khác nhau: chế độ thủ công và chế độ tự động Trong chế độ thủ công, người dùng cần chọn vị trí gieo hạt trước và nhấn nút để hệ thống thực hiện việc gieo Ngược lại, ở chế độ tự động, chỉ cần nhấn nút gieo hạt, hệ thống sẽ tự động di chuyển đến tất cả các vị trí đã được chọn và tiến hành gieo hạt mà không cần sự can thiệp của người dùng.

Hệ thống gieo hạt trong vườn cho phép người dùng gieo hạt theo từng khu vực với đầu gieo hạt chuyên dụng Hoạt động gieo hạt có hai chế độ: chế độ tự động, tự động gieo theo diện tích đã được xác định, và chế độ thủ công, cho phép người dùng tự tay gieo hạt theo diện tích mong muốn thông qua ứng dụng Blynk.

Hình 4.8: Hệ thống gieo hạt đang hoạt động.

4.1.1 Minh họa chế độ thủ công

Chế độ thủ công cho phép người dùng chủ động điều khiển các thiết bị như máy bơm nước, quạt và đèn sưởi thông qua ứng dụng Blynk Người dùng có thể dễ dàng tắt mở thiết bị theo nhu cầu mà không bị ràng buộc bởi điều kiện môi trường.

Trong chế độ thủ công, bộ truyền động hiển thị màu xanh lam khi được bật, như minh họa trong Hình 4.9, cho thấy đèn và quạt hoạt động trong khi chức năng tưới nước và gieo hạt chưa được kích hoạt Ở bên trái khung hiển thị từ "Thủ công", cho biết chế độ điều khiển hiện tại Ngoài ra, ở góc trên bên phải có các tùy chọn "THIẾT LẬP ĐỘ ẨM ĐẤT" và "ĐẶT NHIỆT ĐỘ", sẽ được sử dụng trong chế độ tự động Một tính năng quan trọng khác là "CHỌN VỊ TRÍ", cho phép người dùng thiết lập số để điều hướng đến vị trí khu vực tương ứng và thực hiện các chức năng cần thiết.

Hình 4.9: Chế độ cấu hình thủ công.

Khi người dùng nhấn nút "Quạt" và "Đèn" trên ứng dụng Blynk, hệ thống sẽ tự động bật hoặc tắt đèn và quạt Hình 4.10 minh họa tình trạng quạt và đèn sưởi đã được kích hoạt sau khi nhấn nút “Light” và “Fan” trên bảng điều khiển ứng dụng.

Hình 4.10: Quạt và đèn đang hoạt động.

4.1.2 Minh họa chế độ tự động

KẾT QUẢ KHI TIẾN HÀNH TRỒNG TRÊN MÔ HÌNH

Sau quá trình nghiên cứu và phát triển, đề tài tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống chăm sóc vườn cây dùng công nghệ IoT" đã hoàn tất Đề xuất này đã được thử nghiệm trồng "Cây cải xanh" trên diện tích vườn 50 cm vuông, được chia thành 64 vị trí (8x8) và giám sát thông qua các chức năng hiện có của hệ thống.

Hình 4.15: Bản đồ của khu vườn.

Đầu tiên, lựa chọn đất hữu cơ và giống cây trồng phù hợp với điều kiện là rất quan trọng Sau khi thực hiện trồng thử nghiệm, sản phẩm có thể được sử dụng làm thức ăn, đồng thời bổ sung chất xơ dinh dưỡng cho cơ thể.

Trên ứng dụng Blynk, hãy chọn chế độ "Tự động" và nhấn nút "Gieo hạt" Sau đó, bạn có thể theo dõi quá trình gieo trồng tự động qua camera tích hợp trên ứng dụng.

Trong hình 4.16, người dùng cần chọn chế độ tự động và nhấn nút 'Gieo hạt' để khởi động cơ chế gieo hạt cho tất cả các vị trí Sau khi nhấn nút, hệ thống sẽ dừng khoảng 2-3 giây, trong đó hạt sẽ vào kho và rơi xuống nhờ động cơ servo quay bánh răng, phân tán hạt xung quanh trong khoảng 60 giây Khi quá trình gieo hạt hoàn tất, hệ thống sẽ trở về vị trí chờ.

Hơn nữa, hệ thống đang đặt nhiệt độ ở 25 độ C và nhiệt độ môi trường hiện tại là

29 độ (cao hơn giá trị cài đặt) nên quạt hoạt động ngay lập tức (khoảng 1s sau khi bật chế độ tự động).

Hình 4.17: Hệ thống gieo hạt đang hoạt động.

Hệ thống gieo hạt được thể hiện trong Hình 4.17 cho thấy khoảng cách giữa các hạt khá đồng đều, tạo điều kiện thuận lợi cho cây phát triển mà không lo bị chen chúc Hình 4.18 là ảnh chụp trong quá trình gieo hạt, với tốc độ truyền ảnh của máy chỉ đạt 5-7 khung hình mỗi giây.

Hình 4.18: Ảnh do máy ảnh chụp khi đang gieo hạt.

Sau khi gieo hạt, nhà vườn cần tưới nước đầy đủ để đảm bảo đất ẩm và hạt được phủ kín Người dùng cũng có thể cài đặt giá trị độ ẩm của đất, cho phép hệ thống tự động tưới nước khi độ ẩm giảm xuống dưới mức đã định Hình 4.19 minh họa quá trình máy bơm nước hoạt động.

Hình 4.19: Máy bơm nước đang hoạt động.

Chuyển sang chế độ thủ công cho phép người dùng gieo hạt hoặc tưới nước tại từng vị trí cụ thể, với độ chính xác cao và thời gian phản hồi từ 0,5 đến 2 giây tùy thuộc vào tốc độ mạng Cần kiểm tra dung sai giữa hai trục khi điều khiển tiêu đề di chuyển từ khu vực 1 sang 4 Nhiệt độ được đặt ở mức 25 độ C để cây sinh trưởng tốt; khi nhiệt độ môi trường vượt quá mức cài đặt, hệ thống sẽ tự động bật chế độ tưới Bơm nước được khởi động trong vòng chưa đầy 60 giây, như thể hiện trong hình 4.20, cho thấy hệ thống đang hoạt động và tưới cây ở chế độ tự động.

Hình 4.20: Nút "tưới nước" tự động bật.

Hình 4.21 mô tả các thông số được hiển thị trên ứng dụng Cụ thể, độ ẩm không khí 73%, nhiệt độ môi trường 28 độ C và độ ẩm của đất 26%.

Hình 4.21: Các thông số về nhiệt độ và độ ẩm được hiển thị trên ứng dụng.

Khi trời tối, độ ẩm không khí đạt 78% và độ ẩm đất là 19%, khiến không khí trở nên lạnh hơn với nhiệt độ chỉ còn 24 độ C, điều này không thuận lợi cho sự phát triển của cây trồng Để cải thiện điều kiện môi trường, hệ thống đèn sưởi sẽ tự động kích hoạt, tạo ra môi trường lý tưởng nhất cho cây trồng phát triển khỏe mạnh.

Hình 4.22: Các thông số và hình ảnh môi trường được hiển thị trên ứng dụng.

Khi nhiệt độ giảm xuống dưới 25 độ C, đèn sưởi sẽ tự động bật lên, như được minh họa trong hình 4.23 Điều này giúp tạo ra môi trường lý tưởng và thuận lợi cho sự phát triển của thực vật.

Hình 4.23: Đèn nhiệt đang hoạt động.

Sau hơn 36 giờ theo dõi và chăm sóc, cây đã phát triển khoảng 2 cm, cho thấy sự phát triển tốt hơn so với cây tự nhiên.

Hình 4.24: Hình ảnh khu vườn sau 36 giờ gieo hạt.

Hình 4.25 cho thấy thí nghiệm kết luận với chiều cao cây đạt 7cm sau một tuần, vượt xa chiều cao trung bình 3cm trong kịch bản này Mặc dù cây có sự tăng trưởng, nhưng rễ không phát triển tốt và gặp khó khăn trong việc hấp thu nước Ngoài ra, cây có dấu hiệu phát triển không đều do thiếu ánh sáng, khi chúng cố gắng vươn tới nguồn sáng Tuy nhiên, vẫn có hy vọng cải thiện cho đề tài này.

Hình 4.25: Hình ảnh vườn cây sau 7 ngày gieo hạt.