Thiết kế hệ thống điều khiển, giám sát mô hình trồng cây và nuôi cá

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT MÁY TÌNH - VIỄN THƠNG T THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN, GIÁM SÁT MÔ HÌNH TRỒNG CÂY VÀ NI CÁ GVHD: ThS TRƯƠNG NGỌC HÀ SVTH: NGƠ CƠNG ĐỨC ĐẶNG LÊ NGỌC HỒ SKL009826 Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO BỘ MƠN KỸ THUẬT MÁY TÍNH - VIỄN THƠNG  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN, GIÁM SÁT MƠ HÌNH TRỒNG CÂY VÀ NI CÁ NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- VIỄN THÔNG Giảng Viên Hướng Dẫn: ThS TRƯƠNG NGỌC HÀ Sinh viên thực hiện: NGÔ CÔNG ĐỨC MSSV: 18161063 ĐẶNG LÊ NGỌC HỒ MSSV: 18161076 TP HỒ CHÍ MINH – 07/2022 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** TP Hồ Chí Minh, ngày.… tháng.… năm 2022 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Đặng Lê Ngọc Hoà MSSV: 18161076 Họ tên sinh viên: Ngô Công Đức MSSV: 18161063 Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử viễn thông Lớp: 18161CLVT1A Giảng viên hướng dẫn: ThS Trương Ngọc Hà ĐT: 0903698741 Ngày nhận đề tài: 15/03/2022 Ngày nộp đề tài: 19/07/2022 Tên đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển, giám sát mô hình trồng ni cá Các số liệu, tài liệu ban đầu: giáo trình mơn học trước Nội dung thực đề tài: Thiết kế hệ thống theo mơ hình khu vườn hồ cá Hệ thống giám sát thông số nhiệt độ, độ ẩm khơng khí, độ ẩm đất, cường độ sáng nhiệt độ nước mơ hình Hệ thống tự động điều khiển để bơm nước từ hồ cá để tưới cho cây, bật đèn trời nhiều mây sưởi ấm nước hồ cá thông qua app website kết nối mạng Wifi Sản phẩm: Một mơ hình khu vườn mơ hình hồ cá gồm hộp điều khiển trung tâm để điều khiển máy bơm, sưởi đèn thông Xây dựng giao diện website app với khả điều khiển thiết bị thông qua Wifi TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN i CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ tên sinh viên: Đặng Lê Ngọc Hoà MSSV: 18161076 Họ tên sinh viên: Ngô Công Đức MSSV: 18161063 Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử viễn thông Tên đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển, giám sát mơ hình trồng nuôi cá Họ tên Giáo viên hướng dẫn: ThS Trương Ngọc Hà NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: ……………… Điểm: ……………… (Bằng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2022 Giáo viên hướng dẫn ii CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ tên sinh viên: Đặng Lê Ngọc Hồ MSSV: 18161076 Họ tên sinh viên: Ngơ Công Đức MSSV: 18161063 Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử viễn thông Tên đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển, giám sát mơ hình trồng ni cá Họ tên Giáo viên phản biện: NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: ……………… Điểm: ……………… (Bằng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2022 Giáo viên phản biện iii LỜI CẢM ƠN Để hồn thành đề tài này, nhóm xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh hướng dẫn, truyền đạt kiến thức cho nhóm suốt trình học tập Đặc biệt, nhóm chân thành cảm ơn thầy Trương Ngọc Hà ln nhiệt tình hướng dẫn, giải đáp thắc mắc tạo điều kiện cho nhóm suốt q trình thực đồ án tốt nghiệp Do kiến thức thời gian có giới hạn q trình thực đề tài, nên khơng thể khơng tránh thiếu sót Nhóm mong nhận ý kiến chia từ quý thầy cô để hồn thiện tương lai Nhóm xin chân thành cảm ơn! Ngô Công Đức - Đặng Lê Ngọc Hồ iv LỜI NĨI ĐẦU Nơng nghiệp ln đóng vai trị quan trọng sống nước ta Tuy nhiên, việc công nghệ ngày phát triển, việc áp dụng máy móc, thiết bị vào nơng nghiệp để từ giúp giám sát điều khiển khu vườn trở nên thông minh điều cần thiết Điều giúp nâng cao suất trồng, chất lượng tốt vừa tiết kiệm sức lao động Nhận biết nhu cầu đó, nhóm lựa chọn đề tài “THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN, GIÁM SÁT MƠ HÌNH TRỒNG CÂY VÀ NI CÁ” nhằm mục đích tìm hiểu ứng dụng vi xử lý nông nghiệp, phần quan trọng xã hội Ngoài việc giám sát thông số nhiệt độ, độ ẩm, … ảnh hưởng trực tiếp đến vườn thông qua quan sát trực tiếp Việc quan sát chúng từ xa qua mạng internet giải pháp cần thiết để giúp tiết kiệm thời gian vừa giám sát thông số vườn cách hiệu v MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP I PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN II PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN III LỜI CẢM ƠN IV LỜI NÓI ĐẦU V MỤC LỤC VI DANH MỤC HÌNH IX DANH MỤC BẢNG XII CÁC TỪ VIẾT TẮT XIII CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU 1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 1.3 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 1.4 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1.5 BỐ CỤC QUYỂN BÁO CÁO CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 ỨNG DỤNG IOT HIỆN NAY 2.2 GIAO TIẾP KẾT NỐI VỚI WIFI 2.3 GOOGLE FIREBASE 2.3.1 Giới thiệu 2.3.2 Chức 2.4 SƠ LƯỢC VỀ ESP32 2.4.1 Giới thiệu ESP32 2.4.2 Tính bật 10 2.4.3 Sơ đồ chân ESP32 10 2.5 MODULE RELAY 14 vi 2.6 CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ DS18B20 15 2.7 CẢM BIẾN ÁNH SÁNG BH1750 17 2.8 CẢM BIẾN ĐỘ ẨM ĐẤT 18 2.9 ĐỘNG CƠ BƠM NƯỚC 12V 19 2.10 CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM DHT11 20 2.11 LCD 20X4 KẾT HỢP MODULE I2C 21 2.11.1 Lcd 20x4 21 2.11.2 Module I2C 22 2.12 ĐÈN TRỒNG CÂY GV-ZW0001 6W 22 2.13 CÂY SƯỞI ẤM HỒ CÁ 300W SOBO HS-300 23 2.14 LỌC THÁC SOBO WP-308H 24 2.15 APPSGEYSER 26 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG 30 3.1 YÊU CẦU VÀ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG 30 3.1.1 Yêu cầu hệ thống 30 3.1.2 Sơ đồ khối chức 30 3.1.3 Hoạt động hệ thống 31 3.2 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 32 3.2.1 Khối điều khiển trung tâm 32 3.2.2 Khối cảm biến 34 3.2.3 Khối hiển thị 35 3.2.4 Khối điều khiển thiết bị 35 3.2.5 Khối điều khiển 36 3.2.6 Khối nguồn 37 3.2.7 Sơ đồ khối toàn hệ thống 38 3.2.8 Lưu đồ hoạt động toàn mạch 39 3.3 THIẾT KẾ PHẦN MỀM 42 3.3.1 Firebase - Hosting 42 3.3.2 Website 42 3.3.3 Lưu đồ giải thuật website 45 vii CHƯƠNG KẾT QUẢ 50 4.1 KẾT QUẢ MƠ HÌNH THI CÔNG 50 4.1.1 Kết phần cứng 50 4.1.2 Kết phần mềm 54 4.2 HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG 60 4.3 ĐÁNH GIÁ THÔNG SỐ 64 4.3.1 Giá trị qua ngày đo 64 4.3.2 Hiệu hoạt động máy bơm 65 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 68 5.1 KẾT LUẬN 68 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 viii Hình 4.13 Giao diện tồn hệ thống Tại đây, nội dung trang web chia thành cột Bên khu vườn, cột phía bên trái hiển thị thông số khu vườn độ ẩm khơng khí, nhiệt độ khơng khí, cường độ ánh sáng độ ẩm đất khu vườn Còn cột cịn lại, hiển thị thơng số hồ cá mực nước, nhiệt độ nước, sưởi ấm hồ cá tưới nước Ở đây, nhóm thiết kế thêm hiển thị bảng đồ thị, thống kế riêng thông số nhấn vào biểu tượng (icon) Khi nhấn vào biểu tượng thông số độ ẩm, độ ẩm đất, nhiệt độ, nhiệt độ nước, ánh sáng, mực nước từ giao diện trang chủ chuyển tới biểu thị thơng số hình sau: Hình 4.14 Giao diện thể biểu đồ độ ẩm không khí 58 Hình 4.15 Giao diện thể nhiệt độ khơng khí Hình 4.16 Giao diện thể cường độ ánh sáng Hình 4.17 Biểu đồ hiển thị giá trị độ ẩm đất 59 Hình 4.18 Biểu đồ hiển thị giá trị nhiệt độ nước 4.2 HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG Các hình ảnh kết thơng số hệ thống phần 4.1 kết phần mềm Ngồi ra, có điều khiển ba thiết bị bao gồm: đèn, động bơm nước, sưởi Ban đầu, ba thiết bị chưa hoạt động, lúc trạng thái ba hình giao diện website hình phía bên trái Khi trạng thái OFF, ba hình hình ảnh đen trắng Hình 4.19 Giao diện điều khiển ba thiết bị Khi ta ấn nút ON (màu đỏ) mục đèn khu vườn website, đèn khu vườn bật Lúc hình ảnh đèn khu vườn (trắng đen) thay ảnh bóng đèn màu vàng sáng, báo trạng thái cho ta biết 60 Hình 4.20 Giao diện ấn ON đèn khu vườn Hình ảnh thực tế đèn khu vườn bật: Hình 4.21 Đèn bật mơ hình vào ban đêm Khi ấn nút ON (màu đỏ) mục máy bơm nước Lúc này, ảnh máy bơm (trắng đen) thay hình sang ảnh động máy bơm màu xanh 61 Hình 4.22 Giao diện bật ON động bơm nước Lúc động bơm nước bật, hút nước nước phun qua đầu béc màu cam Hình ảnh thực tế mơ hình động bơm nước hoạt động Hình 4.23 Trạng thái ON máy bơm nước Lúc động bơm nước bật, hút nước từ hồ nước phun qua đầu béc màu cam (khoanh màu vàng hình) Sau ấn nút ON mục Sưởi hồ cá trang web Giao diện ấn nút ON sưởi hồ cá, ảnh thay ảnh động khác tương tự hai trường hợp 62 Hình 4.24 Giao diện trang web bật thiết bị sưởi Lúc relay sáng đèn, động sưởi nước bắt đầu hoạt động làm nóng Động sưởi thực tế nhóm sử dụng mơ hình thực tế sau Hình 4.25 Cây sưởi mơ hình hồ cá Cây sưởi ngâm hồ cá nhiệt độ nước 21 °C ấn nút ON giao diện trang quản lý sưởi tiến hành làm nóng nước Khi nhiệt độ vượt ngưỡng 21 °C nhấn nút OFF sưởi tắt 63 4.3 ĐÁNH GIÁ THÔNG SỐ 4.3.1 Giá trị qua ngày đo Tiến hành đo đạc thông số đo đạc hệ thống, hệ thống thu thập CSDL qua ngày, ngày hệ thống bật Kết thu từ mơ hình sau chạy cách ngày, tổng kết lại qua bảng sau: Bảng 4.1 Thông số thu thập ngày đo Thời gian Nhiệt độ Độ ẩm Độ ẩm đất Nhiệt độ Cường độ khơng khí khơng khí (%) nước sáng (oC) (%) (oC) (Lux) Ngày (12/07/2022) Sáng 31 70 73 29 1796 Trưa 32 68 71 28 1320 Chiều 31 72 68 28 1147 Tối 28 72 73 28 Ngày (13/07/2022) Sáng 32 74 71 29 1722 Trưa 33 70 71 28 1243 Chiều 33 72 70 28 842 Tối 29 75 71 28 Ngày (14/07/2022) Sáng 31 69 72 28 1698 Trưa 32 67 74 27 1804 Chiều 31 68 71 27 853 Tối 29 74 73 27 Ngày (15/07/2022) Sáng 31 72 70 27 1856 Trưa 33 67 73 27 1263 Chiều 31 60 72 28 1175 Tối 29 73 74 27 64 Ngày (16/07/2022) Sáng 32 57 71 28 2073 Trưa 32 53 72 28 1516 Chiều 32 53 71 28 1305 Tối 28 55 73 28 Sáng 31.4 68.4 71.4 28.2 1829 Trưa 32.4 65 72.2 27.6 1429.2 Chiều 31.6 65 70.4 27.8 1064.4 Tối 28.6 69.8 72.8 27.6 Trung bình Có thể thấy giá trị thơng số khơng có biến động nhiều Chỉ có hai thơng số cường độ sáng độ ẩm khơng khí Hai thơng số thay đổi liên tục theo thời gian yếu tố môi trường 4.3.2 Hiệu hoạt động máy bơm Đối với nhiệt độ khơng khí Hình 4.26 Biểu nhiệt độ khơng khí Để có thay đổi C ̊ cần khoảng 22 phút Mơ hình kiểm tra thơng số nhiệt độ môi trường gần cố định, thay đổi khoảng thời gian dài biến động Điều kiện để bật bơm theo nhiệt độ khơng khí khó xảy Độ ẩm khơng khí Mơ hình đo vào buổi trưa từ 11 10 phút đến 11 17 phút Các thông số thể qua hình sau: 65 Hình 4.27 Biểu đồ độ ẩm khơng khí Thơng số thu thập thể qua bảng sau: Bảng 4.2 Hiệu máy bơm theo độ ẩm Thời gian 11:10:55 11:11:18 11:11:25 11:11:36 11:12:3 11:12:57 11:13:13 11:13:22 11:13:32 11:13:41 11:14:8 11:14:26 11:14:34 11:14:42 11:14:51 11:14:59 11:15:19 11:15:26 11:15:34 11:15:45 11:16:2 11:16:20 11:17:37 Kết trung bình Độ ẩm (%) 47 48 47 48 47 49 48 49 50 51 50 49 48 47 50 49 60 67 72 74 76 77 75 55.56521739 66 Giai đoạn Mơ hình bật CSDL cập nhật Tiến hành bật bơm chờ giá trị thay đổi Bơm hoạt động hiệu Kết thấy giá trị độ ẩm cần đến khoảng đến phút để từ lúc bơm bật, để thay đổi từ 47 % lên 60 % Khi độ ẩm vào ngưỡng phù hợp, cần khoảng đến phút để độ ẩm tang đến 70% 67 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 KẾT LUẬN Qua đề tài “THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIẢM SÁT KHU VƯỜN” nhóm thực vấn đề mà mục tiêu đề ra: - Tìm hiểu ngôn ngữ HTML, CCS, JavaScript, tên miền, hosting để xây dựng CSDL website - Tìm hiểu board NODEMCU linh kiện cảm biến cho việc đo đạt thu thập liệu từ môi trường điều khiển sáng tắt đèn, bơm nước tự động có thiết lập giá trị từ trước - Hệ thống đọc giá trị nhiệt độ, độ ẩm, cường độ sáng để từ điều khiển động tưới phun - Sử dụng kết nối WIFI, tải liệu thu thập firebase hiển thị liệu qua LCD website - Xây dựng web đơn giản cho việc theo dõi thông số từ cảm biến điều khiển thiết bị đèn, bơm từ xa Ưu điểm - Đề tài nghiên cứu cho thấy rõ ứng dụng công nghệ vào đời sống - Có thể điều khiển từ xa thơng qua kết nối internet với phần cứng Đây xem việc ứng dụng công nghệ IOT vào đời sống - Với việc lựa chọn google firebase vùng nhớ giúp tình bảo mật website có độ tin cậy cao Nhược điểm - Còn hạn chế việc tốc độ kết nối với thiết bị thông qua internet - Website chưa tối ưu mặt quản lý người dùng, thêm người dùng cho việc tạo hệ thống riêng 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Qua đây, đặt mục tiêu xa nguyên cứu phát triển mơ hình như: 68 - Khắc phục hạn chế việc kết nối WIFI với thiết bị - Mở rộng quy mơ, mơ hình cho việc nghiên cứu ứng dụng đời sống cách cụ thể - Tạo app website thông minh hơn, điều khiển thời gian thực tốt - Sử dụng nguồn lượng mặt trời để tiết kiệm lượng 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS Phan Văn Ca, ThS Trương Quang Phúc, Cơ sở ứng dụng Internet of things (Thiết kế hệ thống nhúng), NXB Đại học Quốc gia TP.HCM, 2017 [2] Madhusanka Liyanage, Anshuman Kalla, Pawani Prombage, Introduction to IoT, 2020 [3] EVN, https://www.evn.com.vn/d6/news/Luoi-dien-thong-minh-6-8-2318.aspx , ngày truy cập 30/06/2022 [4] Sharma, Kumar, Pant Ram, Introduction to Smart Healthcare and Telemedicine Systems, 2022 [5] TWI Ltd, https://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/what-is-anautonomous-vehicle, ngày truy cập 30/06/2022 [6] INTECH, https://intech-group.vn/ket-noi-iot-trong-nha-may.htm, ngày truy cập 01/07/2022 [7] Vnpro, https://vnpro.vn/tin-tuc/wifi-la-gi-wifi-hoat-dong-nhu-the-nao-1392.h tml, ngày truy cập 01/07/2022 [8] Gorshe, Reghavan, Starr Galli, WiFi: IEEE 802.11 Wireless LAN, 2014 [9] Google, https://firebase.google.com/docs/database, ngày truy cập 03/07/2022 [10] ESP32 Datasheet v3.9 2022.03.04, https://www.espressif.com/sites/default/ files/documentation/esp32_datasheet_en.pdf, ngày truy cập 02/07/2022 [11] Last Minute Engineers, https://lastminuteengineers.com/esp32-pinout-refer ence/, ngày truy cập 03/07/2022 [12] Dientutuonglai, https://dientutuonglai.com/module-relay-1-kenh-5v-10a-amduong-kich.html, ngày truy cập 05/07/2022 [13] Dientutuonglai, https://dientutuonglai.com/cam-bien-nhiet-do-ds18b20.html, ngày truy cập 05/07/2022 [14] NShop, https://nshopvn.com/product/cam-bien-nhiet-do-ds18b20-day/, ngày truy cập 05/07/2022 [15] DS18B20 Datasheet, https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/DS18B2 0.pdf, ngày truy cập 06/07/2022 70 [16] Datasheet BH1750, https://www.dientudat.com/mach-cam-bien-cuongdo-anh-sang-bh1750, ngày truy cập 07/07/2022 [17] Datasheet soil sensor, https://nshopvn.com/product/cam-bien-do-am-dat/, ngày truy cập 07/07/2022 [18] Datasheet động bơm, https://www.lazada.vn/products/i1810591491s8151603960.html?urlFlag=true&mp=1&spm=spm%3Da2o4n.order_details.ite m_title.1, ngày truy cập 08/07/2022 [19] Datasheet DHT11, D-Robotics UK, https://www.circuitbasics.com/wpcontent/uploads/2015/11/DHT11-Datasheet.pdf, ngày truy cập 19/07/2022 [20] Linhkiengiatot, https://www.linhkientot.vn/man-hinh-lcd2004-module-i2cgiao-tiep, ngày truy cập 08/07/2022 [21] NShop, https://nshopvn.com/product/mach-chuyen-doi-giao-tiep-i2c-cholcd/?gclid=CjwKCAjwrNmWBhA4EiwAHbjEQC3tSQcUwfrr4vrIe9cd7LQprlZ 9sDiPJkkipItSM3Rlu6JaApCjAxoCA4YQAvD_BwE, ngày truy cập 08/07/2022 [22] Datasheet đèn, GivarSolar, https://givasolar.com/san-pham/bong-denled-quang-hop-gv-zw0001-6w/, ngày truy cập 10/07/2022 [23] Datasheet sưởi HS-300, https://dochoicholon.com/cay-suoi-am-hoca-300w-sobo-hs-300-bang-thuy-tinh-20-32-do-c.html, ngày truy cập 16/07/2022 [24] Shop thuỷ sinh, Lọc thác WP-508H, https://shopthuysinh.com/products/locthac-sobo-wp-308h-wp-408h-va-wp-508h-dung-cho-ho-mini, ngày 14/07/2022 [25] AppsGeyser, https://appsgeyser.com/, ngày truy cập 14/07/2022 71 truy cập S K L 0