Thiết kế và thi công mô hình hệ thống iot dành cho nhà kính

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THƠNG THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG IOT DÀNH CHO NHÀ KÍNH GVHD: ThS TRƯƠNG QUANG PHÚC SVTH: TRẦN ĐỨC HUY NGUYỄN QUÓC CHƯƠNG S K L0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 8/2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG IOT DÀNH CHO NHÀ KÍNH SVTH : Trần Đức Huy – 18161080 Nguyễn Quốc Chương – 18161050 Khóa : 2018 Ngành : CNKT Điện tử - Viễn thơng GVHD : ThS Trương Quang Phúc TP.HỒ CHÍ MINH – 8/2022 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập – Tự Do -Hạnh Phúc -Tp.Hồ Chi Minh , tháng năm 2022 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên: Trần Đức Huy MSSV: 18161080 Số điện thoại: 0981944200 Họ tên: Nguyễn Quốc Chương MSSV: 18161050 Số điện thoại: 0961533369 Ngành: CNKT Điện tử - Viễn thông Class: 18161CLDT1B Giáo viên hướng dẫn: ThS Trương Quang Phúc Ngày nhận đề tài:……………………………… Ngày nộp đề tài: …………………………… Tên đề tài: Thiết kế thi cơng mơ hình hệ thống IoT cho nhà kính Các tài liệu, số liệu ban đầu: Nhóm tìm kiếm kiến thức từ tài liệu giáo trình lập trình C, tìm hiểu datasheet linh kiện ESP32 DEVKIT V1, ESP Cam, Module Lora tham khảo đồ án Iot, môn học anh chị trước Nội dung thực đề tài: Để thực đề tài nhóm lên ý tưởng cho đề tài, thiết kế hệ thống, xây dựng mạch phần mềm Proteus, chỉnh sửa , thi cơng mơ hình cuối viết báo cáo cho đồ án Sản phẩm: Mơ hình hệ thống IoT cho nhà kính TRƯỜNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký ghi đầy đủ họ tên) (Ký ghi đầy đủ họ tên) i CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập – Tự Do -Hạnh Phúc -Tp.Hồ Chi Minh , tháng năm 2022 PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ tên: Trần Đức Huy MSSV: 18161080 Họ tên: Nguyễn Quốc Chương MSSV: 18161050 Ngành: CNKT Điện tử - Viễn thông Tên đề tài: Thiết kế thi cơng mơ hình hệ thống IoT cho nhà kính Giáo viên hướng dẫn: ThS Trương Quang Phúc 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:…………………………………(Điểm chữ:………………………………… …………………………………………………………………………………………………) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20… Giảng viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) ii CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập – Tự Do -Hạnh Phúc -Tp.Ho Chi Minh , tháng năm 2022 PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ tên: Trần Đức Huy MSSV: 18161080 Họ tên: Nguyễn Quốc Chương MSSV: 18161050 Ngành: CNKT Điện tử - Viễn thông Tên đề tài: Thiết kế thi công mô hình hệ thống IoT cho nhà kính Giảng viên hướng dẫn: ThS Trương Quang Phúc 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:…………………………………(Điểm chữ:………………………………… …………………………………………………………………………………………………) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2022 Giảng viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) iii LỜI CẢM ƠN Nhóm thực đề tài xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến ThS Trương Quang Phúc tận tình hướng dẫn, góp ý chia sẻ kinh nghiệm, giúp đỡ tạo điều kiện cho nhóm nghiên cứu hồn thành đề án tốt nghiệp Nhân hội lần này, nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn thầy cô khoa Đào tạo Chất lượng cao cung cấp kiến thức tạo điều kiện tốt để chúng em hoàn thành đề tài Chúng em gửi lời cảm ơn tới tất thành viên lớp 18161CLDT1B chia sẻ kiến thức kinh nghiệm liên quan đến đề tài Cảm ơn bố mẹ tạo điều kiện tốt kinh tế tinh thần để hồn thành tốt đề tài Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn! Tp Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 07 năm 2022 Sinh viên thực Trần Đức Huy Nguyễn Quốc Chương iv TÓM TẮT Ngày nay, q trình cơng nghiệp hóa, đại hóa đất nước việc ứng dụng thành tựu khoa học kĩ thuật vào ngành nghề trồng trọt, chăn ni, … khơng cịn việc q xa lạ Từ lâu, Việt Nam với điều kiện khí hậu, vị trị địa lí thích hợp trở thành nước dẫn đầu nơng nghiệp hội ngành lương thực, thực phẩm ngày phát triển.Tuy nhiên, hầu hết quy trình chăm sóc thu hoạch trồng cịn mang tính thủ cơng cao Ngồi ra, điều kiện môi trường kèm với sâu bệnh thời tiết ảnh hương đến trồng nơng sản ngày chuyển biến phức tạp địi hỏi người nông dân phải nâng cao quan tâm đến việc chăm sóc Nhận thấy vai trị quan trọng ngành nông nghiệp với người nông dân nói riêng nước Việt Nam nói chung nên nhóm chúng em định chọn đề tài : “THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH SỬ DỤNG HỆ THỐNG IOT CHO NHÀ KÍNH” Đề tài nhóm chúng em chọn lần giúp cho người nông dân nắm bắt thông tin môi trường như: nhiệt độ, độ ẩm đất độ ẩm khơng khí, cường độ ánh sáng Người nơng dân dễ dàng so sánh với điều kiện lý tưởng nhà kính tùy chỉnh trạng thái hoạt động thiết bị(quạt, máy bơm, máy phun sương) thủ công hay tự động Các liệu thông tin cung cấp lên Firebase database với web điều khiển hình ảnh từ ESP32 Cam cho phép người sử dụng vận hành quản lí nhà kính từ khoảng cách xa góp phần tăng hiệu suất trồng nông sản v MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i LỜI CẢM ƠN iv TÓM TẮT v MỤC LỤC vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ix DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU x DANH MỤC HÌNH ẢNH xi CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu đề tài 1.1.1 Đặt vấn đề 1.1.2 Tính cấp thiết đề tài: 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.3 Đối tượng nghiên cứu .2 1.4 Phạm vi nghiên cứu 1.5 Nhiệm vụ đề tài 1.6 Phương pháp nghiên cứu 1.7 Bố cục đồ án .3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .4 2.1 Mơ hình Iots ứng dụng nơng nghiệp 2.1.1 Điều kiện khí hậu 2.1.2 Canh tác hiệu 2.1.3 Giám sát nhà kính 2.1.4 Phân tích liệu 2.2 Các chuẩn truyền liệu Iots 2.2.1 Chuẩn giao tiếp SPI .7 2.2.2 Chuẩn giao tiếp UART 10 2.2.3 Chuẩn giao tiếp I2C 13 2.3 Giới thiệu phần cứng .20 2.3.1 Giới thiệu KIT Arduino Uno R3 .20 vi 2.3.2 Module Lora SX1278 433Mhz Ra-02 .23 2.3.3 Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT 11 24 2.3.4 Cảm biến độ ẩm đất: 25 2.3.5 Cảm biến cường độ ánh sáng GY-302 BH1750 .26 2.3.6 Module Relay 5V OPTO cách ly quang kênh: 28 2.3.7 Động bơm nước mini: 29 2.3.8 Mạch phun sương siêu âm 29 2.3.9 Module NodeMCU ESP32 DEVKIT V1 30 2.3.10 Module LCD20x4 I2C 31 2.3.11 Quạt 32 2.3.12 Module I2C .33 2.3.13 Module PCF8574 .34 2.3.14 Module ESP32 CAM 34 2.3.15 Module Keypad 35 2.4 2.5 Ngôn ngữ HTML 36 Ngôn ngữ CSS .37 2.6 Ngôn ngữ JavaScript 38 2.7 Cơ sở liệu firebase realtime database 38 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG 54 3.1 Giới thiệu 54 3.2 Yêu cầu hệ thống 54 3.3 Sơ đồ khối hệ thống 54 3.4 Tính tốn thiết kế phần cứng .55 3.4.1 Khối xử lý điều khiển trung tâm 55 3.4.2 Khối xử lý điều khiển phụ 56 3.4.3 Khối cảm biến 59 3.4.4 Khối thiết bị 60 3.4.5 Khối nút nhấn 61 3.4.6 Khối hiển thị .61 3.4.7 Khối camera .62 vii 3.4.8 Khối nguồn 63 3.5 Thiết kế phần mềm: 64 3.6 Lưu đồ giải thuật hệ thống .65 3.7 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch .69 3.8 Mạch in hệ thống .73 3.9 Thiết kế sở liệu firebase 74 3.10 Thiết kế web 77 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ 79 4.1 Kết hệ thống .79 4.1.1 Mơ hình phần cứng hệ thống 79 4.1.2 Web giám sát điều khiển .84 4.2 Kết hoạt động phần mềm hệ thống 86 4.2.1 Database web giám sát 86 4.2.2 Các thiết bị hoạt động .87 4.3 Kiểm tra, đánh giá khoảng cách truyền tin Lora 88 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .91 5.1 Kết luận .91 5.2 Hướng phát triển 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO .93 viii Hình 4.5 Hình thiết bị bơm hệ thống Hình 4.6 Hình thiết bị phun sương hệ thống 81 Hình 4.4, 4.5, 4.6 thiết bị quạt, bơm ,phun sương mà nhóm em dùng để điều khiển nhằm thay đổi thông số môi trường nhằm giúp trồng phát triển tốt gia tăng suất Hình 4.7 Cảm biến cường độ ánh sáng 82 Hình 4.8 Cảm biến độ ẩm đất Hình 4.9 Cảm biến nhiệt độ/độ ẩm 83 Các hình 4.7, 4.8, 4.9 cảm biến nhiệt độ/độ ẩm DHT11, cảm biến độ ẩm đất MS84, cảm biến ánh sáng BH1750 GY-302 đặt mơi trường mơ hình nhằm thu thập giá trị thông số môi trường cho hộp điều khiển web Hình 4.10 Hộp điều khiển từ xa (gateway) Hình 4.10 hộp điều khiển từ xa(gateway) bao gồm keypad 4x4 để điều khiển thiết bị hình LCD 20x4 Màn hình LCD 20x4 hiển thị: ● Các giá trị thu thập từ cảm biến, thông số cài đặt ● Các trạng thái hoạt động thiết bị 4.1.2 Web giám sát điều khiển Sau kết nối thành công với database, web giám sát nhận liệu thông số môi trường hiển thị để người dùng nắm thơng tin 84 Hình 4.11 Giao diện web giám sát điều khiển Hình 4,11 giao diện web giám sát giúp nắm bắt thông tin: ● Các giá trị thu tập từ cảm biến hiển thị lên màng hình web ● Ở chế độ tự động cho phép người dùng điều khiển thiết bị hoạt động tự động theo thông số thiết lập từ trước Các giá trị thu tập từ cảm biến hiển thị lên màng hình web ● Ở chế độ thủ cơng cho phép người dùng điều khiển thiết bị thao tác tay ● Hệ thống phát tình trang thiết bị báo trang web thiết bị có hư hỏng hay không 85 4.2 Kết hoạt động phần mềm hệ thống 4.2.1 Database web giám sát Hình 4.12 Dữ liệu thu nhập gửi database Hình 4.12 thể liệu lưu trữ Firebase Các liệu bao gồm: thông số môi trường mà cảm biến thu thập trạng thái điều khiển thiết bị Hình 4.13 Hình ảnh qua camera giám sát 86 Hình 4.13 cho thấy hệ thống camera hoạt động tốt, tùy chỉnh theo kích thước khung ảnh theo nhu cầu người tiêu dùng, hệ thống truyền liệu hình ảnh trồng, nhiên chất lượng hình ảnh chưa tốt 4.2.2 Các thiết bị hoạt động Hình 4.14 Quạt hoạt động 87 Hình 4.15 Phun sương hoạt động Hình 4.16 Bơm hoạt động Các hình 4.14, 4.15, 4.16 kết mà nhóm điều khiển thiết bị hoạt động nhằm thay đổi thông số môi trường cho phù hợp với trồng 4.3 Kiểm tra, đánh giá khoảng cách truyền tin Lora Khi Theo giới thiệu nhà sản xuất Module LoRa SX1278 433Mhz Ra-02 truyền gói tin với khoảng cách lên đến 10km Để kiểm tra khả truyền tin LoRa nhóm thử nghiệm sau: 88 Hình 4.17 khu vực thực kiểm tra truyền/nhận LoRA Hình 4.17 thể hai khu vực chọn để thử nghiệm LoRa, khu A khu vực gồm bãi đất trống nhà cao tầng, khu vực B khu vực gồm nhiều nhà cửa có số nhà cao tầng khoảng 20 – 25m Hình 4.18 Khoảng cách truyền/nhận LoRA khu vực A 89 Hình 4.19 khoảng cách truyền/nhận LoRA khu vực B Có thể thấy truyền tin khu vực nhiều bãi đất trống vật cản LoRa có khả truyền xa gói liệu hơn, ngược lại truyền nơi nhiều vật cản khu dân cư khoảng cách truyền bị thu hẹp lại gói liệu bị nhiều Kết chi tiết thể bảng bên Bảng 4.1 Tỉ lệ gói liệu hai khu vực Khu vực Khoảng cách tới Gateway Số gói liệu gửi Số gói liệu bị Tỷ lệ gói liệu bị A 2,2km 1200 70 5.83% B 1km 1200 435 36.25% 90 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết luận Mơ hình hệ thống Iot cho nhà kính thiết kế thi cơng sau thời gian tìm hiểu tài liệu vận dụng kiến thức học thu thập thơng số mơi trường: nhiệt độ, độ ẩm khơng khí, độ ẩm đất, cường độ ánh sáng lưu trữ chúng Firebase Nhóm thiết kế trang Web để giám sát thông số môi trường, trạng thái hoạt động thiết bị Người dùng dựa vào liệu để điều khiển thiết bị ( quạt, bơm, phun sương) theo chế độ : điều khiển tự động hay thủ cơng Ngồi ra, nhóm thiết kế hộp điều khiển Gateway nhằm hiển thị trạng thái hoạt động thông số mơi trường kèm với ma trận phím để điều khiển thiết bị tay.Sau cùng, để dảm bảo hệ thống hoạt động ổn định nhóm gắn thêm camera để cung cấp liệu hình ảnh để người dùng biết hệ thống có xảy lỗi hay khơng điều chỉnh cho thích hợp Sau rút kết luận đề tài, nhóm thấy đề tài có ưu nhược điểm sau: Ưu điểm: - Chi phí thiết kể tồn hệ thống rẻ, phù hợp với nhà kính nhỏ hộ gia đình - Có thể điều khiển thiết bị từ xa - Có thể theo dõi thơng số nhà kính từ nơi - Hệ thống hoạt động cách tự động Nhược điểm: - Hệ thống mức mơ hình, nghiên cứu - Số thiết bị điều khiển cịn hạn chế chưa đa dạng - Các thông số môi trường mức - Vì khơng phải điều khiển trực tiếp từ vi điều khiển nên việc điều khiển thiết bị có chậm trễ mặt thời gian 5.2 Hướng phát triển Với mong muốn giúp sức người nông dân đỡ vất vả, nâng cao chất lượng số lượng nơng sản, ngồi tính thiết kế nhóm dự định nâng cấp số tính cho hệ thống tương lai Hệ thống nâng cấp thu thập thêm nhiều thông số môi trường khác chẳng hạn : độ pH đất, nồng độ 𝐶𝑂2 , … Người dùng dễ dàng sử dụng nhờ giao diện Web gần gũi, thân thiện giám sát hệ thống hiệu với hình ảnh cải thiện chất lượng lẫn góc quan sát nhờ camera Tiếp 91 theo, để thân thiện với mơi trường sử dụng nguồn lượng mặt trời để thay nguồn hệ thống Cuối cùng, nhóm nghiên cứu để dùng Gateway điều khiển, giám sát nhiều thiết bị nhiều nhà kính thơng qua ứng dụng phát triển sử dụng Smartphone Android IOS 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] L.H.Thái, “CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUANG HỢP VÀ TRẮC NGHIỆM,” [Trực tuyến] Địa chỉ: https://123docz.net/document/4311117-cac-nhanto-anh-huong-den-quang-hop-va-trac-nghiem.htm [2] Q.Bảo, “Đọc nhiệt độ - độ ẩm xuất hình LCD,” 27/05/2014 [Trực tuyến] Địa chỉ: http://arduino.vn/bai-viet/91-doc-nhiet-do-do-am-va-xuat-ra-man-hinh-lcd [3] L.M.Hà P.Q.Huy, “Lập trình IoT với Arduino”, nhà xuất Thanh Niên, tháng 12 năm 2017 [4] P.V.Ất, KỸ THUẬT LẬP TRÌNH C CƠ SỞ VÀ NÂNG CAO, Tái lần thứ Hà Nội: Nhà Xuất Bản Giao Thông Vận Tải, 2006 [5] N.T.Chung P.D.Linh, “Nghiên cứu thực hệ thống vườn rau thông minh,” Luận văn tốt nghiệp, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, 2020 Tiếng Anh [6] Arduino, “Arduino UNO R3 datasheet,” [Online] Available: https://docs.arduino.cc/resources/datasheets/A000066-datasheet.pdf [Accessed May 26, 2022] [7] how2electronics, “Interfacing SX1278 (Ra-02) LORA Module with Arduino,” March 10, 2021 [Online] Available: https://how2electronics.com/interfacingsx1278-lora-module-with-arduino/ [Accessed May 26, 2022] [8] Phipps Electronics, “Using GY-302 Digital Light Intensity Sensor Module with Arduino,” [Online] Available: https://5.imimg.com/data5/TY/AK/MY-1833510/gy30-bh1750-intensity-digital-light-sensor-module.pdf [Accessed May 22, 2022] [9] Dejan, “Arduino Relay Tutorial - Control High Voltage Devices with Arduino ,” [Online] Available: https://howtomechatronics.com/tutorials/arduino/control-highvoltage-devices-arduino-relay-tutorial/ [Accessed May 23, 2022] [10] A.Raj, “Programming ESP32 Board with Arduino IDE,” October 15, 2018 [Online] Available: https://circuitdigest.com/microcontroller-projects/programming-esp32with-arduino-ide [Accessed May 25, 2022] 93 [11] L.Dinale, “How to Use the Esp32-Cam with Arduino IDE,” Feb 13, 2022 [Online] Available: https://all3dp.com/2/esp32-cam-arduino-tutorial/ [Accessed June 3, 2022] [12] Components101, “4x4 Keypad Module,” March 22, 2018 [Online] Available: https://components101.com/misc/4x4-keypad-module-pinout-configuration-featuresdatasheet [Accessed May 23, 2022] [13] w3schools, “HTML Tutorial,” [Online] Available: https://www.w3schools.com/html/default.asp [Accessed May 28, 2022] [14] w3schools, “CSS Tutorial,” [Online] Available: https://www.w3schools.com/css/default.asp [Accessed May 29, 2022] [15] w3schools, “JS Tutorial,” [Online] Available: https://www.w3schools.com/js/default.asp [Accessed May 29, 2022] [16] Firebase, “Firebase Realtime Database,” [Online] Available: https://firebase.google.com/docs/database [Accessed May 29, 2022] [17] S.Campbell, “Basics of the SPI communication protocol,” [Online] Available: https://www.circuitbasics.com/basics-of-the-spi-communication-protocol/ [Accessed May 18, 2022] [18] S.Campbell, “Basics of the UART communication protocol,” [Online] Available: https://www.circuitbasics.com/basics-uart-communication/ [Accessed May 18, 2022] [19] S.Campbell, “Basics of the I2C communication protocol,” [Online] Available: https://www.circuitbasics.com/basics-of-the-i2c-communication-protocol/ [Accessed May 18, 2022] 94