IOT VÀ VÀ HỆ THỐNG THEO DÕI VÀ CHĂM SÓC VƯỜN CÂY THUỐC NAM
Tổng quan về IoT
1.1.1 Khái niệm và lịch sử hình thành của IoT
Internet vạn vật (IoT) là hệ thống kết nối các thiết bị với Internet, cho phép chúng thu thập, truyền tải dữ liệu và được kiểm soát từ xa Các thiết bị trong IoT bao gồm "thiết bị kết nối" và "thiết bị thông minh" được tích hợp công nghệ như cảm biến, cơ cấu chấp hành và kết nối mạng IoT giúp tích hợp thế giới thực vào hệ thống điện toán, tăng hiệu suất, độ tin cậy, lợi ích kinh tế và giảm nhu cầu can thiệp của con người.
IoT là một kịch bản của thế giới, khi mà mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet Nói đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện một công việc nào đó.
Theo tạp chí thông tin IEEE, IoT là một khuôn dạng trong đó tất cả mọi thứ phải hiện diện trên Internet và phải có một đại diện Cụ thể hơn, IoT nhằm mục đích cung cấp các ứng dụng mới và dịch vụ cầu nối giữa thế giới thực và ảo Trong đó, truyền thông từ máy đến máy đại diện cho thông tin liên lạc cơ bản, nó cho phép tương tác giữa mọi thứ và các ứng dụng trong đám mây
Về cơ bản, Internet vạn vật (IoT) tạo ra kết nối sâu rộng giữa các thiết bị, hệ thống máy đối máy (M2M), đồng thời hỗ trợ nhiều giao thức, miền và ứng dụng Kết nối các thiết bị nhúng này dự kiến sẽ mở ra kỷ nguyên tự động hóa trong nhiều ngành công nghiệp, từ các ứng dụng chuyên sâu như lưới điện thông minh cho đến các lĩnh vực rộng lớn như thành phố thông minh.
Một ví dụ điển hình cho IoT là tủ lạnh thông minh, nó có thể là một chiếc tủ lạnh bình thường nhưng có gắn thêm các cảm biến bên trong giúp kiểm tra được số lượng các loại thực phẩm có trong tủ lạnh, cảm biến nhiệt độ, cảm biến phát hiện mở cửa… và các thông tin này được đưa lên internet
Hình 1.1 Mạng lưới thiết bị kết nối Internet
Với một danh mục thực phẩm được thiết lập trước bởi người dùng, khi mà một trong các loại thực phẩm đó sắp hết thì nó sẽ thông báo ngay cho chủ nhân nó biết rằng cần phải bổ sung gấp, thậm chí nếu các loại sản phẩm được gắn mã ID thì nó sẽ tự động trực tiếp gửi thông báo cần nhập hàng đến siêu thị và nhân viên siêu thị sẽ gửi loại thực phẩm đó đến tận nhà.
Bản thân khái niệm về các thiết bị được kết nối có từ năm 1832 khi máy điện báo điện từ đầu tiên được thiết kế Máy điện báo cho phép liên lạc trực tiếp giữa hai máy thông qua việc chuyển các tín hiệu điện Tuy nhiên, lịch sử IoT thực sự bắt đầu với sự phát minh ra internet - một thành phần rất thiết yếu - vào cuối những năm 1960, sau đó phát triển nhanh chóng trong những thập kỷ tiếp theo
Hình 1.2 Các dấu mốc trong lịch sử IoT
Vào năm 1980 thiết bị được kết nối đầu tiên là một máy bán hàng tự động của Coca-Cola đặt tại Đại học Carnegie Melon và được vận hành bởi các lập trình viên địa phương Họ đã tích hợp các công tắc vi mô vào máy và sử dụng một hình thức sơ khai của internet để xem liệu thiết bị làm mát có giữ cho đồ uống đủ lạnh hay không và có lon Coke hay không Phát minh này đã thúc đẩy các nghiên cứu sâu hơn trong lĩnh vực này và sự phát triển của các máy móc được kết nối với nhau trên toàn thế giới.
Năm 1990, John Romkey lần đầu tiên kết nối máy nướng bánh mì với Internet bằng giao thức TCP / IP Một năm sau, các nhà khoa học của Đại học Cambridge nảy ra ý tưởng sử dụng nguyên mẫu máy ảnh web đầu tiên để theo dõi lượng cà phê có sẵn trong bình cà phê của phòng máy tính tại địa phương của họ Họ lập trình webcam để chụp ảnh bình cà phê ba lần mỗi phút, sau đó gửi hình ảnh đến máy tính cục bộ, do đó cho phép mọi người xem có cà phê hay không.
Năm 1999 là một trong những năm quan trọng nhất đối với lịch sử IoT, vìKevin Ashton đã đặt ra thuật ngữ “internet vạn vật” Một nhà công nghệ có tầm nhìn xa, Ashton đang thuyết trình cho Procter & Gamble, nơi anh mô tả IoT như một công nghệ kết nối một số thiết bị với sự trợ giúp của thẻ RFID để quản lý chuỗi cung ứng Anh ấy đã đặc biệt sử dụng từ “internet” trong tiêu đề của bài thuyết trình của mình để thu hút sự chú ý của khán giả vì internet mới chỉ trở thành một vấn đề lớn vào thời điểm đó Mặc dù ý tưởng của anh ấy về kết nối thiết bị dựa trên RFID khác với IoT dựa trên IP ngày nay, nhưng bước đột phá của Ashton đã đóng một vai trò thiết yếu trong lịch sử vạn vật và sự phát triển công nghệ nói chung.
Vào đầu thế kỷ 21, thuật ngữ “internet vạn vật” được giới truyền thông sử dụng rộng rãi, với các tờ báo như The Guardian, Forbes và Boston Globe đã đề cập đến nó Mối quan tâm đến công nghệ IoT ngày càng tăng, dẫn đến Hội nghị quốc tế lần thứ nhất về Internet of Things được tổ chức tại Thụy Sĩ vào năm
2008, nơi những người tham gia từ 23 quốc gia thảo luận về RFID, truyền thông không dây tầm ngắn và mạng cảm biến.
Hơn nữa, một số phát triển lớn đã thúc đẩy sự phát triển của IoT Một là tủ lạnh kết nối Internet được LG Electronics giới thiệu vào năm 2000, cho phép người dùng mua sắm trực tuyến và gọi điện video Một sự phát triển thiết yếu khác là một robot hình con thỏ nhỏ tên là Nabaztag được tạo ra vào năm 2005 có khả năng thông báo những tin tức mới nhất, dự báo thời tiết và những thay đổi của thị trường chứng khoán.
Hình 1.3 Sự bùng nổ số lượng của các thiết bị IoT
Sự bùng nổ IoT được hỗ trợ bởi sự bổ sung của nó vào Gartner Hype Cycle cho các công nghệ mới nổi vào năm 2011 (hình 1.4).
Hình 1.4 IoT được thêm vào Gartner Hype Cycle
Cùng năm đó, IPv6 - một giao thức lớp mạng trung tâm của IoT - đã được ra mắt công khai.
Kể từ đó, các thiết bị kết nối với nhau đã trở nên phổ biến và thông dụng trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta Những gã khổng lồ công nghệ toàn cầu như Apple, Samsung, Google, Cisco và General Motors đang tập trung nỗ lực vào việc sản xuất các thiết bị và cảm biến IoT — từ bộ điều nhiệt và kính thông minh được kết nối với nhau cho đến ô tô tự lái IoT đã tiến vào hầu hết các ngành: sản xuất, chăm sóc sức khỏe, giao thông vận tải, dầu mỏ và năng lượng, nông nghiệp, bán lẻ, v.v Sự thay đổi mạnh mẽ này đã khiến chúng tôi tin rằng cuộc cách mạng IoT đang ở ngay đây, ngay bây giờ.
Cho đến ngày nay, các nền tảng IoT vẫn giữ vững vị trí trong số các xu hướng hàng đầu trong Chu kỳ Hype của Gartner năm nay, cùng với trợ lý ảo,nhà kết nối và ô tô tự lái cấp độ 4 Công nghệ này sẽ đạt năng suất cao nhất trong 5–10 năm nữa[ CITATION San \l 1033 ].
1.1.2 Các thành phần của hệ thống IoT
Hình 1.5 Thành phần hệ thống IoT.
IoT về cơ bản cấu tạo gồm 4 phần gồm: Vạn vật (Things), trạm kết nối (Gateways), hạ tầng mạng và điện toán đám mây (Network and Cloud) và các lớp tạo cung cấp dịch vụ (Services and Solution Layers)
Tổng quan về hệ thống theo dõi và chăm sóc vườn cây thuốc Nam
1.2.1 Giới thiệu về hệ thống theo dõi và chăm sóc vườn cây thuốc Nam
1.2.1.1 Một số khái niệm về cây thuốc Nam
Cây thuốc Nam dùng để chỉ những loại thuốc, thảo dược xuất phát từ trong nước hay còn gọi là thuốc ta để phân biệt với loại thuốc có nguồn gốc từ Trung Quốc (thuốc Bắc) Theo đánh giá của các chuyên gia Đông y, thuốc Nam phát triển, sinh trưởng trên lãnh thổ Việt Nam nên phù hợp với cơ địa người Việt Nam nhất
Thuốc Nam được chia ra thành nhiều loại khác nhau, bao gồm:
- Thang thuốc: Là một loại thuốc Nam được chế biến từ các loại thảo dược khác nhau, thường được đóng gói thành các gói, túi, hoặc viên nén Thang thuốc được sử dụng để điều trị nhiều loại bệnh khác nhau, từ các bệnh lý đơn giản như cảm cúm, đau đầu đến các bệnh lý nghiêm trọng hơn như ung thư.
Dược liệu tươi bao gồm các loại thực vật được sử dụng tươi hoặc khô theo Đông y Chúng thường được dùng để trị bệnh, bồi bổ sức khỏe, hoặc chế biến thức ăn và đồ uống Dược liệu tươi đóng vai trò quan trọng trong y học cổ truyền, cung cấp nhiều chất dinh dưỡng và hoạt chất có lợi cho sức khỏe con người.
- Tinh dầu: Là dầu được chiết xuất từ các loài thực vật, thường được sử dụng trong aromatheraoy hoặc massage Tinh dầu có thể được sử dụng để giảm đau, kháng khuẩn, giảm stress, và cải thiện tình trạng sức khỏe tổng thể.
- Thực phẩm chức năng chứa các thành phần từ thực vật và các nguồn khác, đóng vai trò bảo vệ sức khỏe hoặc cải thiện hoạt động cơ thể Thực phẩm chức năng có dạng viên nang, bột, đồ uống và các dạng khác.
- Bài thuốc: Là một loại thuốc Nam được lấy từ nhiều loại thảo dược khác nhau, được kết hợp với nhau để tang cường hiệu quả điều trị Bài thuốc thường được sử dụng để điều trị các bệnh lý nghiêm trọng hơn và thường được đặt theo toa của các bác sĩ hoặc chuyên gia y tế.
Hình 1.15 Hình ảnh vườn cây thuốc nam tại trạm thuốc nam.
1.2.1.2 Tình hình hiện nay của các loại thuốc nam tại nước ta
Việt Nam là một quốc gia có nhiều loại dược liệu quý, hiếm và vốn tri thức y học truyền thống dân tộc với nhiều bài thuốc có giá trị, thực sự là một kho tang vô giá để tạo ra các sản phẩm thuốc, dược liệu để phát triển nền y dược cổ truyền.
Với hệ sinh thái phong phú, Việt Nam được đánh giá là quốc gia có tiềm năng lớn về việc nuôi dưỡng và phát triển các cây thuốc quý Theo thống kê của Viện Dược liệu, Việt Nam đã ghi nhận trên 5.000 loài thực vật và nấm, 408 loài động vật và 75 loại khoáng vật có công dụng làm thuốc Trong số những loài đã công bố, có nhiều loài được xếp vào loại quý hiếm trên thế giới như: sâm Ngọc Linh, Tam thất hoang, Bách hợp, Thông đỏ… trong đó, sâm Ngọc Linh (hay sâm Việt Nam) là một trong những loại sâm có hàm lượng saponin nhiều nhất, cao hơn cả những loại sâm quý được nghiên cứu sử dụng lâu đời trên thế giới như sâm Triều Tiên, sâm Trung Quốc.
Tuy nhiên hiện nay, có nhiều loài cây thuốc đang đứng trước nguy cơ tuyệt chủng, hoặc ít nhất số lượng cá thể, quần thể cũng đang bị thu hẹp, giảm bớt dần, chủ yếu do các nguyên nhân sau:
Sử dụng cây thuốc nam không bền vững tại các trạm y tế, bao gồm khai thác quá mức hoặc không đúng cách, gây thiếu hụt nguồn thực vật và mất dần đa dạng sinh học.
Do được sử dụng phổ biến trong y học truyền thống và sở hữu nhiều giá trị dược lý, các loại cây thuốc nam đang được tiêu thụ với số lượng lớn, dẫn đến nguy cơ cạn kiệt Việc tiêu thụ quá mức có thể đẩy các loài cây này vào danh sách đỏ của các loài đang bị đe dọa Do đó, cần có biện pháp bảo vệ và sử dụng bền vững các loài cây thuốc nam để tránh hậu quả nghiêm trọng cho hệ sinh thái và y học.
Việc khai thác trái phép các loại cây thuốc nam từ các khu rừng hoặc các khu vực khác có thể dẫn đến mất các loài cây thuốc nam quý hiếm Điều này gây ra những hậu quả nghiêm trọng cho hệ sinh thái, đa dạng sinh học và kiến thức y học cổ truyền của chúng ta Do đó, cần thực hiện các biện pháp bảo vệ nghiêm ngặt để ngăn chặn tình trạng khai thác trái phép và bảo tồn nguồn gen quý giá này.
- Biến đổi môi trường: Các thay đổi môi trường tự nhiên, bao gồm sự thay đổi khí hậu, sự suy thoái đất và sự ô nhiễm môi trường, có thể ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của các loài cây thuốc nam và dẫn đến sự suy giảm của chúng.
1.2.1.3 Giới thiệu về vườn thông minh
Vườn thông minh (tiếng Anh là "Smart Garden") là một khu vườn được trang bị hệ thống tự động tiên tiến dành cho điều khiển hệ thống tưới tiêu, chiếu sáng, giám sát nhiệt độ độ ẩm, an ninh và nhiều tính năng khác nhằm mục đích làm cho hoạt động sản xuất nông nghiệp ngày càng tiên tiến, an toàn và góp phần sử dụng hợp lý các nguồn tài nguyên.
Một trong những ví dụ cơ bản nhất của vườn thông minh là một hệ thống kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất của khu vườn nhằm điều khiển hệ thống tưới tiêu giúp tiết kiệm điện, nước Hệ thống cũng có thể điều khiển mái che giúp kiểm soát nhiệt độ trong khu vườn, hệ thống camera giám sát, hệ thống phòng ngừa trộm.
LỰA CHỌN THIẾT BỊ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM
Sơ đồ khối hệ thống
2.1.1 Sơ đồ khối tổng quát
Hình 2.1 Sơ đồ khối tổng quát
- Khối xử lý: sử dụng esp32-wroom có bộ nhớ …kb lớn, tốc độ xử lý nhanh và mạnh mẽ Làm trung tâm điều khiển của cả hệ thống, có khả năng kết nối internet.
- Khối nguồn: có nhiệm vụ cung cấp năng lượng điện cho toàn bộ hệ thống làm việc Bộ nguồn được trang bị có khả năng biến đổi điện áp nhằm tạo ra điện áp cho các khối một cách liên tục và ổn định.
- Khối cảm biến: gửi các giá trị từ cảm biến trả về cho khối xử lý tính toán.
- Khối hiển thị: sử dụng màn hình LCD2004 để hiện thị thông tin.
- Khối động cơ, đèn: hoạt động khi có tín hiệu điều khiển.
- Khối nút nhấn: sử dụng nút nhấn để bật, tắt máy bơm thủ công
2.1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống
- Khi thiết bị được cắm nguồn, các module cảm biến sẽ đọc giá trị từ môi trường và đưa về khối xử lý trung tâm để xử lý dữ liệu Sau đó khối xử lý trung tâm sẽ đưa dữ liệu vào khối động cơ, khối thời gian thực Các dữ liệu sẽ được hiển thị trên màn hình LCD và app Blynk
- Ở chế độ thủ công, sử dụng nút nhấn trên thiết bị hoặc trên app Blynk để bật – tắt máy bơm.
- Dữ liệu luôn luôn được đẩy tự động lên app Blynk.
Lựa chọn thiết bị
2.2.1 Khối xử lý trung tâm ESP32 Wroom-32
Mô-đun ESP32-Wroom-32 là một thiết bị WiFi tích hợp cả vi điều khiển và chip Wi-Fi, do Espressif Systems phát triển Nhờ thiết kế này, ESP32-Wroom-32 cho phép người dùng kết nối với Internet thông qua Wi-Fi.
ESP32-WROOM-32 là mô đun MCU đa dụng, mạnh mẽ và được sử dụng rộng rãi trong thiết kế mạch PCB Wifi- Bluetooth, BLE được ứng dụng rất phổ biến cho nhiều ứng dụng về IoT hiện nay Phạm vi ứng dụng từ mạng sensor tiết kiệm năng lượng đến những ứng dụng với tác vụ phức tạp nhất, như mã hóa âm thanh, âm nhạc trực tuyến đến giải mã MP3.
Lõi của module là họ chip ESP32-D0WDQ6, chip nhúng được thiết kế cho khả năng mở rộng và tùy biến cao Có đến 2 lõi CPU độc lập có thể điều khiển, tần số clock của CPU có thể được điều chỉnh tử 80MHZ đến 240 Mhz Người lập trình có thể tắt CPU để sử dụng bộ đồng xử lý công suất thấp để theo dõi sự thay đổi hoặc vượt ngưỡng của các ngoại vi ESP32 tích hợp bộ ngoại vi khá phong phú từ cảm biến điện dung, cảm biến Hall, SD card, Ethernet, SPI tốc độ cao, UART, I2S hay I2C.
Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của ESP32 Wroom-32
Chip xử lí ESP32-D0WD
Antenna đầu nối U.FL (giúp kết nối với anten IPEX bên ngoài) Network protocols IPv4, IPv6, SSL, TCP/UDP/HTTP/FTP/MQTT User configuration AT instruction set, cloud server, Android/iOS app Wi-Fi mode Station/SoftAP/SoftAP+Station/P2P
Wi-Fi Security WPA/WPA2/WPA2-Enterprise/WPS
Các giao thức 802.11 b/g/n (802.11n up to 150 Mbps)
A-MPDU and A-MSDU aggregation and 0.4 às guard interval support
Phạm vi tần số 2.4 ~ 2.5 GHz
Các giao thức Bluetooth v4.2 BR/EDR and BLE specification
Radio NZIF receiver with –97 dBm sensitivity
Class-1, class-2 and class-3 transmitter AFH
Encryption AES/RSA/ECC/SHA
Firmware upgrade UART Download / OTA
Software development Supports Cloud Server Development / SDK for custom firmware development Module interface SD card, UART, SPI, SDIO, I2C, LED PWM,
Motor PWM, I2S, IR On-chip sensor Hall sensor
On-board clock 40 MHz crystal Điện áp hoạt động 2.7 ~ 3.6V
Dòng điện hoạt động trung bình: 80 mA
Dòng điện tối thiểu lấy từ nguồn điện
Adapter 12V 2A là một bộ chuyển đổi nguồn điện được sử dụng để cung cấp nguồn điện ổn định với điện áp đầu ra là 12V và dòng điện đầu ra là 2A Nó được thiết kế để chuyển đổi nguồn điện từ nguồn vào (thường là ổ cắm điện) thành nguồn điện cần thiết cho các thiết bị điện tử và các mạch khác.
Adapter 12V 2A thường được sử dụng cho các thiết bị điện tử như đènLED, camera an ninh, mạch điều khiển, loa di động, đầu ghi hình, router, và nhiều thiết bị khác.
Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật của Adapter 12V 2A
Phân loại Nguồn xung Điện áp đầu vào 100VAC ~ 240VAC
Tần số 50/60Hz Điện áp đầu ra 120VDC
Dòng điện tối đa đầu ra 2A Đầu vào AC Jack AC 2 chân Đầu ra DC 5.5mm * 2.1mm
Pin 18650 là pin có kích thước 18mm x 65mm Mã pin 18650 dành riêng cho kích thước của pin lithium-ion với nhiều thương hiệu sản xuất như pin panasonic, sony, ansmann, akasha… đã trở thành tiêu chuẩn vàng mới cho pin có thể thay thế và có thể sạc lại.
Pin 18650 cung cấp hiệu suất của một pin lithium-ion, công suất trong khoảng 1800mAh đến khoảng 3500mAh và công suất 3,7 volt Chúng được sử dụng trong một loạt các thiết bị từ máy tính xách tay đến con trỏ laser và các phụ kiện máy ảnh như gimbals và thanh trượt, đèn pin…
Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật của pin 18650
Loại cell Lithium Lion Dung lượng 2600mAh/ 3000mAh Điện áp 3.7V
2.2.3 Khối hiển thị màn hình LCD
LCD text LCD2004 xanh dương là một loại màn hình hiển thị LCD (Liquid Crystal Display) được sử dụng để hiển thị các ký tự văn bản Màn hình này có độ phân giải 20x4, có thể hiển thị tối đa 20 ký tự trên mỗi hàng và có tổng cộng
Màn hình LCD2004 xanh dương có đèn nền LED xanh dương, tạo ra một hiệu ứng ánh sáng đẹp và dễ nhìn Nó được điều khiển bằng một vi điều khiển, chẳng hạn như Arduino, và có thể được sử dụng để hiển thị các thông tin như
Màn hình LCD2004 xanh dương có tính năng tiết kiệm năng lượng và có thể hoạt động với điện áp thấp Nó cũng có thể được điều chỉnh độ sáng và độ tương phản, để hiển thị các ký tự văn bản rõ ràng và dễ đọc hơn.
Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật của màn hình LCD2004
Màu sắc: Xanh dương Độ phân giải 20 x 4 Điện áp hoạt động 5 V Dòng điện hoạt động 15 mA Độ sáng 200 cd/m²
Thời gian phản hồi 50 ms Nhiệt độ hoạt động 0°C ~ 50°C
2.2.4.1 Module cảm biến ánh áng
Cảm biến ánh sáng là thiết bị quang điện có khả năng biến đổi ánh sáng (bao gồm cả ánh sáng nhìn thấy và tia hồng ngoại) thành tín hiệu điện Đây là một dạng cảm biến thông minh, sử dụng mắt cảm biến để nhận biết những thay đổi của môi trường, từ đó điều chỉnh ánh sáng phù hợp.
Hình 2.6 cảm biến ánh sáng
Hình 2.5 Bảng thông số của Module cảm biến ánh sáng
Phạm vi đo 0 lux ~ 65535 lux Độ chính xác ±1 Lux (trong phạm vi 0 Lux đến 20000 Lux) Thời gian phản hồi 125 Điện áp hoạt động 3.3V ~ 5v
Dòng điện hoạt động 10 mA
2.2.4.2 Module cảm biến độ ẩm đất
Cảm biến độ ẩm đất là một thiết bị được sử dụng để đo lường mức độ ẩm của đất Nó cung cấp thông tin về lượng nước hiện có trong đất, giúp người dùng quản lý tưới tiêu và theo dõi sự phát triển của cây trồng
Cảm biến độ ẩm đất thường có hai thành phần chính: điện cực và mạch đo. Điện cực thường được làm bằng các chất liệu dẫn điện, như thép không gỉ hoặc đồng, được chôn vào trong đất Mạch đo sẽ đo lường điện trở giữa các điện cực và chuyển đổi nó thành giá trị độ ẩm tương ứng.
Cảm biến độ ẩm đất thường được kết nối với vi điều khiển hoặc hệ thống giám sát để ghi lại dữ liệu và thực hiện các hành động tương ứng, như tưới nước khi độ ẩm thấp hoặc dừng tưới khi độ ẩm đạt mức đủ.
Giải pháp phần mềm
2.3.1 Phần mềm lập trình cho module điều khiển
Arduino IDE là phần mềm mã nguồn mở dùng để viết và biên dịch mã lệnh cho module Arduino, bao gồm Editor, Debugger, Compiler, Interpreter Đây là phần mềm chính thức của Arduino, dễ sử dụng cho cả người mới bắt đầu Arduino IDE có phiên bản cho các hệ điều hành như MAC, Windows, Linux và chạy trên nền tảng Java, đi kèm các chức năng và lệnh sẵn có quan trọng để gỡ lỗi, chỉnh sửa và biên dịch mã Trên thị trường có nhiều loại module Arduino như Arduino Uno, Arduino Mega, Arduino Leonardo, Arduino Micro
Môi trường IDE ᴄhủ уếu ᴄhứa hai phần ᴄơ bản: Trình ᴄhỉnh ѕửa và trình biên dịch Trong đó trình chỉnh sửa được ѕử dụng để ᴠiết mã lệnh đượᴄ уêu ᴄầu Trình biên dịch đượᴄ ѕử dụng để biên dịᴄh ᴠà tải mã lệnh lên Module Arduino, môi trường nàу hỗ trợ ᴄả ngôn ngữ C ᴠà C ++.
Hoạt động Arduino IDE: Khi người dùng viết mã và biên dịch, IDE sẽ tạo file Hex cho mã File Hex là các file thập phân Hexa được Arduino hiểu và gửi đến bo mạch bằng cáp USB Mỗi bo Arduino đều được tích hợp một bộ vi điều khiển, bộ vi điều khiển sẽ nhận file Hex và chạy theo mã được viết. Ưu điểm của Arduino IDE:
- Phần mềm lập trình mã nguồn mở miễn phí.
- Sử dụng ngôn ngữ lập trình C/C++ thân thiện với các lập trình viên.
- Hỗ trợ lập trình tốt cho bo mạch Arduino.
- Thư viện hỗ trợ phong phú.
- Giao diện đơn giản, dễ sử dụng.
- Hỗ trợ đa nền tảng như Windows, MacOS, Linux
Blynk là một nền tảng với các ứng dụng iOS và Android để điều khiển Arduino, Raspberry Pi và các ứng dụng tương tự qua Internet.
Nó là một bảng điều khiển kỹ thuật số nhờ đó bạn có thể xây dựng giao diện đồ họa cho dự án của mình bằng cách kéo và thả các widget.
Việc thiết lập mọi thứ rất đơn giản và bạn sẽ bắt đầu sau chưa đầy 5 phút. Blynk không bị ràng buộc với một số bo hoặc shield cụ thể Thay vào đó, nó hỗ trợ phần cứng mà bạn lựa chọn Cho dù Arduino hoặc Raspberry Pi của bạn được liên kết với Internet qua Wi-Fi, Ethernet hoặc chip ESP8266, Blynk sẽ giúp bạn online và sẵn sàng cho IoT.
Hình 2.16 Giao diện app Blynk
Cách hoạt động của Blynk:
Blynk được thiết kế riêng cho IoT, cho phép điều khiển phần cứng từ xa, hiển thị dữ liệu cảm biến, lưu trữ và trực quan hóa dữ liệu, mở ra nhiều khả năng thú vị cho người dùng.
Có ba thành phần chính trong nền tảng: Ứng dụng Blynk - cho phép bạn tạo giao diện cho các dự án của mình bằng cách sử dụng các widget khác nhau.
Blynk Server - chịu trách nhiệm về tất cả các giao tiếp giữa điện thoại thông minh và phần cứng Bạn có thể sử dụng Blynk Cloud hoặc chạy cục bộ máy chủ Blynk riêng của mình Nó là mã nguồn mở, có thể dễ dàng xử lý hàng nghìn thiết bị và thậm chí có thể được khởi chạy trên Raspberry Pi.
Thư viện Blynk hỗ trợ mọi nền tảng phần cứng phổ biến, giúp thiết bị có thể giao tiếp với máy chủ và xử lý tất cả các lệnh gửi đến, đi.
Mỗi khi bạn nhấn một nút trong ứng dụng Blynk, thông điệp sẽ truyền đến không gian của đám mây Blynk, và tìm đường đến phần cứng.
2.3.3 Phần mềm vẽ mạch Altium Designer
Hình 2.17 Phần mềm Altium Designer
Altium Designer là một phần mềm chuyên dụng dùng để thiết kế mạch,được phát triển bởi Altium Limitted Nó bao gồm tất cả những công cụ cần thiết cho một bản thiết kế mạch điện tử hoàn chỉnh và kết hợp tất cả các công nghệ,các chức năng cần thiết cho việc phát triển sản phẩm điện tử, như thiết kế bo mạch và FPGA, phát triển phần mềm nhúng cho FPGA và các bộ quản lý rời rạc, bố trí mạch in (PCB) Vì vậy phần mềm này đang là một trong những phần mềm vẽ mạch điện tử được ưa chuộng tại Việt Nam Ngoài ra, Altium Designer còn có chức năng thống nhất toàn bộ các quá trình tích hợp duy nhất, kết hợp quản lý dữ liệu giúp cho người thiết kế, giúp cho họ có thể quản lý mạch, trích xuất file, thống kê linh kiện một cách dễ dàng.
Giao diện thiết kế, quản lý và chỉnh sửa thân thiện, dễ dàng biên dịch, quản lý file, quản lý phiên bản cho các tài liệu thiết kế.
Hỗ trợ thiết kế mạch tự động, đi dây tự động theo thuật toán tối ưu, phân tích lắp ráp linh kiện Hỗ trợ tìm giải pháp thiết kế mới hoặc chỉnh sửa mạch, linh kiện, netlist có sẵn theo các tham số mới.
Mở, xem và in các file thiết kế mạch dễ dàng với đầy đủ các thông tin linh kiện, netlist, dữ liệu bản vẽ, kích thước, số lượng…
Hệ thống các thư viện linh kiện phong phú, chi tiết và hoàn chỉnh bao gồm tất cả các linh kiện nhúng, số, tương tự… Đặt và sửa đối tượng trên các lớp cơ khí, định nghĩa các luật thiết kế, tùy chỉnh các lớp mạch in, chuyển từ schematic sang PCB, đặt vị trí linh kiện trên PCB.
Mô phỏng mạch PCB 3D, đem lại hình ảnh mạch điện trung thực trong không gian 3 chiều, hỗ trợ MCAD-ECAD, liên kết trực tiếp với mô hình STEP, kiểm tra khoảng cách cách điện, cấu hình cho cả 2D và 3D
Hỗ trợ thiết kế PCB sang FPGA và ngược lại.
Altium Designer yếu về phần mô phỏng mạch.
Phần mềm có nhiều file nên yêu cầu máy tính cài đặt phải có cấu hình cao.
THIẾT KẾ, THI CÔNG HỆ THỐNG
Sơ đồ thiết bị
Hình 3.1 Sơ đồ thiết bị
Thiết kế phần cứng
Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý
Sơ đồ khối tổng quan:
Khối nguồn: Cung cấp điện cho toàn bộ hệ thống.
Khối nút nhấn, cảm biến: Đây là các khối cho phép tương tác với hệ thống. Nút nhấn có thể được sử dụng để thực hiện các hoạt động như bật/tắt hoặc kích hoạt một chức năng cụ thể Cảm biến được sử dụng để thu thập dữ liệu từ môi trường.
Khối hiển thị: Sử dụng màn hình để hiển thị thông tin.
Khối máy bơm: Được sử dụng để kích hoạt máy bơm bởi hệ thống.
Khối thời gian thực: Theo dõi và kiểm soát thời gian trong hệ thống.
ESP32-Wroom32 được chọn làm vi điều khiển cốt lõi, đảm nhiệm vai trò điều khiển toàn bộ hệ thống Khả năng xử lý tốc độ cao và kết nối internet của ESP32-Wroom32 cho phép nó điều khiển hiệu quả các khối khác, đảm bảo hệ thống hoạt động trơn tru và hiệu quả.
Hình 3.3 Sơ đồ đi dây BOTTOM LAYER
Mạch in sau khi phủ đồng GND:
Hình 3.4 Mạch sau khi phủ đồng GND
Hình ảnh 3D sau khi thiết kế:
Hình 3.5 Mặt trước bảng mạch sau khi thiết kế
Hình 3.6 Mặt sau bảng mạch sau khi thiết kế
Thiết kế phần mềm
3.3.1.1 Lưu đồ giải thuật mạch điều khiển:
Hình 3.7 Lưu đồ điều khiển thiết bị
Khi thiết bị được cấp nguồn, chương trình thực hiện khởi tạo các GPIO, các cảm biến và thực hiện kết nối với Wifi.
Sau khi khởi tạo thành công, thiết bị thực hiện kết nối với Blynk Cloud, sau đó kiểm tra chế độ hoạt động Với chế độ tự động, hệ thống sẽ hoạt động một cách tự động mà không cầm đến sự can thiệp của người sự dụng Với chế độ thủ công, hệ thống sử dụng thêm thiết bị di động như điện thoại để bật/tắt máy bơm thực hiện cho việc tưới tiêu nước
Việc theo dõi, điều khiển có thể được thực hiện từ xa thông qua App Blynk.
3.3.1.2 Lưu đồ giải thuật App blynk
Hình 3.8 Lưu dồ giải thuật AppBlynk
Các thao tác trên ứng dụng Blynk được thực hiện ở 2 chế độ tự động và thủ công. Ở chế độ tự động, hệ thống sẽ tự động theo dõi các thông số môi trường như độ ẩm đất, nhiệt độ, ánh sáng và thực hiện các hành động điều khiển mà không cần đến sự can thiệp từ người dùng. Ở chế độ thủ công, người dùng sẽ thực hiện việc bật/tắt máy bơm hoặc thực hiện các hành động khác mà người dùng muốn can thiệp vào hệ thống.
Hình 3.19 Giao diện hiển thị
Giao diện App bynk được hiện thị với các chức năng theo dõi và điều khiển, bật tắt máy bơm. Đối với theo dõi, hệ thống thực hiện theo dõi dựa trên kết quả thu thập được từ các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, mưa, độ ẩm đất Sau đó hiển thị thông số lên màn hình. Đối với điều khiển, hệ thống thực hiện điều khiển 2 máy bơm tưới.
Hình 3.10 Biến sử dụng tương ứng với các cảm biến, máy bơm.
Triền khai thử nghiệm
3.4.1 Lắp ráp và hiệu chỉnh mạch
Hình 3.11 Thiết bị sau khi được thi công
Hình 3.12 Khi đất ẩm, máy bơm không hoạt động
Hình 3.14 Khi đất khô, máy bơm hoạt động để cấp nước
3.4.2 Thông số kỹ thuật và hướng dẫn sử dụng
Bảng 3.1 Bảng thông số kỹ thuật
Nguồn: Sử dụng Adapter 5V2A và pin 18650 để cấp nguồn cho thiết bị
Dung lượng pin: 1500mAh ~ 3500mAh
Phạm vi hoạt động: Trong không gian nhỏ như ban công hoặc căn hộ
Kích thước vỏ hộp: 158x90x60mm
Tính năng: - Tự động chăm sóc, theo dõi vườn cây thuốc nam đảm bảo ổn định về các tham số nhiệt độ, độ ẩm, ánh sang
- Tự động tưới cây khi có cảnh báo độ ẩm thấp hoặc nhiệt độ cao, tự động bật đèn khi thiếu ánh sang
- Hiển thị các tham số như nhiệt độ, độ ẩm, thời gian, trạng thái bơm lên màn hình LED
3.4.2.2 Hướng dẫn sử dụng, thao tác
Bước 1: Tiến hành cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống mạch và pin cho máy bơm
Bước 2: Chờ đến khi ESP32 được kết nối với wifi, mở ứng dụng điều khiển trên AppBlynk lên Khi TCP/IP được kết nối, tiến hành điều khiển, giám sát trực tiếp trên giao diện.
Sau khi tiến hành cấp nguồn, người sử dụng mở ứng dụng, nhấn nút điều khiển trên màn hình Tín hiệu sẽ điều khiển đến khối xử lý trung tâm, khối xử lý trung tâm sẽ gửi tín hiệu điều khiển đến mạch công suất, các thiết bị điện sẽ được bật tắt tương ứng với thao tác người dùng Sau đó trạng thái của thiết bị sẽ được gửi lên Server thông qua Internet Server này chính là TCP/IP, nơi tiến hành xử lý dữ liệu vừa nhận được và lưu lại trạng thái của từng thiết bị.
Đánh giá hệ thống
Trong quá trình vận hành hệ thống, em đã ghi nhận lại được kết quả tổng hợp.
Bảng 3.2 Bảng đánh giá chung hệ thống
Thời gian đáp ứng Đánh giá Điều khiển thiết bị qua ứng dụng
Cập nhật trạng thái thiết bị
Giám sát cảm biến Ổn định Ổn định 10 giây Đạt Đánh giá chung Đạt
Theo bảng số liệu thống kê trên, hệ thống về cơ bản đã đáp ứng được mục tiêu đề ra Hệ thống hoạt động ổn định sau nhiều lần chạy thử, đảm bảo độ an toàn cao, dễ lắp đặt và sử dụng Tuy nhiên, để đưa hệ thống vào thực tế, nhóm cần hoàn thiện thêm một số phương diện: tăng tốc độ điều khiển và phản hồi, tối ưu hóa mô hình, bổ sung thêm các chức năng như giám sát tại nơi điều khiển, cảnh báo chống trộm, báo cháy.
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Đề tài "THIẾT KẾ HỆ THỐNG THEO DÕI VÀ CHĂM SÓC VƯỜN CÂY THUỐC NAM TẠI TRẠM Y TẾ" đã được nghiên cứu, thực hiện theo các mục tiêu đề ra, bao gồm ba chương sau: Cập nhật thực trạng các hệ thống theo dõi và chăm sóc vườn cây thuốc nam hiện nay, thiết kế hệ thống theo dõi và chăm sóc vườn cây thuốc nam tại Trạm Y tế, ứng dụng hệ thống theo dõi và chăm sóc vườn cây thuốc nam vào thực tế tại Trạm Y tế.
Chương 1 giới thiệu về Internet of Things, ứng dụng, kiến trúc của Internet of Things trong đời sống hằng ngày và giới thiệu những khái niệm về vườn cây thuốc nam cũng như những mô hình vườn cây thông minh ở nước ta và trên thế giới
Chương 2 nghiên cứu về cấu trúc, sơ đồ khối của khối điều khiển thiết bị, giới thiệu về các linh kiện có trong các khối, các phần mềm sẽ được sử dụng trong đề tài.
Chương 3 là quá trình thiết kế mô hình chăm soc vườn cây thuốc nam từ những kiến thức và linh kiện đã được tìm hiểu từ hai chương trước: Vẽ sơ đồ thiết bị, sơ đồ nguyên lý hệ thống, lưu đồ thuật toán và thi công mạch, sản phẩm và viết phần mềm cho cả hệ thống.
Thực hiện được cơ bản các chức năng của đề tài
Mạch điều khiển nhỏ gọn, hoạt động khá ổn định, thời gian đáp ứng khá nhanh.
Giao diện điều khiển và giám sát dễ sử dụng, thân thiện người dùng.
Mô hình hệ thống có tính thẩm mỹ cao, độ chính xác, tính an toàn và dễ dàng thao tác với người dùng.
Phù hợp cho các hệ thống điện trong phòng học, hộ gia đình.
Chưa tương thích được với các hệ thống có quy mô lớn.
Chưa có các chức năng cảnh báo chống trộm, cảnh báo cháy nổ. Độ chính xác về độ ổn định của tham số còn chưa chuẩn vì sử dụng linh kiện còn rẻ tiền, mang tính chất dành cho sinh viên.
Hệ thống hiện tại đã đáp ứng được việc điều khiển các thiết bị Trong quá trình thực hiện, em thấy rằng đề tài này rất phổ biến, có tính ứng dụng rất cao trong nhiều dự án thực tế Vì vậy em đưa ra một số đề xuất nhằm cải tiến và nâng cấp hệ thống:
Mở rộng số lượng cũng như công suất thiết bị điều khiển.
Giám sát nơi điều khiển bằng camera, cảnh báo chống trộm, báo cháy. Điều chỉnh độ sáng đèn, tốc độ quạt, nhiệt độ điều hòa.
Viết app riêng cho thiết bị để có tính bảo mật tốt hơn, vì thiết bị vẫn đang còn phụ thuộc vào nền tảng có sẵn App Blynk.
Hướng tới những linh kiện có độ chính xác cao.
