Thiết kế mô hình trồng rau thủy canh trụ đứng dựa trên nền tảng iots

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CNKT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG THIẾT KẾ MƠ HÌNH TRỒNG RAU THỦY CANH TRỤ ĐỨNG DỰA TRÊN NỀN TẢNG IOTS GVHD: TH.S LÊ MINH THÀNH SVTH : PHẠM NGUYỄN NGỌC TRINH LÊ PHI YẾN SKL011187 Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH -KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ MƠ HÌNH TRỒNG RAU THỦY CANH TRỤ ĐỨNG DỰA TRÊN NỀN TẢNG IOTS NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Hướng dẫn: TH.S LÊ MINH THÀNH Sinh viên: PHẠM NGUYỄN NGỌC TRINH MSSV: 19161181 LÊ PHI YẾN MSSV: 19161200 Thành Phố Hồ Chí Minh - 07/2023 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** Tp Hồ Chí Minh, ngày 02 tháng 03 năm 2023 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Lê Phi Yến MSSV: 19161200 Họ tên sinh viên 2: Phạm Nguyễn Ngọc Trinh MSSV: 19161181 Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử - Viễn thông Lớp: 19161CLVT1B, 19161CLVT2A Giảng viên hướng dẫn: ThS Lê Minh Thành Ngày nhâ ̣n đề tài: Ngày nộp đề tài: 23/06/2023 02/03/2023 Tên đề tài: THIẾT KẾ MƠ HÌNH TRỒNG RAU THỦY CANH TRỤ ĐỨNG DỰA TRÊN NỀN TẢNG IOTS Các số liệu, tài liệu ban đầu: Các kiến thức mơn Kỹ thuật số, Lập trình C, Mạch điện, Điện tử bản, Vi xử lý, Arduino Nội dung thực hiê ̣n đề tài: - Tìm hiểu cảm biến module HC-SR04, PH, TDS, LM35 - Thiết kế hệ thống mô mạch Proteus - Viết chương trình cho hệ thống - Kiểm tra chạy khối linh kiện - Chỉnh sửa kiểm tra mạch - Ráp khối linh kiện với nhau, thiết kế thi cơng mơ hình hệ thống - Viết báo cáo, đánh giá kết thực TRƯỞNG NGÀ NH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN LỜI CAM KẾT Tên đề tài: THIẾT KẾ MƠ HÌNH TRỒNG RAU THỦY CANH TRỤ ĐỨNG DỰA TRÊN NỀN TẢNG IOTS GVHD: ThS Lê Minh Thành Ho ̣ tên sinh viên: Lê Phi Yến MSSV: 19161200 Lớp: 19161CLVT2A Số điện thoại liên lạc: 0941483487 Email: 19161200@student.hcmute.edu.vn Ho ̣ tên sinh viên: Phạm Nguyễn Ngọc Trinh MSSV: 19161181 Số điện thoại liên lạc: Lớp: 19161CLVT1B 0373829315 Email: 1916121181@student.hcmute.edu.vn Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): 23/06/2023 Lời cam kết: “Chúng xin cam đoan khố luận tốt nghiệp (ĐATN) cơng trình tơi nghiên cứu thực Chúng tơi khơng chép từ viết cơng bố mà khơng trích dẫn nguồn gốc Nếu có vi phạm nào, chúng tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm” Tp Hồ Chí Minh, ngày 23 tháng 06 năm 2023 Ký tên Phạm Nguyễn Ngọc Trinh i Lê Phi Yến LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến Thầy Lê Minh Thành hướng dẫn tận tâm suốt trình thực đề tài "Thiết kế mơ hình trồng rau thủy canh trụ đứng dựa tảng IoT" Thầy hỗ trợ, tạo điều kiện đưa lời khuyên giúp chúng em cải thiện hạn chế đề tài cách tốt Kiến thức kinh nghiệm mà Thầy chia sẻ tài sản giúp chúng em phát triển tương lai Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất quý Thầy/Cô khoa đào tạo chất lượng cao dành thời gian tâm huyết để hướng dẫn giảng dạy chúng em suốt thời gian học tập trường Những kiến thức quý báu chúng em học tập làm việc trường tảng giúp chúng em phát triển khả tư sáng tạo cho công việc tương lai Mặc dù chúng em nỗ lực với khả q trình thực đề tài này, khơng thể tránh khỏi thiếu sót kiến thức kỹ Rất mong đánh giá góp ý từ Thầy/Cơ bạn để chúng em hoàn thiện đề tài cách tốt Chân thành cảm ơn! Người thực đề tài Phạm Nguyễn Ngọc Trinh ii Lê Phi Yến TÓM TẮT Trong thời đại nay, công nghệ đại ứng dụng thông minh phát triển mạnh mẽ, Internet of Things trở thành yếu tố quan trọng nhiều lĩnh vực, từ hệ thống quản lý điện từ xa đến nhà thông minh Đề tài "Thiết Kế Mơ Hình Trồng Rau Thủy Canh Trụ Đứng Dựa Trên Nền Tảng IoTs" ứng dụng IoT nhằm tiết kiệm thời gian công sức người dùng trình trồng rau nhà Nội dung đồ án tập trung vào việc thiết kế triển khai mơ hình hệ thống trồng rau thủy canh trụ đứng với quy mô phù hợp cho hộ gia đình Hệ thống hoạt động hai chế độ: tự động thủ công Trong chế độ tự động, hệ thống tự động điều chỉnh hàm lượng chất dinh dưỡng nồng độ pH bồn chứa theo ngưỡng cài đặt, tự động bơm nước liên tục cho trụ thủy canh, tự động tắt máy bơm mực chất dinh dưỡng thấp ngưỡng cài đặt Trong chế độ thủ công, người dùng điều khiển thiết bị điện thơng qua nút nhấn Bên cạnh đó, nhóm thực thiết kế trang web qua người dùng theo dõi thông số từ cảm biến theo thời gian thực, thay đổi chế độ hoạt động hệ thống trạng thái thiết bị điện Website thiết kế với giao diện thân thiện chức đơn giản giúp người dùng dễ dàng quản lý sử dụng Vì hạn chế thời gian thực đồ án, nhóm sinh viên thực mong nhận ý kiến đóng góp từ q thầy bạn iii MỤC LỤC LỜI CAM KẾT ······················································································· i LỜI CẢM ƠN ························································································ ii DANH MỤC HÌNH ẢNH ········································································· vi DANH MỤC BẢNG ··············································································· ix DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ······································································ x CHƯƠNG ·························································································· GIỚI THIỆU ························································································· 1.1 TỔNG QUAN ··················································································· 1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI ············································································ 1.3 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI ············································································· 1.4 BỐ CỤC ĐỀ TÀI ··············································································· CHƯƠNG ·························································································· CƠ SỞ LÝ THUYẾT ··············································································· 2.1 CÔNG NGHỆ IOTS ············································································ 2.1.1 Giới thiệu công nghệ IoTs ································································ 2.1.2 Ứng dụng hệ thống IoTs ································································ 2.2 CÁC CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU ỨNG DỤNG TRONG IOTS ······················· 2.2.1 Chuẩn giao tiếp UART ······································································· 2.2.2 Chuẩn giao tiếp SPI ··········································································· 2.2.3 Chuẩn giao tiếp I2C··········································································· 2.3 CƠ SỞ DỮ LIỆU ··············································································· 2.3.1 Giới thiệu sở liệu ······································································ 2.3.2 Cơ sở liệu Firebase ········································································ 2.4 KỸ THUẬT TRỒNG RAU XÀ LÁCH BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY CANH TRỤ ĐỨNG ································································································ 2.4.1 Mơ hình thủy canh trụ đứng ································································· 2.4.2 Quy trình trồng rau xà lách phương pháp thuỷ canh trụ đứng ··················· 10 CHƯƠNG ························································································· 11 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ······················································· 11 3.1 YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG ································································ 11 3.2 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG ···························································· 11 3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống········································································· 14 3.2.2 Hoạt động khối ········································································ 15 3.2.3 Yêu cầu khối ··········································································· 16 3.3 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG ···································································· 13 3.3.1 Khối cảm biến ··············································································· 16 3.3.2 Khối hiển thị ················································································· 24 3.3.3 Khối nút nhấn ················································································ 29 3.3.4 Khối thiết bị điện ··········································································· 29 3.3.5 Khối xử lý trung tâm ······································································· 33 3.3.6 Khối nguồn ··················································································· 35 3.3.7 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch ································································ 37 3.4 THIẾT KẾ PHẦN MỀM ······································································ 34 3.4.1 Thiết kế website ············································································· 37 3.4.1.1 Giao diện người dùng ···································································· 38 3.5 SƠ ĐỒ GIẢI THUẬT ········································································ 42 3.5.1 Sơ đồ giải thuật phần cứng ··························································· 45 iv 3.5.2 Sơ đồ giải thuật website ······························································· 53 CHƯƠNG ························································································· 53 KẾT QUẢ ··························································································· 53 4.1 KẾT QUẢ THI CƠNG ········································································ 53 4.1.1 Khung mơ hình ·············································································· 53 4.1.2 Mạch thực tế ················································································· 56 4.2 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ································································· 57 4.2.1 Kết thực nghiệm phần cứng ·························································· 60 4.2.2 Kết thực nghiệm website ····························································· 65 CHƯƠNG ························································································· 71 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ····································· 71 5.1 KẾT LUẬN ····················································································· 71 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ···························································· 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO ········································································· 72 v DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Tỷ lệ phần trăm đóng góp IoTs lĩnh vực nơng nghiệp Hình 1.2: Vườn rau trồng phương pháp thủy canh trụ đứng [6] Hình 2.1: Cách truyền liệu giao tiếp UART Hình 2.2:Giao tiếp SPI Master Slave Hình 2.3: Giao tiếp I2C Master với nhiều Slave Hình 2.4: Trụ thủy canh Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống .11 Hình 3.2: Sơ đồ khối xử lý trung tâm 13 Hình 3.3: DFRobot Gravity Analog pH Meter Kit 14 Hình 3.4: Sơ đồ kết nối cảm biến đo pH với Arduino Mega 2560 .15 Hình 3.5: Module cảm biến chất lượng nước TDS meter V1.0 16 Hình 3.6: Sơ đồ chân mạch xử lý TDS Meter V1.0 .17 Hình 3.7: Sơ đồ kết nối cảm biến TDS với Arduino Mega 2560 17 Hình 3.8: Module cảm biến siêu âm HC-SR04 18 Hình 3.9: Sơ đồ kết nối cảm biến siêu âm HC-SR04 với Arduino Mega 2560 19 Hình 3.10: Sơ đồ chân cảm biến nhiệt độ LM35 20 Hình 3.11: Sơ đồ kết nối cảm biến nhiệt độ LM35 với Arduino Mega 2560 .21 Hình 3.12: Giao diện hình thứ .22 Hình 3.13: Giao diện hình thứ hai 22 Hình 3.14: Module chuyển đổi I2C dùng cho LCD .25 Hình 3.15: Sơ đồ kết nối LCD2004 kết hợp I2C với Arduino Mega 2560 25 Hình 3.16: Nút nhấn chân 26 Hình 3.17: Sơ đồ kết nối nút nhấn với Arduino Mega 2560 26 Hình 3.18: Module relay kênh .27 Hình 3.19: Sơ đồ kết nối module relay kênh với Arduino Mega 2560 .28 Hình 3.20: Bơm nhu động 28 Hình 3.21: Bơm sục khí 29 Hình 3.22: Sơ đồ chân Arduino Mega 2560 kết nối với thiết bị 30 Hình 3.23: Sơ đồ chân ESP8266 NodeMCU 31 vi Hình 3.24: Sơ đồ kết nối ESP8266 với Arduino Mega 2560 .32 Hình 3.25: Nguồn tổ ong 12V-10A 33 Hình 3.26: Module LM2596 ADJ 33 Hình 3.27: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 34 Hình 3.28: Bố cục giao diện hình “Đăng nhập” 36 Hình 3.29: Bố cục giao diện hình “Đăng ký tài khoản” .37 Hình 3.30: Bố cục giao diện hình “Trang chủ hệ thống” 38 Hình 3.31: Bố cục giao diện hình “Thiết lập vườn rau” .39 Hình 3.32: Bố cục giao diện hình “Thơng tin vườn rau” 40 Hình 3.33: Bố cục giao diện hình “Chế độ hoạt động” 41 Hình 3.34: Sơ đồ giải thuật chương trình phần cứng 42 Hình 3.35: Sơ đồ giải thuật chương trình kết nối wifi 43 Hình 3.36: Sơ đồ giải thuật chương trình kết nối firebase 43 Hình 3.37: Sơ đồ giải thuật chương trình chọn chế độ hoạt động 44 Hình 3.38: Sơ đồ giải thuật chương trình chế độ thủ cơng 45 Hình 3.39: Sơ đồ giải thuật chương trình kiểm tra nút nhấn 45 Hình 3.40: Sơ đồ giải thuật chương trình chế độ tự động 46 Hình 3.41: Sơ đồ giải thuật chương trình tự động pha dung dịch pH 47 Hình 3.42: Sơ đồ giải thuật chương trình tự động pha dung dịch dinh dưỡng 47 Hình 3.43: Sơ đồ giải thuật chương trình tự động bơm dung dịch dinh dưỡng.48 Hình 3.44: Sơ đồ giải thuật chương trình điều khiển thiết bị .48 Hình 3.45: Sơ đồ giải thuật chương trình hiển thị LCD .49 Hình 3.46: Sơ đồ giải thuật trình truy cập Website 50 Hình 3.47: Sơ đồ giải thuật trình đăng kí tài khoản .51 Hình 3.48: Sơ đồ giải thuật trình đăng nhập tài khoản 52 Hình 4.1: Mơ hình “Hệ thống trồng rau xà lách phương pháp thủy canh trụ đứng dựa tảng Iots” 53 Hình 4.2: Khung mơ hình .54 Hình 4.3: Hệ thống bơm dung dịch vào bồn chứa chất dinh dưỡng .54 Hình 4.4: Hệ thống bơm, trộn chất dinh dưỡng cảm biến 55 Hình 4.5: Cảm biến đo hàm lượng chất dinh dưỡng cảm biến nhiệt độ 55 vii