Luận văn tốt nghiệp đại học hệ thông giám sát chất lượng nước trong ao nuôi thủy sản

Thiết kế xây dựng mạch thứ hai sử dụng Blue Pill có khả năng nhận các giá trị từ thiết bị thứ nhất thông qua giao thức LoRa sau đó xử lý để hiển thị các giá trị lên LCD.. Với kiến trúc 3

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ -o0o - LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ THÔNG GIÁM SÁT CHẤT LƯỢNG NƯỚC TRONG AO NUÔI THỦY SẢN GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo SVTH: Phạm Huỳnh Thanh Tân MSSV: 1710282 TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG NĂM 2023 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự – Hạnh phúc -✩ Số: /BKĐT Khoa: Điện – Điện tử Bộ Môn: Điện Tử -✩ - NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP HỌ VÀ TÊN: Phạm Huỳnh Thanh Tân MSSV: 1710282 NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Đề tài: Hệ thống giám sát chất lượng nước ao nuôi thủy sản Nhiệm vụ: (Yêu cầu nội dung số liệu ban đầu): ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… Ngày giao nhiệm vụ luận văn: 01/06/2023 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 30/8/2023 Họ tên người hướng dẫn: ThS Bùi Quốc Bảo Nội dung yêu cầu LVTN thông qua Bộ Môn Tp.HCM, ngày 30 tháng năm 2023 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN: Người duyệt (chấm sơ bộ): Đơn vị: Ngày bảo vệ : Điểm tổng kết: Nơi lưu trữ luận văn: NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH Lời cảm ơn GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo LỜI CẢM ƠN Đầu tiên em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn thầy hướng dẫn em, thầy Bùi Quốc Bảo Và có lẽ rằng, em thật khơng thể hồn thành luận văn tốt nghiệp khơng có đồng hành, thơng cảm, hội mà thầy trao cho em suốt năm qua Em học sinh giỏi học cấp ba, em dần nhiệt huyết bước vào cánh cửa đại học Em muốn từ bỏ nhiều lần, định hướng khủng hoảng tương lai Việc nhìn bạn bè năm trường có nhiều cơng việc, em bân khn sợ hãi năm dần trôi qua, giây phút cuối ngã rẽ "đại học thất bại" đường nghiệp dài phía trước mà nhờ đại học mở em có thơng cảm, thấu hiểu nhiều người mà em phải biết ơn Nhân đây, xin cám ơn ba, mẹ thông cảm, thấu hiểu, động viên làm hậu phương vững Cám ơn mẹ cỗ vũ xuất cảm thấy khó khăn Cám ơn bạn bè thầy cô đồng hành với em, giúp đỡ em suốt năm đại học vừa qua Cuối cùng, em xin chân thành bày tỏ lịng biết ơn tất thầy mơn Điện tử, bạn phịng thí nghiệm 209B3 cổ vũ giúp đỡ em hoàn thành khóa luận cách trọn vẹn Tp Hồ Chí Minh, ngày 06 tháng 09 năm 2023 Sinh viên Phạm Huỳnh Thanh Tân i Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo TÓM TẮT LUẬN VĂN Đề tài tập trung vào việc thiết kế triển khai hệ thống giám sát môi trường nước ao nuôi thủy sản Hệ thống nhằm thu thập giám sát số chất lượng nước quan trọng nhiệt độ, lượng Oxy hòa tan nước, độ pH… môi trường ao nuôi Mục tiêu đề tài cung cấp phương pháp đáng tin cậy hiệu để theo dõi chất lượng nước ao ni nhằm đưa đối phó kịp thời nhận thấy thay đổi tiêu cực Hệ thống chia làm hai phần: - Phần thứ lắp đặt ngồi ao ni Có nhiệm vụ đo thơng số chất lượng nước sau gửi liệu thu thập cho phần thứ hai thơng qua giao thức LoRa Ngồi điều khiển tải kết nối qua relay - Phần thứ hai được lắp đặt nhà có nhiệm vụ xử lý giá trị từ phần thứ Sau hiển thị lên LCD Đồng thời đưa phả ứng kịp thời sau có thay đổi xảy Ngồi phần thứ hai cịn có khả đưa liệu lên webserver sử dụng platform Thingsboard Điều cho phép người dùng theo dõi chất lượng nước ao ni từ xa thông qua giao diện trực quan dễ sử dụng Cũng điều khiển tải thơng qua platform ii Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo MỤC LỤC GIỚI THIỆU 1.1 Tổng quan 1.2 Nhiệm vụ luận văn LÝ THUYẾT 2.1 2.1.1 Kit phát triển STM32F103C8T6 Blue Pill 2.1.2 Cảm biến RK500-04 2.1.3 Mạch giao tiếp TTL MAX485 UART 2.1.4 Mạch hạ áp DC LM2596 3A 2.1.5 Mạch Thu Phát RF UART Lora EBYTE E32-433T20D 2.1.6 Module 4G SIMCOM A7670C-LASS 2.1.7 Giao tiếp UART 2.1.8 Chuẩn giao tiếp RS485 2.1.9 Chuẩn giao tiếp LoRa 2.2 Phần cứng Phần mềm 2.2.1 Giao thức Modbus 2.2.2 Thingsboard 10 2.2.3 Giao thức MQTT 11 2.2.4 Ngơn ngữ lập trình C 12 THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN CỨNG 13 3.1 Mạch đọc giá trị cảm biến 13 3.1.1 Sơ đồ khối 13 3.1.2 Danh sách linh kiện module 13 TTL MAX485 UART 13 Mạch hạ áp DC LM2596 3A 13 Mạch Thu Phát RF UART Lora EBYTE E32-433T20D 14 Transistor C1815 14 Relay 14 iii Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo 3.1.3 Sơ đồ nguyên lý 14 3.1.4 Chức khối chức 14 3.2 Mạch gateway 15 3.2.1 Sơ đồ khối 15 3.2.2 Danh sách linh kiện module 15 Mạch hạ áp DC LM2596 3A 15 Mạch Thu Phát RF UART Lora EBYTE E32-433T20D 15 Biến trở cúc áo 15 3.2.3 Sơ đồ nguyên lý 16 3.2.4 Chức khối chức 16 THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN MỀM 17 4.1 4.1.1 Đọc liệu từ cảm biến RK500-04 17 4.1.2 Giao tiếp truyền nhận LoRa với gateway 18 4.2 Mạch đọc cảm biến 17 Mạch gateway 19 4.2.1 Giao tiếp với mạch đọc cảm biến 19 4.2.2 Hiển thị giá trị lên LCD 20 4.2.3 Giao tiếp truyền nhận với Thingsboard thông qua MQTT 20 4.2.4 Lưu đồ chương trình 21 KẾT QUẢ THỰC HIỆN 23 5.1 Kết thực phần cứng 23 5.1.1 Một số vấn đề thực phần cứng 23 5.1.2 Kết thi công 23 5.2 Kết thực phần mềm 27 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 29 6.1 Kết luận 29 6.2 Hướng phát triển 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO 30 iv Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo DANH SÁCH HÌNH MINH HỌA Hình 2.1 Kit phát triển STM32F103C8T6 Blue Pill Hình 2.2 Cảm biến RK500-04 Hình 2.3 Mạch giao tiếp TTL MAX485 UART Hình 2.4 Mạch hạ áp DC LM2596 3A Hình 2.5 Mạch Thu Phát RF UART Lora EBYTE32-433T30D Hình 2.6 Module 4G SIMCOM A7670C-LASS Hình 2.7 Cấu trúc gói tin UART Hình 2.8 Cấu trúc gói tin Modbus RTU 10 Hình 2.9 Thingsboard 11 Hình 3.1 Sơ đồ khối mạch đọc cảm biến 13 Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch đọc cảm biến 14 Hình 3.3 Sơ đồ khối mạch Gateway 15 Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý mạch Gateway 16 Hình 4.1 Lưu đồ giải thuật đọc cảm biến RK500-04 18 Hình 4.2 Lưu đồ giải thuật điều khiển Relay 19 Hình 4.3 Lưu đồ giải thuật giao tiếp LoRa với mạch đọc cảm biến 20 Hình 4.4 Lưu đồ giải thuật mạch Gateway 22 Hình 5.1 Layout mạch đọc cảm biến 24 Hình 5.2 Layout 3D mạch đọc cảm biến 25 Hình 5.3 Kết thi cơng mạch đọc cảm biến 26 Hình 5.4 Kết thực phần mềm gateway 27 Hình 5.5 Kết thingsboard 28 v Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo DANH SÁCH BẢNG SỐ LIỆU Bảng 3.1 Danh sách linh kiện module mạch đọc cảm biến 14 Bảng 3.2 Danh sách linh kiện Module mạch Gateway 15 vi Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo GIỚI THIỆU 1.1 Tổng quan Mô tả tổng quan lĩnh vực liên quan đến đề tài mục tiêu cần nghiên cứu Từ giới thiệu nhiệm vụ cần đặt cho đề tài luận văn Ngày việc áp dụng công nghệ vào canh tác thủy sản khơng cịn Đặc biệt hệ thông IoT Các ưu điểm dễ dàng nhận thấy như:  Dễ dàng theo dõi, giám sát: Hệ thông với nhiều thiết bị giám sát LCD hay qua điện thoại hay máy tính với giao diện trực quan, dễ quan sát  Báo cáo hoạt động: Hệ thơng có khả lưu trữ liệu từ đánh giá cải tiến hoạt động nuôi trồng  Khả tự động hóa: Dễ dàng vận hành điều khiển thiết bị ngoại vi đưa đáp ứng kịp thời với thay đổi bất thường môi trường Do ta dễ dàng thấy hệ thống IoT đem lại nhiều lợi ích canh tác ni trồng thủy sản, giúp cải thiện hiệu quả, nâng cao xuất 1.2 Nhiệm vụ luận văn Hệ thống thiết kế bao gồm hai phần Phần thứ có nhiệm vụ thu thập giá trị cảm biến sau gửi cho phần thứ hai Tại liệu hiển thị lên LCD Hệ thống có khả đưa liệu lên webserver để có nhìn trực quan thơng số chất lượng nước Đề tài yêu cầu nhiệm vụ sau sử dụng Blue Pill giao thức truyền LoRa hai thiết bị sử dụng platform Thingsboard để xây dựng server Thiết kế xây dựng mạch thứ sử dụng Blue Pill có khả đọc giá trị từ cảm biến sau gửi cho thiết bị thứ hai Đồng thời điều khiển tải kết nối thông qua relay Thiết kế xây dựng mạch thứ hai sử dụng Blue Pill có khả nhận giá trị từ thiết bị thứ thông qua giao thức LoRa sau xử lý để hiển thị giá trị lên LCD Ngồi cịn gửi giá trị lên server Thingsboard thông qua module sim A7670C thông qua giao thức MQTT Phát triển xây dựng Thingsboard để theo dõi thơng số chất lượng nước Ngồi cịn điều khiển relay trực tiếp từ Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo LÝ THUYẾT 2.1 Phần cứng 2.1.1 Kit phát triển STM32F103C8T6 Blue Pill Hình 2.1 Kit phát triển STM32F103C8T6 Blue Pill Kit phát triển Blue Pill xây dựng vi điều khiển STM32F103C8T6 STM32F103C8T6 dòng vi điều khiển 32-bit ARM Cortex-M3 hãng STMicroelectronics Với kiến trúc 32-bit tốc độ xử lý lên đến 72 MHz, STM32F103C8T6 chip vi điều khiển phổ biến sử dụng rộng rãi ứng dụng nhúng thiết bị đo lường, hệ thống điều khiển nhiệt độ, thiết bị IoT Thông số kĩ thuật bao gồm: - Vi điều khiển chính: STM32F103C8T6 - Điện áp cấp cấp 5VDC qua cổng Micro USB chuyển đổi thành 3.3VDC qua IC nguồn cấp cho Vi điều khiển Hoặc cấp trực tiếp 5/3.3VDC vào chân nguồn kit - Dòng cấp vào: 150mA, dòng chân IO: 25mA - Tích hợp sẵn thạch anh 8Mhz - Tích hợp sẵn thạch anh 32Khz cho ứng dụng RTC - Bộ nhớ 64KB Flash, 20KB SRAM, 32 chân GPIO - Các giao thức: SPI, I2C, UART, USB 2.0 Full speed, Can 2.0B Luận văn tốt nghiệp 3.2.3 GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo Sơ đồ nguyên lý Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý mạch Gateway 3.2.4 Chức khối chức Kit Blue Pill đóng vai trị xử lý trung tâm - Khối nguồn: Cung cấp nguồn điện ổn định cho mạch Nguồn 5V với module - Module LoRa giúp giao tiếp gửi nhận với mạch đọc cảm biến thông qua UART kết nối với kit Blue Pill lựa chọn với khả truyền ổn định, khoảng cách xa, giá thành ổn định - LCD 1602 giúp người dùng dễ dàng quan sát thông số từ cảm biến Với ưu điểm độ phổ biến giá thành rẽ - Module SIM A7670C đóng vai trịn quan trọng cơng cụ để giao tiếp với server Thingsboard 16 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN MỀM 4.1 Mạch đọc cảm biến Mạch đọc cảm biến có nhiệm vụ bao gồm: - Đọc liệu từ cảm biến RK500-04 - Giao tiếp truyền nhận LoRa với gateway 4.1.1 Đọc liệu từ cảm biến RK500-04 Để đọc giá trị cảm biến RK500-04 qua giao tiếp modbus ta cần phải xác định giá trị gói tin gửi cho cảm biến Gói tin gồm byte là: [0A 03 00 00 00 06 C4 B3] Cụ thể 0A byte địa cảm biến 03 Function code, giá trị Function code đọc giá trị ghi cảm biến byte 00 00 00 06 có nghĩa đọc giá trị từ địa đọc giá trị byte cuối CRC để kiểm tra lỗi Sau cảm biến nhận đủ đủ gần trả lời gói tin gồm 17 byte cụ thể sau: - Byte thứ nhất: Là địa cảm biến mặc định 0A - Byte thứ hai: Là function code 03 - Byte thứ ba: Là 0C có nghĩa số lượng byte liệu gửi 12 - 12 byte ba gói liệu 32 bit theo thứ tự giá trị của: Nồng độ Oxy hòa tan, độ bảo hòa, nhiệt độ - byte cuối CRC Lưu đồ giải thuật cụ thể sau: 17 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo Hình 4.1 Lưu đồ giải thuật đọc cảm biến RK500-04 4.1.2 Giao tiếp truyền nhận LoRa với gateway Ở nhiệm vụ chia thành hai phần: - Gửi hai giá trị đọc từ cảm biến sang gateway: Các giá trị dược đóng thành gói tin sau: byte dùng để định danh, byte data cuối byte CRC dùng để kiểm tra lỗi - Nhận giá trị Relay_staus từ gateway bật tắt Relay để điều khiển thiết bị: Trong chương trình ngắt nhận, mạch liên tục nhận byte mang giá trị relay gửi liên tục từ gateway giá trị nhận dược khác giá trị lưu biến trạng thái đảo giá trị chân GPIO cập nhật giá trị trạng thái Lưu đồ cụ thể sau 18 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo Hình 4.2 Lưu đồ giải thuật điều khiển Relay 4.2 Mạch gateway Mạch gateway có nhiệm vụ bao gồm - Giao tiếp truyền nhận LoRa với mạch đọc cảm biến - Hiển thị giá trị đo đạc lên LCD - Truyền nhận liệu với Thingsboard 4.2.1 Giao tiếp với mạch đọc cảm biến Ở thực hai hoạt động nhận giá trị cảm biến gửi giá trị relay_status Đối với hoạt động nhận giá trị cảm biến, cụ thể cần phải lấy giá trị từ gói tin nhận lưu vào biến tương ứng Trong với lần nhận gói tin mạch gửi lại giá trị trạng thái relay Lưu đồ cụ thể sau: 19 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo Hình 4.3 Lưu đồ giải thuật giao tiếp LoRa với mạch đọc cảm biến 4.2.2 Hiển thị giá trị lên LCD Các biến lưu trữ giá trị đo từ càm biến chuyển đổi từ dạng 32 bit sang dấu chấm động thập phân Sau hiển thị lên LCD 4.2.3 Giao tiếp truyền nhận với Thingsboard thơng qua MQTT Trước tiên ta cần nói đến tập lệnh AT command, sử dụng cách để giao tiếp với thingsboard thông qua module SIM Để bắt đầu, ta cần phải kết nối MQTT với thingsboard qua lệnh: AT+CMQTTSTART AT+CMQTTACCQ=0 AT+CMQTTCONNECT=0,"tcp://demo.thingsboard.io:1883",60,1,"abc","1234" Sau để có thể nhận giá trị trạng thái relay từ thingsboard ta cần phải follow topic: v1/devices/me/rpc/request/+ thông qua lệnh: AT+CMQTTSUBTOPIC=0,27,1 20 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo v1/devices/me/rpc/request/+ AT+CMQTTSUB=0 Khi ta bật hay tắt button relay thingsboard ta nhận gói tin chứa trạng thái relay Từ cập nhật vào biến relay_status Để gửi giá trị lên thingsboard ta cần phải gửi gói tin giá trị cảm biến theo dạng JSON vào topic: v1/devices/me/telemetry lệnh sau: AT+CMQTTTOPIC=0,23 v1/devices/me/telemetry AT+CMQTTPAYLOAD=0,23 [{“Temp”:25.01}] AT+CMQTTPUB=0,1,60,0 Trong ví dụ gói JSON [{“Temp”:25.01}] kèm theo có số giá trị cần phải thây đổi cho phù hợp điều kiện khác 4.2.4 Lưu đồ chương trình Có điểm cần ý từ cấp nguồn module SIM cần khoản 15-20 s để khởi động ta có lưu đồ sau: 21 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo Hình 4.4 Lưu đồ giải thuật mạch Gateway Để thời gian đợi module SIM khởi động mà không ảnh hưởng đến khả thu nhận tín hiệu ta đặt biến start_flat count_send biến đếm cộng đến 15 tương dương với khoảng 15 giây MQTT kết nối sau 10 giây liệu gửi lên thingsboard 22 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo KẾT QUẢ THỰC HIỆN 5.1 Kết thực phần cứng 5.1.1 Một số vấn đề thực phần cứng Một số vấn đề thực phần cứng như: - Khả xếp linh kiện dây hạn chế dẫn đến tốn nhiều thời gian - Chưa thiết kế để tối ưu hộp dựng sản phẩm - Gặp khó khăn việc tìm kiếm địa điểm gia cơng mạch Số mạch phải thi công: mạch đọc cảm biến mạch gateway 5.1.2 Kết thi công  Layout mạch gateway Hình 5.1 Layout mạch gateway Hình 5.2 Layout 3D mạch gateway 23 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo Hình 5.3 Kết thi cơng mạch gateway  Layout mạch đọc cảm biến Hình 5.1 Layout mạch đọc cảm biến 24 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo Hình 5.2 Layout 3D mạch đọc cảm biến 25 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo Hình 5.3 Kết thi cơng mạch đọc cảm biến 26 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo 5.2 Kết thực phần mềm Phần mềm lập trình ứng dụng STM32CubeIDE Hình 5.4 Kết thực phần mềm gateway 27 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo Hình 5.5 Kết thingsboard 28 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận Kết hệ thống hoạt động ổn định, đáp ứng hầu hết yêu cầu đề Một số ưu khuyết điểm hệ thống sau: - Ưu điểm: + Hệ thống đáp ứng tốt, hoạt động ổn định - Nhược điểm: + Chưa có khả tự động xử lý hay đưa cảnh báo có thay đổi thơng số + Số lượng cảm biến cịn chưa đáp ứng đủ yêu cầu + Chưa đảm bảo an tồn chưa đóng hộp kín Qua đề tài trên, thân rút nhiều kinh nghiệm việc thực đề tài cụ thể Ngoài giúp thân có thêm nhiều kinh nghiệm việc schematic, layout, thi cơng mạch sử dụng phần mềm lập trình vi điều khiển 6.2 Hướng phát triển Từ khuyết điểm ta đưa số hướng phát triển sau: - Cải thiện tốc độ đáp ứng - Tích hợp thêm nhiều cảm biến - Thêm khả cảnh báo khả tự xử lý xảy số điều kiện thích hợp - Thêm hệ thống pin mặt trời cho mạch đọc cảm biến để mạch tự hoạt động - Thêm khả bảo vệ mạch để mạch hoạt động bền bỉ 29 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hoàng Trang, Bùi Quốc Bảo, “Lập trình hệ thống nhúng”, Nhà xuất Đại học quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2019 [2] Modicon Modbus Protocol Reference Guide https://modbus.org/docs/PI_MBUS_300.pdf [3] RK500-04 datasheet RK500-04 （新款）Dissolved Oxygen(DO) Sensor user manual v1.0.pdf [4] Datasheet Blue Pill https://www.st.com/resource/en/datasheet/stm32f103c8.pdf [5] Thingsboard https://thingsboard.io/docs/getting-started-guides/helloworld/ [6] SIM A7670 Datasheet simcom.com/product/A7670X.html [7] Lập trình STM32 https://khuenguyencreator.com/hoc-lap-trinh-mcu/stm32/ 30