(Đồ án hcmute) thiết kế và thi công hệ thống giám sát thủy canh trên nền tảng internet of things

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT THỦY CANH TRÊN NỀN TẢNG INTERNET OF THINGS GVHD: TẠ VĂN PHƯƠNG SVTT: ĐỖ VŨ ANH DUY MSSV:11941039 SKL 0 5 Tp Hồ Chí Minh, tháng 01/2017 an BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT THỦY CANH TRÊN NỀN TẢNG INTERNET OF THINGS GVHD: Ths Tạ Văn Phương SVTH : Đỗ Vũ Anh Duy MSSV: 11941039 Tp Hồ Chí Minh – 1/2017 an TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BƠ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc PHIẾU ĐÁNH GIÁ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP (Dùng cho giáo viên hướng dẫn) I Thông tin chung - Họ tên sinh viên: Đỗ Vũ Anh Duy MSSV: 11941039 - Tên đề tài: Hệ thống giám sát thủy canh tảng internet of things - Họ tên giáo viên hướng dẫn: Tạ Văn Phương II Nhận xét khóa luận 2.1.Đánh giá chung (hồn thành phần trăm mục tiêu đề tài): 2.2.Ưu điểm đề tài: 2.3.Khuyết điểm đề tài: 2.4.Thái độ làm việc sinh viên: 2.5.Kết thu được: 2.6.Đề nghị: Được bảo vệ Không bảo vệ Tp HCM, ngày … tháng…năm 2017 Giáo viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Mục Lục PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Error! Bookmark not defined LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Error! Bookmark not defined LỜI CAM ĐOAN Error! Bookmark not defined LỜI CẢM ƠN Error! Bookmark not defined DANH MỤC HÌNH Error! Bookmark not defined DANH MỤC BẢNG Error! Bookmark not defined TÓM TẮT CHƯƠNG : TỔNG QUAN 10 1.1 Tổng quan lãnh vực nghiên cứu .10 1.2 Mục tiêu đề tài 10 1.3 Nhiệm vụ giới hạn đề tài 10 1.3.1 Nhiệm vụ 10 1.3.2 Giới Hạn 11 1.4 Phương Pháp Nghiên cứu 11 1.5 Tóm tắt đề tài .11 CHƯƠNG : Cơ Sở Lý Thuyết 12 2.1 Lý Thuyết Điện Tử 12 2.1.1 Khảo sát board vi điều khiển arduino uno .12 2.1.3 Khảo sát module Wifi ESP 8266 Node MCU 15 2.1.4 Module RTC 18 2.1.5 Module PH DFRobot .19 2.1.6 LCD 16x2 20 2.1.8 Các chuẩn giao tiếp truyền liệu .21 2.1.8 Giao thức MTTQ-IOT 26 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2.1.9 Lập trình PHP MySQL 29 2.2 Lý thuyết nông nghiệp 36 2.2.1 Quá trình phát triển trồng 36 2.1.2 Những yếu tố ảnh hưởng đến phát triển trồng 37 2.2.3 Khái niệm rau (rau an toàn) .40 2.2.4 Thủy Canh 41 2.2.6 Giá thể cho hệ thống thủy canh 42 CHƯƠNG : Thiết Kế Hệ Thống 44 3.1 Thiết kế phần cứng hệ thống 44 3.1.2 Thiết kế sơ đồ nguyên lý 46 3.2 Thiết kế giao diện chức Website .51 3.2.1 Thiết kế giao diện website .51 2.1.2 Thiết Kế Chức Năng .54 3.3 Thiết kế lưu đồ 56 3.3.1 Lưu đồ chương trình .56 3.3.2 Lưu đồ chương trình 59 CHƯƠNG : Kết Quả .62 4.1 Kết thi công sản phẩm 62 4.2 Kết chạy thử nghiệm 64 CHƯƠNG : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 77 5.1 Kết luận 77 5.2 Hướng phát triển 77 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Danh Mục Hình 2.1: Board Arduino uno 12 2.2: Sơ đồ chân Arduino uno 14 2.3: Module Wifi ESP8266 Node MCU 15 2.4: Module RTC .18 2.5: Module pH DF Robot .19 2.6: Dạng sóng điều khiển LCD .20 2.7: Cấu trúc mã JSON 22 2.8: nội dung gửi mã JSON 22 2.9: cấu trúc truyề liệu UART 23 2.10: Sơ đồ kết nối thiết bị dùng I2C truyền liệu 24 2.11: Dạng sóng mơ tả cách truyền bit liệu 25 2.12: Dang sóng mơ tả cách truyền liệu I2C Bus .26 2.13: Quá trình subscribe từ client 27 2.14: Quá trình gửi liệu client .27 2.15: Java, CSS, HTML 32 2.16: Mô tả chức CSS 34 2.17: Quá trình gieo hạt nẩy mầm .36 2.18: Quá trình phát triển trồng 36 2.19: Quang phổ phù hợp cho 39 2.20: Hệ thống thủy canh hồi lưu .42 3.1: Sơ đồ khối hệ thống 44 3.2: Sơ đồ kết nối toàn mạch 46 3.3: Sơ đồ kết nối arduino esp .47 3.4: Sơ đồ kết nối RTC, LCD qua I2C .48 3.5: Sơ đồ kết nối arduino với pH meter 49 3.6: Sơ đồ kết nối với tải qua module relay .50 3.7: Giao diện .52 3.8: Lưu đồ chương trình cho arduino 56 3.9: Lưu đồ chương trình cho ESP 8266 58 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 3.10: Lưu đồ xử lý tín hiệu Arduino 59 3.11: Lưu đồ hiệu chỉnh pH tự động 59 3.12: Lưu đồ xử lý tín hiệu arduino từ esp 60 4.1: Mạch layout .62 4.2: Mạch in kết nối phần cứng sau thi công 63 4.3: Mạch in kết nối phần cứng sau thi công 63 4.4: LCD hiển thị thông tin ban đầu .64 4.5: Wifi hệ thống phát 65 4.6: Giao diện setup wifi cho hệ thống 65 4.7: Giao diện nhập ID Password cho hệ thống máy tính 65 4.8: Hệ thống hiển thị địa MAC 66 4.9: Hệ thống bắt đầu hoạt động 66 4.10: Giao diện đăng nhập 67 4.11: Giao diện đăng kí tài khoản .67 4.12: Giao diện đăng nhập tài khoản 68 4.13: Giao diện sau đăng nhập thành công 68 4.14: Giao diện add pro file 68 4.15: Giao diện Del profile .69 4.16: Khung chọn loại trồng 69 4.17: Giao diện Del profile .70 4.18: Khung chọn loại trồng 70 4.19: Khung chọn loại trồng .71 4.20: Khung điều khiển chế độ tự động 72 4.21: Khung điều khiển chế tay 72 4.22: Giao diện hiển thị chế độ Image 73 4.23: Giá trị pH đo bồn dd thủy canh 73 4.24: Giá trị pH đo nước cốt chanh 74 4.25: Hệ thống hoạt động chế độ auto 74 4.26 : Hệ thống hoạt động chế độ manual 75 4.27: Chế độ manual bơm .75 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Danh Mục Bảng 2.1: Điện áp quy đổi giá trị pH 20 2.2: Nội dung QoS0 28 g 2.3: Nội dung QoS1 28 2.4: Nội dung QoS2 28 2.5: Cấu trúc liệu MySQL 31 2.6: E.C loại trồng .40 3.1: Thông tin truy cập Broker 54 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÓM TẮT Trong đề tài “Hệ thống giám sát thủy canh tảng internet of things” này, hệ thống thực hiển chức hiển thị thông tin hệ thống Ph, thời gian trồng, thời gian thu hoạch, loại Điều khiển số chức bật tắt đèn, máy bơm, cân chỉnh pH cho hệ thống Ngoài giao diện điều khiển cho phép kiểm sốt nhiều điều khiển thơng qua địa MAC module wifi ESP 8266 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đặt vấn đề Nước ta vốn nước nơng nghiệp, nghề trồng rau có nước ta từ xa xưa, Việt Nam trung tâm khởi nguyên nhiều loại rau trồng song chịu ảnh hưởng nông nghiệp lạc hậu tự túc nhiều kỷ qua, phát triển nghề trồng rau nước ta xa so với trình độ canh tác giới Những năm gần ngành trồng rau có khởi sắc, thực tế chưa theo kịp nhiều ngành khác sản xuất nông nghiệp Mặt khác tốc độ thị hóa nước ta năm gần tăng nhanh, đặc biệt sau Việt Nam gia nhập WTO Các nước phát triển Việt Nam, tổng số dân nước sống khu vực đô thị đến năm 2020 đạt khoảng 80%, nước công nghiệp phát triển châu Âu, Mỹ, Australia…Ðất nông nghiệp cịn 20-30%, tất nhiên nơng nghiệp thị Vì chiến lược phát triển thị bền vững gắn liền với phát triển nông nghiệp đô thị xu hướng tất yếu Nông nghiệp đô thị (NNÐT) khơng có ý nghĩa to lớn xã hội nhân văn, mà lợi ích kinh tế lớn Trên giới, gần phần ba rau,quả, thịt, trứng cung ứng cho đô thị từ NNÐT, hàng vạn cư dân New York (Mỹ) có vườn trồng rau sân thượng Nhiều thành phố lớn thuộc Trung Quốc Bắc Kinh, Thượng Hải, Quảng Châu… NNÐT cung cấp đến 85% nhu cầu rau xanh Ở Việt Nam, NNĐT bước đầu nhiều thành phố đưa vào mục tiêu phát triển yếu tố quan trọng hệ thống cung cấp thực phẩm cho vùng đô thị để đáp ứng quy mô thành phố ngày tăng nhanh Tuy nhiên, thành phố lớn Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phịng, Đà Nẵng khu đô thị lớn khác nước, người tiêu dùng chủ yếu tiêu thụ rau không rõ nguồn gốc vận chuyển vào từ vùng sản xuất ngồi thành phố Và thực tế khó kiểm soát người trồng rau thực việc vệ sinh an toàn thực phẩm Báo chí phương tiện thơng tin liên tục phản ánh ca ngộ độc thực phẩm, an toàn vùng sản xuất rau, tồn dư thuốc bảo vệ thực vật, nhiễm độc kim loại nhiễm khuẩn…đặc biệt vùng sản xuất rau cung cấp cho đô thị an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4.5: Wifi hệ thống phát 4.6: Giao diện setup wifi cho hệ thống Sau chọn configure wifi , chọn mạng wifi cần dùng nhập Password 4.7: Giao diện nhập ID Password cho hệ thống máy tính 65 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Sau kết nối với mạng wifi thành công hệ thống hiển thị địa MAC hệ thống Địa MAC để người dùng sử dụng việc tạo Profile xác định địa điều khiển cho hệ thống 4.8: Hệ thống hiển thị địa MAC 4.9: Hệ thống bắt đầu hoạt động 66 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4.10: Giao diện đăng nhập Giao diện đăng nhập có hai nút nhấn đăng nhập tài khoản có sẵn kí tài khoản cho người dùng 4.11: Giao diện đăng kí tài khoản Giao diện đăng kí tài khồn người dùng cần điền thơng tin cần thiết user name, password, email để tạo tài khoản 67 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4.12: Giao diện đăng nhập tài khoản 4.13: Giao diện sau đăng nhập thành công Sau đăng nhập thành cơng giao diện có nút nhấn để Add profile xóa profile để tạo thêm loại xóa profile kết thúc thời gian trồng 4.14: Giao diện add pro file 68 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giao diện add profile người dùng cần điền thông tin cần thiết sau: Profile name : tên loại trồng Start day : ngày bắt đầu trồng Period : thời gian trồng nhập vào dạng số theo thời gian phát triển loại Api Key : nhập vào địa MAC hệ thồng setup 4.15: Giao diện Del profile 4.16: Khung chọn loại trồng 69 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4.17: Giao diện Del profile Cho phép người dùng xóa profile thu hoạch 4.18: Khung chọn loại trồng 70 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4.19: Khung chọn loại trồng Khung Profile hiển thị tên loại cây, thời gian người dùng setup ngày bắt đầu 22/11/2016 Khung analyc hiển thị trời gian trồng So với đồng hồ hiển thị máy tính trồng 30 ngày 45 ngày tương đương 66% 71 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4.20: Khung điều khiển chế độ tự động Khung điều khiển chế độ tự động có chức sau: Nút View Mode cho người dùng hiển thị chế độ Nomal Image Hai trượt set thời gian cho bơm hồi lưu đèn chiếu sáng hệ thống Hệ thống tự động đo cân chỉnh pH người dùng chọn bấm vào nút Setprofile 4.21: Khung điều khiển chế tay 72 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chế độ điều khiển tay có chức bật tắt bơm hồi lưu, bơm pH+, pH- 4.22: Giao diện hiển thị chế độ Image Giao diện hiển thị chế độ image mô hệ thống thủy canh dễ tương tác cho người dùng Kết thí nghiệm đo pH hiển thị lên giao diện điều khiển: 4.23: Giá trị pH đo bồn dd thủy canh 73 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4.24: Giá trị pH đo nước cốt chanh Dựa lý thuyết nông nghiệp thủy canh độ pH dung dịch cần đặt mức 6-8.5 lệnh khoảng đặt hệ thống tự cân chỉnh cách bơm thêm dd cân chỉnh pH 4.25: Hệ thống hoạt động chế độ auto 74 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4.26 : Hệ thống hoạt động chế độ manual 4.27: Chế độ manual bơm 75 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4.28 : Hệ thống hoàn chỉnh 76 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết luận Từ kết đạt người thực tiến hành tổng hợp, so sánh với mục tiêu đề ban đầu rút nhận xét, từ hướng phát triển, nghiên cứu để sản phẩm hoàn thiện ứng dụng vào thực tiễn Đồng thời tảng sở để tham khảo cho nghiên cứu sau Kết sản phẩm hoạt động tương đối ổn định, hình thức chấp nhận Giao diện điều khiển rõ ràng, sáng, dễ quan sát, cho phép tạo thêm user profile cho user, cho phép điều khiển cân chỉnh pH tay tự động Tuy nhiên tồn số hạn chế : Thời gian phản hồi từ phần cứng lên giao diện website cịn trễ cao Giao diện khơng kết nối điện thoại thông minh Sản phẩm hoạt động tốt mơi trường bình thường, khơng tiếp xúc trực tiếp với nước ánh sáng mặt trời 5.2 Hướng phát triển Từ tảng phần cứng thiết bị yêu cầu người dùng, trước tiên nâng cao độ ổn định hệ thống, khắc phục nhiễu sai số hệ thống, thêm chức tự động hình thức hệ thống từ có phướng phát triển sau đây: Đo cân chỉnh EC cho hệ thống Cho phép người dùng kiểm soát nhiều dàn khung trồng điều khiển Cho phép cân chỉnh thời gian chiếu sáng, pH, EC cho trình phát triển Phát triển kiểm soát hệ thống ứng dụng điện thoại thông minh Thiết kế thu gọn board điều khiển 77 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS.Nguyễn Xuân Nguyên, Tài Liệu Kỹ Thuật Thủy Canh Và Sản Xuất Rau Sạch,Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật, Hà Nội, 2004 [2] Lê Quốc Đạt, Đề tài Nghiên Cứu Và Thiết Kế Hệ Thống Độ PH, EC Cho Hệ Thống Tưới Trong Công Nghiệp, Luận Văn Thạc Sỹ, Trường Đại Học Bách Khoa, Tp.HCM, 2011 [3] Đặng Minh Nhật, Đề tài Nghiên Cứu Web Service Ứng Dụng Trong Thương Mại Điện Tử, Khóa Luận Tốt Nghiệp, Trường Đại Học Cơng Nghệ, Hà Nội, 2009 [4] ESP 8266 Datasheet [5] AVR 328p Datasheet [6] RTC 3231 Datasheet [7] https://www.dfrobot.com/wiki/index.php/PH_meter(SKU:_SEN0161) [8] https://cdnjs.cloudflare.com/ajax/libs/Chart.js/2.4.0/Chart.bundle.min.js [9] http://www.w3schools.com/ [10] http:/php.net/ [11] https://www.cloudmqtt.com/ 78 an S an K L 0