(Đồ án hcmute) thiết kế và thi công hệ thống điều khiển vườn qua mạng internet

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÁY TÍNH THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG HỆ THỐNG ÐIỀU KHIỂN VUỜN QUA MẠNG INTERNET GVHD : THS LÊ MINH SVTH : ÐẶNG QUANG ÐĨNH MSSV : 13119070 SVTH : NGUYỄN TUẤN SƠN MSSV : 13119131 SKL 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2017 an TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VƯỜN QUA MẠNG INTERNET SVTH : MSSV : SVTH : MSSV : Khoá : Ngành : GVHD : ĐẶNG QUANG ĐĨNH 13119070 NGUYỄN TUẤN SƠN 13119131 2013 CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÁY TÍNH THS LÊ MINH Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2017 an TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VƯỜN QUA MẠNG INTERNET SVTH : MSSV : SVTH : MSSV : Khoá : Ngành : GVHD : ĐẶNG QUANG ĐĨNH 13119070 NGUYỄN TUẤN SƠN 13119131 2013 CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÁY TÍNH THS LÊ MINH Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2017 an CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** -Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2017 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Đặng Quang Đĩnh Ngành: Công nghệ kỹ thuật máy tính Họ tên sinh viên: Nguyễn Tuấn Sơn Ngành: Cơng nghệ kỹ thuật máy tính MSSV: 13119070 Lớp: 13119CL1 ĐT: 0989690434 MSSV: 13119131 Lớp: 13119CL1 ĐT: 0968808195 Giảng viên hướng dẫn: Th.s Lê Minh Ngày nộp đề tài: 1/3/2017 Ngày nhận đề tài: 24/2/2017 Tên đề tài: Thiết kế thi công hệ thống điều khiển vườn qua mạng Internet Các số liệu, tài liệu ban đầu: Kiến thức môn mạch điện, điện tử bản, hệ thống nhúng, kỹ thuật truyền số liệu Nội dung thực đề tài: Lập trình Raspberry Pi đọc cảm biến, điều khiển thiết bị trực tiếp bàn phím từ xa thông qua mạng Internet Xây dựng Website tương tác với người sử dụng, lưu trữ liệu database Sản phẩm: Website, thiết bị điều khiển, mơ hình vườn GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TRƯỞNG NGÀNH i an CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ tên Sinh viên: Đặng Quang Đĩnh……………………………………MSSV:13119070 Ngành: Cơng nghệ kỹ thuật máy tính Họ tên Sinh viên: Nguyễn Tuấn Sơn…………………………………….MSSV:13119131 Ngành: Công nghệ kỹ thuật máy tính Tên đề tài: Thiết kế thi công hệ thống điều khiển vườn qua mạng Internet Họ tên Giáo viên hướng dẫn: Lê Minh NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghi ̣cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm:……………….(Bằ ng chữ: .) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2017 Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) ii an CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ và tên Sinh viên: Đặng Quang Đĩnh………………………………….MSSV: 13119070 Ngành: Công nghệ kỹ thuật máy tính Họ và tên Sinh viên: Nguyễn Tuấn Sơn…………………………………MSSV: 13119131 Ngành: Công nghệ kỹ thuật máy tính Tên đề tài: Thiết kế thi cơng hệ thống điều khiển vườn qua mạng Internet Họ và tên Giáo viên phản biện: …………………………………………………………… NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… Ưu điểm: ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… Khuyết điểm: ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… Đề nghi ̣cho bảo vệ hay không? ……………………………………………………………………………………………… Đánh giá loại: ……………………………………………………………………………………………… Điểm: ……………… (Bằ ng chữ: ………………………………………………………) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2017 Giáo viên phản biện (Ký & ghi rõ họ tên) iii an LỜI CẢM ƠN Đồ án “Thiết kế thi công hệ thống điều khiển vườn qua mạng Internet” hồn thành khơng nỗ lực thành viên nhóm mà cịn đóng góp trực tiếp, gián tiếp thầy cô, bạn bè trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Nhóm thực đồ án xin gửi đến thầy cô khoa Đào tạo Chất lượng cao lời chúc sức khỏe lời cảm ơn sâu sắc Nhờ quan tâm, bảo tận tình chu đáo thầy mà thành viên nhóm có kiến thức tảng, chuyên sâu kinh nghiệm q báu để hồn thành tốt đồ án tốt nghiệp Đặc biệt, nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Th.s Lê Minh quan tâm giúp đỡ, hướng dẫn suốt trình thực Trong quãng thời gian làm việc với thầy, thành viên khơng hướng dẫn tận tình, giúp đỡ gặp khó khăn mà cịn học hỏi thái độ làm việc nghiêm túc, chuyên nghiệp hiệu Cảm ơn bạn bè, anh chị khóa trước tận tình giúp đỡ khó khăn, trăn trở trình thực đồ án Và cuối cùng, khơng thể khơng cảm ơn gia đình, người thân đồng hành, động viên Đặc biệt cha mẹ, người nuôi nấng, dạy dỗ, tạo điều kiện thuận lợi vật chất lẫn tinh thần để hồn thành đồ án cuối cùng, chuẩn bị hành trang bước vào tương lai iv an TÓM TẮT Mạng lưới vạn vật kết nối Internet làng sóng thứ ba lên phát triển Internet Internet of Things (IoT) dự kiến có ảnh hưởng mạnh mẽ đến sản phẩm tiêu dùng, kinh doanh nhiều nữa, giai đoạn khởi đầu Tiềm áp dụng IoT lớn cho hầu hết lĩnh vực kinh doanh, công nghiệp, sản xuất, hàng tiêu dùng, chuỗi cung ứng… Lĩnh vực mà IoT sử dụng rộng Đồ án “Thiết kế thi công hệ thống điều khiển vườn qua mạng Internet” áp dụng cụ thể lên vườn rau Tưới tiêu, điều khiển ánh sáng thủ cơng gây thừa thiếu, khơng kịp thời gặp sai sót Đồ án trình bày ứng dụng tưới nước chiếu sáng cảm biến máy tính nhúng Phần cứng hệ thống Raspberry Pi (máy khách) thu thập xử lý liệu từ cảm biến theo thời gian thực Dữ liệu trạng thái thiết bị gửi tới máy chủ qua mạng Internet lưu lại sở liệu Hệ thống theo dõi thời gian thực thay đổi nhiệt độ, độ ẩm khơng khí, độ ẩm đất, cường độ sáng trạng thái thiết bị Có chế độ điều khiển thiết bị Chế độ tự động dựa vào liệu cảm biến khoảng lí tưởng để tự động tưới nước, chiếu sáng giúp sử dụng hiệu nước điện Chế độ tay cho phép người dùng thay đổi tất cài đặt: bật tắt thiết bị, thay đổi khoảng lí tưởng, thay đổi chế độ hoạt động v an ABSTRACT The Internet of Things is emerging as the third wave in the development of the Internet Internet of things (IoT) is expected to have a massive impact on consumer products, business and wider culture, but these are still early days Given its potential for very wide applicability to almost all verticals and aspects of business, industries, manufacturing, consumer goods, supply chains, etc IOT as a whole is very broad area Project “Design and construction of garden control system via Internet” focuses specifically to its adoption to our gardens For artificial irrigation and lighting in excess or deficiency, not timely and other shortcomings, this project expounds the application in garden watering and lighting system based on wire sensors and single board computer The hardware of the system adopts Raspberry Pi as a client, by the real-time acquisition and processing of data in wire sensors The sensors data and the status of devices by Internet way are sent to server and saved to Database The system can real-time monitor the air temperature, air humidity, soil humidity, lux changes and devices status There are two modes of controlling devices Automatic mode based on garden’s ideal range and received data from the sensors to automatic watering, lighting, efficient use of water resources and electricity Manual mode gives the user full control of all settings: turn devices on or off, change ideal ranges, change mode vi an MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iii LỜI CẢM ƠN iv TÓM TẮT v ABSTRACT vi MỤC LỤC vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xii DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ xiii Chương TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu tình hình nghiên cứu 1.2 Tính cấp thiết đề tài .1 1.3 Mục tiêu nghiên cứu 1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu 1.5 Tổng quan đề tài 1.6 Phương pháp nghiên cứu .2 1.7 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu .2 1.8 Bố cục đồ án Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT .4 2.1 Raspberry Pi 2.1.1 Giới thiệu .4 2.1.2 Phần cứng 2.1.3 Phần mềm 2.2 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 .7 2.2.1 Giới thiệu .7 2.2.2 Thông số kỹ thuật vii an Khi cài đặt, nhấn C để xóa X # quay lại mode settings để cài đặt giá trị khác Nhấn * để hoàn tất cài đặt Nếu cài đặt thành công, LCD hiển thị ‘Done’ Nếu có lỗi phát sinh, LCD hiển thị ‘Ooops something went wrong’ Các khối cài đặt giá trị ngưỡng 4, 5, có lưu đồ tương tự khối Khối xử lý bàn phím người dùng nhấn phím D, đọc liệu từ server, hiển thị giá trị ngưỡng BEGIN Read minLux, maxLux, minAirTemp, maxAirTemp, minAirHum, maxAirHum, minSoilHum, maxSoil Hum from Server Display END Hình 3.19 Lưu đồ khối Khối hiển thị lên LCD hướng dẫn sử dụng bàn phím để điều khiển Khối kiểm tra định kỳ sau thời gian không kết nối với Server (connect=off) tự động kết nối lại BEGIN SLEEP T connect=on F get Data from Server success T connect=on F END Hình 3.20 Lưu đồ khối 40 an 3.2.4 Thiết kế Server Server dùng để xử lý truy cập gửi từ client Khi có u cầu từ phía clien (Raspberry Pi Website), server Các yêu cầu từ Raspberry Pi lưu sở liệu Các yêu cầu từ Website lưu tập tin Json Raspberry Pi sử dụng thư viện Requests để giao tiếp với server Dữ liệu cảm biến, trạng thái thiết bị tùy chỉnh người dùng post lên server xử lý PHP, cập nhập vào sở liệu Các yêu cầu điều khiển, cài đặt Website server xử lý, thay đổi tập tin Json (JavaScript Object Noattion) Raspberry Pi dựa vào thông tin tập tin mà điều khiển thiết bị Requests.post PHP Raspberry Pi Requests.get Json File SERVER DATABASE Hình 3.21 Hoạt động server Cơ sở liệu gồm bảng: users, registers, smartgarden Bảng 3.7 Bảng lưu thông tin người dùng Thứ tự Tên trường Id Username Password Email Permission Kiểu liệu tinyint varchar varchar varchar varchar Chức Số lượng người dùng Tên người dùng Mật người dùng Địa email Quyền truy cập Ghi Tự động tăng Khơng trùng Mã hóa SHA256 Khơng trùng Admin User Bảng 3.8 Bảng lưu thông tin người đăng ký Thứ tự Tên trường Id Username Password Email Kiểu liệu tinyint varchar varchar varchar Chức Số lượng người dùng Tên người đăng ký Mật đăng ký Địa email Ghi Tự động tăng Khơng trùng Mã hóa SHA256 Khơng trùng 41 an Bảng 3.9 Bảng lưu thông tin khu vườn Thứ tự 10 11 12 13 14 15 Tên trường automatic light pump airTemp airHum soilHum lux minAirTemp maxAirTemp minAirHum maxAirHum minSoilHum maxSoilHum minLux maxLux Kiểu liệu varchar varchar varchar tinyint tinyint tinyint tinyint tinyint tinyint tinyint tinyint tinyint tinyint tinyint tinyint Chức Chế độ hoạt động Trạng thái đèn Trạng thái bơm Nhiệt độ Độ ẩm khơng khí Độ ẩm đất Cường độ sáng Nhiệt độ tối thiểu Nhiệt độ tối đa Độ ẩm khơng khí tối thiểu Độ ẩm khơng khí tối đa Độ ẩm đất tối thiểu Độ ẩm đất tối đa Cường độ sáng tối thiểu Cường độ sáng tối đa Ghi on off on off on off 0-100 0-100 0-100 0-100 0-99 1-100 0-99 1-100 0-99 1-100 0-99 1-100 3.2.5 Thiết kế Website Website tập tin HTML truy nhập dùng phương thức HTTP, viết dựa CSS, hiệu ứng Javascript, cập nhập thông tin sở liệu PHP Website sử dụng Bootstrap framework CSS Twitter phát triển, phù hợp với tất kích thước hình, giao diện đẹp Website sử dụng Font Awesome hệ thống font thiết kế dạng mã nguồn mở Bên cạnh Website cịn sử dụng Circlful plugin Jquery cho phép hiển thị số liệu thống kê vòng trịn, phù hợp cho việc hiển thị thơng số khu vườn Website có trang chính: trang đăng nhập (Login), trang đăng ký (Register), trang chủ (Home), trang biểu đồ (Chart), trang cài đặt (Settings), trang giới thiệu (About us) trang quản lí thành viên (Members) Trang đăng nhập tiếp nhận thông tin tên người dùng mật khẩu, kiểm tra bảng liệu Users, liệu trùng khớp cho phép người dùng vào trang chủ, tạo session lưu lại tên người dùng (userName) quyền truy cập (permission) máy chủ Muốn truy cập trang khác, yêu cầu phải đăng nhập 42 an Trang đăng ký tiếp nhận thông tin tên người, email mật người đăng ký Kiểm tra tên, email có bị trùng với người đăng ký trước người sử dụng Nếu không thông tin lưu lại bảng Registers Trang chủ hiển thị thông số khu vườn (nhiệt độ, độ ẩm khơng khí, độ ẩm đất, cường độ sáng, giới hạn cài đặt, trạng thái thiết bị) switch để người dùng điều khiển khu vườn từ xa Các thông số cập theo thời gian thực Các thao tác lên switch gửi server để xử lí để điều khiển thiết bị khu vườn theo thời gian thực Khi thơng số nằm ngồi khoảng giới hạn, có thay đổi hiển thị để cảnh báo người dùng Trang biểu đồ lấy liệu từ sở liệu để hiển thị, thể thay đổi thông số theo thời gian Trang cài đặt cho phép cài đặt tất giá trị ngưỡng, sau cài đặt từ website từ bàn phím board trung tâm, giá trị ngưỡng hiển thị trang web phải cập nhập Trang quản lí thành viên cho phép thêm thành viên, xóa người đăng ký, xóa thành viên, xóa tất người đăng ký, xóa tất thành viên, ngoại trừ admin 43 an Chương KẾT QUẢ 4.1 Phần cứng Kết thi công phần cứng hệ thống gồm: khối trung tâm, khối điều khiển, khối hiển thị tích hợp hộp mica, nối với cảm biến module relay để điều khiển thiết bị Hình 4.1 Kết thi cơng board trung tâm Hình 4.2 Kết thi cơng mơ hình vườn 44 an Hình 4.3 Điều khiển thiết bị điện Phần cứng hoạt động ổn định, điều khiển thiết bị điện 220V 45 an 4.2 Phần mềm Phần mềm có tốc độ đáp ứng nhanh, cập nhập liệu kịp thời, giao diện thân thiện với người dùng Website có địa chỉ: http://smartgarden17.esy.es với username: admin password: admin theo dõi hoạt động hệ thống qua video youtube: https://www.youtube.com/channel/UC qCFUfrG9zna-YmpkIFtw 4.2.1 Trang đăng nhập Yêu cầu người dùng phải nhập username passwork Sau kiểm tra liệu bảng users bảng register Bảng 4.1 Các lỗi phát sinh đăng nhập Lỗi Sai tên đăng nhập mật Đã đăng ký chưa cho phép Thông báo Incorrect Credentials, Try again Your account has not been approved by your administrator yet Hình 4.4 Trang đăng nhập Nếu người dùng nhập tên đăng nhập mật khẩu, chuyển hướng tới trang chủ, đồng thời tạo session: name permission để quản lí Nếu truy cập URL trang web khác mà session name chưa tồn tại, người dùng bị chuyển trang đăng nhập 46 an 4.2.2 Trang đăng ký Cho phép đăng ký tài khoản Các thông tin yêu cầu:  Name: tài khoản đăng ký  Email: địa email  Password: mật Bảng 4.2 Các lỗi phát sinh đăng ký Lỗi Thông báo Chưa nhập name Please enter your full name Tên ngắn (