Thiết kế và thi công mô hình nông nghiệp trong đô thị

Do quá trình đô thị hóa diễn ra với tốc độ khủng khiếp như vậy, nên lĩnh vực nông nghiệp với cách làm truyền thống không thể thực hiện được trong khu vực đô thị, vì cách làm cũ cần nh

TỔNG QUAN

Giới thiệu chung

‘Nông nghiệp là ngành kinh tế quan trọng của Việt Nam Ngành nông nghiệp vẫn luôn là một “mũi nhọn” trong nền kinh tế của chúng ta Bên cạnh việc sản xuất để phục vụ nhu cầu ngày càng tăng ở trong nước, thì hàng nông sản của Việt Nam đã được xuất đi rất nhiều nơi trên thế giới và một số mặt hàng đã tạo ra những dấu ấn đối với bạn bè năm châu Tuy nhiên so với mặt bằng chung của thế giới thì khoa học kỹ thuật của Việt Nam còn lạc hậu nên việc áp dụng tiến bộ khoa học trong nông nghiệp nhìn chung còn hạn chế, tỉ lệ giá trị chất xám trong giá thành sản phẩm nông nghiệp chưa cao dẫn đến việc nền nông nghiệp của Việt Nam vẫn còn dựa vào sức người là chính và phải phụ thuộc vào các yếu tố tự nhiên như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, Làm cho hiệu quả công việc và chất lượng sản phẩm giảm đi đáng kể và gây lãng phí về mặt nhân công Chính vì lẽ đó, nhóm đã quyết định thực hiện đề tài

“THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH NÔNG NGHIỆP ĐÔ THỊ” nhằm giải quyết được các vấn đề trên.’

Mục tiêu đề tài

Nhóm sinh viên thực hiện đồ án đã xác định các mục tiêu sau cho đề tài

“THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH NÔNG NGHIỆP ĐÔ THỊ” như sau:

- Thiết kế và thi công được mô hình có khả năng đo các thông số như nhiệt độ môi trường, độ ẩm đất một cách chính xác nhất

- Mô hình có thể tự động tưới nước theo thời gian đặt sẵn hoặc qua nút nhấn

- Người dùng có thể sử dụng App điện thoại để theo dõi nhiệt độ và độ ẩm đất của cây trồng Ngoài ra, ngường sử dụng còn có thể dùng App để bật/tắt bơm theo mong muốn

- Mô hình sau khi hoàn thành phải nhỏ gọn, thuận tiện cho việc di chuyển và phải có độ bền cao trong quá trình sử dụng

- Các thiết bị sử dụng trong mô hình phải hoạt động liên tục, không xảy ra trục trặc khi mô hình hoạt động ở cường độ cao.

Giới hạn

Mô hình không có khả năng cảnh báo và bảo vệ cây trước các tác nhân gây hại như nhiệt độ, độ ẩm không phù với cho cây, cũng như việc cây bị phá hoại bởi nhiều nguyên do khác nhau.

Bố cục đề tài

Trong bài báo cáo này, nội dung sẽ có 5 chương:

2 Đưa ra sơ lược về tình hình nông nghiệp ở nước ta Từ các dữ kiện đó, nhóm sẽ đưa ra các mục tiêu và giới hạn cho hệ thống mà nhóm sẽ thực hiện

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Tổng quan về các linh kiện và phần mềm sẽ được sử dụng nhằm xây dựng nên mô hình nông nghiệp trong đô thị Ngoài ra, nhóm thực hiện đồ án còn đưa ra các lý thuyết giao thức liên kết của các thiết bị mà nhóm sẽ sử dụng

Chương 3: Thiết kế hệ thống

Dựa trên các chức năng mà nhóm mong muốn, cũng như lý thuyết của chương

2 để sẽ xây dựng nên các sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý của mô hình và các lưu đồ thuật toán

Chương 4: Thi công hệ thống, đánh giá, kết luận

Quá trình thi công mô hình, cũng như các kết quả thực nghiệm mô hình, sau đó đánh giá coi mô hình có đạt được những tiêu chí ban đầu mà nhóm đã đặt ra chưa

Từ các kết quả thu được, nhóm sẽ đưa ra các giải phát để phát triển sau này

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Khái niệm

Nông nghiệp đô thị được hiểu là việc sử dụng các diện tích nhỏ, các lô đất trống, sân vườn, thảm cỏ, ban công, sân thượng… trong các thành phố lớn để trồng cây hoặc chăn nuôi gia cầm, gia súc nhỏ.[1]

Nông nghiệp đô thị giúp đảm bảo nguồn cung thực phẩm không bị tắc nghẽn ở những nơi cần một số lượng thực phẩm lớn do tập trung dân số cao như thành phố, ngoài ra việc các đô thị lớn phát triển nông nghiệp đô thị còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tạo thêm nhiều cảnh quan đẹp góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống của người dân.

Xu hướng phát triển của nông nghiệp đô thị

Theo Theo Quyết định 143/QĐ-BXD về quy hoạch, xây dựng, quản lý và phát triển bền vững đô thị Việt Nam đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2045 thì tỷ lệ đô thị hóa toàn quốc đến năm 2025 đạt tối thiểu 45% và đến năm 2030 đạt trên 50%, Theo số liệu đã nêu như trên thì việc phát triển nông nghiệp trong đô thị là một xu thế tất yếu vì nó sẽ giải quyết được đồng thời cả hai vấn đề đó là công nghiệp hóa, hiện đại hóa của đất nước diễn ra với tốc độ cao và vẫn đảm bảo được vấn đề an ninh lương thực

Muốn làm được như vậy thì nông nghiệp đô thị phải hướng đến xây dựng nền nông nghiệp thông minh tích hợp các công nghệ tiên tiến.

Cấu trúc cơ bản và ứng dụng của một hệ thống ứng dụng công nghệ IOT

Kiến trúc của IOT gồm bốn thành phần cơ bản chính gồm: Vạn vật (Things), Trạm kết nối (Gateways), Hạ tầng mạng (Internet) và cuối cùng là lớp dịch vụ (Service).[2]

Vạn vật (Things): Ngày nay có vô vàn vật dụng đang phục vụ trong cuộc sống của con người, chúng xuất hiện ở trên các khu canh tác, ở trong nhà hoặc trên chính các thiết bị di động của người dùng Giải pháp IoT giúp các thiết bị thông minh được sàng lọc, kết nối và quản lý dữ liệu của các đối tượng một cách cục bộ, còn các thiết bị chưa thông minh thì có thể kết nối được thông qua các trạm kết nối Từ đó, các thiết bị, vật dụng sẽ có thể thực hiện nhiệm vụ của mình đối với đối tượng nông nghiệp cần quản lý

Trạm kết nối (Gateways): Có vai trò là một vùng trung gian trực tiếp, cho phép các vật dụng có sẵn này kết nối với điện toán đám mây một cách bảo mật và dễ dàng quản lý Gateways có thể là một thiết bị vật lý hoặc là một phần mềm được dùng để kết nối giữa Cloud (điện toán đám mây) và bộ điều khiển, các cảm biến, các thiết bị thông minh

Hạ tầng mạng (Internet): Internet là một hệ thống toàn cầu của nhiều mạng IP được kết nối với nhau và liên kết với hệ thống máy tính Cơ sở hạ tầng mạng này bao gồm thiết bị định tuyến, trạm kết nối, thiết bị tổng hợp, thiếp bị lặp và nhiều thiết bị khác có thể kiểm soát lưu lượng dữ liệu lưu thông và cũng được kết nối đến mạng lưới viễn thông và cáp - được triển khai bởi các nhà cung cấp dịch vụ

Lớp dịch vụ (Service): Là các ứng dụng được các hãng công nghệ, hoặc thậm chí người dùng tạo ra để dễ dàng sử dụng các sản phẩm IOT một cách có hiệu quả và tận dụng được hết giá trị của sản phẩm

2.2.2 Ứng dụng của một hệ thống công nghệ IOT

Các lĩnh vực sử dụng IOT ngày càng nhiều trong cuộc sống như [3]:

- Smart home (nhà thông minh) : được lắp đặt các thiết bị điện, điện tử được kết nối với Internet để giám sát và cho phép chủ nhân điều khiển các thiết bị từ xa thông qua smartphone hoặc lập trình cho thiết bị hoạt động theo lịch (điều hòa, các thiết bị đóng tắt từ xa, rèm cửa, …)

- Smart wearable : Thiết bị đeo được hỗ trợ IoT là thiết bị thông minh có thể đeo được như các phụ kiện bên ngoài, được nhúng trong quần áo và hàng may mặc, cấy vào cơ thể, hoặc thậm chí xăm lên làn da (được tích hợp cảm biến đo khoảng

- Smart farming (nông trại thông minh) : ngành nông nghiệp ứng dụng các công nghệ giám sát và chăm sóc cây trồng tự động thay thế cho phương pháp canh tác và chăm nuôi truyền thống nhằm để tăng năng suất của cây trồng và tối ưu trong việc tưới tiêu.

Giới thiệu về Firebase

Firebase là một dịch vụ cơ sở dữ liệu được hoạt động ở nền tảng đám mây Nó có chức năng chính là giúp cho người dùng có thể phát triển và mở rộng quy mô của ứng dụng mobile nhanh hơn dù là Android, IOS hay Web [4]

Hình 2.1: Hình ảnh về firebase [5]

Chuẩn giao tiếp I2C

Hiện nay, một trong những phương pháp giao tiếp đơn giản và ngày càng phổ biến giữa các thiết bị điện tử hiện nay đó là chuẩn giao tiếp I2C Chuẩn giao tiếp này dùng hai chân lần lượt là SDA dùng để truyền tín hiệu từ thiết bị truyền đến thiết bị nhận và SCL dùng để truyền xung nhịp [6]

- Giao tiếp I2C là quá trình truyền nhận dữ liệu giữa các thiết bị chủ khách, hay Master - Slave

- Thiết bị Master là 1 vi điều khiển, nó có nhiệm vụ điều khiển đường tín hiệu SCL và gửi nhận dữ liệu hay lệnh thông qua đường SDA đến các thiết bị khác

- Các thiết bị nhận các dữ liệu lệnh và tín hiệu từ thiết bị Master được gọi là các thiết bị Slave Các thiết bị Slave thường là các IC, hoặc thậm chí là vi điều khiển

- Hai đường bus SCL và SDA đều hoạt động ở chế độ Open Drain, nghĩa là bất cứ thiết bị nào kết nối với mạng I2C này cũng chỉ có thể kéo 2 đường bus này xuống mức thấp (LOW), nhưng lại không thể kéo được lên mức cao Vì để tránh trường hợp bus vừa bị 1 thiết bị kéo lên mức cao vừa bị 1 thiết bị khác kéo xuống mức thấp gây hiện tượng ngắn mạch Do đó cần có 1 điện trờ (từ 1 – 4,7 kΩ) để giữ mặc định ở mức cao.

Tổng quan về MIT App Inventor

MIT App Inventor là một ứng dụng web có mã nguồn mở dành cho việc lập trình các thiết bị di động chạy hệ điều hành Android [8] MIT App Inventor cho phép các nhà lập trình tạo ra các giao diện của phần mềm bằng cách sử dụng hình thức đồ

6 họa, người dùng lập trình bằng phương pháp kéo thả các khối block code và sắp xếp chúng theo mục đích sử dụng

Hình 2.2: Logo của MIT App Inventor [9]

2.5.2 Ưu và nhược điểm Ưu điểm:

Tối ưu hóa việc xây dựng những thành phần cơ bản của một ứng dụng Android như nút bấm, nút lựa chọn, chọn ngày giờ, ảnh, văn bản, thông báo, kéo trượt, trình duyệt web,…

Xây dựng được nhiều tính năng trên điện thoại như chụp ảnh, chọn ảnh, bật video, quay phim, thu âm, nhận diện giọng nói, chuyển lời thoại thành văn bản, dịch,…

Nền tảng còn có thể giúp App đang được xây dựng kết nối danh bạ, email, gọi điện, chia sẻ thông tin qua các ứng dụng mạng xã hội

Lập trình viên không thể sử dụng mọi tính năng của Android, khuyết điểm này chỉ có thể khắc phục bằng cách tự xây dựng mở rộng cho App Inventor

Chỉ có thể xây dựng được các phần mềm App điện thoại với những chức năng cơ bản vì giới hạn dung lượng của mỗi project chỉ là 5mb.

Giới thiệu về phần mềm Arduino IDE

IDE (Integrated Development Environment) là môi trường dùng để phát triển phần mềm, nó cũng tương tự như những phần mềm bình thường khác nhưng mục đích chính là dùng để viết mã nguồn

Phần mềm IDE rất thích hợp để viết code điều khiển cho các chip thuộc các dòng Arduino, MCU,… do cộng đồng sử dụng lớn, nhiều thư viện hỗ trợ với mã nguồn mở nên rất thích hợp dành cho những người mới Ngoài ra IDE còn là một phần mềm có giao diện đơn giản dễ sử dụng và ngôn ngữ lập trình chính là ngôn ngữ

C, một ngôn ngữ rất phổ biến trong lĩnh vực lập trình

Hình 2.3: Logo phần mềm Arduino IDE [10]

Giới thiệu về phần mềm Proteus

Phần mềm Proteus là phần mềm được thiết kế bởi Labcenter Electronics, phần mềm được sử dụng để vẽ các sơ đồ nguyên lý, thiết kế các mạch in cho các mạch điện tử Ngoài ra phần mềm còn có thể mô phỏng cách thức hoạt động của các mạch điện tử được điều khiển bởi các họ vi điều khiển như MCS-51, PIC, AVR, …

Hình 2.4: Logo phần mềm Proteus [11]

WIFI

WiFi (Wireless Fidelity) là công nghệ kết nối mạng không dây sử dụng sóng radio để truyền tải dữ liệu giữa các thiết bị mà không cần sử dụng dây cáp WiFi được sử dụng phổ biến để kết nối các thiết bị điện tử như máy tính, điện thoại di động, máy tính bảng, TV thông minh, để kết nối với Internet hoặc kết nối với nhau.[12]

Tiêu chuẩn Tần số Tốc độ

THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Yêu cầu thiết kế

Mô hình cần có các tiêu chí sau:

+ Mô hình đo được các thông số như nhiệt độ, độ ẩm đất

+ Mô hình tự động tưới nước cho cây theo thời gian được đặt sẵn, nếu ngưỡng nhiệt độ, độ ẩm vượt quá quy định

+ Có app điện thoại giúp người dùng theo dõi các thông số mà cảm biến đo được cũng như điều khiển máy bơm từ xa Nếu không có kết nối mạng, máy bơm có thể bật tắt thủ công thông qua nút nhấn.

Sơ đồ khối tổng thể của hệ thống

Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống Nguyên lý hoạt động:

Hệ thống bao gồm khối nguồn sử dụng adapter cấm vào nguồn 220V xoay chiều sau đó ngõ ra sẽ là 12V một chiều để cấp điện cho khối thiết bị, module LM2596s kết nối với adapter sẽ cho đầu ra là 5V DC cung cấp nguồn cho khối xử lý trung tâm, khối cảm biến và khối nút nhấn

Khối xử lý trung tâm: Xử lý các dữ liệu nhận được từ khối cảm biến truyền vào, sau đó xử lý rồi truyền các thông số từ khối cảm biến lên Firebase và khối hiển thị Khối xử lý sẽ điều khiển khối thiết bị(máy bơm) tự động bật bơm nếu giá trị của khối cảm biến(nhiệt độ môi trường, độ ẩm đất) vượt ngưỡng và thời gian đã cài đặt

10 khớp với điều kiện mà người dùng đưa ra trước đó ở chế độ tự động hoặc thông qua nút nhấn ở chế độ thủ công

Khối cảm biến: Bao gồm cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm đất và cảm biến mưa sẽ chịu trách nhiệm đo đạc các thông số ở môi trường rồi đưa thông tin về khối xử lý trung tâm

Khối nút nhấn: Truyền tín hiệu bật/tắt về khối xử lý để điều khiển thiết bị khi người dùng thao tác vào nút nhấn

Khối thiết bị: Nhận lệnh từ khối xử lý trung tâm để cho máy bơm có hoạt động hay không Khối còn có đèn sẽ sáng khi không có ánh sáng và sẽ tắt khi có ánh sáng

Khối hiển thị: Hiển thị các thông số bao gồm giá trị nhiệt độ, độ ẩm đất thực tế, thời gian thực tế, ngưỡng cài đặt tình trạng kết nối wifi và thời gian kiểm tra

Firebase có nhiệm vụ là trung gian giao tiếp giữa khối xử lý trung tâm và App, nghĩa là nó nhận tín hiệu từ khối xử lý rồi chuyển đến App của người dùng hoặc khi người dùng tương tác với App thì tín hiệu sẽ qua Firebase về lại khôi xử lý trung tâm.

Thiết kế trong mỗi mô hình

Dựa vào yêu cầu, chức năng của từng khối(đã nêu ở 3.2) nhóm đã tìm hiểu, nghiên cứu, lựa chọn các phần cứng phù hợp với yêu cầu đã đặt ra

Theo yêu cầu đặt ra trước đó là mô hình sẽ đo các thông số về nhiệt độ môi trường, độ ẩm đất và có thể cảm nhận được ngoài trời có mưa hay không nên nhóm đã chọn các linh kiện gồm sau:

Hình 3.2: Cảm biến nhiệt độ

DHT11 như hình 3.2 sẽ được dùng để lấy thông số nhiệt độ từ môi trường xung quanh

Bảng 3.1: Bảng thông số cảm biến nhiệt độ[14]

Dòng sử dụng tối đa 2,5mA

Khoảng đo độ ẩm 20% - 90% RH (sai số 5%RH) Khoảng đo nhiệt độ 0-50°C sai số 2°C Tần số lấy mẫu tối đa 1Hz (1 giây / lần)

Kích thước 15mm x 12mm x 5.5mm

Module cảm biến độ ẩm đất có chức năng đọc giá trị của độ ẩm trong đất trồng, khi sử dụng ta cắm hai đầu nhọn xuống đất dùng để trồng cây

Hình 3.3: Cảm biến độ ẩm đất Bảng 3.2: Bảng thông số cảm biến độ ấm đất[15] Điện áp hoạt động 3.3~5(VDC) Kích thước 3 x 1.6cm Module cảm biến mưa được sử dụng trong mô hình này để nhận biết thời tiết nắng hay mưa, nếu máy bơm đang bật, cảm biến phát hiện mưa thì sẽ gửi tín hiệu về cho khối xử lý tắt máy bơm

Hình 3.4: Cảm biến độ mưa

Hình 3.5: Sơ đồ cảm biến nhiệt độ không khí và độ ẩm đất

Thông qua sơ đồ như hình 3.5, nhóm đã làm một cầu phân áp gồm hai điện trở có giá trị lần lượt là 2,2(K Ω) và 3,3(K Ω) cho ngõ ra của module cảm biến độ ẩm đất Do khối xử lý trung tâm chỉ chịu tối đa tín hiệu vào là 3,3(V) nhưng ngõ ra tín hiệu của cảm biến độ ẩm đất là 5(V) nên ta phải hạ áp ở chân tín hiệu ra của cảm biến độ ẩm đất để phù hợp với khối xử lý dữ liệu

Cách tính thông số điện trở: Áp tổng

Trở tổng *Trở tại chân GND = 5(V)

2,2(kΩ)+3,3(kΩ) x 3,3 (kΩ) = 3 (V) Ở đây nhóm thấy nếu mắc trở có giá trị như trên thì áp ra của chân tín hiệu cảm biến độ ẩm đất là 3(V) là phù hợp với giới hạn chịu áp tối đa của ESP8266 là 3,3(V) nên nhóm quyết định chọn hai trở có giá trị là 2,2(K Ω) và 3,3(K Ω)

Hình 3.6: Sơ đồ điện khối cảm biến mưa

Hiện nay, thiết bị hiên thị LCD (Liquid Crystal Display) được sử dụng rất nhiều trong các ứng dụng của vi điều khiển LCD có rất nhiều ưu điểm so với các

13 thiết bị hiển thị khác Nó có khả năng hiển thị nhiều dang ký tự và các ký tự được hiển thị một cách trực quan LCD dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, tốn rất ít tài nguyên và giá thành rẻ

Vì những ưu điểm kể trên nên nhóm sinh viên thực hiện đồ án đã quyết định sử dụng LCD16x2 làm phần cứng nhằm để hiển thị trong khối hiển thị

Hình 3.7: LCD 16x2 Bảng 3.3: Bảng sơ đồ chân màn hình LCD 16x2 [19]

Chân Ký hiệu Mô tả Giá trị

4 RS Lựa chọn thanh ghi

RS=0 (mức thấp) chọn thanh ghi lệnh

5 R/W Chọn thanh ghi đọc/viết dữ liệu

10 DB3 Chân truyền dữ liệu 8 bit: DB0DB7

15 A Cực dương led nền 0V đến 5V

Nhược điểm của LCD là có quá nhiều chân gây khó khăn trong quá trình kết nối vì chúng cần nhiều chân của vi điều khiển nếu mà kết nối trực tiếp, vì vậy nhóm sẽ kết nối LCD16x2 thông qua module chuyển đổi I2C Module I2C sẽ giải quyết vấn đề kết nối tốn quá nhiều chân của LCD16x2 bằng cách thay vì sử dụng tối thiểu 6 chân của vi điều khiển để kết nối với LCD (RS, EN, D7, D6, D5 và D4) thì với module chuyển đổi người dùng chỉ cần sử dụng 2 chân (SCL, SDA) để kết nối

Module chuyển đổi I2C hỗ trợ các loại LCD sử dụng driver HD44780(LCD

1602, LCD 2004, … ), kết nối với vi điều khiển thông qua giao tiếp I2C, tương thích với hầu hết các vi điều khiển hiện nay

Hình 3.9: Sơ đồ điện khối hiển thị

3.3.3 Khối xử lý trung tâm

Nhóm sử dụng ESP8266 Node MCU làm phần cứng vì dễ sử dụng, dễ lập trình với các trình biên dịch của Arduino Ngoài ra ESP8266 Node MCU còn có khả năng thu phát Wifi thuận tiện cho chức năng điều khiển tự động

ESP8266 có 30 chân để giao tiếp với các thiết bị được biểu diễn như hình dưới

Hình 3.11: Sơ đồ chân ESP8266

Như hình 3.11 ta có thể thấy một board ESP8266 có 17 chân GPIO để có thể đảm nhiệm các chức năng như I2C, I2S, UART, PWM, …Tất cả các chân IO kỹ thuật số được bảo vệ tránh điện áp quá mức với mạch đảo được kết nối giữa mạch dẫn và GND

Hình 3.12: Sơ đồ khối điều khiển trung tâm

Như hình 3.12 thể hiện sơ đồ kết nối của khối xử lý trung tâm với các phần cứng khác như sau:

+ Chân tín hiệu ngõ ra của cảm biến độ ẩm đất sẽ kết nối với chân tín hiệu analog A0 của ESP8266

+ Chân tín hiệu ngõ ra của cảm biến độ nhiệt độ sẽ kết nối với chân 3,3V của ESP8266

+ Hai chân D1, D2 của ESP8266 kết nối với hai chân SLC và SDA của module I2C

+ Cảm biến mưa sẽ kết nối với chân tín hiệu D7 của ESP8266

+ Hai nút nhấn được kết nối với hai chân tín hiệu D3 và D5 của ESP8266 + Chân tín hiệu D8 của ESP8266 được kết nối với máy bơm(pump) nhằm để điều khiển thiết bị

+ Hai chân GND và Vin kết nối lần lượt với GND và nguồn cung cấp là 5VDC

Khối nguồn có nhiệm vụ cung cấp nguồn cho toàn bộ mạch hoạt động, nhóm đã chọn nguồn adapter có thông số ra là 12V/2A và mạch giảm áp LM2596S đầu vào 12VDC ra 5VDC cung cấp cho mạch hoạt động

Nguồn adapter có nhiệm vụ là chuyển điện áp từ 220VAC thành 12VDC, sau đó điện áp 12VDC sẽ qua mạch giảm áp LM2596S cho ra điện áp là 5VDC Điện áp 5VDC sẽ cung cấp cho khối xử lý trung tâm NODE MCU ESP8266, các cảm biến trong khối cảm biến và khối hiển thị Ngõ ra điện áp 12VDC của adapter sẽ có nhiệm vụ cung cấp nguồn cho khối thiết bị(máy bơm và đèn led)

Hình 3.14: Mạch giảm áp LM2596S

Hình 3.15: Sơ đồ điện khối nguồn

Sơ đồ nguyên lý toàn mạch

Sau khi đã nêu linh kiện, thông số, chức năng của từng khối trong phần 3.2 và 3.3, nhóm sinh viên thực hiện đồ án đã vẽ ra được sơ đồ nguyên lý cho toàn bộ hệ thống

Hình 3.21: Sơ đồ nguyên lý toàn bộ hệ thống

‘Khi khối xử lý trung, khối cảm biến, khối hiển thị được cấp điện áp 5VDC thì lúc này các cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm đất, cảm biến ánh sáng sẽ truyền dữ liệu đo được về khối xử lý trung tâm(NODE MCU ESP8266) Sau khi nhận được dữ liệu thì vi điều khiển sẽ tiến hành tính toán và so sánh với các ngưỡng đã cài đặt trước, nếu thỏa mãn điều kiện thì vi điều khiển sẽ gửi tín hiệu đến khối thiết bị là máy bơm và đèn(hai thiết bị này đã được kết nối với nguồn 12VDC) để thực hiện các chức năng như tự động bật/tắt bơm, hay tự động bật/tắt đèn Các giá trị như nhiệt độ, độ ẩm đất, thời gian kiểm tra, ngưỡng nhiệt độ và độ ẩm đất đã cài và chế độ hoạt động của hệ thống sẽ được hiển thị lên LCD16x2

Hình 3.22: Nối dây cho mạch

Hình 3.23: Mô phỏng các chân của linh kiện trong mạch

Hình 3.24: Hình ảnh 3D của mạch

Lưu đồ giải thuật

3.5.1 Lưu đồ giải thuật chính

Sau đây là lưu đồ giải thuật của chương trình chính

Hình 3.25: Lưu đồ thuật toán chương trình chính

Giải thích nguyên lý hoạt động của chương trình:

Bắt đầu chương trình sẽ khởi tạo tất cả các cảm biến, sau đó cấu hình hệ thống, khi đó chương trình sẽ vào vòng lặp vô hạn,‘chương trình sẽ đọc giá trị từ các cảm biến và hiển thị giá trị nhiệt độ, độ ẩm lên LCD Cuối cùng chương trình sẽ thực hiện chế độ thủ công hoặc tự động ứng với các trường hợp không có WIFI hay có WIFI,’dữ liệu sau khi được xử lí ở chế độ tự động sẽ được gửi lên Firebase

3.5.1 Lưu đồ giải thuật chế độ tự động

Hình 3.26: Lưu đồ thuật toán chế độ tự động

Giải thích nguyên lý hoạt động của chương trình:

Khi vào chế độ tự động, đầu tiên mạch sẽ đọc các giá trị nhiệt độ, độ ẩm đất rồi hiển thị lên LCD và App, nếu đến đúng thời gian kiểm tra đã được cài đặt trước, mạch sẽ kiểm tra các giá trị nhiệt độ, độ ẩm đất, nếu giá trị nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ cài và giá trị dộ ẩm đất nhỏ hơn giá trị cài thì máy bơm sẽ tự động bật Nếu trong quá trình máy bơm đang hoạt động, mạch phát hiện ra trời mưa(thông qua cảm biến mưa) thì máy bơm sẽ tự động tắt

3.5.2 Lưu đồ giải thuật chế độ thủ công

Hình 3.27: Lưu đồ thuật toán chế độ thủ công

Giải thích nguyên lý hoạt động của chương trình:

Khi vào chế độ thủ động, đầu tiên mạch sẽ đọc các giá trị nhiệt độ, độ ẩm đất rồi hiển thị lên LCD, nếu nút bật bơm được ấn thì bơm sẽ hoạt động, nếu nút tắt được ấn sau đó thì bơm sẽ tắt

3.5.3 Lưu đồ giải thuật tự động bật tắt đèn

Hình 3.28: Lưu đồ thuật toán chế độ tự động bật tắt đèn

Giải thích nguyên lý hoạt động của chương trình:

Lúc bắt đầu chương trình sẽ khởi tạo cảm biến ánh sáng, đọc giá trị cảm biến, cảm biến ánh sáng sẽ đo cường độ ánh sáng ngoài môi trường và so sánh với mức ngưỡng được cài đặt trước Nếu cường độ sáng ngoài môi trường nhỏ hơn ngưỡng thì tự động bật đèn và quay lại tiếp tục kiểm tra, ngược lại ánh sáng lớn hơn ngưỡng cài đặt thì tự động tắt đèn và quay lại kiểm tra

3.5.4 Lưu đồ gửi dữ liệu lên Firbase

Hình 3.29: Lưu đồ thuật toán gửi dữ liệu lên Firebase

Giải thích nguyên lý hoạt động của chương trình:

Khởi tạo module Esp8266 Node MCU đã có kết nối Wifi, các thông tin như nhiệt độ, độ ẩm đất được gửi Firebase, nếu tín hiệu gửi lên được thì sẽ hiển thị lên Firebase sau đó thuật toán sẽ quay trở lại đọc giá trị của các cảm biến Nếu tín hiệu gửi lên thất bại thì sẽ vào một vòng lặp vô hạn đến khi gửi tín hiệu lên được Firebase.

Thiết kế phần mềm App

Giao diễn App được thiết kế bằng phần mềm MIT App Inventor, nhóm sinh viên lựa chọn các máy điện thoại di động chay hệ điều hành Android làm thiết bị nhúng cho phần mềm được viết bằng MIT App Inventor Để thiết kế một phần mềm App để giám sát trong Android Studio, chúng ta cần phải làm rõ hai bước :

Bước thứ 1: Xác định mục tiêu mà App đáp ứng được sau đó liệt kê các tính năng, cấu trúc của App

Bước thứ 2: Sau khi hoàn thành bước 1, ta bắt đầu vào thiết kế giao diện cho App, việc thiết kế giao diện cho App dựa theo yêu cầu của khách hàng hoặc ý tưởng của mình

Hình 3.30: Phần thiết kế giao diện App của MIT App Inventor

Hình 3.31: Phần viết code App của MIT App Inventor

Hình 3.32: Giao diện App của hệ thống

- Vùng hình tròn 1 là nới thay đổi giao diện của App, người dùng có thể lựa chọn bốn giao diện cho màn hình chính

- Vùng hình tròn 2 là nơi giá trị nhiệt độ, độ ẩm đất thực tế được cập nhật lên App

- Khi mô hình được kết nối Wifi, người dùng muốn điều khiển bơm qua App thì nhấn nút ‘Bật Bơm’ và nếu muốn bơm ngừng hoạt động thì ấn nút ‘Tắt Bơm’

- Vùng hình tròn 3 là nơi người dùng có thể cài đặt ngưỡng nhiệt độ và độ ẩm đất

- Vùng hình tròn 4 là nơi người dùng có thể cài đặt thời gian để mạch kiểm tra giá trị nhiệt độ và độ ẩm đất so với ngưỡng đã cài trước đó Dấu tích xanh là để xác định thời gian kiểm tra, nếu không có tích xanh, mạch sẽ không kiểm tra cho dù đến đúng thời gian đã đặt sẵn, dấu tích xanh do người dùng ấn chọn

KẾT QUẢ

Giới thiệu

Chương này sẽ trình bày kết quả của quá trình thực hiện đề tài Bên cạnh đó là nhận xét và đánh giá về mô hình.

Mô hình hệ thống

Trong đề tài này nhóm đã để mạch trong hộp bảo vệ có kích thước (20cm x 12cm), hộp có tấm kính trong suốt để người dùng có thể thấy các thông số được hiển thị trên LCD, trên tấm kính có hai nút nhấn để thực hiện các chức năng bật và tắt bơm Ở bốn gốc của tấm kính trong suốt có bốn con ốc để cố định vào hộp có thể tháo ra và đóng lại, việc thiết kế như vậy giúp người dùng có thể lau chùi, bảo dưỡng mạch, trong khi vẫn bảo vệ mạch trước các tác nhân của môi trường như va đập, ẩm ướt,

Các thiết bị như cảm biến đo nhiệt độ môi trường, cảm biến đo độ ẩm đất, cảm biến ành sáng, đèn led và máy bơm được đưa ra khỏi hộp để thực hiên các chức năng của mình Adapter cung cấp nguồn cho mạch hoạt động được lắp ở ngoài và có thể tháo ra khi người dùng không muốn dùng mạch

Với những thiết kế đã nêu như trên thì mô hình không chỉ hoạt động tốt theo các yêu cầu đã đặt ra mà người dùng có thể dễ dàng vận chuyển đến các vị trí khác nhau

Hình 4.1: Toàn bộ mô hình của đề tài

Kết quả

Khi cấp nguồn cho mạch, mạch sẽ hiển thị ra dòng chữ như hình 4.2, nếu không có Wifi, mạch sẽ hiển thị dòng chữ như hình 4.3 để thông báo với người dùng mạch kết nối Wifi thất bại và sẽ chuyển qua chế độ thủ công như hình 4.4

Hình 4.2: Mạch đang chờ kết nối với Wifi

Hình 4.3: Mạch thông báo kết nối Wifi thất bại

Hình 4.4: Mạch ở chế độ thủ công

Khi cấp nguồn cho mạch, mạch sẽ hiển thị ra dòng chữ như hình 4.5, nếu có Wifi, mạch sẽ hiển thị dòng chữ như hình 4.6 để thông báo với người dùng mạch kết nối Wifi thành công và sẽ chuyển qua chế độ tự động như hình 4.7

Hình 4.5: Mạch đang chờ kết nối với Wifi

Hình 4.6: Mạch thông báo kết nối Wifi thành công

Hình 4.7: Mạch ở chế độ tự động

Hình 4.8: Giá trị nhiệt độ và độ ẩm đất thực tế hiển thị lên LCD

Hình 4.9: Giá trị nhiệt độ và độ ẩm đất thực tế hiển thị lên App

Hình 4.10: Giá trị nhiệt độ và độ ẩm đất thực tế hiển thị lên Firebase

Thông qua các hình 4.8, 4.9, 4.10 ta có thể thấy rằng giá trị nhiệt độ và độ ẩm được đo bởi các cảm biến trong thực tế đã được hiển thị lên LCD và được cập nhật lên App và Firebase

Người dùng sử dụng App để cài ngưỡng giá trị của nhiêt độ và độ ẩm đất như hình 4.11, giá trị sau khi khi cài sẽ được hiển thị lên LCD như hình 4.12 và được cập nhật lên Firebase như hình 4.13

Hình 4.11: Ngưỡng nhiệt độ, độ ẩm đất được cài đặt trên App

Hình 4.12: Ngưỡng nhiệt độ, độ ẩm đất được hiển thị lên LCD

Hình 4.13: Ngưỡng nhiệt độ, độ ẩm đất được hiển thị lên Firebase

Người dùng sử dụng App để cài đặt thời gian như hình 4.14 cho mạch kiểm tra giá trị nhiệt độ, độ ẩm đất ngoài thực tế, thời gian cài đặt trên App được gửi lên Firebase như hình 4.16 Nếu người dùng ấn tích xanh, tức là xác nhận kiểm tra thì giá trị tại chỗ đó sẽ chuyển thành “1” còn ngược lại giá trị là “0” như hình 4.17, khi xác nhận giá trị kiểm tra, trên LCD cũng hiển thị thời gian cài đặt như hình 4.15

Hình 4.14: Cài đặt thời gian kiểm tra và xác nhận kiểm tra trên App

Hình 4.15: Thời gian kiểm tra được hiển thị lên LCD

Hình 4.16:Thời gian kiểm tra được cập nhật lên Firebase

Hình 4.17: Xác nhận kiểm tra được gửi lên Firebase

Hình 4.18 là khi người dùng chưa bật bơm, lúc máy bơm hoạt động giao diện của App sẽ như hình 4.19 và giá trị ‘pump’ trên Firebase sẽ là “1” như hình 4.20

Hình 4.18: App khi người dùng chưa bật bơm

Hình 4.19: App khi người dùng bật bơm

Hình 4.20: Firebase khi bật bơm

Nhận xét

Sau khi thiết kế, xây dựng mô hình hệ thống và chạy thực ngiệm thực tế thì nhóm sinh viên thực hiện đồ án đã rút ra được những nhận xét về mô hình của nhóm như sau Ưu điểm:

Mô hình hệ thống chạy ổn định, liên tục, không bị gián đoạn

Các thông số như nhiệt độ, độ ẩm đất, các giá trị ngưỡng, giá trị cài đặt thời gian kiểm tra được gửi, cập nhật liên tục, không có hiện tượng khi thay đổi bất kỳ thông số nào từ App mà Firebase không thể cập nhật

Mô hình nhỏ gọn, tiện lợi trong quá trình vận chuyển

Hệ thống có thể tự động kiểm tra các giá trị nhiệt độ và độ ẩm theo số lần và khoảng thời gian mà người dùng mong muốn

Nếu như bị mất Wifi người dùng vẫn có thể sử dụng nút bầm để điều khiển máy bơm và các thông số đo được về nhiệt độ, độ ẩm đất vẫn được hiển thị lên LCD

Nếu như mô hình bắt được Wifi liên tục, người dùng có thể giám sát và hiệu chỉnh các thông số từ xa, thuận tiện cho việc theo dõi và chăm sóc

Phải khởi động lại mô hình khi muốn chuyển chế độ từ thủ công sang tự động hoặc ngược lại

Giá trị nhiệt độ hiển thị trên LCD và App có sai số, do có khoảng thời gian trễ khi gửi dữ liệu từ mô hình lên Firebase để cập nhật cho App

Hệ thống chỉ truyền dữ liệu lên Firebase khi có Wifi

Nhiệt độ, độ ẩm được đo bởi các cảm biến trong hệ thống có sai số khoảng (±1 đến ±3) so với các thiết bị đo của các hãng uy tín ngoài thị trường

Bảng 4.1: Bảng đánh giá hệ thống

Công việc Số lần thao tác

Thời gian đáp ứng (s) Đánh giá

Giám sát nhiệt độ 30 30 1 Đạt

Giám sát độ ẩm đất 30 30 1 Đạt

Giám sát phát hiện mưa 30 25 1 Đạt

Nhấn bằng nút nhấn 10 8 2 Đạt

Hiển thị lên LCD 50 50 1 Đạt

Hiển thị lên App 50 50 1 Đạt