vật, trong sản xuất nông nghiệp quá mức càng làm gia tăng sự lo lắng của người sử dụng và đang là vấn đề được xã hội quan tâm nhiều. Vậy có cách nào để vừa được sử dụng thực phẩm an toàn không lo hóa chất nông nghiệp, vừa được thư giãn mà lại không tốn quá nhiều thời gian. Giải pháp tối ưu cho vấn đề này là vườn rau hộ gia đình theo mô hình thủy canh. Mô hình này vừa giải quyết được vấn đề thực phẩm bẩn, tiết kiệm tối đa thời gian chăm sóc và mọi vật liệu đều được tái sử dụng lại. Do đó mô hình thủy canh đã và đang được nhiều hộ gia đình lựa chọn nhằm tự cung tự cấp nguồn rau sạch cho bữa ăn hằng ngày. Thuỷ canh là phương pháp trồng cây không dùng đất. Cây trồng thuỷ canh có toàn bộ phần thân và lá ở trong không khí, còn rễ cây được phát triển trong dung dịch dinh dưỡng khoáng, được thông khí liên tục. Hệ thống thủy canh quy mô nhỏ đã và đang trở thành một lựa chọn khả thi để cung cấp một số thực phẩm an toàn cho gia đình và được xem là mô hình sản xuất thực phẩm bền vững, tiết kiệm, Canada là một trong những đất nước đi đầu trong việc áp dụng khoa học kĩ thuật vào đời sống. Mô hình thủy canh tại Canada mang tính tự động cao. Từ việc gieo hạt, tưới nước tới điều chỉnh ánh sáng. Việc sử dụng robot từ khâu gieo hạt, chăm sóc, thu hoạch đã mang lại sản phẩm có chất lượng tốt nhất. Hàn Quốc, mô hình thủy canh công nghệ cao này có gắn kết với các hệ thống máy đo và điều chỉnh tự động các thông số kỹ thuật (như nhiệt độ, cường độ ánh sáng, bước sóng ánh sáng, thời gian chiếu sáng, pH, EC, thành phần dinh dưỡng cho cây, nồng độ khí CO2...), đồng thời có gắn thêm camera để giám sát và theo dõi từ xa. Vì vậy, khi chuyển mô hình thủy canh công nghệ cao về Việt Nam, tôi đã vận hành và ở nhà mà vẫn có thể theo dõi. Ở Việt Nam, hiện nay ngày càng có nhiều cá nhân và đơn vị nghiên cứu đầu tư vào các mô hình trồng trọt công nghệ cao. Mô hình trồng rau thủy canh cũng là một mô hình mà các nhân và doanh nghiệp quan tâm tới. Chính nhu cầu và lý do đó mà em tiến hành thiết kế, thi công “điều khiển và giám sát hệ thống trồng rau thủy canh” dùng vi điều khiển MSP430 và ESP8266, giám sát và điều khiển qua Smartphone.
THIỆU VỀ MÔ HÌNH THỦY CANH
T ỔNG QUAN
Những năm gần đây, vấn đề mất an toàn vệ sinh thực phẩm, sử dụng thuốc bảo vệ thực vật, trong sản xuất nông nghiệp quá mức càng làm gia tăng sự lo lắng của người sử dụng và đang là vấn đề được xã hội quan tâm nhiều Vậy có cách nào để vừa được sử dụng thực phẩm an toàn không lo hóa chất nông nghiệp, vừa được thư giãn mà lại không tốn quá nhiều thời gian Giải pháp tối ưu cho vấn đề này là vườn rau hộ gia đình theo mô hình thủy canh Mô hình này vừa giải quyết được vấn đề thực phẩm bẩn, tiết kiệm tối đa thời gian chăm sóc và mọi vật liệu đều được tái sử dụng lại Do đó mô hình thủy canh đã và đang được nhiều hộ gia đình lựa chọn nhằm tự cung tự cấp nguồn rau sạch cho bữa ăn hằng ngày
Thuỷ canh là phương pháp trồng cây không dùng đất Cây trồng thuỷ canh có toàn bộ phần thân và lá ở trong không khí, còn rễ cây được phát triển trong dung dịch dinh dưỡng khoáng, được thông khí liên tục Hệ thống thủy canh quy mô nhỏ đã và đang trở thành một lựa chọn khả thi để cung cấp một số thực phẩm an toàn cho gia đình và được xem là mô hình sản xuất thực phẩm bền vững, tiết kiệm,
Canada là một trong những đất nước đi đầu trong việc áp dụng khoa học kĩ thuật vào đời sống Mô hình thủy canh tại Canada mang tính tự động cao Từ việc gieo hạt, tưới nước tới điều chỉnh ánh sáng Việc sử dụng robot từ khâu gieo hạt, chăm sóc, thu hoạch đã mang lại sản phẩm có chất lượng tốt nhất
Hàn Quốc, mô hình thủy canh công nghệ cao này có gắn kết với các hệ thống máy đo và điều chỉnh tự động các thông số kỹ thuật (như nhiệt độ, cường độ ánh sáng, bước sóng ánh sáng, thời gian chiếu sáng, pH, EC, thành phần dinh dưỡng cho cây, nồng độ khí CO2 ), đồng thời có gắn thêm camera để giám sát và theo dõi từ xa Vì vậy, khi chuyển mô hình thủy canh công nghệ cao về Việt Nam, tôi đã vận hành và ở nhà mà vẫn có thể theo dõi. Ở Việt Nam, hiện nay ngày càng có nhiều cá nhân và đơn vị nghiên cứu đầu tư vào các mô hình trồng trọt công nghệ cao Mô hình trồng rau thủy canh cũng là một mô hình mà các nhân và doanh nghiệp quan tâm tới.
Chính nhu cầu và lý do đó mà em tiến hành thiết kế, thi công “điều khiển và giám sát hệ thống trồng rau thủy canh” dùng vi điều khiển MSP430 và ESP8266, giám sát và điều khiển qua Smartphone.
M ỤC TIÊU VÀ KẾT QUẢ
Mục tiêu Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát hệ thống trồng rau thủy sinh qua màng hình LCD khi quan sát gần và smartphone có thể quan sát từ xa, trên ứng dụng sẽ hiển thị các chức năng như:
Đo nhiệt độ, độ pH của nước, chất lượng nước TDS.
Cài đặt nhiệt độ nếu nhiệt độ cao hơn nhiệt độ mức thì hệ thống sẽ tự bật quạt gió, phun sương nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ mức thì hệ thống sẽ bật đèn
Cài đặt độ pH và chất lượng TDS, pH trong nước nếu nếu vượt quá mức hay thấp hơn đã cài đặt hệ thống sẽ báo.
Cài thời gian cho máy, bơm chất dinh dưỡng cho cây nếu lượng nước bơm lên đạt mức cài đặt thì tắt máy bơm và bật van điện Nước sẽ được tuần hoàn trên hệ thống.
Kết quả sẽ tạo ra một hệ thống khu vườn thông minh và không chỉ xoay việc trồng rau mà còn có thể sử dụng ở những mô hình khác ( Ví dụ: Trồng hoa trong nhà kính, trồng các loại cây ăn quả,… ), tiện dụng có thể sử dụng ở bất kỳ nơi nào.
N ỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Trong quá trình thực hiện Đồ án tốt nghiệp với đề tài: “điều khiển và giám sát hệ thống trồng rau thủy canh”, em đã tập trung giải quyết và hoàn thành được những nội dung sau:
Nội dung 1: Kết nối vi điều khiển MSP430
Nội dung 2: Kết nối vi điều khiển ESP8266
Nội dung 3: Nghiên cứu xây dựng giám sát hệ thống.
Nội dung 4: Thiết kế mô hình hệ thống.
Nội dung 5: Nguyên cứu, lập trình vi điều khiển MSP430 thu thập dữ liệu cảm biến và điều khiển các thiết bị hỗ trợ.
Nội dung 6: Thi công phần cứng, chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống.
Nội dung 7: Đánh giá kết quả thực hiện.
T ỔNG QUAN VỀ I O T
Mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc là mạng lưới thiết bị kết nối Internet viết tắt là IoT là một kịch bản của thế giới, khi mà mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh riêng của mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet Nói đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện một công việc nào đó.
Internet of Things – IoT được đưa ra bởi các nhà sáng lập của MIT Auto-ID Center đầu tiên, năm 1999 Kevin Ashton đã đưa ra cụm từ Internet of Things để chỉ các đối tượng có thể nhận biết cũng như sự tồn tại của chúng Thuật ngữ Auto – ID chỉ tới bất kỳ một lớp rộng của các kỹ thuật xác minh sử dụng trong công nghiệp tự động hóa, giảm các lỗi và tăng hiệu năng Các kỹ thuật đó bao gồm mã vạch, thẻ thông minh, cảm biến, nhận dạng tiếng nói, và trắc sinh học từ năm 2003 kỹ thuật Auto – ID trong các hoạt động chính là Radio Frequency Identification – RFID.
Ngày nay với khoảng 1,5 tỷ máy tính và trên 1 tỷ điện thoại có kết nối Internet Hiện diện “Internet of PCs” sẽ được chuyển sang IoT trong đó 50 – 100 tỷ thiết bị kết nối internet trong năm 2020 Một vài nghiên cứu còn chỉ ra trong cùng năm đó, lượng máy móc di động sẽ tăng gấp 30 so với hiện nay Nếu không chỉ xem xét các kết nối máy với máy mà là các kết nối giữa tất cả các vật thể thì số lượng kết nối có thể tăng lên tới 100.000 tỷ.
1.4.1 1.4 Một số đặc trưng của IoT
Hình 1.2: Đặc trưng của IOT
Khả năng định danh: các đối tượng tham gia vào IoT, bao gồm cả thiết bị, phương tiện và con người, đều sẽ được định danh và mọi hoạt động đều được tiến hành thông qua cách định danh này Việc định danh được thực hiện giúp phân biệt và phân loại các nhóm đối tượng nhờ đó mà quy trình thu nhập, xử lý và chia sẽ dữ liệu được tiến hành chính xác và hiệu quả hơn Cách thức định danh của IoT khá đa dạng, ví dụ như dùng mã QR, mã vạch, NFC, địa chỉ IP,…
Tuy nhiên, các thông tin định danh này cần đảm bảo yếu tố độc nhất, tránh sự nhầm lẫn giữa các đối tượng hoặc thiết bị.
Thông minh: các yếu tố của trí tuệ nhân tạo đã và đang được cân nhắc để ứng dụng phát triển các thiết bị mạng lưới IoT, mục tiêu là để tạo ra các thiết bị thông minh, được bổ sung đầy đủ các thiết bị thu nhập, xử lý thông tin và có thể tự động thực hiện các nhiệm vụ nhất định, dựa trên tình huống và môi trường thực tế.
Phức tạp: trên thực tế, hệ thống kết nối của IoT vô cùng phức tạp Hệ thống này bao gồm mọi đường liên kết, kết nối giữa các thiết bị với nhau, giữa các thiết bị cũ và các công nghệ, yếu tố mới, giữa thiết bị thực tế và những dữ liệu lưu trữ trên nền tảng Internet Cũng chính vì đặc trưng này, việc vận hành không hề đơn giản, tốn nhiều thời gian và cách thức thực hiện.
Kích thước của IoT: tính sơ bộ, một hệ thống IoT có thể liên kết đến 50 đến 100 nghìn tỉ đối tượng khác nhau, từng đối tượng đều như một vai trò nhất định trong việc chia sẻ và sử dụng dữ liệu Trên thực tế, hiện nay chúng ta vẫn chưa khai thác được nhiều tài nguyên của hệ thống này.Đề tài mang tính ứng dụng cao, gần gũi với thực tế.
Hình 1.3: Lợi ích của IoT
Nâng cao hiệu quả công việc: IoT thúc đẩy quá trình khai thác, trao đổi và sử dụng dữ liệu trong nhiều công việc khác nhau Điều này tạo ra những thay đổi tích cực trong công tác quản lý, nghiên cứu, sản xuất và chế tạo sản phẩm, dịch vụ, đem đến những sản phẩm chất và chất lượng đáp ứng đúng nhu cầu người dùng.
Nâng cao chất lượng cuộc sống: các ứng dụng của IoT hướng đến việc tạo ra những sản phẩm, thiết bị, đồ dùng, phương tiện thông minh hơn, tiện ích hơn.
Qua đó, dần dần cải thiện điều kiện, môi trường sống và giúp hình thành thói quen sống hiện đại Nhờ sự tham gia của các thiết bị công nghệ và IoT, tất cả công việc thường ngày có thể giảm bớt, được đơn giản hóa, tự động hóa.
1.4.3 Một số ứng dụng IoT
Sản phẩm có thể đeo được: đồng hồ, vòng tay, điều khiển cử chỉ,
Thành phố thông minh: giao thông, ô nhiễm không khí, tiếng ồn,
Chuỗi cung ứng thông minh
Hình 1.4: Một số ứng dụng của IOT
T ỔNG QUAN MÔ HÌNH THỦY CANH
Thủy canh là phương pháp trồng cây mà không sử dụng đất, thay vào đó sử dụng dung dịch chứa dưỡng chất Nó giúp kiểm soát môi trường cây trồng và tối ưu hóa sự phát triển của chúng.
Hình 1.5: Mô hình thủy canh
Nguyên lý của phương pháp này chính là dùng nước làm môi trường cung cấp đầy đủ cho cây các nguyên tố, dinh dưỡng cần thiết đúng lúc để cây phát triển Vẫn đảm bảo đầy đủ ánh sáng cho quá trình quang hợp, hô hấp của cây để cây có thể phát triển mạnh với năng suất cao.
1.5.2 Tại sao chọn phương pháp thủy canh Ở môi trường đất, cây chỉ lấy và khả năng hấp thụ khoảng 5% dinh dưỡng từ môi trường đất, 95% dinh dưỡng còn lại là do cây tự tổng hợp trong quá trình quang hợp và sử dụng. Môi trường đất ở đây chỉ đóng vai trò làm nơi lưu trữ dinh dưỡng cho quá trình phát triển của cây, cây sẽ sử dụng từ từ lượng dinh dưỡng này trong quá trình phát triển và lớn lên Với thủy canh, dinh dưỡng được chuyển hóa dưới dạng lỏng ( dạng dễ hấp thụ nhất cho cây) để cây dễ dàng hấp thụ trong quá trình phát triển nên ta hoàn toàn không cần dùng đất làm môi trường sống cho cây.
Hình 1.6: Giàn trồng rau thủy canh tại nhà
Với phương pháp này, bạn đã tạo ra một môi trường sống khá sạch cho cây trồng, không có những ảnh hưởng ô nhiễm từ môi trường đất gây ra cho cây như nấm, sâu bệnh,….
Thủy canh được nghiên cứu là phương pháp cho ra năng suất cao hơn so với phương pháp trồng rau thổ canh, không chỉ vậy mà thủy canh còn tận dụng diện tích trồng khá tốt vì có thể chia không gian thành nhiều tầng để mở rộng diện tích.
1.5.3 Mô hình trồng thủy canh cơ bản
Có rất nhiều mô hình trồng rau thủy canh tại nhà khác nhau được nghiên cứu đưa ra sao cho phù hợp với điều kiện từng nơi sử dụng Đa phần các máng trồng thủy canh hiện nay đều được làm bằng nhựa nhưng cũng có thể sử dụng những vật liệu khác như thủy tinh, bê tông hoặc kim loại,… Khi trồng các máng cần được che nắng để không tạo rong rêu phát triển trong môi trường dung dịch thủy canh.
- Hệ thống thủy canh dạng bấc (wick hydroponic system)
- Hệ thống thủy canh tĩnh
- Hệ thống thủy canh nhỏ giọt (Drip hydroponic system)
- Hệ thống trồng rau thủy canh hồi lưu
Kỹ thuật trồng rau thủy canh hồi lưu là một phương pháp còn mới so với những ai mới bắt đầu với mô hình thủy canh Tuy nhiên loại kỹ thuật này nếu áp dụng thành công sẽ mang lại nhiều hiệu quả cho hệ thống thủy canh.
Hình 1.7: Mô hình thủy canh hồi lưu
Thủy canh hồi lưu ( Dynamic Root Floating Technique ) là phương pháp trồng cây bằng cách sử dụng những thùng chứa dung dịch dinh dưỡng và bơm luân chuyển dung dịch lên những ống trồng rau Sau đó những phần dung dịch thừa sẽ được chứa tại thùng ban đầu. Dung dịch dinh dưỡng được hoạt động tuần hoàn sẽ giúp cho cây hấp thụ được dưỡng chất và phát triển tốt hơn.
Phương pháp này sử dụng bơm 2 chiều tuần hoàn nên có chế độ bơm tự động khi cây trồng có nhu nhu cầu Đồng thời giúp người trồng tiết kiệm được nhiều chi phí khi hệ thống có khả năng hoàn lại dung dinh dinh dưỡng dư thừa về thùng chứa ban đầu Đặc biệt hơn, mô hình thủy canh hồi lưu còn giúp oxy được hòa trộn vào dung dịch dinh dưỡng nhiều hơn so với các phương pháp thủy canh còn lại.
1.5.5 Ảnh hưởng của ánh sáng đến với sự phát triển của rau
Với rau nói riêng và những loại cây xanh nói chung, chúng sẽ quang hợp qua thân, lá nhờ có các diệp lục tố Cụ thể, cây trồng sẽ sử dụng CO2 và nước để tạo nên các hợp chất hữu cơ cung cấp năng lượng để phát triển Ánh sáng chính là điều kiện cần cho phản ứng sinh hóa này diễn ra.
Hình 1.8: Ánh sáng là điều kiện cần cho phát triển của cây trồng
Bên cạnh đó, ánh sáng còn tác động đến toàn bộ quá trình sinh trưởng của cây rau, từ lúc nảy mầm đến khi lớn lên rồi chết đi Ngoài ra, ánh sáng mặt trời ảnh hưởng đến cây trồng về mặt sinh khối Tùy thuộc vào đặc điểm của mỗi giống cây mà khả năng tiếp nhận cường độ ánh sáng sẽ không giống nhau Căn cứ vào điều đó, người ta phân loại cây thành các nhóm để tạo điều kiện ánh sáng phù hợp cho chúng phát triển tốt nhất.
Bước sóng ánh sáng phù hợp cho sự phát triển của thực vật là 400-700nm Nhưng quá trình quang hợp chỉ xảy ra tại miền ánh sáng xanh tím và miền ánh sáng đỏ Trong đó, ánh sáng có bước sóng ngắn như tím và xanh lam, kích thích sản sinh axit amin và protein Còn ánh sáng có bước sóng dài như đỏ, cam, vàng thúc đẩy quá trình trồng ra hoa, đậu quả.
1.5.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến với sự phát triển của rau
Mỗi loại cây trồng có một ngưỡng nhiệt độ lý tưởng để phát triển tốt nhất Như xà lách có ngưỡng nhiệt độ phát triển tốt nhất là 15–25 Nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp, cách xa ngưỡng nhiệt độ phát triển của cây sẽ làm giảm khả năng hấp thụ chất dinh dưỡng của cây trồng
Khi sự hấp thụ chất dinh dưỡng của cây trồng bị giảm, việc bạn cần làm là điều chỉnh nồng độ dung dịch xuống thấp hơn Điều này sẽ hạn chế được khả năng ngộ độc dinh dưỡng cho cây.
1.5.7 Ảnh hưởng của dung dịch nước đến sự phát triển của rau
Dung dịch thủy canh là hỗn hợp các vi chất dinh dưỡng và khoáng chất cho cây phát triển Dung dịch dinh dưỡng thủy canh chiếm vai trò thiết yếu trong phương pháp thủy canh. Pha chế dung dịch đúng nồng độ cây phát triển đồng đều, đạt năng suất cao.
Hình 1.9: Dung dịch thủy canh
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG
T HIẾT KẾ PHẦN CỨNG
Khối nguồn: Khối nguồn cung cấp là khối quan trọng giúp cung cấp điện cho toàn bộ hệ thống Vì vậy cần tính toán hợp lý để khối nguồn có thể cung cấp đủ dòng và áp để mạch có thể hoạt động tốt và ổn định.
Khối điều khiển trung tâm: Khối điều khiển trung tâm sử dụng msp430 có hiệu năng cao, dùng để điều khiển các thiết bị khác trong hệ thống: Điều khiển đọc dữ liệu từ cảm biến
Giao tiếp với màn hình hiển thị LCD
Truyền dữ liệu lên Web qua thiết bị trung gian
Khối cảm biến: Bao gồm cảm biến nhiệt độ, cảm biến chất lượng nước, dùng để thu thập dữ liệu về nhiệt độ, độ ẩm, độ pH, độ TDS của nước, từ đó đưa ra tín hiệu về khối điều khiển trung tâm sẽ xử lý với yêu cầu của giá trị đặt trước Ngoài ra còn có cảm biến thời gian thực giúp lưu trữ thông tin ngày tháng năm cũng như giờ, phút, giây, nó sẽ hoạt động như một chiếc đồng hồ và có thể xuất dữ liệu ra ngoài qua giao thức I2C.
Khối hiển thị: Khối hiển thị sử dụng màn hình LCD 1620 để hiển thị dữ liệu đọc được từ khối cảm biến.
Khối thực thị (thiết bị ngoại vi): Khối thực thi bao gồm bơm nước, máy bơm phun sương và quạt, đèn Khối này điều khiển online qua smartphone.
Động cơ DC bơm nước 12V: Có kích thước nhỏ gọn, áp lực mạnh, được sử dụng để bơm nước, dung dịch với khả năng bơm nước tối đa lên đến 1~2L/1 phút, thích hợp với các thiết kế sử dụng máy bơm nhỏ.
Ứng dụng Blynk: Được thiết kế cho IoT, nó có thể kiểm soát phần cứng từ ca, nó có thể hiển thị dữ liệu cảm biến, nó có thể lưu trữ dữ liệu,…
Như vậy tất cả các thứ chúng ta cần để Blynk có thể hoạt động bao gồm:
Smart phone: đã tải Blynk App
Cài thư viện Blynk trong IDE
Các chức năng được thực hiện trên Blynk:
Đọc và hiển thị toàn bộ dữ liệu từ cảm biến và trạng thái của bơm,quạt.
Lưu lại dữ liệu cảm biến.
2.1.2 Tinh chọn linh kiện a) Lựa chọn phương thức truyền dữ liệu
Công nghệ Truyền thông thông tin IoT là một bước đột phá về con người với con người, con người với sự vật và sự vật với sự truyền tải thông tin Các thiết bị thông minh hiện có thể kết nối, di chuyển và đưa ra quyết định thay mặt cho các cá nhân, công nghệ này còn gọi là “kết nối cho mọi thứ” Đã nói đên IoT là nói đến truyền dữ liệu không dây, tùy thuộc vào khoảng cách địa lý, nguồn năng lượng nuôi thiết bị, tài chính,…mà mình lựa chọn sao cho hợp lý có rất nhiều cách thức truyền khác nhau như: GPRS/3G, Zigbee, Bluetooth, Lora, Wifi,… Dưới đây là một số phương thức thường dùng trong IoT.
Một công nghệ giao tiếp truyền thông trong khoảng cách ngắn vô cùng quan trọng, đó là Bluetooth Hiện nay, bluetooth xuất hiện hầu hết ở các thiết bị như máy tính, điện thoại /smartphone,… và nó được dự kiến là chìa khóa cho các sản phẩm IoT đặc biệt, cho phép giao tiếp thiết bị với các smartphone – một “thế lực hùng hậu” hiện nay.
Hiện nay, BLE - bluetooth Low Energy – hoặc Buluetooth Smart là một giao thức được sử dụng đáng kể cho các ứng dụng IoT Quan trọng hơn, cùng với một khoảng cách truyền tương tự như Bluetooth, BLE được thiết kế tiêu thụ công suất ít hơn rất nhiều.
Tuy nhiên, BLE không thực sự được thiết kế cho các ứng dụng dùng để truyền file và sẽ phù hợp hơn cho khối dữ liệu nhỏ Nó có một lợi thế vô cùng lớn trong bối cảnh hiện nay, smartphone đang là thiết bị không thể thiếu được của mỗi người Theo Bluetooth SIG, hiện có hơn 90% điện thoại smartphone được nhúng bluetooth, bao gồm các hệ điều hành IOS, Android và Window Mô đun nguồn
Một số thông tin kỹ thuật về Bluetooth:
Dữ liệu truyền được: 1Mbps
Zigbee, giống như Bluetooth, là một loại truyền thông trong khoảng cách ngắn, hiện được sử dụng với số lượng lớn và thường được sử dụng trong công nghiệp Điển hình, Zigbee Pro va Zigbee remote control (RF4CE) được thiết kế trên nền tảng giao thức IEEE802.15.4 – là một chuẩn giao tiếp truyền thông vật lý trong công nghiệp hoạt động ở 2.4Ghz thường được sử dụng trong các ứng dụng khoảng cách ngắn và dữ liệu truyền tin ít nhưng thường xuyên, được đánh giá phù hợp với các ứng dụng trong Smarthome hoặc trong một khu vực đô thị/ khu chung cư.
Zigbee/ RF4CE có một lợi thế đáng kể trong các hệ thống phức tạp cần các điều kiện: tiêu thụ công suất thấp, tính bảo mật cao, khả năng mở rộng số lượng các node cao,… ví dụ như yêu cầu của các ứng dụng M2M và IoT là điển hình Phiên bản mới nhất của Zigbee là 3.0, trong đó điểm nổi bật là sự hợp nhất của các tiêu chuẩn Zigbee khác nhau thành một tiêu chuẩn duy nhất
Một số thông tin kỹ thuật của Zigbee:
Standard: Zigbee 3.0 based on IEE802.15.4
Wifi (là viết tắt từ Wireless Fidelity hay mạng 802.11) là hệ thống mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến, cũng giống như điện thoại di động, truyền hình và radio Kết nối wifi thường là sự lựa chọn hàng đầu của rất nhiều kỹ sư giải pháp bởi tính thông dụng và kinh tế của hệ thống wifi và mạng LAN với mô hình kết nối trong một phạm vi địa lý có giới hạn.
Các sóng vô tuyến sử dụng cho wifi gần giống với các sóng vô tuyến sử dụng cho thiết bị cầm tay, điện thoại di động và các thiết bị khác Nó có thể chuyển và nhận sóng vô tuyến, chuyển đổi các mã nhị phân 1 và 0 sang sóng vô tuyến và ngược lại Tuy nhiên, sóng wifi có một số khác biệt so với các sóng vô tuyến ở chỗ: chúng truyền và phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz hoặc 5GHz Tần số này cao hơn so với các tần số sử dụng cho điện thoại di động, các thiết bị cầm tay và truyền hình Tần số cao hơn cho phép tín hiệu mang theo nhiều dữ liệu hơn.
Hiện nay, đa số các thiết bị wifi đều tuân theo chuẩn 802.11n, được phát ở tần số 2.4GHz và đạt tốc độ xử lý tối đa 300 Megabit/giây.
Frequencies: 2.4Ghz and 5GHz bands
Lựa chọn wifi vì tính ứng dụng cao và độ bao phủ rộng lớn. b) Lựa chọn web service hoặc app
Hiện nay có rất nhiều phương án Server và App để thực hiện các đề tài về IOT Sau khi tìm hiểu thì em lựa chọn phương án sử dụng Server Blynk và App Blynk vì nó hiện nay khá phổ biến và dễ dàng sử dụng.
Blynk là một nền tảng với các ứng dụng iOS và Android để điều khiển Arduino, Raspberry Pi và các ứng dụng tương tự qua internet, Blynk không bị ràng buộc với một số bo hoặc shield cụ thể Thay vào đó, nó hỗ trợ phần cứng mà bạn lựa chọn Cho dù arduino hoặc Raspberry Pi của bạn được liên kết với Internet qua Wifi, Ethernet hoặc chip ESP8266, Blynk sẽ giúp bạn online và sẵn sàng cho IoT.
T HIẾT KẾ PHẦN MỀM
Hệ thống điều khiển và giám sát hệ thống trồng rau thủy canh qua màng hình LCD khi quan sát gần và smartphone có thể quan sát từ xa, trên ứng dụng blynk sẽ hiển thị các chức năng như:
- Thông số của các cảm biến đo được: Nhiệt độ, độ ẩm, độ TDS, độ pH.
- Tình trạng hoạt động của thiết bị: Bơm phun sương, bơm nước, đèn, quạt, còi.
- Điều khiển các thiết bị Auto và Tay: Bơm phun sương + quạt, bơm nước, đèn Cài đặt 3 nút nhấn để điều khiển hệ thống gồm
- Nút start: Khởi động hệ thống
- Nút stop: Dừng hệ thống
- Nút reset: Khởi động lại hệ thống
Cài đặt thiết bị hoạt động dựa trên dữ liệu thu được từ các cảm biến:
- Cài đặt nhiệt độ nếu nhiệt độ cao hơn 25 o C thì hệ thống sẽ tự bật phun sương và quạt Còn nhiệt độ thấp 15 o C thì hệ thống sẽ bật đèn.
- Cài đặt nồng độ pH nếu nồng độ pH đo được nằm ngoài khoảng 5.5 < pH < 6.5 thì hệ thống sẽ bật còi báo
- Cài đặt chất lượng dung dịch TDS theo từng ngày tuổi của cây Nếu chất lượng TDS nằm ngoài khoảng cài đặt sẽ bật còi báo.
Cài đặt thời cho máy bơm hoạt động theo từng khoảng thời gian trong ngày.
2.2.1 Lưu đồ thuật toán MSP430
Hình 2.22: Lưu đồ thuật toán
Hình 2.23: Lưu đồ thuật toán khối A
Lưu đồ thuật toán khối A là nguyên lý hoạt động của cảm biến TDS Được em chia ra ba chế độ hoạt động bằng cách đọc chế độ module thời gian thực như sau:
Chế độ 1: Cài thời gian cho rau từ 1 – 7 ngày tuổi Nếu nồng độ TDS nằm trong ngưỡn 600 – 800 sẽ tắt còi và ngược lại nồng độ TDS nằm ngoài ngưỡng 600 –
Chế độ 2: Cài thời gian cho rau từ 8 – 25 ngày tuổi Nếu nồng độ TDS nằm trong ngưỡng 1200 – 2500 sẽ tắt còi và ngược lại nồng độ TDS nằm ngoài ngưỡng 1200 – 2500 sẽ bật còi báo.
Chế độ 3: Cài thời gian cho rau từ 26 ngày tuổi đến lúc thu hoạch Nếu nồng độ
TDS nằm trong ngưỡng 700 – 900 sẽ tắt còi và ngược lại nồng độ TDS nằm ngoài ngưỡng 700 – 900 sẽ bật còi báo.
Hình 2.24: Lưu đồ thuật toán khối B
Lưu đồ thuật toán khối B là nguyên lý hoạt động một ngày làm việc của máy bơm dung dịch thủy canh Được em chia ra bốn chế độ hoạt động bằng cách đọc chế độ module thời gian thực như sau:
Chế độ 1: Máy bơm hoạt động trong khung giờ từ 0 giờ đến 3 giờ 59 phút Bắt đầu từ 0 giờ máy bơm sẽ hoạt động trong vòng 1 phút sẽ tắt bơm và khoảng cách giữa các lần bật sẽ là 2 tiếng.
Chế độ 2: Máy bơm hoạt động trong khung giờ từ 4 giờ đến 7 giờ 59 phút Bắt đầu từ 4 giờ máy bơm sẽ hoạt động trong vòng 1 phút sẽ tắt bơm và khoảng cách giữa các lần bật sẽ là 1 tiếng.
Chế độ 3: Máy bơm hoạt động trong khung giờ từ 8 giờ đến 15 giờ 59 phút
Bắt đầu từ 8 giờ máy bơm sẽ hoạt động trong vòng 1 phút sẽ tắt bơm và khoảng cách giữa các lần bật sẽ là 30 phút.
Chế độ 4: Máy bơm hoạt động trong khung giờ từ 16 giờ đến 23 giờ 59 phút
Bắt đầu từ 16 giờ máy bơm sẽ hoạt động trong vòng 1 phút sẽ tắt bơm và khoảng cách giữa các lần bật sẽ là 2 tiếng.
2.2.2 Lưu đồ thuật toán ESP8266
Hình 2.25: Lưu đồ thuật toán Esp 8266
Mạch điều khiển được trong hai trường hợp
Khi server được kết nối wifi thành công, thì ESP8266 sẽ nhận dữ liệu từ MSP430, sau đó đọc và đẩy dữ liệu lên blynk đồng thời điều khiển thiết bị tự động Cập nhập dữ liệu lên blynk về trạng thái của thiết bị và thông số cảm biến.
Khi người dùng tác động vào nút nhấn trên app blynk, thì ESP sẽ nhận tín hiệu từ nút nhấn, thiết bị tương ứng được bật tắt, đồng thời sẽ gửi trạng thái của thiết bị vừa được tác động qua app.
ESP8266 sẽ tiến hành kết nối Internet (Wifi) và thiết lập kết nối với Server Đợi khi kết nối thành công Nếu có trao đổi dữ liệu với Server (người dùng tác động vào giao diện ứng dụng Android hoặc Ios hoặc nút nhấn gửi xuống), thì thiết bị sẽ được điều khiển theo yêu cầu người dùng Ở bất kỳ trường hợp điều khiển nào thì trạng thái điều khiển của thiết bị cũng đều được đồng bộ trên điện thoại.
KIỂM NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỒ ÁN
K IỂM NGHIỆM
Hiển thị các thông số nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ pH, nồng độ TDS
Cập nhật giá trị nhiệt độ, độ pH liên tục trên Blynk.
Hiển thị trạng thái hoạt động của quạt, bơm phun sương, bơm nước, đèn, van điện.
Hiển thị và chạy đúng thời gian bật tắt các thiết bị đèn, quạt, bơm phun sương, bơm nước.
Hiển thị thời gian, chế độ làm việc và giá trị thời gian cài đặt liên tục trên ứng dụng Blynk.
Các cảm biến đều hoạt động bình thường
Nhiệt độ không khí phù hợp là từ 15 0 C đến 25 0 C.
Nồng độ pH phù hợp cho bể chứa dung dịch thủy canh là từ 5,5 đến 6,5.
Nồng độ TDS phù hợp cho bể chứa dung dịch thủy canh của ba giai đoạn
1 Máy bơm phun sương nhỏ không đủ để bơm phun sương Thay thế máy bơm mini tăng áp 12V
2 Bộ nguồn tổ ong 12V-5A không đủ dòng điện để cấp cho toàn bộ hệ thống Thay thế nguồn tổ ong 12V-
Bảng 3 Kiểm thử hoạt động mô hình
K ẾT QUẢ
Hình 3.1: Thi công hoàn thiện mạch
Hình 3.2: Thi công mô hình
Hình 3.3: Thi công giao diện giám sát qua app blynk
N HẬN XÉT
Sau khi thực hiện, em đã hoàn thành hệ thống đáp ứng cơ bản những yêu cầu ban đầu đặt ra, dưới đây là một số nhận xét:
Hệ thống hoạt động ổn định qua nhiều lần thử nghiệm.
Đồng bộ trạng thái điều khiển từ mô hình hệ thống, ứng dụng Android và Server.
Giám sát được nhiệt độ và độ ẩm của môi trường xung quanh.
Giám sát được chất lượng dung dịch thủy canh bằng cảm biến pH và TDS
Giao diện điều khiển trực quan, đẹp mắt
Dễ dàng sử dụng, lắp đặt và bảo dưỡng
Hệ thống phụ thuộc vào tốc độ mạng Wifi, và sự ổn định của Server Cloud Blynk
Chưa tích hợp nhiều tính năng thành một hệ thống IoT hoàn chỉnh.
Đ ÁNH GIÁ
Hệ thống có khả năng giúp người dùng giám sát được đối tượng canh tác.
Hệ thống hoạt động ổn định trong thời gian dài.
Tăng năng suất canh tác.
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Sau một thời gian nghiên cứu và hoàn thành đề tài, em đã nhận thấy mô hình đã hiệu quả, trong thời gian nghiên cứu và thực hiện đề tài, em đã học hỏi và tìm hiểu thêm được nhiều kiến thức mới cũng như củng cố lại kiến thức đã học giúp hoàn thành đề tài này.Vì đây là đề tài hướng đến việc giúp cho những người nông dân giảm bớt thời gian và lao động và nâng cao năng suất lao động Tuy nhiên, trong lĩnh vực canh tác nông nghiệp nên phải chú trọng độ ổn định và chính xác, điều này dẫn đến nhiều cho khó khăn trong quá trình lập trình củng như thiết kế hệ thống Nhưng nhờ sự hướng dẫn của giảng viên hướng dẫn và các tài liệu tham khảo thì em đã giải quyết được yêu cầu đề tài.
Trong quá trình thực hiện đề tài về phần cứng, nhóm đã tìm hiểu được chức năng của các chân I/O của MSP430, kết hợp với các cảm biến để đọc giá trị, sử dụng chân TX-RX để giao tiếp với module ESP8266 Node MCU.
Tuy rằng sản phẩm đã được hoàn thành nhưng nhóm vẫn còn nhận thấy sản phẩm còn nhiều thiếu sót, cần được bổ sung và cải tiến hơn.
Xây dựng hoàn thành mô hình Hệ thống IoT trong nông nghiệp thông minh
Mô hình có khả năng cập nhật dữ liệu từ đối tượng canh tác để xử lý theo yêu cầu mà người dùng cài đặt.
Hướng phát triển đề tài: Đề tài cơ bản đáp ứng được những yêu cầu đặt ra tuy nhiên để sản phẩm hoàn thiện hơn nữa thì đòi hỏi cần được cải tiến và nghiên cứu thêm.
Về chức năng, thiết bị được nghiên cứu chỉ dừng lại ở các chức năng cơ bản: đọc nhiệt độ, độ ẩm không khí, cảm biến thời gian thực, cảm biến chất lượng nước một số chức năng nếu có thời gian cần được bổ sung là:
Phát triển mô hình với quy mô lớn hơn.
Có lò sưởi để tăng nhiệt độ khi nhiệt độ thấp xuống quá mức cho phép.
Có mái che để che nắng khi nhiệt độ quá mức cho phép.
Cài đặt cảm biến mực nước trong máng trồng rau thủy canh.
Hoàn thiện mô hình và tối ứu một cách kinh tế hơn.
Có thể dùng năng lượng từ pin mặt trời để tạo ra nguồn điện.
Cài đặt giá trị để cảm biến theo điều kiện sống của từng loại cây trồng.