Quản lý nguồn nước tươi cho trang trại đang trở thành một thách thức ngày càng nghiêm trọng do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và sự gia tăng đáng kể về nhu cầu nông sản. Điều này tạo ra sự cần thiết để tìm kiếm giải pháp sáng tạo và bền vững để tối ưu hóa sử dụng nước trong nông nghiệp đặc biệt là trong các trang trại.
SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐỒNG NAI TRƯỜNG TH-THCS-THPT HỒNG BÀNG BÀI DỰ THI SÁNG TẠO KHOA HỌC KỸ THUẬT HỌC SINH TRUNG HỌC NĂM 2023-2024 Đề tài HỆ THỐNG GIÁM SÁT LƯU LƯỢNG NƯỚC TRANG TRẠI Lớp: 10B4 Trường: TRƯỜNG TH-THCS-THPT HỒNG BÀNG Giáo viên hướng dẫn: Phạm Đình Dinh Học sinh thực hiện: Trần Anh Dũng Lê Phương My Đồng Nai, … … /20 Đồng Nai, … … /20 MỤC LỤC CHƯƠNG MỞ ĐẦU .3 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.4 Nội dung nghiên cứu 1.5 Phương pháp nghiên cứu 1.6 Kết mong đợi CHƯƠNG KẾ HOẠCH NGHIÊN CỨU 2.1 Kế Hoạch Thời Gian Nội Dung Thực Hiện Nghiên Cứu 2.1.1 Thời gian 2.1.2 Nội dung thực nghiên cứu 2.2 Tiến hành thực giải pháp 2.2.1 Vật liệu linh kiện điện tử .5 Module thu phát Wifi ESP8266 2.3 Thiết kế mơ hình “Hệ thống giám sát lưu lượng nứo trang trại” 2.3.1 Thiết kế sơ đồ khối sơ đồ nguyên lý 2.4 Nhiệm vụ khối 2.5 chương trình cho ARDUINO ESP8266 .9 2.5.1 Chương trình cho ARDUINO 2.5.2 Chương trình cho ESP8266 11 2.6 Hoàn thiện đánh giá hoạt động “ Hệ thống giám sát lưu lượng nước trang trại ” .11 CHƯƠNG MỞ ĐẦU 1.1 Lý chọn đề tài Quản lý nguồn nước tươi cho trang trại trở thành thách thức ngày nghiêm trọng ảnh hưởng biến đổi khí hậu gia tăng đáng kể nhu cầu nông sản Điều tạo cần thiết để tìm kiếm giải pháp sáng tạo bền vững để tối ưu hóa sử dụng nước nông nghiệp đặc biệt trang trại Kỹ thuật điện tử phát triển nhanh chóng ứng dụng vào nhiều lĩnh vực: công nghiệp, giao thông vận tải, hàng không vũ trụ Các thiết bị điều khiển tự động giữ vai trò quan trọng góp phần lớn cho tiến khơng ngừng lĩnh vực Việc tưới tiêu nông trại chủ yếu thủ công cao sử dụng béc tưới tự động định thời gian tưới cách định tính khơng biết rõ lượng nước tưới cho dẫn tới nước tưới cho thiếu ảnh hưởng đến phát triển cây, thừa làm lãng phí nguồn nước Hiện có số sáng kiến sử dụng cảm biến độ ẩm để tưới cho nhiên hệ thống hoạt động phụ thuộc vào độ ẩm đất nên đặt vòi phun gần với cảm biến dễ gây việc tưới nước khơng diện tích trồng GDP nước ta chiếm tỷ lớn từ sản phẩm nông nghiệp mà nông nghiệp lĩnh vực sản xuất có nhu cầu sử dụng nước cao nhất, chiếm 70% nhu cầu nước toàn cầu Theo dự báo nhu cầu nước cho nơng nghiệp tăng thêm 20% 50 năm tới Tuy nhiên, biến đổi khí hậu cạnh tranh ngành kinh tế khác hiển nguy thiếu hụt nước tưới nơng nghiệp Chính vậy, sử dụng nước tưới hiệu tiết kiệm chiến lược quan trọng phát triển nơng nghiệp tồn cầu Việc kiểm soát lượng nước tưới cho trồng nhiệm vụ quan trọng bậc để cho lượng nước tưới cho vừa đủ không bị thất thoát nguồn nước giúp tiết kiệm lượng nước mà vận đủ cho trồng Xuất phát từ vấn đề trên, vận dụng kiến thức học em nghiên cứu tiến hành thiết kế: “Hệ thống giám sát lưu lượng nước trang trại” 1.2 Mục tiêu đề tài Phát triển hệ thống quản lý nguồn nước tưới, áp dụng công nghệ wifi, giao thức truyền thông MQTT, Internet tảng Website, tảng lập trình Arduino, lập trình nhúng nghiên cứu thiết bị điện tử Tối ưu hóa trình sử dụng nước sản xuất, đồng thời ln giám sát điều khiển hệ thống từ xa Thêm hệ thống đảm bảo an toàn cho cố lỗi, chống cạn chống tràn Đề tài ứng dụng nơng trại sản phẩm cịn ứng dụng việc quản lý giám sát cung cấp nguồn nước khu chung cư, hệ thống nuôi trồng sẳn xuất, hệ ổn định bồn nước, … 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu a) Đối tượng nghiên cứu: Nông dân, nông tại, công ty doanh nghieepng lĩnh vực nông nghiệp, đơn vị sản xuất rau xanh, xanh,… b) Phạm vi nghiên cứu: Tập trung chủ yếu vào khu vực trang trại áp dụng nông nghiệp nuôi trồng trang trại, tưới tiêu cung cấp cho vật nuôi 1.4 Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu tình hình sử dụng nước tại trang trại để định rõ thách thức vấn đề cụ thể Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát lượng nước local qua hình LCD đặt trường, hệ thống đèn cảnh báo, nút nhấn điều khiển Hệ thống kết nối truyền liệu qua Internet qua có thẻ giám sát website theo thời gian thực Hệ thống giám sát hệ thống từ xa qua phương tiện điện thoại laptop qua Internet tảng Iot ThingsBoard Platform Hệ thống cảnh báo ngắt tự động giá trị mực nước đạt ngưỡng Giúp kiểm xoát rủi ro trình vận hành 1.5 Phương pháp nghiên cứu Dựa sở điện - điện tử - lập tình; xây dựng hệ thống tảng Website tảng ThingsBoard Platform để giám thu thập liệu Sử dụng phương pháp lập trình KIT Arduino Uno R3, ESP 8266 Wifi, nghiên cứu thực nghiệm tảng truyền nhận liệu Internet Thực nghiệm tối ưu hóa liên tục để kiểm tra phát lỗi từ hoàn thiện phát triển hệ thống toàn diện Thu thập liệu thông qua cảm biến lưu lượng, xử lí liệu truyền đáp ứng từ vi điều khiển đến cấu truyền động động Xử lí truyền nhận liệu vi điều khiển Arduino ESP8266 Xử lí liệu truyền hiển thị liệu liên tục giá trị lưu lượng nước hình LCD local 1.6 Kết dự kiến Dữ liệu lưu lượng nước thu thập qua cảm biến lưu lượng Vi xử lí xủ lí liệu truyền đến LCD để hiển thị Đồng thời, Arduino gửi liệu đến ESP 8266 để gửi lên tảng ThingsBoard Platform hiển thị lương lượng, giao diện giám sát thông qua Internet Điều khiển lượng nước bơm thông qua motor bơm nước Đặt tảng kết nối IoT sản xuất Dựa sở áp dụng giải toán thực tế việc điều khiển giám sát từ xa CHƯƠNG 112EQUATION CHAPTER SECTION KẾ HOẠCH NGHIÊN CỨU 2.1 Kế Hoạch Thời Gian Nội Dung Thực Hiện Nghiên Cứu 2.1.1 Thời gian Tháng 8-9: Phân tích trạng lựa chọn linh kiện, tìm hiểu nguyên lý hoạt động linh kiện Tháng 9-10: Triển khai hệ thống Tháng 11: Chạy thủ nghiệm hoàn thiện Tháng 12: Viết báo cáo 2.1.2 Nội dung thực nghiên cứu Nghiên cứu thực trạng sử dụng nước trang trại : cần phải có người phải trang trại để kiểm tra giám sát, sử dụng nước lúc nhiều , lúc dẫn tối hao phí tốn nhân công Tìm hiểu linh kiện điện tử, Lựa chọn cảm biến lựa chọn linh kiện Tìm hiểu ứng dụng điện thoại Triển khai hệ thống trang trại mẫu 2.2 Tiến hành thực giải pháp 2.2.1 Vật liệu linh kiện điện tử Các nguyên Mô tả Giá thành Tham khảo vật liệu làm Cảm biến đo lương lượng nước qua ống sản phẩm 65.000đ https:// Cảm biến www.thegioiic.com /yf-s201c-cam- lưu lượng bien-luu-luong- nuoc-1-30l-phut YF-S201C ARDUINO ARDUINO UNO R3:Bộ não 145.000đ https:// xử lí tác vụ đơn giản điều www.thegioiic.com khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu /arduino-uno-r3- cho xe điều khiển từ xa, làm trạm đo atmega328 nhiệt độ - độ ẩm hiển thị lên hình LCD,… hay ứng dụng khác MODULE Module thu phát Wifi 95.000 https:// THU nshopvn.com/ PHÁT ESP8266 NodeMCU Lua dùng cho product/module- WIFI thu-phat-wifi- ESP8266 ứng dụng cần kết nối, thu thập esp8266-nodemcu- lua-cp2102/ liệu điều khiển qua sóng Wifi, đặc biệt https:// ứng dụng liên quan đến IoT www.thegioiic.com /mb-102- Kit RF thu phát Wifi ESP8266 breadboard-cam- NodeMCU Lua sử dụng chip nạp giao linh-kien-830-lo tiếp UART ổn định https:// CP2102 có khả tự nhận Driver www.thegioiic.com tất hệ điều hành Window /r385-may-bom- Linux, phiên nâng cấp từ nuoc-12v-1-2l-phut phiên sử dụng IC nạp giá rẻ CH340 https:// Dây đực - Bẹ 20 dây 20.000 www.thegioiic.com /nguon-xung-vao- 220vac-ra-12v- Test board Kết nối thiết bị dễ dàng 16.000 15a-180w https:// R385 Máy Hoạt động với điện áp 12 VDC, 42,000 www.thegioiic.com Bơm Nước sử dụng để tưới cây, tạo đài phun /lcd-1602-nen- 12V nước thác nước, chí thay xanh-duong-chu- 1-2L/phút nước bể cá bạn trang-5v-kem-i2c- driver Máy bơm hoạt động nhẹ nhàng với mức âm 30db Ngồi ra, máy bơm có lọc bên giá đỡ mềm cố định cao su có thể giúp cố định vào bề mặt Nguồn DC Mạch có nhiệm vụ chuyển điện áp 156.000 12V 220v xoay chiều thành 12v chiều ổn định để cung cấp cho linh kiện bo mạch hoạt động LCD 1602 Đây LCD ký tự 16x2 chữ trắng 45.000 I2C driver xanh dương có IC điều khiển HD44780 Super Twisted Nematic (STN) LCD Giao tiếp đơn giản với bit bit Giao tiếp dễ dàng với loại vi điều khiển board Arduino, ATMEL AVR PIC 2.3 Thiết kế mơ hình “Hệ thống giám sát lưu lượng nứo trang trại” 2.3.1 Thiết kế sơ đồ khối sơ đồ nguyên lý Sơ đồ khối hệ thống giám sát lưu lượng nước trang trại Sơ đồ nguyên lý hệ thống giám sát lưu lượng nước trang trại 2.4 Nhiệm vụ khối Khối cảm biến có nhiệm vụ đo tốc độ dòng chảy nước, theo dõi lượng nước cung cấp sử dụng, tín hiệu từ cảm biến cảm biến Hall tiếp nhận đưa điều khiển, điều khiển tính tốn kích thước lưu lượng dòng nước để điều chỉnh phù hợp Khối xử lý ARDUINO UNO R3: xử lý tín hiệu, điều khiển khối khác Khối hiển thị LCD hiển thị nội dung cần thông báo hình để hướng dẫn cho người sử dụng Khối thu phát Wifi ESP8266 có nhiệm vụ kết nối, thu thập liệu điều khiển qua sóng Wifi Khối nguồn tạo lượng cấp cho toàn linh kiện mạch hoạt động Khối ngắt điện: điều khiển role ngắt tiếp điểm nhận tín hiệu từ Arduino để đóng mở máy bơm Khối bơm nước : thực hiên bơm nước có lệnh 2.5 chương trình cho ARDUINO ESP8266 2.5.1 Chương trình cho ARDUINO 1 2.5.2 Chương trình cho ESP8266 2.6 Hồn thiện đánh giá hoạt động “ Hệ thống giám sát lưu lượng nước trang trại ” “Hệ thống giám sát lưu lượng nước trang trại’’ hoạt động vào việc kiểm sốt xác lượng nước tưới cho lít người dùng ấn định lượng nước cho theo nhu cầu cách xác từ bơm xác định tổng lượng nước từ bắt đầu bơm đến thời điểm nôi lúc mà không cần giám sát trực tiếp giúp giảm chi phí nhân cơng * Đánh giá hoạt động mơ hình: - Ưu điểm: + Thiết bị nhỏ gọn, dễ sử dụng + Tiện lợi, tiết kiệm sức lao động, giám sát xác lượng nước tưới + Tiết kiệm nước - Hạn chế hướng cải tiến: + Hệ thống hoạt động phải có Wifi + Hệ thống hoạt động phụ thuộc vào nguồn điện, nguồn nước, điện nước hệ thống khơng hoạt động Vì vậy, yêu cầu người sử dụng phải kiểm tra thiết bị thường xuyên để đảm bảo thiết bị hoạt động tốt - Hướng nghiên cứu đề tài: Thiết kế hệ thống phức tạp khắc phục tình trạng trang trại rộng lớn lần tưới phục vụ cho hàng chục chí hàng trăm béc béc gần nguồn nước mạnh nên nước tưới cho khu vụ nhiều (lãng phí) béc xa yếu nên nước khu vực (thiếu nước cho cây) Cảnh báo cho người sử dụng khả đường ống áp suất nước cao quy định a Tính mới: Đề tài khơng trùng với đề tài công bố nguồn thơng tin thống Sản phẩm giám sát lượng nước tưới cho cây, cung cấp cho chung cư… thời điểm giám sát tổng lượng nước qua hệ thống đồng thời người dùng ấn định lượng nước cung cấp cho trang trại (hoặc chung cư…) sau thiết bị điều khiển để tắt máy bơm khoá khoá từ b Tính sáng tạo: Hệ thống giám sát truyền wifi trang websise giúp người dùng giám sát nơi lúc xem hệ thống máy bơm cịn hoạ động hay khơng ( hệ thống thị trường sản xuất hồn tồn chua có, hệ thống thị trường diều khiển giám sát cảm biến độ ẩm, timer khơng có giám sát chỗ người khơng biết hệ thống cịn hoạt động hay không) c Khả áp dụng sản phẩm Sản phẩm có khả cao để áp dụng vào thực tế trang trại lớn, trang trại nhỏ, chung cư, nhà quản lý nước nhà máy nước kể hộ gia đình