Hộp Nông Nghiệp Thông Minh Ứng Dụng Iot.pdf

Các phương pháp trên được nhiều nông trại sử dụng và đã cho thấy kết quả rõ rệt như: • Không cần sử dụng đất, hạn chế tối đa sâu bệnh và không cỏ dại • Ít tốn công chăm sóc do hệ thống v

TR¯àNG Đ¾I HàC BÁCH KHOA HÀ NàI

Đề tài: Háp nông nghiệp thông minh ứng

Học viên thực hiện MSSV Công việc

Nguyễn Đāc Thắng 20170902 Thiết kế triển khai phần

cāng Nguyễn Đāc Thành 20172495M Lập trình nhúng Nguyễn Minh Huy 20170773 WebApp, Server,

1 Đặt vấn đề

Āng dụng IOT trong nông nghiệp và sử dụng các phương pháp canh tác cho năng suất cao như thÿy canh, khí canh không còn là đề tài quá mới lạ Các phương pháp trên được nhiều nông trại sử dụng và đã cho thấy kết quả rõ rệt như:

• Không cần sử dụng đất, hạn chế tối đa sâu bệnh và không cỏ dại

• Ít tốn công chăm sóc do hệ thống vận hành gần như tự động

• Kiểm soát được chất lượng sản phẩm và năng suất đầu ra

• Dễ dàng truy suất nguồn gốc, đảm bảo an tâm cho người sử dụng

Với những lợi ích đó, các nông trại mong muốn đem thêm nhiều giống cây mới về trồng để phục vụ nhu cầu cÿa người tiêu dùng Tuy nhiên, với cùng một loại cây, trồng ở các khu vực khác nhau thì cho kết quả khác nhau, chất lượng không được như mong muốn

Giải thích cho nguyên nhân này là bởi khí hậu ở các vùng là khác nhau, ngoài nguồn dinh dưỡng, cây còn phụ thuộc nhiều vào các yếu tố khí hậu như nhiệt

độ, độ ẩm, ánh sáng Trong từng giai đoạn sinh trưởng, các yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến cách cây tiếp nhận nguồn dinh dưỡng và hướng phát triển

cÿa cây (ra lá hay phát triển rễ, thân)

Từ thực tế tại nông tại Delcofarm (Bắc Ninh), khi mang giống cây dưa lưới kimoji Nhật về trồng tại Việt Nam, công ty đã phải mất tới hơn 10 vụ mới có thể đưa ra được công thāc chuẩn cho quả có chất lượng tốt nhất Công thāc này được xây dựng từ các lần thử nghiệm, các ghi chép về nhiệt độ, ánh sáng, lượng dinh dưỡng cung cấp cho cây trong từng giai đoạn phát triển

Như vậy có thể thấy rằng nếu giải quyết tốt bài toán kiểm soát về chiếu sáng, nhiệt độ, lượng nước, chất dinh dưỡng cũng như ghi lại một cách tự động quá trình sinh trưởng cÿa cây sẽ giúp cho các nông trại nhanh chóng tìm ra được công thāc tốt nhất phù hợp với khí hậu vùng Từ đó, có thể nhân rộng với nhiều loại cây khác 2 Để kiểm soát chất lượng đầu ra cÿa cây trồng, trên thế giới và Việt Nam cũng đã đưa ra nhiều giải pháp để giải quyết vấn đề này Dựa theo dự

án <Food Computer= cÿa trường đại học MIT, Mỹ thì nhóm đã đưa ra giải pháp bằng việc xây dựng một hộp kính với tên gọi: "Hộp nông nghiệp thông minh"

để giải quyết các vấn đề đã đặt ra

phần khung này không yêu cầu nhiều về mặt kỹ thuật Tuy nhiên, việc thiết kế vẫn đòi hỏi khung hộp phải được vững chắc, có thể tháo lắp linh hoạt, di chuyển dễ dàng và có khả năng mở rộng

● Do sản phẩm này có nhiều thiết bị cần lắp đặt bên ngoài: cảm biến, cơ cấu chấp hành, do đó việc thiết kế phải nhấn mạnh được tính linh hoạt cÿa khung, các phần cÿa khung dễ dàng tháo lắp để thuận tiện cho việc lắp đặt và mở rộng hệ thống

● Khung hộp này hướng tới việc có thể mở rộng ra thành nhà kính

cÿa cây mỗi khi các yếu tố môi trường thay đổi, từ đó đưa ra các điều chỉnh thích hợp để cây có điều kiện sinh trưởng tốt nhất Điều này đặt ra các vấn đề:

● Cần phải đo lường được sự thay đổi cÿa các yếu tố nhiệt độ, độ ẩm, lượng nước, ánh sáng

● Cần phải có sự điều chỉnh thích hợp khi một yếu tố nào đó vượt ngưỡng chịu đựng cÿa cây

● Cần có bộ thông số tính toán dựa trên các điều kiện đầu vào để đầu ra đáp āng kịp thời nhất

● Các dữ liệu phải được lưu trữ trong suốt quá trình sinh trưởng cÿa cây để đưa ra được bộ công thāc chuẩn cho từng loại cây cũng như để người trồng

● Đầu ra: sự điều khiển thích hợp nhằm thay đổi các điều kiện môi trường

từ các thiết bị chấp hành như bơm, quạt, đèn led,

● Bộ xử lý tính toán tốt, có khả năng đáp āng trong thời gian dài, ghi lại quá trình sinh trưởng cÿa cây và thông báo cho người sử dụng

● Dữ liệu được lưu trữ hàng ngày và truyền đi linh hoạt, nhanh, dễ xử lý b) Cấu trúc mạch

Từ những yêu cầu đặt ra, mạch Smart AgriBox được thiết kế thành 4 khối

mạch cơ bản, có chāc năng như sau:

● Khối cảm biến (Sensors): gồm tất cả cảm biến thu thập giữ liệu ( ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm )

● Khối điều khiển (Actuators): các thiết bị chấp hành đơn giản như bơm, đèn

● Khối xử lý (Processor): là vi điều khiển ESP32

● Khối nguồn (Power): cung cấp năng lượng để các mạch có thể làm việc

ổn định

Hình 1 Sơ đồ cấu trúc mạch tổng quan

c) Cơ sở lí thuyết

- ESP32: Bộ não cÿa hệ thống Smart AgriBox chính là mạch vi điều khiển ESP32 Đây là nơi tất cả các dữ liệu từ môi trường được tập trung, phân tích, tính toán trước khi đưa ra các lệnh để điều khiển Hơn nữa, còn có nhiệm vụ 24 gửi các dữ liệu lên cloud để lưu trữ và đưa thông tin đến người dùng Dưới đây là những đặc điểm thông số cÿa ESP32

Hình 2 M ạch điều khiển ESP32

CPU

• CPU: Xtensa Dual-Core LX6 microprocessor

• Chạy hệ 32 bit

• Tốc độ xử lý 160MHZ up to 240 MHz

• Tốc độ xung nhịp đọc flash chip 40mhz > 80mhz (tùy chỉnh khi lập trình)

• RAM: 520 KByte SRAM

o 520 KB SRAM liền chip – (trong đó 8 KB RAM RTC tốc độ cao – 8

KB RAM RTC tốc độ thấp (dùng ở chế độ DeepSleep)

H ß trợ 2 giao tiếp không dây

• Wi-Fi: 802.11 b/g/n/e/i

• Bluetooth: v4.2 BR/EDR and BLE

H ß trợ tất cả các lo¿i giao tiếp

• 8-bit DACs (digital to analog) 2 cổng

• Analog (ADC) 12-bit 16 cổng

• Băm xung PWM (tất cả các chân)

• Ultra low power analog pre-amplifier’

- Khối cảm biến:

Khối cảm biến có chāc năng thu thập dữ liệu môi trường như nhiệt độ, độ

ẩm, cường độ ánh sáng Mỗi loại cảm biến đo trên thị trường hiện nay đều có khả năng đáp āng nhanh, độ chính xác cao, tuy nhiên mỗi loại lại có một cách kết nối riêng với vi điều khiển Dưới đây là các loại cảm biến được dùng và các chuẩn kết nối với chúng

Bảng 1 Thông số kĩ thuật các cảm biến sử dụng

Cảm biến Thông số kĩ thuật Chân kết nối với ESP32 Cảm biến nhiệt

độ, độ ẩm Nhiệt độ: Độ phân giải: 0.1°C

Độ chính xác:

±0.5℃ Dải đo:

-Độ phân giải:

0.1%RH Độ chính xác:

±2%RH (25°C)

Data - GPIO 4 VCC - 3.3v GND - GND

40 ~ 80°C Dải đo: 0 ~

99.9%RH Cảm biến ánh

sáng BH1750

Nguồn: 3~5VDC Điện áp giao tiếp: TTL 3.3~5VDC Chuẩn giao tiếp: I2C

Khoảng đo: 1 -> 65535 lux Kích cỡ: 21*16*3.3mm

SCL - GPIO 22 SDA - GPIO 21 VCC - 3.3 V GND - GND

Cảm biến độ ẩm

đất Điện áp làm việc 3.3V ~ 5V Có lỗ cố định để lắp đặt thuận tiện

PCB có kích thước nhỏ 3.2 x 1.4 cm

Sử dung chip LM393 để so sánh, ổn định làm việc

VCC - 3.3v GND - GND A0 - GPIO36

Hình 3 Các chu ẩn kết nối giữa cảm biến với ESP32 được sử dụng

2.3 Kết quả sau khi thi công

Hình 4 Ph ần cứng sau khi kết nối

3 Thiết kế phần mềm āng dụng

3.1 Giao diện người dùng WebApp

Web Aplication (WebApp) là một āng dụng phần mềm sử dụng trình duyệt web và công nghệ web và thực hiện các chāc năng hoặc nhiệm vụ cụ thể qua internet Āng dụng web IoT có nghĩa là thiết bị IoT sử dụng giao diện người dùng và giao diện người dùng cuối cÿa āng dụng web để thu thập dữ liệu, phân tích dữ liệu đó và sau đó hiển thị kết quả

WebApp có các chāc năng chính như sau:

• Hiển thị thông tin từ cảm biến gồm giá trị hiện thời và biểu đồ giá trị theo thời gian

• Điều khiển cơ cấu chấp hành như bơm, đèn Có thể điều khiển ở 2 chế độ

tự động và chỉnh thÿ công

• Đăng kí người dùng và thêm thiết bị

Từ các yêu cầu trên āng dụng người dùng được thiết kế như hình dưới đây:

Hình 5 Giao di ện đăng nhập

Hình 6 Giao diện đăng kí

Hình 7 Giao di ện thêm thiết bị

Hình 8 Giao diện hiển thị thông tin và điều khiển

3.2 Xây dựng c¡ sở dữ liệu, server

3.2.1 Gißi thiệu chung

Giao th ức HTTPs

● Giao thāc được sử dụng trong chương trình khi truyền dữ liệu từ App lên Cloud

● Khái niệm HTTP (HyperText Transfer Protocol): Là giao thāc truyền tải siêu văn bản, được dùng để liên hệ thông tin giữa máy cung cấp dịch vụ (Web

server) và máy sử dụng dịch vụ (web client)

3.2.2 Xây dựng c¡ sở dữ liệu

Xây dựng cơ sở dữ liệu là một bước vô cùng quan trọng khi xây dựng bất cā một chương tình nào Để xây dựng cơ sở dữ liệu cho bài toán: <Hộp nông nghiệp thông minh āng dụng IOT= nó phải thỏa mãn một số yêu cầu sau:

• Một người dùng có thể đăng kí, đăng nhập, đăng xuất một tài khoản duy nhất

• Tài khoản Admin có thể đăng kí admin, xóa thông tin người dùng cũng như là quản lý các thiết bị trên server

• Một người dùng có thể đăng kí một hoặc nhiều thiết bị và có thể quản lý từng thiết bị trong đó

• Mỗi một thiết bị sẽ chỉ có một người dùng được đăng kí

• Người đã đăng kí thiết bị có thể xem thông tin cảm biến cÿa thiết bị cũng như điều chỉnh các thông số điều khiển thiết bị

Sau khi xác định yêu cầu cÿa hệ thống cần làm gì sẽ cần xây dựng hệ thống sẽ làm những công việc gì, làm với những đối tượng nào sẽ có điều sau:

• Các đối tượng cÿa hệ thống: Admin, người dùng, thiết bị, điều khiển, cảm biến:

• Nhận và gửi thông tin tín hiệu điều khiển đến từng thiết bị

Với các đối tượng ta có các thuộc tính cÿa chúng với:

• Người dùng: mã ng°ái dùng, username, họ và tên, giới tính, số điện thoại,

email, mật khẩu

• Thiết bị: mã thiết bß, tên thiết bị, tên cây trồng, ngày trồng

• Cảm biến: mã cảm biến, mã thiết bị, cảm biến độ ẩm đất, cảm biến độ ẩm

không khí, cảm biến độ ẩm ánh sáng, nhiệt độ

• Điều khiển: mã điều khiển, mã cảm biến tự động, giá trị điều khiển bơm, giá trị

điều khiển đèn ánh sáng

Hình 2.3 1 Sơ đồ cơ sở dữ liệu cho bài toán hộp trồng cây thông minh ứng dụng IOT

Hình 2.3 2 Ví dụ về REST API

REST là từ viết tắt cÿa Representational State Transfer Đó là kiến trúc tiêu chuẩn web

và giao thāc HTTP RESTful là một trong những kiểu thiết kế API được sử dụng phổ biến nhất ngày nay Trọng tâm cÿa REST quy định cách sử dụng các HTTP method (như GET, POST, PUT, DELETE ) và cách định dạng các URL cho āng dụng web để quản

lý các resource Có 4 hoạt động chÿ yếu ta có thể kể đến khi làm việc với server: lấy dữ liệu ở một định dạng nào đó ví dụ như JSON (GET), tạo dữ liệu mới (POST), cập nhật dữ

liệu (PUT), xóa dữ liệu REST hoạt động chÿ yếu dựa vào giao thāc HTTP Các hoạt động cơ bản nêu trên sẽ sử dụng những phương thāc HTTP riêng Những phương thāc hay hoạt động này thường được gọi là CRUD tương āng với Create, Read, Update, Delete – Tạo, Đọc, Sửa, Xóa Mỗi phương thāc trên phải được API gọi thông qua để gửi chỉ thị cho server phải làm gì

Sau khi tạo sever bằng express generator, ta kết nối với mongodb bằng thư viện

mongoose và định nghĩa các Collection dựa trên cơ sở dữ liệu bên trên

Hình 2.3 3 Định nghĩa về collection User

Sau khi định dạng giữ liệu cho người dùng ta sẽ định nghĩa các API hoạt động trên người dùng đấy bao gồm 3 chāc năng chính:

Chāc năng Phương thāc Link

Kiểm tra là đã đăng nhập chưa Get /auth

Đăng kí người dùng POST /auth/register

Đăng nhập POST /auth/login

Hình 9 API đăng nhập của server

Hình 10 Ki ểm tra chức năng đăng nhập của server bằng POSTMAN

4 Lập trình vi điều khiển ESP32

Để nạp chương trình cho vi điều khiển ESP32 nhóm em sử dụng phần mềm Arduino IDE

Hình 11 Phần mềm nạp chương trình Arduino IDE

Do ESP32 là vi điều khiển phổ biến, sử dụng rộng rãi do đó hỗ trợ nhiều thư viện cho các loại cảm biến Từ các thư viện cảm biến có sẵn thực hiện đọc giữ liệu cảm biến và điều khiển các cơ cấu chấp hành

ESP32 gửi bản tin lên server thông qua HTTP dưới định dạng json sử dụng thư viện HTTPclient và ArduinoJson

Hình 12 Các hàm đọc cảm biến và điều khiển cơ cấu chấp hành

Hình 13 Gửi dữ liệu lên server thông dưới dạng Json qua POST

Hình 14 Lấy dữ liệu từ server định dạng Json thông qua phương thức GET

5 Kết quả

Sau khi kết nối hệ thông, trên WebApp có thể hiển thị được giá trị cảm biến, hiển thị

biểu đồ giá trị theo thời gian, điều khiển đèn và máy bơm Dữ liệu cảm biến và giá trị điều khiển được lưu trên MongoDB

Dưới đây là hình ảnh kết quả:

Hình 15 Màn hình hi ển thị thông tin tức thời

Hình 16 Màn hình hi ển thị đồ thị giá trị cảm biến

Hình 17 Dữ liệu trên MongoDB

Hình 18 Cấu trúc dữ liệu lưu trên MongoDB