Hệ thống tự động chăm sóc cây trông tưới tiêu thông minh

Phân tích, thiết kế, cài đặt cũng như xây dựng hệ thống sẽ cho phép người sử dụng theo dõi được các yếu tố thời tiết và hệ thống sẽ tự điều chỉnh hoặc người dùng có thể tự điều chỉnh theo ý muốn, kèm theo là khả năng tưới nước theo 3 cách: tự động , bằng tay hoặc là đặt lịch tưới cụ thể. Sau quá trình nghiên cứu, mô phỏng thành công mô hình Hệ thống tưới tiêu thông minh thao tác đơn giản, đạt độ chính xác cao.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Giới thiệu chung

Tại một số địa phương đã canh tác một số loại cây, hoa, rau có giá trị kinh tế cao, tuy nhiên hiện nay vẫn còn ít các đơn vị nào tiến hành nghiên cứu thiết kế các mô hình tự động đáp ứng điều kiện kinh tế, môi trường của nước ta Thực tế trong cuộc sống ngày càng bận rộn, nhiều người vẫn có thú vui là trồng những cây cảnh, vườn rau trong không gian trống của nhà mình như sân thượng, ban công Tuy nhiên, trong những lúc bạn bận các công việc hằng ngày thì những cây cảnh và vườn hoa ở nhà sẽ không ai tưới nước.

1.1.2 Đề xuất giải pháp Đề xuất một hệ thống chăm tự động chăm sóc cây trồng có thể tự động tưới nước hoặc điều khiển, đặt lịch tưới nước theo ý muốn.

- Năng suất lao động cao do quá trình tưới được tự động hóa, có thể tăng gấp nhiều lần so với tưới thông thường.

- Tiết kiệm nước rất nhiều, hệ thống có thể cho phép tưới chính xác diện tích cần tưới với dung lưu lượng yêu cầu, đảm bảo tính hiệu quả của lượng nước tưới.

- Linh hoạt theo phong cách hay cách thức bố cục sắp đặt của từng loại cây.

Vốn đầu tư ban đầu còn cao do chi phí về trang thiết bị

1.1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu đề tài

- Các loại cây trồng rau củ quả được tưới tự động bằng hệ thống điều khiển được lập trình sẵn.

- Hệ thống máy tưới nước tự động.

- Các loại cây trồng ở địa phương, công sở hay chính gia đình và giới hạn trong

Hệ thống chăm sóc cây trông tưới tiêu tự đông.

1.1.4 Mục tiêu hệ thống Đưa ra một hệ thống chăm sóc cây trồng tưới tiêu thông minh, áp dụng vào trong các hộ gia đình, cá nhân hay các địa phương canh tác nông nghiệp để giảm chi phí nhân công trong việc cũng như thời gian rảnh.

Giới thiệu về Node MCU

ESP8266 NodeMCU là một mạch vi điều khiển có thể giúp chúng ta điều khiển các thiết bị điện tử Thêm vào đó nó được tích hợp wi-fi 2.4GHz có thể dùng cho lập trình.

Hình 1 1 Mô hình Node MCU

1.2.2 Đặc điểm chính của Node MCU Đây là một board rất hữu dụng để mọi người có thể có những bước tiếp cận tốt thất đến thế giới IOT- Internet Of Things.

WiFi : 2.4 GHz hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n Điện áp hoạt động : 3.3 V Điện áp vào : 5V thông qua cổng USB

Số chân ADC : 1(điện áp vào tối đa 3.3V)

Giao tiếp : Cable Micro USB

Hỗ trợ bảo mật : WPA/WPA2

Tích hợp giao thức : TCP/IP

Bảng 1 1 Thông số kỹ thuật Node MCU

ESP8266 là mô-đun Wi-Fi giá rẻ hoàn toàn phù hợp cho các dự án DIY trong lĩnh vực Internet of Things (IoT) Là dòng phổ biến, cơ bản, linh hoạt, dễ dàng tiếp cận với những tính năng mong muốn một cách nhanh chóng và chi phí hợp lý.

Giới thiệu MODULE cảm biến độ ẩm đất

Module cảm biến độ ẩm đất c ảm biến phát hiện độ ẩm đất, bình thường đầu ra mức thấp, khi đất thiếu nước đầu ra sẽ mức cao Module có thể sử dụng để tưới nước tự động Độ nhạy của cảm biến độ ẩm đất có thể điều chỉnh được (Bằng cách điều chỉnh biến trở màu xanh trên board mạch).

Phần đầu dò được cắm vào đất để phát hiện độ ẩm, khi độ ầm của đất đạt ngưỡng thiết lập, đầu ra DO sẽ chuyển từ mức thấp lên mức cao.

Hình 1 2 MODULE cảm biến độ ẩm đất

Khi module cảm biến độ ẩm phát hiện, khi đó sẽ có sự thay đổi điện áp ngay tại đầu vào của ic LM393 Ic này nhận biết có sự thay đổi nó sẽ đưa ra một tín hiệu 0V để báo hiệu Và thay đổi như thế nào sẽ được tính toán để đọc độ ẩm đất.

- Khi cấp nguồn, led báo nguồn sáng.

- Mạch có 2 đầu ra D0 và A0 tương ứng với digital output và analog output.

- Board mạch tích hợp 1 mạch phân áp và 1 mạch so sánh sử dụng opam.

- Mạch phân áp đưa tín hiệu đầu ra analog đưa vào chân so sánh của mạch opam và chân đầu ra analog.

-Mạch so sánh có chức năng so sánh và đưa tính hiệu logic (1 or 0) ở đầu ra digital Ngoài ra board còn tích hợp 2 led gồm led báo nguồn và led báo trạng thái.

- Ở chân digital output: Mạch hoạt động như sau: Cài đặt ngưỡng so sánh bằng biến trở Điện trở của cảm biến tỷ lệ thuận với độ ẩm, độ ẩm càng cao điện trở càng cao, mặt khác theo sơ đồ phân áp, điện áp đầu ra mạch phân áp tỉ lệ thuận với điện trở cảm biến, vậy độ ẩm đất tỷ lệ thuận với điện áp đầu ra Khi thay đổi độ ẩm -> điện trở trên cảm biến thay đổi dẫn đến điện áp đầu ra đưa vào cổng so sánh trên opam thay đổi, điện áp này được so sánh với điện áp đặt được đặt bằng biến trở, nếu điện áp đọc về từ cảm biến chưa vượt qua ngưỡng đặt thì đầu ra D0 là mức thấp và led báo trạng thái không sáng, khi điện áp đầu vào vượt qua ngưỡng đặt thì đầu ra D0 là mức cao và led báo trạng thái sẽ sáng lên.

- Ở chân analog output: chân này được nối trực tiếp với mạch phân áp của cảm biến không qua mạch so sánh opam, đưa trực tiếp tín hiệu điện áp tới đầu ra A0,phục vụ cho các mục đích đo lường, quan trắc, giảm sát,…

Thông số kĩ thuật : Điện áp hoạt động : 3.3V ~ 5V

D0 : Đầu ra tín hiệu số (0 và 1)

A0 : Đầu ra Analog( Tín hiệu tương tự)

Bảng 1 2 Thông số kỹ thuật Module cảm biến độ ẩm đất

Với giá thành rẻ module cảm biến độ ẩm đất có thể phát huy khá tốt công dụng của mình nhưng đi kèm là khả năng dễ bị ăn mòn.

Giới thiệu MODULE cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT22

Cảm biến độ ẩm và nhiệt độ DHT22 sử dụng chuẩn giao tiếp 1 wire (giao tiếp digital 1 dây truyền dữ liệu duy nhất), so với DHT11 là phiên bản rẻ hơn thì DHT22 có độ chính xác cao hơn rất nhiều.

Thông số kỹ thuật Điện áp hoạt động : 3.3V~ 5.5V

Dải đo nhiệt độ : -40 ~ 80oC

Sai số nhiệt độ : 0.5oC

Bảng 1 3 Thông số kỹ thuật Module cảm biến nhiệt độ - độ ẩm

DHT22 hoạt động tốt, cảm biếm thu dữ liệu tốt đúng với thực tế.

Giới thiệu về nguồn Adapter

Adapter là thiết bị không thể thiếu trong thời đại công nghệ thông tin hiện nay Adapter hay còn được biết đến với tên gọi là bộ điều hợp Chức năng chính của nó là cung cấp nguồn điện thích hợp cho các thiết bị điện tử hoạt động ổn định Đây là một trong những thiết bị cho khả năng chuyển đổi những thuộc tính vốn có của một thiết bị điện tử không tương thích thành tương thích Đặc biệt, người sử dụng có thể dùng Adapter để chuyển đổi giữa các thiết bị điện tử với dòng điện,…

Bộ nguồn Adapter cho khả năng cung cấp nguồn điện có điện áp thích hợp với các thiết bị điện tử giúp chúng có thể hoạt động ổn định

Khi cắm dây điện tại Adapter, đòng diện 220V sẽ đi vào dây dẫn đến Adapter, tại đây nó sẽ bị giảm áp xuống đúng định mức đã được thiết kế trên bộ điều hợp để cung cấp cho các thiết bị.

Nguồn điện : 220VAC Điện áp ra : 5VDC-2A

Kích thước chân cắm : 5.5 mm x 2.1mm

Bảng 1 4 Thông số kỹ thuật nguồn Adapter

Nguồn hoạt động tốt cấp đủ điện áp cho hệ thống hoạt động.

Giới thiệu về màn hình OLED

Màn hình OLED (Organic Light Emitting Diodes) là công nghệ màn hình có cấu tạo bao gồm các diode phát sáng và sử dụng một lớp phát xạ điện quang với vật liệu bán dẫn có khả năng phát sáng khi có dòng điện chạy qua Màn hình Oled 0.96 inch giao tiếp I2C cho khả năng hiển thị đẹp, sang trọng, rõ nét vào ban ngày và khả năng tiết kiệm năng lượng tối đa với mức chi phí phù hợp, màn hình sử dụng giao tiếp I2C cho chất lượng đường truyền ổn định và rất dễ giao tiếp chỉ với 2 chân GPIO.

Dùng để hiển thị dữ liệu theo yêu cầu

Thông số kỹ thuật : Điện áp sử dụng : 2.2 ~ 5.5VDC

Màu hiển thị : Trắng / Xanh Dương Độ rộng màn hình : 0.96 inch

Bảng 1 5 Thông số kỹ thuật màn hình OLED

Màn hình có thiết kế vượt trội hơn so với các dòng màn hình, có độ sắc nét và hiển thị tốt Màn hình OLED là lựa chọn thích hợp để sử dụng cho dự án với thiết kế dễ nhìn , thân thiện với người dùng.

1.7 Giới thiệu về Module Relay 1 kênh 5V

Gồm 1 rơ le hoạt động tại điện áp 5VDC, 12VDC chịu được hiệu điện thế lên đến 250VAC 10A Module relay 1 kênh được thiết kế chắc chắn, khả năng cách điện tốt.

1.7.2 Nguyên lý hoạt động Để điều khiển thiết bị tắt mở một cách dễ dàng và nhanh chóng Đèn báo trạng thái sáng sau khi tín hiệu được kích hoạt và nó sẽ tắt khi nó được khi mất tín hiệu.

Thông số kĩ thuật: Điện áp làm việc :5VDC Điện áp hoạt động : 5V

Kích thước : 43mm x 17.3mm x 17mm

Bảng 1 6 Thông số kỹ thuật Module Relay 2 kênh 12V

Giới thiệu về máy bơm mini 12V

Bộ máy bơm mini 12VDC + nguồn 12V-1A dùng chế tạo máy bơm với dòng đẩy lên đến 1.5m, lưu lượng 150 lít/ giờ.

Bơm nước tưới cây tự động hoặc thủ công. Điện áp : DC 6-12V

Dòng tiêu thụ : ~700mA Đường Kính Ống Hút :13.5Mm Đường Kính Ống Mồi: : 4MM

Bảng 1 7 Thông số kỹ thuật máy bơm mini 12

Giới thiệu công nghệ

MQTT = Message Queue Telemetry Transport.

Hình 1 8 Mô hình hoạt động MQTT Đây là một giao thức truyền thông điệp (message) theo một kiểu mô hình publish/subscribe (publish – theo dõi), sử dụng băng thông thấp, độ tin cậy cao và có khả năng hoạt động trong điều kiện đường truyền không ổn định.

MQTT là một giao thức nhắn tin gọn nhẹ được thiết kế để liên lạc nhẹ giữa các thiết bị và hệ thống máy tính MQTT được thiết kế ban đầu cho các mạng SCADA, các kịch bản sản xuất và băng thông thấp, MQTT đã trở nên phổ biến gần đây do sự phát triển của Internet-of-Things (IoT).

Kiến trúc mức cao (high-level) của MQTT gồm 2 phần chính là Broker và Clients.

Trong đó, broker được coi như trung tâm, nó là điểm giao của tất cả các kết nối đến từ client Nhiệm vụ chính của broker là nhận mesage từ publisher, xếp các message theo hàng đợi rồi chuyển chúng tới một địa chỉ cụ thể Nhiệm vụ phụ của broker là nó có thể đảm nhận thêm một vài tính năng liên quan tới quá trình truyền thông như: bảo mật message, lưu trữ message, logs,…

Client thì được chia thành 2 nhóm là publisher và subscriber Client là các software components hoạt động tại edge device nên chúng được thiết kế để có thể hoạt động một cách linh hoạt (lightweight) Client chỉ làm ít nhất một trong

2 việc là publish các message lên một topic cụ thể hoặc subscribe một topic nào đó để nhận message từ topic này.

MQTT Clients tương thích với hầu hết các nền tảng hệ điều hành hiện có: MAC

OS, Windows, LInux, Androids, iOS…

1.9.1.2 Các thành phần của MQTT

MQTT gồm có các thành phần như sau:

 Client (Khách hàng): Bất kỳ nhà xuất bản hoặc người đăng ký nào kết nối với nhà môi giới tập trung qua mạng đều được coi là khách hàng Điều quan trọng cần lưu ý là có các máy chủ và máy khách trong MQTT Cả nhà xuất bản và người đăng ký đều được gọi là khách hàng vì họ kết nối với dịch vụ tập trung, khách hàng có thể liên tục hoặc tạm thời Khách hàng liên tục duy trì một phiên với nhà môi giới trong khi khách hàng tạm thời không được nhà môi giới theo dõi Khách hàng thường kết nối với nhà môi giới thông qua thư viện và SDK

Có hơn một tá thư viện có sẵn cho C, C ++, Go, Java, C #, PHP, Python,

 Broker (Nhà môi giới): Người môi giới là phần mềm nhận tất cả các tin nhắn từ các khách hàng xuất bản và gửi chúng đến các khách hàng đăng ký Nó giữ kết nối với các khách hàng liên tục Tùy thuộc vào người triển khai để quyết định cách tạo lớp môi giới có thể mở rộng Một số triển khai thương mại của các nhà môi giới MQTT bao gồm HiveMQ, Xively, AWS IoT và Loop.

 Topic (Chủ đề): Một chủ đề trong MQTT là điểm cuối mà khách hàng kết nối

Nó hoạt động như nơi phân phối trung tâm để xuất bản và đăng ký tin nhắn Trong MQTT, một chủ đề là một vị trí nổi tiếng cho nhà xuất bản và người đăng ký Nó được tạo ra khi chúng ta thiết lập kết nối với nhà môi giới Chủ đề là các chuỗi phân cấp đơn giản, được mã hóa bằng UTF-8, được phân cách bằng dấu gạch chéo Người đăng ký có thể chọn đăng ký một chủ đề cụ thể hoặc tất cả các chủ đề phụ thông qua các ký tự đại diện.

 Message (Thông báo) là dữ liệu mà một thiết bị nhận được khi đăng ký từ một chủ đề hoặc gửi “khi xuất bản” cho một chủ đề.

 Publish (Xuất bản) là quá trình thiết bị gửi thông điệp của nó tới người môi giới.

 Subscribe (Đăng ký) nơi thiết bị thực hiện để truy xuất thông báo từ người môi giới.

 Connection: MQTT có thể được sử dụng bởi các máy khách dựa trên TCP/IP Cổng tiêu chuẩn được giới thiệu bởi các công ty môi giới năm 1883, không phải là một cổng an toàn Những nhà môi giới hỗ trợ TLS / SSL thường sử dụng cổng 8883 Để liên lạc an toàn, khách hàng và nhà môi giới dựa vào chứng chỉ kỹ thuật số AWS IoT là một trong những triển khai an toàn của MQTT, yêu cầu khách hàng sử dụng chứng chỉ X.509.

Giao thức MQTT cho phép hệ thống SCADA của bạn truy cập dữ liệu IIoT

MQTT mang lại nhiều lợi ích mạnh mẽ cho quy trình của bạn:

 Chuyển thông tin hiệu quả hơn,

 Tăng khả năng mở rộng ,

 Giảm đáng kể tiêu thụ băng thông mạng,

 Giảm tốc độ cập nhật xuống giây,

 Rất phù hợp cho điều khiển và do thám,

 Tối đa hóa băng thông có sẵn,

 Rất an toàn với bảo mật dựa trên sự cho phép,

 Được sử dụng bởi ngành công nghiệp dầu khí, Amazon, Facebook và các doanh nghiệp lớn khác,

 Tiết kiệm thời gian phát triển,

 Giao thức publish/subscribe thu thập nhiều dữ liệu hơn với ít băng thông hơn so với giao thức cũ.

MQTT là giao thức gọn nhẹ được thiết kế chủ yếu để kết nối các thiết bị bị hạn chế nguồn trên các mạng băng thông thấp Giảm dữ liệu truyền có lợi cho tuổi thọ pin dài hơn đối với các máy khách chạy bằng pin ngoài lưới như cảm biến

1.9.2.1 Tổng quan về Node Js

NodeJS là một nền tảng được xây dựng trên “V8 Javascript engine” được viết bằng C++ và Javascript Nền tảng này được phát triển bởi Ryan Lienhart Dahl vào năm 2009 Nodejs được thiết kế để xây dựng các ứng dụng lớn hay nhỏ và có thể mở rộng nhanh và ít tốn kém nhất, tạo ra được các ứng dụng có tốc độ xử lý nhanh, realtime thời gian thực Nodejs áp dụng cho các sản phẩm có lượng truy cập lớn, cần mở rộng nhanh, cần đổi mới công nghệ, hoặc tạo ra các dự án Startup nhanh nhất có thể.

 Không đồng bộ: Đặc điểm đầu tiên của Nodejs là tính bất đồng bộ Node.js không cơ chế riêng để gửi thông báo và nhận phản hồi về các hoạt động của Node.js và API đã gọi.

 Tốc độ nhanh: Với phần core phía dưới lập trình gần như toàn bộ bằng ngôn ngữ

C++, kết hợp với V8 Javascript Engine mà Google Chrome cung cấp, tốc độ vận hành, thực hiện code của thư viện Node.js diễn ra rất nhanh.

 Đơn giản - Hiệu quả: Tiến trình vận hành của Node.js đơn giản song lại mang đến hiệu năng cao nhờ ứng dụng mô hình single thread và các sự kiện lặp Một loạt cơ chế sự kiện cho phép server trả về phản hồi bằng cách không block, đồng thời tăng hiệu quả sử dụng Các luồng đơn cung cấp dịch vụ cho nhiều request hơn hẳn Server truyền thống.

 Không đệm: Nền tảng Node.js không có vùng đệm, tức không cung cấp khả năng lưu trữ dữ liệu buffer.

1.9.2.2 Lý do sử dụng Node Js

 Ứng dụng Nodejs phần đông đều được viết bằng ngôn ngữ lập trình javascript - một ngôn ngữ thông dụng, được sử dụng rộng rãi và chạy được trên nhiều trình duyệt, nền tảng, hệ điều hành,

 Nodejs khá nhẹ nhưng lại hiệu quả nhờ vào cơ chế non-blocking I/O, chạy đa nền tảng trên Server và dùng Event-driven.

 Tương thích với nhiều thiết bị Bạn có thể chạy các ứng dụng phát triển bởi Nodejs trên bất cứ thiết bị nào, dù là Mac, Window, Linux,

 Cộng đồng Nodejs khá lớn và được cung cấp miễn phí cho người dùng

 Ứng dụng NodeJS có khả năng chạy đa nền tảng, thiết bị, đồng thời đáp ứng được yêu cầu về thời gian thực.

 Node.js có tốc độ cực kỳ nhanh, xử lý được nhu cầu sử dụng của lượng khách truy cập ‘khổng lồ’ trong thời gian cực ngắn.

KHẢO SÁT PHÂN TÍCH

Khảo sát và đề xuất đề tài

2.1.1 Giới thiệu chung về hệ thống Đứng trước nỗi lo lớn nhất của những người trồng cây làm vườn là quên tưới nước cho cây hoặc mất quá nhiều thời gian để chăm tưới cho cây mỗi ngày.

Và giờ đây, với sự phát triển của công nghệ, chỉ cần lắp một hệ thống tự động chăm sóc cây trồng tưới tiêu thông minh là sẽ giúp bạn giải quyết ngay nỗi lo trên.

Hình 2 1 Khu vườn của bạn sẽ luôn xanh tốt nếu có hệ thống tưới thông minh

Hệ thống tự động chăm sóc cây trồng tưới tiêu thông minh là hệ thống các thiết bị tưới có khả năng tự động Bật/Tắt để tưới nước cho khu vườn theo đúng thời gian và lưu lượng nước mà bạn mong muốn.

Hệ thống này sẽ giúp bạn tiết kiệm được đến 80% thời gian tưới cây mỗi ngày và 50% lượng nước tưới so với phương pháp tưới cây truyền thống. Luôn luôn đảm bảo áp suất đủ để các đầu tưới phun đủ khoảng cách và lưu lượng nước cho cây.

2.1.2 Khảo sát về sự ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm lên cây trồng

 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Mỗi loài cây đều có nguồn gốc từ những vùng sinh thái khác nhau, có điều kiện sinh trưởng và phát triển trong một giới hạn nhất định về nhiệt độ (tổng nhiệt độ, tổng tích ôn, nhiệt độ thấp, nhiệt độ tối ưu) Trong quá trình sinh trưởng, phát triển nhiệt độ ảnh hưởng rõ rệt ở các thời kỳ sau:

- Nhiệt độ ảnh hưởng đến quá trình mọc mầm.

- Nhiệt độ ảnh hưởng đến sinh trưởng của cây.

Cần chú ý 2 loại độ ẩm:

Cả 2 loại này đều cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của cây Cần chú ý đến lượng mưa và sự phân bố mưa trong năm Nếu thiếu ẩm mặt đất và cây trồng đều tăng cường thoát hơi nước dẫn đến cây bị khô héo cằn cỗi Tuy nhiên ở từng thời kỳ sinh trưởng cây có những yêu cầu khác nhau về độ ẩm Lúc mới gieo trồng cây còn non yếu phải có đủ ẩm thường xuyên, nhưng khi cây ra hoa kết hạt nếu độ ẩm quá cao sẽ làm cho hoa nở ít, hạt lép Điều kiện thời tiết khô ráo sẽ cho hoa nở đều tập trung nhiều quả, chắc hạt rất có ý nghĩa tới chất lượng các hoạt chất trong cây.

Hình 2 2 Sự ảnh hưởng của độ ẩm đối với cây trồng

2.1.3 Tổng quan về hệ thống

2.1.3.1 Tổng quan về thiết kế một hệ thống tưới Để thiết kế một hệ thống tưới nước cho cây, cần quan tâm đến các vấn đề sau :

- Số cây cần cung cấp nước tưới

- Nhu cầu nước của từng loại cây trồng

- Địa hình khu tưới Để xác định hình dáng, diện tích vùng tưới, không còn cách nào khác ngoài phải đo đạc Khoảng cách giữa các cây cũng là yếu tố tạo nên chất lượng của yêu cầu đề ra Với diện tích lớn chúng ta nên tính toán chính xác vừa đủ với lưu lượng nước chúng ta cần tưới phù hợp với công suất bơm

=> Nên phác họa sơ đồ bố trí cây trồng cho phù hợp

2.1.3.2 Thiết kế hệ thống tưới

Tùy thuộc vào loại cây trồng , ta xác định lần tưới và nhu cầu nước cho mỗi lần tưới Số lần tưới phụ thuộc vào đặc tính của loài cây trồng và khả năng giữ ẩm của đất Ta chỉ cần tính toán gần đúng thông số về lần tưới dùng để tính toán nguồn nước

Trong sản xuất , sẽ dựa vào thức tế đất đai , thời tiết để điều chỉnh số lần tưới cho phù hợp Trong thực tế, nhu cầu nước của cây trông ít hơn nhiều so với lượng nước ta cung cấ , do vậy lượng nước tưới tùy thuộc vào phương pháp tưới ( 5-10 lít cho tưới nhỏ giọt; 15-20 lít cho tưới phun sương; 30-40 lít cho tưới cỏ, tưới phun mưa)

Nếu diện tích quá lớn , nên chi vùng tưới thành nhiều khu tưới ( nếu khu tưới quá lớn, công suất máy bơm và đường kính ống dẫn nước chính sẽ tăng lên rất nhiều dẫn đến không có tính hiệu quả kinh tế ).

Nên phân chia thể hiện rõ trên bản vẽ Từ đó tính toán kỹ mật độ cây trồng, công suất máy bơm Các thông số cho ống dẫn nước

● Tính toán đường kính của đường ống chính:

Với Q: lưu lượng dòng nước chảy qua ống ( m 3 /s).

S: tiết diện đường ống = R 2 *Pi.

R là bán kính đường ống, Pi=3,1416. v: Vận tốc nước chảy trong ống (m/s).

Vận tốc nước chảy trong ống theo quy phạm không được vượt quá 3m/s vận tốc nước chảy trong ống quá lớn sẽ xé vở đường ống, nhưng vận tốc nước chảy quá nhỏ thì đường kính ống phải lớn gây tốn kém), trong hệ thống tưới nông nghiệp ta thường chọn vận tốc chảy trong ống từ 0,5 đến 1 m/s.Vận tốc kinh nghiệm thường áp dụng là 1m/s

Nhìn chung, quan hệ giữa đường kính ống, vận tốc nước chảy trong ống và thời gian tưới là bài toán kinh tế, người thiết kế phải cân nhắc sao cho lợi ích kinh tế mang lại là tối ưu nhất.

 Xác định công suất và chọn máy bơm:

Các máy bơm thông thường 1,5 HP thường có công suất (ghi trên nhãn) là từ 15- 36 m 3 /giờ Nhìn chung, loại máy bơm có cùng công suất tiêu thụ điện năng, nếu công suất bơm thấp thì có khả năng đưa nước lên cao hơn và ngược lại.

Căn cứ vào chiều cao cột nước (tính từ đáy giếng hoặc đáy hồ - nơi đặt đầu Pin, đến nơi nước bơm lên cao nhất ) để chọn loại máy bơm phù hợp.

2.1.4 Nguyên lý hoạt động của hệ thống

Dựa vào các chỉ số về nhiệt độ, độ ẩm dưới đây để điều khiển hệ thống hoạt động theo ý muốn:

- Đối với nhiệt độ : Tùy vào từng loại cây cũng như đặc tính cụ thể của từng loại cây mà sẽ có một khoảng nhiệt độ phù hợp tốt nhất đến sự sinh trưởng của nó Dưới đây là một số ví dụ về nhiệt độ thích hợp cho khoảng thời gian sinh trưởng của các loại cây trồng phổ biến

Loại cây Nhiệt độ Loại cây Nhiệt độ Loại cây Nhiệt độ

Hành 12 – 17oC Tỏi 15 – 20oC Bông cải 15 – 20oC

Cải bắp 15 – 20oC Củ Cải 17 – 20oC Đậu hà lan 13 – 19oC

Cà rốt 16 – 20oC Rau cần 15 – 17oC Xà lách 15 – 20oC Đậu côve 20 – 25oC Cà chua 20 – 30oC Dưa leo 23 – 28oC

Dưa hấu 32 – 37oC Rau muống 25 – 35oC Bí đỏ 20 – 30oC

Bảng 2 1 Nhiệt độ phù hợp với một số cây trồng

- Đối với độ ẩm đất : Thông thường các loại cây trưởng thành sẽ cần độ ẩm từ

60 – 70%, các cây khô héo là từ 80 – 95% Dựa vào trạng thái của cây trồng

- Đối với độ ẩm không khí: Cây trồng sẽ dễ dàng trao đổi chất với độ ẩm không khí từ 50 – 80%.

Phân tích bài toán

Thiết kế hệ thống tự động chăm sóc cây trồng tưới tiêu tự động cho phép người dùng có thể điều khiển và hiển thị thông tin, thông số thông qua Web Từ bài toán ta chia thành các bài toán nhỏ như sau : o Bài toán kích hoạt quá trình tưới thủ công. o Bài toán kích hoạt tưới tự động o Bài toán thiết lập thời gian tưới. o Bài toán bật tắt đèn.

Sử dụng các thiết bị cảm biến, điều khiển để điều hành hệ thống.

Phân tích kiến trúc

2.3.1 Sơ đồ mạch điện tử

Thực hiện giả lập , thiết kế mạch thử trên proteus.

2.3.2 Cấu tạo và phân tích

Mạch gồm các thiết bị

Tên thiết bị Số lượng

Cảm biến độ ẩm đất 1 chiếc

Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT22 1 chiếc

Module điềù khiển Relay 5V 2 chiếc

Bảng 2 2 Các thiết bị sử dụng

Phân tích ca sử dụng

2.4.1 Biểu đồ ca sử dụng

2.4.1.1 Biểu đồ ca sử dụng mức tổng quát

Thiết kế một mô hình, hệ thống tưới tiêu tự động với các chức năng áp dụng vào cuộc sống :

Hình 2 4 Biểu đồ ca sử dụng ở mức tổng quát

2.4.1.2 Biểu đồ ca sử dụng mức chi tiết a) Usecase hiển thị thông số

Hình 2 5 Biểu đồ ca sử dụng hiển thị thông số b) Usecase kích hoạt hệ thống

Hình 2 6 Biểu đồ ca sử dụng kích hoạt hệ thống c) Usecase thiết lập thời gian tưới

Hình 2 7 Biểu đồ ca sử dụng thiết lập thời gian tưới d) Usecase thu thập dữ liệu

2.4.2 Đặc tả ca sử dụng a) Đặc tả ca sử dụng điều khiển quá trình tưới thủ công

Use case Điều khiển quá trình tưới thủ công

Tác nhân Người dùng / Hệ thống Web.

Mô tả Bắt đầu tưới tiêu. Điều kiện trước 1, Hệ thống đã được khởi động.

1, Actor nhấn nút điều khiển tưới để bật tắt trên bảng điều khiển hoặc trên giao diện web Nếu actor là hệ thống Web, hệ thống Web gửi thông điệp yêu cầu tưới cho Esp8266.

2, Esp8266 kích hoạt hệ thống tưới cây.

Bảng 2 3 Đặc tả ca sử dụng điều khiển quá trình tưới thủ công b) Đặc tả ca sử dụng kích hoạt quá trình tưới tự động

Use case Kích hoạt quá trình tưới tự động

Tác nhân Người dùng / Hệ thống Web.

Mô tả Bắt đầu tưới tiêu. Điều kiện trước 1, Hệ thống đã được khởi động.

1, Hệ thống dựa vào các thông số thu thập được từ các cảm biến để kích hoạt hệ thống tưới cây trong một khoảng thời gian.

2, Khi các thông số đã đạt mức ổn, hệ thống dừng tưới.

Bảng 2 4 Đặc tả ca sử dụng kích hoạt quá trình tưới tự động c) Đặc tả ca sử dụng hiển thị thông tin lên màn hình OLED.

Use case Usecase hiển thị thông tin lên màn hình OLED.

Mô tả Hiển thị thông tin về độ ẩm, nhiệt độ, ánh sáng cho người dùng. Điều kiện trước 1, Hệ thống đã được khởi động.

1, Actor nhấn nút cập nhật thông tin trên bảng điều khiển

2, Esp8266 Cập nhật thông tin và hiển thị lên OLED.

Bảng 2 5 Đặc tả ca sử dụng hiển thị thông tin lên màn hình OLED. d) Đặc tả ca sử dụng thiết lập thời gian tưới

Use case Thiết lập thời gian tưới

Tác nhân Hệ thống Web

Mô tả Thiết lập thời gian tưới cây Điều kiện trước 1, Hệ thống đã được khởi động.

1, Actor chọn thời gian tưới cây trên giao diện web. 2,Web lưu dữ liệu vào database.

3,Đến thời gian tưới, hệ thống web gửi yêu cầu tưới đến ESP8266

Bảng 2 6 Đặc tả ca sử dụng thiết lập thời gian tưới e) Đặc tả ca sử dụng hiển thị thông tin lên giao diện Web

Use case Hiển thị thông tin lên giao diện Web

Tác nhân Hệ thống Web.

Mô tả Hiển thị thông tin về độ ẩm, nhiệt độ, ánh sáng cho người dùng. Điều kiện trước 1, Hệ thống đã được khởi động.

1, Actor click button hiển thị trên giao diện web

2, Hệ thống web gửi thông điệp yêu cầu đến esp8266.

3, Esp8266 gửi các thông tin về độ ẩm, nhiệt độ, ánh sáng đến web server.

4, Hệ thống web hiển thị thông tin.

Bảng 2 7 Đặc tả ca sử dụng hiển thị thông tin lên giao diện Web f) Đặc tả ca sử dụng điều khiển bật tắt đèn

Use case Usecase điều khiển bật tắt đèn.

Tác nhân Người dùng, Hệ thống Web.

Mô tả Hiển thị thông tin về độ ẩm, nhiệt độ, ánh sáng cho người dùng. Điều kiện trước 1, Hệ thống đã được khởi động.

1, Actor nhấn nút điều khiển đèn trên bảng điều khiển hoặc trên giao diện web.

2, Esp8266 thực hiện nhiệm vụ bật / tắt đèn.

Bảng 2 8 Đặc tả ca sử dụng điều khiển bật tắt đèn g) Đặc tả bổ sung

 Tính khả dụng: Phần mềm phải dễ sử dụng, giao diện người dùng phải thân thiện, trực quan.

 Tính ổn định: Hệ thống cũng phải có ít hơn 5% thời gian chết (Thời gian mà người dùng không thể truy cập vào hệ thống).

 Hiệu suất: Đảm bảo độ trễ không quá 5s.

 Ràng buộc thiết kế: Hệ thống phải cung cấp giao diện đáp ứng có thể sử dụng trên máy tính và thiết bị di động, phù hợp với các thao tác

2.4.3 Biểu đồ tuần tự a) Biểu đồ tuần tự thiết lập thời gian tưới

Hình 2 9 Biểu đồ tuần tự thiết lập thời gian tưới b) Biểu đồ tuần tự kích hoạt quá trình tự động tưới

Hình 2 10 Biểu đồ tuần tự kích hoạt quá trình tự động tưới c) Biểu đồ tuần tự tưới thủ công qua bảng điều khiển

Hình 2 11 Biểu đồ tuần tự quá trình tưới thủ công qua bảng điều khiển d) Biểu đồ tuần tự quá trình tưới thủ công qua Web

Hình 2 12 Biểu đồ tuần tự quá trình tưới thủ công qua Web e) Biểu đồ tuần tự quá trình bật đèn qua Web

Hình 2 13 Biểu đồ tuần tự quá trình bật đèn qua Web f) Biểu đồ tuần tự quá trình tự động bật tắt đèn

Hình 2 14 Biểu đồ tuần tự quá trình tự động bật tắt đèn g) Biểu đồ tuần tự bật tắt đèn qua bảng điều khiển

Hình 2 15 Biểu đồ tuần tự bật tắt đèn qua bảng điều khiể

THỰC NGHIỆM

Thiết kế, lập trình mạch trong thực tế

Hình 3 1: Sơ đồ thiết kế mạch điện tử

Hình 3 2: Sơ đồ mạch trong thực tế

3.2.2.1 Bài toán kích hoạt quá trình tưới thủ công.

Hàm readButtinCmd() kiểm tra trạng thái các nút điều khiển trên hệ thống

Nó sẽ thay đổi trạng thái của các biến khi được gọi đến.

Hình 3 3: Code kích hoạt quá trình tưới thủ công

3.2.2.2 Bài toán kích hoạt tưới tự động

Bài toán bật tắt đèn với điều kiện khi cảm biến đo được độ ẩm đất