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.

HỌC VIỆN KỸ THUẬT MẬT MÃ KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ĐỒ ÁN MÔN HỌC CÔNG NGHỆ PHẦN MỀM NHÚNG Đề tài: HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG CHĂM SÓC CÂY TRỒNG TƯỚI TIÊU THÔNG MINH Giảng viên hướng dẫn: ThS Sinh viên thực hiện: Nhóm 15 Hà Nội, 10-2021 LỜI NÓI ĐẦU Thị trường hệ thống nhúng có tiềm năng phát triển vô cùng lớn Theo các nhà thống kê trên thế giới thì số chip xử lý trong các máy PC và các server, các mạng LAN, WAN, Internet chỉ chiếm không đầy 1% tổng số chip vi xử lý có trên thế giới Hơn 99% số vi xử lý còn lại nằm trong các hệ thống nhúng Tại Châu Á, Nhật Bản đang dẫn đầu về thị trường nhúng và là một trong những thị trường phần mềm nhúng hàng đầu thế giới Hệ thống nhúng thường được thiết kế để thực hiện một chức năng chuyên biệt nào đó Một hệ thống nhúng chỉ thực hiện một hoặc một vài chức năng nhất định, thường đi kèm với những yêu cầu cụ thể và bao gồm một số thiết bị máy móc và phần cứng chuyên dụng mà ta không tìm thấy trong một máy tính đa năng nói chung Để tìm hiểu thêm về các ứng dụng của hệ thống nhúng trong các lĩnh vực của đời sống nhóm chúng em đã thực hiện đề tài: “Hệ thống chăm sóc cây trồng tưới tiêu thông minh” Trong quá trình thực hiện đề tài, không thể tránh khỏi những sai sót không đáng có, nhóm thực hiện mong rằng sẽ nhận được sự góp ý từ phía thầy, cô để chúng em có thể hoàn thiện sản phẩm của mình hơn nữa Chúng em xin chân thành cảm ơn! Nhóm thực hiện đề tài LỜI CAM ĐOAN Tôi là Nguyễn Văn Duy, mã số sinh viên CT030211, sinh viên lớp L02 Người hướng dẫn là ThS Lê Đức Thuận Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung được trình bày trong đồ án “Hệ thống tự động chăm sóc cây trồng tưới tiêu thông minh” là kết quả quá trình tìm hiểu và nghiên cứu của nhóm tôi Các dữ liệu được nêu trong đồ án là hoàn toàn trung thực, phản ánh đúng kết quả đo đạc thực tế Mọi thông tin trích dẫn đều tuân thủ các quy định về sở hữu trí tuệ; các tài liệu tham khảo được liệt kê rõ ràng Chúng tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với những nội dung được viết trong đồ án này Hà Nội, ngày 20 tháng 10 năm 2021 Người cam đoan Nhóm thực hiện đề tài MỤC LỤC DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .iii DANH MỤC HÌNH VẼ iv DANH MỤC BẢNG BIỂU v TÓM TẮT ĐỒ ÁN vi CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7 1.1 Giới thiệu chung 7 1.1.1 Đặt vấn đề 7 1.1.2 Đề xuất giải pháp .7 1.1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu đề tài 8 1.1.4 Mục tiêu hệ thống 8 1.2 Giới thiệu về Node MCU 8 1.2.1 Giới thiệu chung 8 1.2.2 Đặc điểm chính của Node MCU 9 1.2.3 Đánh giá hoạt động 10 1.3 Giới thiệu MODULE cảm biến độ ẩm đất .10 1.3.1 Giới thiệu chung .10 1.3.2 Nguyên lý hoạt động 11 1.3.3 Đánh giá hoạt động 12 1.4 Giới thiệu MODULE cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT22 .12 1.4.1 Giới thiệu chung .12 1.4.2 Nguyên lý hoạt động 13 1.4.3 Đánh giá hoạt động 13 1.5 Giới thiệu về nguồn Adapter 13 1.5.1 Giới thiệu chung .13 1.5.2 Nguyên lý hoạt động 14 1.5.3 Đánh giá hoạt động 15 1.6 Giới thiệu về màn hình OLED .15 1.6.1 Giới thiệu chung .15 1.6.2 Nguyên lý hoạt động 15 1.6.3 Đánh giá hoạt động 16 1.7 Giới thiệu về Module Relay 1 kênh 5V 16 1.7.1 Giới thiệu chung .16 i 1.7.2 Nguyên lý hoạt động 17 1.7.3 Đánh giá hoạt động 17 1.8 Giới thiệu về máy bơm mini 12V 17 1.8.1 Giới thiệu chung .17 1.8.2 Nguyên lý hoạt động 18 1.8.3 Đánh giá hoạt động 18 1.9 Giới thiệu công nghệ 18 1.9.1 MQTT 18 1.9.2 Node JS 22 CHƯƠNG 2 KHẢO SÁT PHÂN TÍCH 24 2.1 Khảo sát và đề xuất đề tài 24 2.1.1 Giới thiệu chung về hệ thống 24 2.1.2 Khảo sát về sự ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm lên cây trồng 25 2.1.3 Tổng quan về hệ thống .26 2.1.4 Nguyên lý hoạt động của hệ thống 28 2.2 Phân tích bài toán 29 2.3 Phân tích kiến trúc 29 2.3.1 Sơ đồ mạch điện tử 29 2.3.2 Cấu tạo và phân tích 30 2.4 Phân tích ca sử dụng .30 2.4.1 Biểu đồ ca sử dụng 30 2.4.2 Đặc tả ca sử dụng .34 2.4.3 Biểu đồ tuần tự 37 CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM 41 3.1 Giới thiệu chung 41 3.2 Thiết kế, lập trình mạch trong thực tế 41 3.2.1 Thiết kế 41 3.2.2 Lập trình 42 3.3 Lắp đặt mạch trong thực tế 47 3.3.1 Bảng điều khiển hệ thống trong thực tế 47 3.3.2 Hệ thống tưới trong thực tế 48 3.3.3 Giao diện Web điều khiển 49 3.4 Phân tích kết quả 49 KẾT LUẬN 50 ii Kết luận chung .50 Hướng phát triển 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO .52 PHỤ LỤC 53 iii DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Đầy đủ Ý nghĩa IoT Internet of Thing Internet vạn vật MQTT Message Queuing Telemetry Là một giao thức gởi dạng Transport publish/subscribe MCU Micro Controller Unit Hệ thống vi điều khiển ARM Advanced RISC Machine Một loại cấu trúc vi xử lý 32 bit và 64 bit kiểu RISC được sử dụng rộng rãi trong các thiết kế nhúng CPU Central Processing Unit Bộ xử lí trung tâm Màn hình tinh thể lỏng LCD Liquid crystal display Giao thức kiểm soát truyền tải TCP Transmission Control Protocol iv DANH MỤC HÌNH Hình 1 1 Mô hình Node MCU 9 Hình 1 2 MODULE cảm biến độ ẩm đất 10 Hình 1 3 MODULE cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT22 12 Hình 1 4 Nguồn Adapter 14 Hình 1 5 Màn hình OLED 15 Hình 1 6 Module Relay 2 kênh 12V 16 Hình 1 7 Máy bơm mini 12V 17 Hình 1 8 Mô hình hoạt động MQTT 18 Hình 1 9 Node JS 22 Y Hình 2 1 Khu vườn của bạn sẽ luôn xanh tốt nếu có hệ thống tưới thông minh 24 Hình 2 2 Sự ảnh hưởng của độ ẩm đối với cây trồng 26 Hình 2 3 Sơ đồ mạch điện tử 30 Hình 2 4 Biểu đồ ca sử dụng ở mức tổng quát 31 Hình 2 5 Biểu đồ ca sử dụng hiển thị thông số 32 Hình 2 6 Biểu đồ ca sử dụng kích hoạt hệ thống .32 Hình 2 7 Biểu đồ ca sử dụng thiết lập thời gian tưới 33 Hình 2 8 Biểu đồ ca sử dụng thu thập dữ liệu 33 Hình 2 9 Biểu đồ tuần tự thiết lập thời gian tưới .37 Hình 2 10 Biểu đồ tuần tự kích hoạt quá trình tự động tưới 38 Hình 2 11 Biểu đồ tuần tự quá trình tưới thủ công qua bảng điều khiển 38 Hình 2 12 Biểu đồ tuần tự quá trình tưới thủ công qua Web .39 Hình 2 13 Biểu đồ tuần tự quá trình bật đèn qua Web 39 Hình 2 14 Biểu đồ tuần tự quá trình tự động bật tắt đèn 40 Hình 2 15 Biểu đồ tuần tự bật tắt đèn qua bảng điều khiển .40 Hình 3 1 Sơ đồ thiết kế mạch điện tử 41 Hình 3 2 Sơ đồ mạch trong thực tế 41 Hình 3 3 Code kích hoạt quá trình tưới thủ công 42 Hình 3 4 Code kích hoạt tưới tự động .43 Hình 3 5 Code thiết lập thời gian tưới qua Web 44 Hình 3 6 Code Bật/tắt đèn 45 Hình 3 7 Code kết nối wifi 46 Hình 3 8 Mô hình bảng điều khiển trong thực tế 47 Hình 3 9 Mô hình hệ thống tưới nước .48 Hình 3 10 Giao diện Web điều khiển 49 v DANH MỤC BẢNG BI Bảng 1 1 Thông số kỹ thuật Node MCU .9 Bảng 1 2 Thông số kỹ thuật Module cảm biến độ ẩm đất 12 Bảng 1 3 Thông số kỹ thuật Module cảm biến nhiệt độ - độ ẩm .13 Bảng 1 4 Thông số kỹ thuật nguồn Adapter 14 Bảng 1 5 Thông số kỹ thuật màn hình OLED 16 Bảng 1 6 Thông số kỹ thuật Module Relay 1 kênh 5V .17 Bảng 1 7 Thông số kỹ thuật máy bơm mini 12 18 Y Bảng 2 1 Nhiệt độ phù hợp với một số cây trồng 28 Bảng 2 2 Các thiết bị sử dụng 30 Bảng 2 3 Đặc tả ca sử dụng điều khiển quá trình tưới thủ công 34 Bảng 2 4 Đặc tả ca sử dụng kích hoạt quá trình tưới tự động 34 Bảng 2 5 Đặc tả ca sử dụng hiển thị thông tin lên màn hình OLED 35 Bảng 2 6 Đặc tả ca sử dụng thiết lập thời gian tưới 35 Bảng 2 7 Đặc tả ca sử dụng hiển thị thông tin lên giao diện Web .36 Bảng 2 8 Đặc tả ca sử dụng điều khiển bật tắt đèn 36 vi TÓM TẮT ĐỒ ÁN Phương pháp thực hiện là dùng Node MCU ESP8266 xây dựng thành một khối điều khiển trung tâm, dùng các module cảm biến: độ ẩm đất, nhiệt độ và độ ẩm không khí thu thập dữ liệu từ môi trường canh tác gửi về, từ đó so sánh với thông số đã cài đặt trước trong Node MCU sẽ điều khiển các thiết bị ngoại vi: máy bơm nước, đèn điện Bên cạnh đó Node MCU sẽ giao tiếp với hệ thống Web bằng giao thức MQTT để điều khiển hệ thống từ xa, thiết lập giờ tưới tiêu Nội dung đề tài tập trung nghiên cứu phương thức giao tiếp giữa Node MCU với các cảm biến độ ẩm đất, cảm biến nhiệt độ và độ ẩm không khí và giao thức MQTT Trong đồ án này chúng em sẽ đi chi tiết về phần phân tích, thiết kế, cài đặt cũng như sử dụng đề tài Đề tài 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, chúng em đã mô phỏng thành công mô hình Hệ thống tưới tiêu thông minh thao tác đơn giản, đạt độ chính xác cao Do thời gian, kiến thức và kinh nghiệm của nhóm còn có hạn nên sẽ không thể tránh khỏi những sai sót Nhóm em rất mong được sự giúp đỡ và tham khảo ý kiến của thầy cô và các bạn nhằm đóng góp phát triển thêm đề tài Dưới đây là phần trình bày của chúng em! vii