Thiết kế và chế tạo hệ thống tưới cây tự động sử dụng module esp8266

Ý tưởng cốt lõi của hệ thống này là các thông tinđo đạc từ cảm biến sẽ được thu thập truyền về trung tâm để giúp người dùng thuậntiện giám sát và rõ ràng hơn.1.2 MỤC TIÊU Thiết kế thiết

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

GIỚI THIỆU VỀ IOT

 IoT – Internet of Things, có nghĩa là Internet vạn vật, cụ thể hơn là mạng lưới vạn vật được kết nối với nhau thông qua Internet IoT cho phép các thiết bị này giao tiếp và trao đổi dữ liệu để thực hiện các nhiệm vụ tự động và cung cấp thông tin hữu ích cho người dùng Bên cạnh đó nó còn tích hợp thêm các phần mềm, bộ phân điện tử củng như nhiều loại cảm biến được sử dụng từng mục đích khác nhau Mục tiêu của IoT là tạo ra một môi trường thông minh và tiện ích hơn, mang lại lợi ích và tiện ích cho con người trong các lĩnh vực như gia đình thông minh, y tế, nông nghiệp, công nghiệp và nhiều lĩnh vực khác Có khả năng truyền dữ liệu qua mạng mà không yêu cầu sự tương tác giữa con người với máy tính Hệ thống các thiết bị, phương tiện thông minh này sẽ tạo nên một cơ sở hạ tầng đáp ứng nhu cầu phát triển của xã hội thông tin

 Có thể hình dung đơn giản như sau:

 Các thiết bị IoT có thể là thiết bị hoặc đồ vật được gắn thêm cảm biến để thu nhập dữ liệu về môi trường xung quanh, dữ liệu sẽ được truyền vào các máy tính hay bộ điều khiển để ra lệnh cho các thiết bị khác, hoặc các đồ vật được tích hợp cả hai tính năng trên.

 Ngày nay, các doanh nghiệp hoặc các tổ chức trong nhiều ngành khác nhau đã và đang sử dụng IoT để hoạt động tốt hơn, hiểu rõ hơn về khách hàng đang muốn gì để cung cấp các dịch vụ nâng cao, cải thiện khả năng ra quyết định và gia tăng giá trị của doanh nghiệp hoặc tổ chức.

2.1.2 Cấu trúc của hệ thống

Một hệ thống IoT gồm 4 thành phần chính:

 Network and Cloud: Hạ tầng mạng

 Services – Creation and Solution Layers: Bộ phân tích và xữ lý dữ liệu

Nhiệm chính của cảm biến là đo đạc các tín hiệu từ môi trường và sau đó chuyển thành các dạng dữ liệu trong môi trường Internet Sau đó, các tín hiệu sẽ được xử lý và đưa ra kết quả theo ý muốn của người dùng.

Một hệ thống IoT hoàn chỉnh đều phải trải qua 5 bước:

 Kết nối: Các thiết bị IoT được kết nối với nhau và với Internet thông qua các giao thức mạng như Wifi, Bluetooth…

 Thu thập dữ liệu: Các thiết bị IoT có khả năng thu thập dữ liệu từ môi trường xung quanh thông qua các cảm biến Nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, hình ảnh, video,

… các thông tin này có thể được xem như dữ liệu.

 Truyền dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các thiết bị IoT được truyền qua mạng để đến đích.

 Xử lý dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các thiết bị IoT có thể được xử lý trên thiết bị đó hoặc trên các máy chủ đám mây Từ đó đưa ra điều chỉnh thông qua một bộ giao diện từ máy tính.

 Ứng dụng và điều khiển: Dữ liệu được xử lý có thể được sử dụng để cung cấp thông tin, điều khiển các thiết bị hoặc tạo ra các hành động tự động Ví dụ, thông qua ứng dụng di động hoặc giao diện Web, người dùng có thể theo dõi và điều khiển các thiệt bị IoT từ xa.

Một hệ thống IoT bao gồm nhiều thiết bị thông minh hổ trợ Web hay ứng dụng sử dụng hệ thống nhúng như bộ xử lý, cảm biến và phần cứng truyền thông, để thu nhập, gửi, xử lý trên dữ liệu mà chúng ta thu nhập được Các thiết bị IoT chia sẽ dữ liệu cảm biến thu nhập được bằng cách kết nối với cổng IoT hoặc các thiết bị kết nối khác, nơi dữ liệu được gửi đến đám mây để phân tích hoặc phân tích cục bộ Đôi khi, các thiết bị này giao tiếp với các thiết bị liên quan khác và hoạt động dựa trên thông tin chúng nhận được từ nhau Mặc dù mọi người củng có thể tương tác với các thiết bị khi cần thiết, nhưng hầu hết các thiết bị áp dụng IoT để có thể thực hiện công việc mà không cần có sự can thiệp của con người.

IoT có thể tận dụng trí tuệ nhân tạo (AI) và Machine Learning (máy học) để hổ trợ tối đa quá trình thu thập dữ liệu từ các thiết bị trở nên dễ dàng và linh hoạt hơn.

 Khả năng truy cập thông tin từ mọi nơi, mọi lúc trên mọi thiết bị.

 Kết nối giữa các thiết bị điện tử được cải thiện rõ rệt.

 Chuyển các gói dữ liệu qua mạng được kết nối tiết kiệm thời gian và tiền bạc.

 Tự động hóa các nhiệm vụ giúp cải thiện chất lượng dịch vụ doanh nghiệp và giảm như cầu can thiệp của con người.

 Việc thu thập và quản lý dữ liệu từ các thiết bị cảu các doanh nghiệp có quy mô cũng sẽ là một thách thức lớn.

 Khả năng tương thích cho IoT thì không có tiêu chuẩn quốc tế, rất khó để các thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau liên kết với nhau.

 Nếu xảy ra lỗi trong hệ thống, khả năng cao mọi thiết bị được kết nối sẽ bị hỏng.

 Nhiều thông tin được chia sẻ giữa các thiết bị khi số lượng thiết bị được kết nối ngày một tăng, thì khả năng cao hacker có thể lấy cắp thông tin bí mật củng ngày một tăng lên.

 Quản lý thông minh của tòa nhà: IoT có thể được sử dụng để quản lý và kiểm soát các hệ thống trong tòa nhà như hệ thống chiếu sáng, hệ thống điều hòa không khí, hệ thống an ninh, và hệ thống giám sát năng lượng.

 Giao thông thông minh: Iot có thể được sử dụng để giám sát và quản lý giao thông, bao gồm việc thu thập dữ liệu về lưu lượng xe cộ, đèn giao thông thông minh, hệ thống đổ xe thông minh và cung cấp thông tin giao thông thời gian thực cho người dùng.

 Y tế thông minh: IoT có thể được sử dụng để giám sát sức khỏe và cung cấp chăm sóc y tế từ xa Ví dụ như các thiết bị đeo thông minh để theo dõi nhịp tim, áp lực máu, hoặc hệ thống giám sát bệnh nhân từ xa.

 Nông nghiệp thông minh: IoT có thể được áp dụng để giám sát và điều khiển các thông số như độ ẩm, nhiệt độ, độ ẩm đất trong nông nghiệp Điều này giúp nâng cao năng suất và tiết kiệm tài nguyên.

GIỚI THIỆU VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

2.2.1 Mạng cảm biến không dây là gì?

 Mạng cảm biến không dây (WSN) bao gồm một tập hợp các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang học) để phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin dữ liệu phân tán với quy mô lớn trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng địa lý nào Mạng cảm biến không dây có thể liên kết trực tiếp với nút quản lý giám sát trực tiếp hay gián tiếp thông qua một điểm thu phát (Sink) và môi trường mạng công cộng như Internet hay vệ tinh Khả năng xử lý tốc độ cao chính là lợi thế chủ yếu của chúng, triển khai hầu như trong bất kỳ loại hình địa lý nào kể cả môi trường nguy hiểm không thể sử dụng mạng cảm biến có dây truyền thống.

 Một mạng cảm biến không dây bao gồm số lượng lớn các nút (node) được triển khai dầy đặc bên trong hoặc ở rất gần đối tượng cần thăm dò, thu nhập thông tin dữ liệu Nó cho phép triển khai ngẫu nhiên trong các vùng không thể tiếp cận hoặc các khu vực nguy hiểm bởi vì vị trí các cảm biến không cần định trước Những đặc trưng rất cơ bản của mạng này là khả năng tự tổ chức mạng và cộng tác làm việc của các cảm biến không dây Với số lượng lớn các cảm biến không dây được triển khai gần nhau thì truyền thông đa liên kết được lựa chọn để công suất tiêu thụ là nhỏ nhất (so với truyền thông đa liên kết) và mang lại hiệu quả truyền tín hiệu tốt hơn so với truyền khoản cách xa.

 Các nút cảm biến được triển khai trong một trường cảm biến (sensor field) Mỗi nút cảm biến được phát tán trong mạng có khả năng thu thập thông số liệu, định tuyến số liệu về bộ phận thu nhận (Sink) để chuyển tới người dùng (User) và định tuyến các bảng tin mang theo yêu cầu từ nút Sink đến các nút cảm biến Số liệu được định tuyến về phía bộ thu nhận (Sink) theo cấu trúc đa liên kết không có cơ sở hạ tầng nền tảng (Multihop Infrastructureless Architecture), tức là không có trạm thu phát gốc hay các trung tâm điều khiển Bộ thu nhận có thể liên lạc trực tiếp với trạm điều hành (Task Manager Node) của người dùng hoặc gián tiếp thông qua Internet hay vệ tinh (Satellite).

 Mỗi nút cảm biến bao gồm bốn thành phần cơ bản: bộ cam kết, bộ xử lý, bộ thu phát không dây và nguồn điện Tùy theo ứng dụng cụ thể, nút cảm biến còn có thể có các thành phần bổ sung như hệ thống tìm vị trí, bộ sinh năng lượng và thiết bị di động Các thành phần trong một nút cảm biến Bộ cảm biến thường gồm hai đơn vị thành phần là đầu đo cảm biến (Sensor) và bộ chuyển đổi tương tự/số (ADC) Các tín hiệu tương tự được thu nhận từ đầu đo, sau đó được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ chuyển đổi ADC, rồi mới được đưa tới bộ xử lý Bộ xử lý, thường kết hợp với một bộ nhớ nhỏ, phân tích thông tin cảm biến và quản lý các thủ tục cộng tác với các nút khác để phối hợp thực hiện nhiệm vụ Bộ thu phát đảm bảo thông tin giữa nút cảm biến và mạng bằng kết nối không dây, có thể là vô tuyến, hồng ngoại hoặc bằng tín hiệu quang Một thành phần quan trọng của nút cảm biến là bộ nguồn Bộ nguồn, có thể là pin hoặc ắc quy, cung cấp năng lượng cho nút cảm biến và không thay thế được nên nguồn nặng lượng của nút thường là giới hạn Bộ nguồn có thể được hổ trợ bởi các thiết bị sinh điện, ví dụ như các tấm bin mặt trời nhỏ.

 Hầu hết các công nghệ định tuyến trong mạng cảm biến và các nhiệm vụ cảm biến yêu cầu phải có sự nhận biết về vị trí với độ chính xác cao Do đó, các nút cảm biến thường phải có hệ thống tìm vị trí Các thiết bị di động đôi khi củng cần thiết để di chuyển các nút cảm biến theo yêu cầu để đảm bảo các nhiệm vụ được phân công.

 Kích thước vật lý nhỏ gọn.

 Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng.

 Kích thước và công suất tiêu thụ luôn chi phối khả năng xử lý, lưu trữ và tương tác các thiết bị cơ sở.

 Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế.

 Hoạt động đồng thời với tốc độ tập trung cao.

 Kiến thức và giao thức của mạng cảm biến không dây.

GIỚI THIỆU VỀ ESP8266

Module ESP8266 là một module Wi-Fi được phát triển bởi Espressif Systems.

Nó khả năng kết nối Wi-Fi cho các thiết bị nhúng và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng IoT Module này tích hợp cả chip Wi-Fi và chip xử lý, cho phép nó thực hiện các chức năng mạng mà không cần một vi xử lý bên ngoài ESP8266 hỗ trợ giao tiếp thông qua giao diện UART, SPI và I2C, có thể lập trình bằng ngôn ngữ lập trình Arduino Module này có thể được sử dụng để kết nối và giao tiếp với các mạng Wi-Fi, thu thập dữ liệu từ các biến cảm ứng và điều khiển các thiết bị thông tin qua mạng không dây.

Kiến trúc và xử lý: ESP8266 có một bộ xử lý chính với tốc dộ xung nhịp thấp (từ 80MHz đến 160MHz), cho phép nó thực hiện các chức năng xử lý dữ liệu và quản lý kết nối mạng Có bộ nhớ Flash để lưu trữ mã chương trình và dữ liệu.

Giao tiếp Wi-Fi: ESP8266 hổ trợ chuẩn Wi-Fi 802.11 b/g/n, cho phép nó kết nối với mạng không dây và gửi/nhận thông qua giao thức TCP/IP Nó cung cấp các chức năng kiểm soát và cấu hình Wi-Fi, bao gồm kết nối mạng, mã hóa và xác thực

ESP8266 có một số chân GPIO (General-Purpose Input/Output) để kết nối các thiết bị ngoại vi khác như cảm biến, đèn LED, màn hình hiển thị và nhiều hơn nữa Nó củng hổ các giao tiếp ngoại vi như I2C, SPI và UART, cho phép nó giao tiếp với các thiết bị khác nhau.

Nhờ những khả năng và tính năng kết nối mạnh mẽ với nó, ESP8266 đã trở thành một lựa chọn phổ biến trong việc xây dựng các ứng dụng IoT đơn giản đến phức tạp.

GIỚI THIỆU LINH KIỆN TRONG HỆ THỐNG

2.4.1 Bộ xử lý trung tâm Atmega328p

Atmega328P là một bộ vi điều khiển tiên tiến và nhiều tính năng, không những vậy, nó là một trong những vi điều khiển nổi tiến của Atmel vì trong bo mạch ArduinoUNO sử dụng nó Nó là một bộ vi điều khiển thuộc họ vi điều khiển megaMVR củaAtmel Việc sản xuất các vi điều khiển trong họ megaMVR được thiết kế xử lý các bộ nhớ trong chương trình lớn và mỗi vi điều khiển trong họ chứa lượng ROM, RAM, các chân I/O và các tính năng khác nhau và được sản xuất với các chân đầu ra khác nhau, từ 8 chân đến hàng trăm chân.

Thiết kế bên trong của Atmega328P với tính tiêu thụ dòng điện thấp Con chip này chứa 32 kilobyte bộ nhớ flash trong, 1 kilobyte EEPROM và 2 kilobyte SRAM. EEPROM và bộ nhớ flash là bộ nhớ lưu thông tin, thông tin đó vẫn thoát ra mỗi khi nguồn điện bị ngắt Nhưng SPRAM là bộ nhớ chỉ lưu thông tin cho đến khi có điện và khi ngắt nguồn điện thì sẽ xóa tất cả thông tin trong SRAM.

Mô tả Chức năng Mô tả chức năng

1 PC6 Reset Khi chân reset này ở mức thấp, bộ vi điều khiển và chương trình của nó sẽ được reset.

2 PD0 Chân kỹ thuật số

Chân đầu vào cho giao tiếp nối tiếp.

3 PD1 Chân kỹ thuật số

Chân đầu vào cho giao tiếp nối tiếp.

4 PD2 Chân kỹ thuật số Chân 4 được sử dụng làm ngắt ngoài 0.

5 PD3 Chân kỹ thuật số

Chân 5 được sử dụng làm ngắt ngoài 1.

6 PD4 Chân kỹ thuật số Chân 6 được sử dụng cho nguồn bộ đếm bên ngoài Timer0.

7 Vcc Điện áp dương Nguồn dương của hệ thống.

8 GND Nối đất Nối đất của hệ thống.

9 XTAL Dao động tinh thể Chân này nối với một chân của bộ dao động tinh thể để cung cấp xung nhịp bên ngoài cho chip.

10 XTAL Dao động tinh thể Chân này nối với chân còn lại của bộ dao động tinh thể để cung cấp xung nhịp bên ngoài cho chip.

11 PD5 Chân kỹ thuật số

Chân 11 được sử dụng cho nguồn bộ đếm bên ngoài Timer1.

12 PD6 Chân kỹ thuật số

Bộ so sánh analog dương i/ps.

13 PD7 Chân kỹ thuật số Bộ so sánh analog âm i/ps.

14 PB0 Chân kỹ thuật số Nguồn đầu vào bộ đếm hoặc bộ hẹn giờ.

15 PB1 Chân kỹ thuật số

Bộ đếm hoặc bộ hẹn giờ so sánh khớp A.

16 PB2 Chân kỹ thuật số

Chân này hoạt động như lựa chọn slave i/ p.

17 PB3 Chân kỹ thuật số

Chân này được sử dụng làm đầu ra dữ liệu master và đầu vào dữ liệu slave cho SPI.

18 PB4 Chân kỹ thuật số Chân này hoạt động như một đầu vào xung nhip master và đầu ra xung nhịp slave.

19 PB5 Chân kỹ thuật số Chân này hoạt động như một đầu ra xung nhịp master và đầu vào xung nhịp slave cho SPI.

20 Avcc Điện áp dương Điện áp dương cho ADC (nguồn).

21 AREF Tham chiếu analog Điện áp tham chiếu analog cho ADC (Bộ chuyển đổi analog sang kỹ thuật số).

22 GND Nối đất Nối đất của hệ thống

23 PC0 Đầu vào analog Đầu vào analog giá trị kỹ thuật số kênh 0

24 PC1 Đầu vào analog Đầu vào analog giá trị kỹ thuật số kênh 1

25 PC2 Đầu vào analog Đầu vào analog giá trị kỹ thuật số kênh 2

26 PC3 Đầu vào analog Đầu vào analog giá trị kỹ thuật số kênh 3

27 PC4 Đầu vào analog Đầu vào analog giá trị kỹ thuật số kênh 4.

Chân này cũng có thể được sử dụng làm kết nối giao diện nối tiếp cho dữ liệu.

28 PC5 Đầu vào analog Đầu vào analog giá trị kỹ thuật số kênh 5.

Chân này cũng được sử dụng như dòng xung nhịp giao diện nối tiếp.

Hình 2.2 Sơ đồ chân Atmega328P 2.4.1.3 Thông số kỹ thuật

 Thiết kế hiệu suất cao.

 Tiêu thụ ít điện năng.

 Tổng số chân ngõ vào Analog là 6.

 Chứa 32 kilobyte bộ nhớ flash.

 Tốc độ xung nhịp 16 megahertz.

 Nhiệt độ tối thiểu và tối đa -40 độ C đến 105 độ C.

 Tổng số chân I / O kỹ thuật số 14 chân.

 Tổng số chân I / O là 23 chân.

 Tổng số kênh PWM là 6.

 Điện áp hoạt động tối thiếu và tối đa từ 1.8V DC đến 5.5V DC.

2.4.2 Module thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua CP2102

2.4.2.1 Module Wifi ESP8266 NodeMCU Lua CP2102 là gì ?

Module Wifi ESP8266 NodeMCU Lua CP2102 là phiên bản phổ biến module ESP8266, nó kết hợp module ESP8266 với một chip chuyển đổi USB-UART CP2102.

Có thể kết nối dễ dàng với máy tính qua cổng USB, được sử dụng kết nối mạng Wifi và truyền dữ liệu qua giao thức TCP/IP, điều khiển các thiết bị như đèn, cảm biến,servo, mortor… thông qua các chân GPIO của module Được thiết kế để hổ trợ lập trình trên môi trường NodeMCU Lua để dễ sử dụng các ứng dụng IoT Với khả năng cấu hình để tạo thành mạng truyền nhận, các nghiên cứu về IoT được phát triển và được sử dụng rất nhiều hiện nay Thiết kế nhỏ gọn, được tích hợp dễ dàng trong các thiết kế mạch, có độ bền cao và khả năng hoạt động ổn định nhờ có chất lượng linh kiện và gia công tốt.

Hình 2.3 Module thu phát Wifi ESP8266 CP2102 2.4.2.2 Thông số kỹ thuật

 Tần số hoạt động: 2.4GHz

 Chế độ hoạt động: Station/SoftAP/SoftAP + Station

 Dòng tiêu thụ: Khoảng 80mA khi hoạt động và 15mA khi chờ đợi

 Tốc độ truyền dữ liệu UART: Tối đa 115200 bps

 Trình điều khiển USB to Serial: CP2102

Hình 2.4 Sơ đồ chân Wifi ESP8266 CP2102

Module I2C LCD là module mở rộng cho màn hình LCD thông qua giao tiếpI2C (Mạch tích hợp) Giúp đơn giản hóa công việc kết nối và điều khiển màn hìnhLCD thông qua chỉ sử dụng một số I/O chân trên vi điều khiển Bao gồm một màn hình LCd kích thước nhỏ (16x2 hoặc 20x4), một I2C điều khiển và một I2C duy nhất địa chỉ Cho phép truyền dữ liệu và điều khiển màn hình LCD một cách dễ dàng thông qua các lệnh đơn giản Ưu điểm tiết kiệm chân cho vi điều khiển chỉ cần tốn 2 chân

(SCL và SDA) để kết nối, dễ dàng kết nối với LCD, thường được sử dụng trong các dự án điện tử và IoT để hiển thị thông tin và giao tiếp người dùng

 VCC (power): Chân nguồn dương

 SDA: Chân truyền dữ liệu (data)

 SCL: Chân Clock, có tác dụng đồng bộ hóa việc truyền dữ liệu giữa các thiết bị và việc tạo ra xung clock đó là do thiết bị chủ (Master)

 Giao diện: I2C (Inter-Integrated Circuit)

 Kích thước: 41.5mm(L) x 19mm(W) x 15.3MM(H)

 Jump chốt: Cung cấp đèn cho LCD hoặt ngắt.

 Biến trở xoay độ tương phản LCD

C1815 là một loại transistor bipol có công suất thấp và được sử dụng trong các ứng dụng mạch khếch đại tín hiệu nhỏ Có 3 chân: cực phát, cực gốc, cực thu Nó có thể hoạt động trong môi trường nhiệt độ từ -55 độ C đến 150 độ C và thường được sử dụng trong các mạch điện tử, nhiều ứng dụng khác nhau.

 Chân 1 cực phát: Có vai trò là đầu ra cho nguồn

 Chân 2 cực thu: Có vai trò thu nhập năng lượng

 Chân 3 cực gốc: Hoạt động như một cổng điều khiển cho đầu vào điện lớn hơn tại cực thu.

 Loại bóng bán dẫn: NPN

 Dòng điện cực đại (IC): 150mA

 Công suất cực đại (PC): 400mW

 Hệ số khuếch đại (hfe): 70-700

 Tần số cắt: Ft > 80MHz

 Điện áp cực đại Transistor

 Điện áp cực đại cực phát (VEBO) : 5V

 Điện áp cực đại Collector-Base(VCB) : 60V

 Điện áp cực đại Collector-Emitter (VCE) : 50V

2.4.5 Module cảm biến độ ẩm đất

2.4.5.1 Module cảm biến độ ẩm đất là gì?

Cảm biến độ ẩm đất là một thiết bị điện tử được sử dụng để đo độ ẩm của đất, gồm một cảm biến độ ẩm và mạch điện tử để xử lý dữ liệu từ cảm biến Cảm biến độ ẩm thường được đặt vào trong đất và sẽ đo lường độ ẩm trong đó Sau đó dữ liệu được chuyển đến mạch điện tử, tiếp theo sẽ được hiển thị trên một màn hình hoặc truyền qua mạng để ghi lại và theo dõi Module cảm biến đo độ ẩm đất thường được sử trong các ứng dụng IoT như trồng cây, hệ thống tưới cây tự động.

Hình 2.7 Cảm biến độ ẩm đất

 VCC: Chân cung cấp nguồn cho cảm biến (thường là 3.3V hoặc 5V)

 AO (Analog Output): Chân đầu ra analog, cung cấp tín hiệu analog tương ứng với độ ẩm đất.

 DO (Digital Output): Chân đầu ra digital, tạo ra tín hiệu số để biểu thị trạng thái độ ẩm của đất.

 Kích thước PCB: 3cm * 1.6cm

 Led đỏ báo nguồn vào, Led xanh báo độ ẩm

 DO: Đầu ra tín hiệu số (0 và 1)

 AO: Đầu ra Analog (Tín hiệu tương tự)

2.4.6 Module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT22 / AM2302

2.4.6.1 Module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT22 / AM2302 là gì?

Module cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT22 là cảm biến dùng để đo nhiệt độ và độ ẩm trong môi trường Nó được sử dụng trong các ứng dụng như đo nhiệt độ và độ ẩm trong nhà, trong các dự án IoT, đo điều kiện thời tiết và nhiều ứng dụng khác. Giá thành chi phí thấp, module nhỏ gọn đơn giản, dễ sử dụng, nhưng đòi hỏi thời gian cẩn thận để lấy dữ liệu.

Hình 2.8 Module cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT22 / AM2302

 Chân VCC: Chân cung cấp nguồn cho cảm biến (3.5V đến 5.5V)

 Chân Data: Đầu ra cả nhiệt độ và độ ẩm thông qua dữ liệu nối tiếp

 Chân GND: Chân nối đất

 Cảm biến sử dụng: AM2302

 Dòng điện tiêu thụ: 2.5mA

 Dãi đo nhiệt độ: -40 – 80 độ C

 Sai số nhiệt độ: +-0.3 độ C

2.4.7 Mạch giảm áp DC LM2596 3A

2.4.7.1 Mạch giảm áp DC LM2596 3A là gì?

Mạch điện DC LM2596 3A là một loại mạch điều chỉnh DC sử dụng linh kiện

IC LM2596 IC LM2596 là một ứng dụng điều chỉnh đặt biệt được sử dụng để biến đổi nguồn điện DC không ổn định thành một nguồn DC ổn định có giá trị điện điện áp và dòng điện được điều chỉnh Mạch điện DC LM2596 3A có khả năng đầu ra dòng điện lên đến 3A, cung cấp các tính năng bảo vệ bao gồm quá tải, quá nhiệt, quá áp và ngắn mạch, được sử dụng trong các ứng dụng IoT.

Hình 2.9 Mạch giảm áp DC LM2596 3A 2.4.7.2 Thông số kỹ thuật

 Điện áp đầu vào: Từ 3V đến 30V

 Điện áp đầu ra: Điều chỉnh được trong khoảng 1.5V đến 30V

 Dòng điện đáp ứng tối đa: 3A

 Kích thước: 45 (dài) x 20 (rộng) x 14 (cao) mm

Màn hình LCD 16x2 là một linh kiện được sử dụng rộng rãi trong các dự án điện tử và lập trình, nó sẽ hiển thị những thông tin mà ngưởi lập trình mong muốn Vì nó sử dụng driver HD44780 nên có khả năng hiển thị 2 dòng với mỗi dòng 16 ký tự, màn hình có độ bền cao.

Hình 2.10 LCD 16x2 2.4.8.3 Thông số kỹ thuật

 Điện áp hoạt động: 2.5 – 6VDC

 Địa chỉ mặc định: 0x27 (có thể điều chỉnh bằng ngắn mạch chân A0/A1/A2)

 Tích hợp biến trở xoay chiều chỉnh độ tương phản cho LCD

THIẾT KẾ & THI CÔNG

PHẦN CỨNG CỦA HỆ THỐNG

Sơ đồ của hệ thống được xây dựng như mô hình bên dưới, ngoài việc phải đảm bảo yêu cầu cảm biến đo đạc một cách chính xác thì phần cứng của hệ thống dễ lắp đặt, gọn gàng, nhẹ và dễ tích hợp với các module khác.

Hình 3.1 Phần cứng của hệ thống Đồ án được xây dựng với 2 node sensor sử dụng chip Atmega328P để xử lý các tín hiệu thu thập được từ cảm biến như: nhiệt độ, độ ẩm, độ ẩm đất, sau đó đóng gói các tín hiệu nhận được truyền về khu điều khiển thông qua truyền thông ESP8266. Các thông số đo đạc sẽ hiển thị trên màn hình LCD khu điều khiển, từ đó người giám sát dễ dàng có được các thống kê, đưa ra các quyết định đối với trang trại của mình.

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống

Hình 3.3 Layout lớp BOT 3.1.1.2 Các linh kiện được sử dụng trong hệ thống

 Khối nguồn chính sử dụng chip Atmega328P.

 Khối hiển thị được sử dụng LCD 1602.

 Mạch được xây dựng với một số cảm biến như DHT11 để đo độ ẩm và nhiệt độ, cảm biến độ ẩm đất.

 Khối truyền thông sử dụng module thu phát Wifi ESP8266 CP2102.

PHẦN MỀM HỆ THỐNG

3.2.1 Thiết kế phần mềm hệ thống

Hình 3.4 Lưu đồ thuật toán Node 1

Hình 3.5 Lưu đồ thuật toán Node 2 3.2.1.2 Giải thích lưu đồ thuật toán

Khi được cấp nguồn cho module, nguồn điện sẽ được đưa vào các linh kiện điện tử Atmega328P sẽ tiến hành thiết lập các I/O với các cảm biến, LCD và vớiInternet Khi hoàn thành thiết lập, màn hình LCD sẽ hiển thị các kết quả kết nối thành công rồi sau đó tắt màn hình đi và bắt đầu quy trình làm việc Khi bắt đầu quy trình làm việc, Atmega328P sẽ đo đạc các dữ liệu từ cảm biến như: nhiệt độ, độ ẩm từ môi trường, độ ẩm đất Sau khi đo đạc xong các giá trị từ môi trường Atmega328P sẽ tổng hợp dữ liệu ghi trên màn hình LCD, và tiếp tục gửi dữ liệu Server mỗi 3 giây Module bắt đầu rơi vào chế độ chờ lệnh từ Server chính khi người dùng muốn tùy chỉnh các chế độ của module Hệ thống sẽ hoạt động ổn định và sẽ lặp đi lặp lại quá trình.

3.2.2 Thiết kế phần mềm điều khiển

Hình 3.6 Lưu đồ thuật toán điều khiển 3.2.2.2 Giải thích lưu đồ thuật toán

Mạch chính sẽ được cấp nguồn, kết nối với Internet và kết nối với máy chủ để trực tiếp nhận những dữ liệu mà module phụ đã gửi lên Sau đó, module sẽ tổng hợp và hiển thị thông tin lên LCD để người dùng có thể kiểm soát Module sẽ trực tiếp điều chỉnh độ ẩm cần thiết và sẽ gửi trả lại Server thông qua người vận hành Sau đó module sẽ vào chế độ ngủ sau 5 giây, sau đó tiếp tục hoạt động trở lại.

3.2.3 Lưu trữ dữ liệu firebase

 Firebase là một nền tảng phát triển ứng dụng di động và web được tạo ra bởiGoogle Nền tảng này được thiết kế để giúp nhà phát triển xây dựng ứng dụng di động và web nhanh chóng, dễ dàng và an toàn.

 Cung cấp các tính năng phong phú như cơ sở dữ liệu thời gian thực, xác thực người dùng, lưu trữ đám mây, phân tích và xác nhận app Điều này giúp tiết kiệm thời gian và công sức khi phát triển và quản lý các ứng dụng của họ.

 Các dịch vụ chính của firebase:

- Firebase Realtime Database: Cơ sở dữ liệu thời gian thực để lưu trữ và đồng bộ dữ liệu giữa người dùng.

- Firebase Authentication: Dịch vụ xác thực người dùng với nhiều phương pháp đăng nhập khác nhau.

- Firebase Cloud Mesaging: Thông báo cho ứng dụng di động và web.

- Firebase Storage: Dịch vụ lưu trữ đám mây cho các tệp và phương tiện.

- Firebase Analytics: Cung cấp thông tin về cách người dùng tương tác với ứng dụng.

3.2.3.2 Giao diện Realtime Database sau khi dữ liệu được đẩy lên

 SendfbdoamT1: Dùng để hiển thị thông số đo được cảm biến nhiệt độ, độ ẩm đất, lưu trữ các thông số đã đo được.

 SendfbdoamT2: Dùng để hiển thị thông số đo được cảm biến nhiệt độ, độ ẩm đất, lưu trữ các thông số đo đạc được.

 Tram1: Gồm các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm đất.

 Tram2: Gồm các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm đất.

Hình 3.7 Cơ sở dữ liệu thời gian thực

KẾT QUẢ & ĐÁNH GIÁ

KẾT QUẢ MÔ HÌNH

 Node 1 dùng để đo đạc tại khu vực cây trồng, nên cảm biển cần thiết phải có là nhiệt độ - độ ẩm môi trường và độ ẩm đất Ngoài ra còn có LCD để hiển thị nếu người sử dụng có mặt tại nơi đặt Node.

 Node 2 dùng để đo đạc tại khu vực cây trồng, nên cảm biến cần phải có là nhiệt độ - đổ ẩm môi trường Có LCD hiển thị nếu người sử dụng có mặt tại nơi đặt node Ngoài ra có các Relay để điều khiển máy bơm.

KẾT QUẢ KIỂM THỬ

Sau khi hệ thống hoàn thành, em đã bắt đầu thực hiện việc kiểm thử và đánh giá độ chính xác, hiệu quả của mô hình bằng cách lắp đặt tại khu vực trồng cây.

4.2.2.1 Lắp đặt node 1 tại khu cây trồng

Trong kịch bản này, Sensor Node 1 được đặt tại khu vực trồng cây trước sân nhà Nó được kết nối không dây với mạch điều khiển được đặt trong nhà và cách khoảng 50 mét Thực hiện đo đạc và thu thập thông tin từ Sensor Node

- Đo các thông số từ cảm biến nhiệt độ - độ ẩm, độ ẩm đất một cách chính xác

- Hiển thị dữ liệu lên màn hình LCD.

- Dữ liệu và được cập nhật một cách chính xác và nhận liên tục.

4.2.2.1.3 Kết quả đo kiểm thử

Nhiệt độ môi trường Độ ẩm đất

NHẬN XÉT & ĐÁNH GIÁ

 Phát triển hệ thống bắt kịp với xu thế IoT.

 Quá trình hoạt động của hệ thống có tính ổn định và chính xác cao.

 Hệ thống thiết kế cực kì nhỏ gọn, lắp đặt dễ dàng và tính thẩm mỹ cao.

 Các thành phần trong hệ thống thiết kế nhỏ gọn, tính thẫm mĩ cao và giá thành thấp.

 Hệ thống dễ dàng nâng cấp phát triển và mở rộng theo nhu cầu của người sử dụng.

 Vì thực hiện cùng lúc nhiều tác vụ Arduino Mega đôi lúc xử lý bị lỗi về giá trị.

 Trên mô hình demo, trong quá trình vận chuyển củng đôi lúc làm hệ thống bị lỗi về hiễn thị LCD.

 Quá trình truyền có đôi khi bị rớt gói và bị ảnh hưởng của nhiễu trắng.

 Đối với cá nhân hộ gia đình giúp họ tăng năng suất hiệu quả Nhờ vậy mà người sử dụng rất dễ dàng giám sát cây trồng từ xa Từ đó người sử dụng có thể đở tốn thời gian hơn và dành nhiều thời gian cho việc khác.

 Đối với nông nghiệp cực kỳ có ích, với hệ thống này sẽ cung cấp dữ liệu một cách hiệu quả nhất với các cánh đồng hàng ngàn hec-ta đất Chỉ với vài Sensor Node đã có thể giám sát toàn bộ cánh đồng Tiết kiệm được rất nhiều thời gian, công sức và tiết kiệm rất nhiều chi phí.