Báo cáo đề tài chuyên đề 1 hệ thống chămsócsânvườntựđộng

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BÁO CÁO ĐỀ TÀI CHUYÊN ĐỀ 1 HỆ THỐNG CHĂM SÓC SÂN VƯỜN TỰ ĐỘNG Giáo viên hướng dẫn: Th.s Nguyễn Quỳnh Anh Sinh viên thực hiện: Ngô Yến Khoa - 2053020073 Đoàn Phước Lợi - 2053020070 Trần Mai Xuân Quỳnh - 2053020066 BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BÁO CÁO ĐỀ TÀI CHUYÊN ĐỀ 1 HỆ THỐNG CHĂM SÓC SÂN VƯỜN TỰ ĐỘNG Giáo viên hướng dẫn: Th.s Nguyễn Quỳnh Anh Sinh viên thực hiện: Ngô Yến Khoa - 2053020073 Đoàn Phước Lợi - 2053020070 Trần Mai Xuân Quỳnh - 2053020066 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm Giáo viên hướng dẫn (Ký tên và ghi rõ họ tên) MỤC LỤC I TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1 1.1 Giới thiệu đề tài .1 1.2 Ý nghĩa và mục đích nghiên cứu của đề tài 1 II XÂY DỰNG HỆ THỐNG SÂN VƯỜN THÔNG MINH 2 2.1 Yêu cầu đề bài 2 2.2 Các thành phần của hệ thống 4 2.3 Các nguồn nhiễu 4 2.5 Xây dựng mô hình hệ thống 5 2.4 Các kỹ thuật sử dụng .5 2.5.1 Lưu đồ giải thuật của hệ thống 6 2.5.2 Mô tả tình huống sử dụng của người dùng 7 2.5.3 Khối cơ chấp hành 7 2.5.4 Linh kiện cốt yếu được sử dụng để xây dựng hệ thống 8 2.5.5 Mô phỏng mạch nguyên lý 11 Error! Bookmark not defined Error! Bookmark not defined I TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu đề tài Ngày nay, nhằm đáp ứng nhu cầu xanh hóa không gian sống và tạo ra những khu vườn đẹp mắt ngày càng tăng, việc chăm sóc sân vườn là một công việc đòi hỏi nhiều thời gian, công sức và kinh nghiệm của người làm vườn Ngoài ra, việc sử dụng điện năng và nước cho sân vườn cũng cần được quản lý hợp lý để tránh lãng phí và ô nhiễm môi trường Vì thế, để giải quyết vấn đề này, cần có một hệ thống làm nhiệm vụ như một trợ lí giúp người dùng giám sát và chăm sóc khu vườn thân yêu của mình từ xa Hệ thống này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí nhân công và điện năng mà còn giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường Để đáp ứng được các yêu cầu trên, hệ thống chăm sóc sân vườn tự động đã trở thành một đề tài rất cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn cao trong cuộc sống hiện đại Việc phát triển và nghiên cứu các giải pháp mới để áp dụng vào hệ thống này là điều rất quan trọng Nhờ vào việc áp dụng công nghệ thông tin vào sản xuất, người dùng có thể quản lý khu vườn của mình bằng các thiết bị di động hoặc máy tính cá nhân Họ có thể kiểm soát việc tưới cây, bón phân hay xử lý các loại sâu bệnh từ xa Hơn nữa, hệ thống chăm sóc sân vườn tự động không chỉ giúp tiết kiệm chi phí lao động cho việc chăm sóc khu vườn mà còn mang lại hiệu quả cao trong việc duy trì sự sống cho cây cối Đây là những ưu điểm to lớn của hệ thống này khiến cho việc áp dụng công nghệ vào chăm sóc cây xanh được coi là xu hướng mới trong tương lai 1.2 Ý nghĩa và mục đích nghiên cứu của đề tài Đề tài này có mục đích nghiên cứu sâu hơn về khái niệm, nguyên lý hoạt động, ứng dụng và các vấn đề liên quan đến một hệ thống chăm sóc sân vườn tự động Nhằm giúp cho người đọc hiểu rõ hơn về công nghệ này, bao gồm những ưu nhược điểm của nó và cách để xử lý các vấn đề phát sinh trong quá trình sử dụng Đồng thời, đề tài cũng đưa ra một số gợi ý chi tiết về việc lắp đặt hệ thống chăm sóc sân vườn tự động cho các hộ gia đình Với việc tìm hiểu kỹ càng từ các thông tin trong bài nghiên cứu, người đọc có thể áp dụng kiến thức này vào việc thiết kế và xây dựng một hệ thống chăm sóc sân vườn tự động hiệu quả và tiện lợi cho cuộc sống hàng ngày của mình 1 II XÂY DỰNG HỆ THỐNG SÂN VƯỜN THÔNG MINH 2.1 Yêu cầu đề bài YÊU CẦU CƠ BẢN YÊU CẦU NÂNG CAO Hệ thống  Tự động bật/tắt đèn dựa  Màu của đèn sẽ thay đổi chiếu sáng trên cảm biến ánh sáng tùy thuộc vào nhiệt độ và cảnh báo môi trường người  Sáng đèn theo chế độ hẹn giờ  Điều khiển đèn từ xa thông qua điện thoại  Điểm Mạnh:  Tối ưu hóa tiết kiệm năng lượng bằng việc tự động ngắt kết nối  điện khi không sử dụng  Điểm Tạo ra một môi trường thuận tiện cho người dùng thông qua việc  tự động điều chỉnh ánh sáng Hệ thống Yếu: tưới tự động Có thể gây ra sai sót khi cảm biến không phân biệt được người lạ  Điểm và người quen, độ nhạy bén của cảm biến chỉ có thể chính xác  khoản 60%  Điểm  Tưới nước theo kịch  Điều chỉnh và kiểm soát  bản đã setup (hẹn giờ) lượng nước mỗi lần tưới  Tưới nước khi nhiệt độ  Hẹn trước giờ tới nước ngoài trời cao  Đọc nhiệt độ độ ẩm qua  Tưới nước khi đất khô điện thoại cằn Mạnh: Kiểm soát được lượng nước, tránh lãng phí Yếu: Lượng nước có thể không chính xác 2 YÊU CẦU CƠ BẢN YÊU CẦU NÂNG CAO Hệ thống  Đóng/mở mái che tự  Điều khiển mái che bằng mái che tự động điện thoại động  Điểm Mạnh:  Tạo ra một môi trường thuận tiện cho người dùng thông qua việc tự động đóng mở mái che  Điểm Yếu:  Giá thành cao, cần được bảo trì thường xuyên, không tránh được thời tiết quá khắc nghiệt( bão lớn ) 3 2.2 Các thành phần của hệ thống Khối chấp hành Khối xử lí Khối phần mềm Khối cảm biến 2.3 Các nguồn nhiễu A) Nguồn nhiễu do tạp chất trong đất: nếu đất có chứa nhiều cặn bẩn, tạp chất, muối, vi sinh vật, hóa chất, sẽ làm thay đổi hằng số điện môi và điện trở của đất, gây sai lệch cho các phép đo dựa trên nguyên lý điện từ, như FDR, TDR Ngoài ra, tạp chất cũng có thể gây tắc nghẽn, ăn mòn, hỏng hóc cho các điện cực, dây dẫn, mạch điện của cảm biến B) Nguồn nhiễu do nhiệt độ: nhiệt độ là một yếu tố ảnh hưởng đến độ ẩm của đất, do nhiệt độ cao sẽ làm bay hơi nước trong đất, giảm độ ẩm Ngoài ra, nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến các thuộc tính điện của đất, như hằng số điện môi, điện trở, điện dung, tần số¹² Do đó, nếu cảm biến không có bù nhiệt hoặc không được hiệu chỉnh theo nhiệt độ, sẽ gây sai số cho kết quả đo C) Nguồn nhiễu do độ sâu và góc cắm của cảm biến: độ sâu và góc cắm của cảm biến sẽ ảnh hưởng đến diện tích tiếp xúc giữa cảm biến và đất, cũng như đến sự phân bố không đồng đều của độ ẩm trong đất Nếu cảm biến cắm quá sâu hoặc quá nông, hoặc cắm không vuông góc với bề mặt đất, sẽ làm giảm độ nhạy và độ chính xác của cảm biến 4 D) Nguồn nhiễu do nhiễu điện từ: nhiễu điện từ là những tín hiệu điện từ không mong muốn, có thể phát ra từ các nguồn khác nhau, như các thiết bị điện tử, các đường dây điện, các thiết bị viễn thông, các thiết bị phát sóng, v.v Nhiễu điện từ có thể gây nhiễu cho các tín hiệu đầu ra của cảm biến, làm giảm độ tin cậy và độ chính xác của kết quả đo E) Nguồn nhiễu do vị trí cảm biến bị che lắp: như đã nói, chúng ta sẽ có thêm một cảm biến ánh sáng để có thể kích hoạt được hệ thống đèn thông minh, việc sử dụng cảm biến ánh sáng đôi khi có thể xảy ra các lỗi sai sót do cảm biến bị vật cảng, bị che lắp bởi lá cây v.v 2.5 Xây dựng mô hình hệ thống 2.4 Các kỹ thuật sử dụng Hệ thống hoạt động trên nguyên lí điều khiển không dây thông qua mạng wifi và điện thoại di động Đây là một giải pháp khá tiện lợi cho các cư dân đô thị trong việc trồng rau xanh và chăm sóc hoa, cây cảnh Trong đề tài này, chúng ta sử dụng các kỹ thuật lập trình và điều khiển thiết bị IoT (Internet of Things) bằng vi điều khiển ESP32 để kết nối vào mạng Wifi Để thiết kế giao diện trên điện thoại, chúng ta sử dụng nền tảng IoT E-ra Ưu điểm của E-Ra là phổ biến dễ sử dụng, dao diện thân thiện với người dùng nên phù hợp với nhiều ứng dụng Nhưng nhược điểm của nó là khi thay đổi mạng Wifi thì cần phải reset lại code 5 2.5.1 Lưu đồ giải thuật của hệ thống 6 2.5.2 Mô tả tình huống sử dụng của người dùng 2.5.3 Khối cơ chấp hành Khi các thông số của môi trường đọc được từ cảm biến không phù hợp với sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng, khối xử lý trung tâm sẽ tác động đến khối cơ cấu chấp hành để điều chỉnh các thông số của khu vườn thông qua hoạt động của các thiết bị trong khối này  Khi cần tác động vào độ ẩm thì đất sẽ sử dụng hệ thống bơm nước  Khi cần tác động vào độ ẩm không khí thì sử dụng hệ thống quạt thổi  Khi cần tác động vào cường độ ánh sáng và khi trời mưa thì sử dụng hệ thống động cơ kéo mái vòm  Khi cần tác động vào cường độ ánh sáng thì sử dụng đèn led 7 2.5.4 Linh kiện cốt yếu được sử dụng để xây dựng hệ thống a BO MẠCH ESP32 DEVKITC Bo mạch ESP32-DevKitC là một bo mạch phát triển dựa trên module ESP- WROOM-32, một module có hỗ trợ WiFi và Bluetooth chế độ kép rất phù hợp với hệ thống chúng ta xây dựng Bo mạch này có các ưu điểm sau: - Có bộ xử lý lõi kép 32-bit Xtensa LX6, hoạt động ở tần số 240 MHz và có khả năng xử lý nhiều tác vụ đồng thời - Có mạch nạp và giao tiếp UART CP2102 tích hợp, giúp việc lập trình và tải lên mã dễ dàng hơn - Có cảm biến hiệu ứng Hall, cảm biến nhiệt độ và chân cảm ứng điện dung tích hợp1 - Có thể lập trình bằng Arduino IDE hoặc các công cụ khác Tuy nhiên, bo mạch này cũng có một số nhược điểm, như: - Giá cao hơn ESP82661 - Có thể gặp vấn đề về nhiệt độ và ổn định khi hoạt động ở tần số cao b MÀN HÌNH LCD 8 Để có thể thể hiện nhiệt độ, độ ẩm một cách trực quan, ngoài thiết bị smartphone chúng ta sử dụng thêm một màn hình phụ LCD - Nó có nhiều ưu điểm như: - Hình ảnh sắc nét, trung thực - Độ sáng màn hình cao - Tiêu thụ điện năng ít hơn so với các loại màn hình khác - Chi phí thấp, dễ dàng lập trình và giao tiếp - Có thể hiển thị các ký tự đa dạng, bao gồm cả ký tự đồ họa Tuy nhiên, LCD cũng có một số nhược điểm, như: - Chiếm một diện tích lớn trên mạch - Hoạt động ở điện áp 5V, không tương thích với các thiết bị logic 3.3V - Cần nhiều chân để giao tiếp, đặc biệt ở chế độ 8 bit - Tuổi thọ bị giảm do dòng điện một chiều c CẢM BIẾN ĐẦU DÒ Ưu điểm của cảm biến đầu dò là: - Đơn giản, dễ sử dụng, có thể giao tiếp với vi điều khiển qua ngõ ra analog hoặc digital - Thích hợp cho các ứng dụng tưới cây tự động, vườn thông minh, giám sát chất lượng đất Nhược điểm của cảm biến đầu dò là: - Phạm vi đo hạn chế, chỉ hoạt động trong phạm vi gần đầu dò1 - Không có khả năng xuyên vật cản, nếu bị che khuất bởi một vật thể gì đó thiết bị sẽ không hoạt động chính xác - Bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường, nếu lắp ở những nơi có nhiệt độ cao thì cảm biến sẽ hay hoạt động bất thường d CẢM BIẾN DHT11 9 Cảm biến DHT11 là cảm biến có chức năng đo nhiệt độ và độ ẩm Cảm biến DHT11 sử dụng chuẩn gioa tiếp 1 dây Ưu điểm: - Chi phí thấp, dễ lắp đặt và tương thích với các bộ điều khiển như Arduino, Raspberry Pi, - Được hiệu chỉnh kỹ thuật số nên độ tin cậy và ổn định cao - Chính xác trong việc đo nhiệt độ (±2°C) và độ ẩm (±5%) Nhược điểm: - Thang đo hẹp, chỉ từ 0°C - 50°C cho nhiệt độ và từ 20% - 90% cho độ ẩm - Tần số lấy mẫu tối thiểu là một giây (1Hz) - Chỉ sử dụng được trong môi trường có hàm lượng nước Không phù hợp để sử dụng trong các môi trường khác như: kho chứa khô, kho lạnh e CẢM BIẾN ÁNH SÁNG Ngoài các hệ thống tưới tiêu liên quan tới nhiệt độ ẩm thì cần có một hệ thống ánh sáng trang trí cho khu vườn thông minh của chúng ta, ở đây chúng ta dùng loại cảm biến ánh sáng thông dụng nhất 10 2.5.5 Mô phỏng mạch nguyên lý 11