Nghiên cứu mô hình cảm biến và giám sát điều khiển tự động trong nuôi cá hồ thủy sinh gia đình

Trang 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN CÔNG TUÂN NGHIÊN CỨU MƠ HÌNH CẢM BIẾN VÀ GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRONG NUÔI CÁ HỒ THỦY SINH GIA ĐÌNH Ngành: Khoa Học Máy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN CÔNG TUÂN NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH CẢM BIẾN VÀ GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRONG NUÔI CÁ HỒ THỦY SINH GIA ĐÌNH Ngành: Khoa Học Máy Tính Mã số: 8480101 Người hướng dẫn: TS.NGUYỄN THÀNH ĐẠT LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: - Những nội dung trong đề án này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của thầy TS Nguyễn Thành Đạt - Mọi tham khảo dùng trong đề án đều được trích dẫn rõ ràng và trung thực tên tác giả, tên công trình, thời gian, địa điểm công bố - Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian dối, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Tác giả đề án Nguyễn Công Tuân LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đề án này, ngoài sự cố gắng của bản thân ra, tôi đã nhận được sự giúp đỡ của quý thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp và gia đình Xin chân thành cảm ơn thầy TS Nguyễn Thành Đạt đã tận tình hướng dẫn, giúpđỡ em thực hiện đề án đúng tiến độ và hoàn thành tốt đẹp Xin chân thành cảm ơn các thầy, các cô Khoa Công nghệ Thông tin, Phòng Sau đại học - Trường Đại học Quy Nhơn đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành chương trình đào tạo thạc sĩ ngành Khoa học máy tính khóa 24B, khóa học 2021 - 2023 Tác giả đề án Nguyễn Công Tuân MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU 4 1 Lý do chọn đề tài 1 2 Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài 2 3 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu 2 4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2 5 Phương pháp nghiên cứu 4 6 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 4 CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6 1.1 Tổng quan về internet of things (IoT) 6 1.1.1 Giới thiệu về Internet of Things (IoT) 6 1.1.2 Ứng dụng của IoT 66 1.2 Các cảm biến liên quan 6 1.2.1 Chip Arduino Uno R3 6 1.2.2 Chip Wifi ESP32 10 1.2.3 Cảm biết nhiệt độ DS18B20 17 1.2.4 Cảm biến đo cường độ ánh sáng BH1750 19 1.2.5 Cảm biến pH 20 1.3 Các thiết bị IoT khác 21 1.3.1 Module thời gian thực DS3231 21 1.3.2 Màn hình hiển thị I2C LCD 16x2 22 1.3.3 Relay 22 1.4 Các thiết bị ngoại vi 23 1.4.1 Thiết bị cho cá ăn (Hình 1.15) 23 1.4.2 Thiết bị làm mát hồ thủy sinh (Hình 1.16) 23 1.4.3 Đèn LED chiếu sáng cho hồ thủy sinh (Hình 1.17) 24 1.4.4 Thiết bị sưởi hồ thủy sinh (Hình 1.18) 24 1.5 Các loại giao tiếp truyền thông trong IoT 25 1.5.1 Giao tiếp I2C 25 1.5.2 Giao tiếp UART 25 1.6 Kỹ thuật nuôi cá thủy sinh 2626 1.6.1 Kỹ thuật nuôi cá thủy sinh 26 1.6.2 Cách tính các tham số để phù hợp môi trường sống của cá 32 1.7 Nghiên cứu liên quan 35 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HỒ THỦY SINH 38 2.1.Mô tả mô hình đề xuất 38 2.2 Nguyên lý hoạt động 41 2.3 Kết nối các thành phần phần cứng trong hệ thống 41 2.4 Cách vận hành của mô hình 44 2.5 Kịch bản và hành động của hệ thống có thể xảy ra 47 2.5.1 Về thiết bị 47 2.5.2.Về môi trường trong hồ thủy sinh 48 CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 50 3.1 Giới thiệu bài toán 50 3.1.1 Điều kiện thực nghiệm 51 3.1.2 Môi trường thực nghiệm 51 3.2 Dữ liệu 51 3.3 Mô tả thực nghiệm 52 3.3.1 Mô tả yêu cầu 52 3.3.2 Lưu đồ giải thuật mạch điều khiển 5353 3.4 Tiến hành thực nghiệm 53 3.4.1 Thực hiện đo nhiệt độ, độ PH, Co2 53 3.4.2 Thực hiện kiểm tra sự thay đổi của nhiệt độ, độ PH, Co2: 56 3.4.3 Đánh giá kết quả mô phỏng 64 3.5 Kết quả thực nghiệm 64 3.5.1 Mô hình 64 3.5.2 Giám sát thiết bị và điều khiển tự động qua Blynk 68 3.6 Nhận xét và đánh giá 70 3.6.1 Nhận xét 70 3.6.2 Đánh giá 70 3.7 Kết luận và hướng phát triển 73 3.7.1 Kết luận 73 3.7.2 Hướng phát triển 74 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt IoT I2C Internet of Things Internet vạn vật LCD PH Inter – Integrated Circuit Giao thức giao tiếp nối tiếp đồng bộ VAC VDC Liquid-Crystal Display Công nghệ màn hình tinh thể lỏng RFID IP Pondus hydrogenii Chỉ số đo hoạt động của các ion H+ của một BLE chất thể hiện tính axit, trung tính hay kiềm D2D ID Volts Alternating Current Điện áp xoay chiều OSI Volts Direct Current Điện áp một chiều PSTN Radio Frequency Phương thức giao tiếp không dây dùng sóng LTE Identification radio RAM AREF Internet Protocol Giao thức Internet DIP SCL Bluetooth Low Energy Bluetooth năng lượng thấp, kết nối không dây SDA Device-to-Device Liên lạc trực tiếp giữa các thiết bị mà không qua nút trung gian Identification Nhận dạng, nhận biết hoặc nhận diện Open Systems Mô hình tham chiếu kết nối các hệ thống mở Interconnection Public Switched Telephone Mạng điện thoại chuyển mạch công Network cộng Long Term Evolution Mạng tiêu chuẩn kế cận với công nghệ mạng 4G Random Access Memory Bộ nhớ truy suất ngẫu nhiên AnalogReference Định cấu hình điện áp tham chiếu được sử dụng cho đầu vào analog Dual inline package Gói nội tuyến kép Serial Clock Đường mang tín hiệu xung nhịp Serial Data Đường truyền cho master và slave để gửi và nhận dữ liệu Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt AEMS Agent based Environment Hệ thống giám sát môi trường dựa trên nền RTC Monitoring System tác tử Real-Time control Hệ thống kiểm soát thời gian thực TX Transmit Đầu phát RX Receive Đầu nhận IDE Integrated Development Môi trường tích hợp dùng để viết code để IR Sensor Environment phát triển ứng dụng I2C Infrared Sensor Cảm biến hồng ngoại UART Inter – Integrated Circuit Giao thức giao tiếp nối tiếp đồng bộ Universal Asynchronous Receiver-Transmitter Bộ truyền nhận dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Các phiên bản module của ESP32 .111 Bảng 1.2: Thông số kỹ thuật cơ bản của module ESP32-WOOM-32 122 Bảng 1.3: Định nghĩa các chân module ESP32-WOOM-32 13 Bảng 1.4: Bảng mô tả cấu hình chân cảm biến nhiệt độ DS18B20 18 Bảng 1.5: Kích thước của các vật liệu cần thiết khi thiết kế bể nuôi cá 28 Bảng 1.6: Bảng thông số Lumen trên số lít nước trong bể 33 Bảng 1.7: Bảng tham khảo công suất đèn cho hồ thủy sinh sử dụng cho một số kích thước bể thông dụng 34 Bảng 1.8: Kết quả thử nghiệm hệ thống hoạt động ở chế độ tự động 37 Bảng 1.9: Chất lượng nước cấp vào ao nuôi và nước ao nuôi tôm Sú và tôm Chân trắng 37 Bảng 1.10: Bảng đo các thông số hồ thủy sinh ở cửa hàng thủy sinh tuần 1 54 Bảng 1.11: Bảng đo các thông số hồ thủy sinh ở cửa hàng thủy sinh tuần 2 55 Bảng 1.12: Theo dõi hồ thủy sinh sau một tuần nuôi chưa sử dụng công nghệ IoT 57 Bảng 1.13: Theo dõi hồ thủy sinh sau một tuần sử dụng công nghệ IoT 6262 Bảng 1.14: Bảng theo dõi hệ thống 72 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Board Arduino UNO R3 7 Hình 1.2 Sơ đồ chân Board Arduino UNO R3 8 Hình 1.3 Ứng dụng của Arduino UNO R3 10 Hình 1.4 Module ESP32-WOOM-32 11 Hình 1.5 Sơ đồ bố trí chân của module ESP32-WOOM-32 15 Hình 1.6 Hình ảnh thực tế board ESP32 1515 Hình 1.7 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 17 Hình 1.8 Cấu hình chân cảm biến nhiệt độ DS18B20 1818 Hình 1.9 Sơ đồ nối chân của cảm biến nhiệt độ DS18B20 19 Hình 1.10 Cảm biến đo cường độ ánh sáng BH1750 20 Hình 1.11 Cảm biến đo pH 21 Hình 1.12 Module thời gian thực DS3231 22 Hình 1.13 màn hình hiển thị I2C LCD 16x2 22 Hình 1.14.Relay 23 Hình 1.15.Thiết bị cho cá ăn 23 Hình 1.16 Quạt làm mát hồ thủy sinh 23 Hình 1.17 Đèn LED chiếu sáng hồ thủy sinh 24 Hình 1.18 Thiết bị sưởi hồ thủy sinh 24 Hình 1.19 I2C Clock 25 Hình 1.20 Mô hình mạng I2C 25 Hình 1.21 Định dạng khung truyền cơ bản của UART 26 Hình 1.7.1 Sơ đồ khối hệ thống 36 Hình 2.1 Mô hình hồ thủy sinh sử dụng công nghệ IoT 38 Hình 2.2 Sơ đồ khối của hệ thống IoT trong hồ thủy sinh 39 Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống 41 Hình 2.4 Sơ đồ kết nối Arduino Uno R3 với các thiết bị 41 Hình 2.5 Sơ đồ kết nối Relay với các thiết bị 43 Hình 2.6 Giao diện phần mềm Arduino IDE 44