Đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ kỹ thuật điện tử viễn thông thiết kế hệ thống điều khiển cho vườn thông minh

Đề tài “Thiết kế hệ thống điềukhiển cho vườn thông minh” mà nhóm em chọn cho đồ án môn học là sẽ giúp íchcho con người về việc quan sát, kiểm tra từ đó đưa ra cảnh báo hoặc thực thi một

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN TỬ

- -ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Thiết kế hệ thống điều khiển cho vườn thông minh

Giáo viên hướng dẫn: Ths Nguyễn Thanh Hà

Sinh viên: Nguyễn Xuân Long Mã SV: 2019603770 Sinh viên: Giáp Văn Mạnh Mã SV: 2019603937 Sinh viên: Lê Hữu Tiến Mã SV: 2019603666

Sinh viên: Nguyễn Mạnh Hùng Mã SV: 2019603392

Hà Nội, Năm 2023

LỜI CẢM ƠN

Đối với một sinh viên trưởng đại học công nghiệp Hà Nội, đồ án tốtnghiệp là một minh chứng cho những kiến thúc đã có được sau năm năm họctập Trong quá trình hoàn thành đồ án tốt nghiệp, ngoài những cố gắng của bảnthân, chúng em sẽ không thể hoàn thành tốt được công việc của mình nếu không

có sự chỉ bảo và hướng dẫn tận tình của Ths.Nguyễn Thanh Hà Chúng em xinđược gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy Do trình độ nghiên cứu và thựchiện còn hạn chế song song với đó là những nguyên nhân khách quan khác nên

dù cố gắng để giải quyết đề tài nhưng không thể tránh khỏi những thiếu sót Vìthế chúng em rất mong nhận được sự góp ý của thầy cô và bạn bè để đề tài củachúng em được hoàn thiện hơn Cuối cùng, chúng em xin gửi lời cảm ơn tới giađình, bạn bè đã giúp đỡ, chia sẻ cùng chúng em trong quá trình học tập và hoànthành đồ án của mình Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 20 tháng 5 năm 2023

KT Nhóm đồ án

DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG BIỂU

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay trên thế giới với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học – công nghệ

đã góp phần giúp chất lượng cuộc sống con người không ngừng được nâng cao.Thêm vào đó sự xâm nhập trực tiếp của internet vào cuộc sống của chúng ta ngàycàng nhiều Nhu cầu của con người ngày càng cao đưa đến những thách thức liênquan đến việc quan sát, nhận biết, xử lí tự động các dữ liệu online một cách hiệuquả Từ những thực tiễn đó, kích thích sự tò mò, tìm hiểu của con người, là nguồncảm hứng cho các ứng dụng thông minh ra đời Là sinh viên khoa điện trường đạihọc Công nghiệp Hà Nội, với những kiến thức đã học cùng với mong muốn đượctìm hiểu và được thử sức thiết kế một đề tài hay và thú vị trong việc thực thi các

nhu cầu của con người thông qua mạng Internet Đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển cho vườn thông minh” mà nhóm em chọn cho đồ án môn học là sẽ giúp ích

cho con người về việc quan sát, kiểm tra từ đó đưa ra cảnh báo hoặc thực thi mộtnhu cầu nào đó của chính người sử dụng cụ thể áp dụng trong nông nghiệp có tínhqui mô lớn

2 Mục đích nghiên cứu.

Đề tài được nghiên cứu, khảo sát và thực hiện với mục đích áp dụng cáckiến thức đã học trên ghế nhà trường để xây dựng, phát triển một hệ thống điềukhiển vườn thông minh Sau khi thực hiện, đề tài đặt ra những chức năng sau:

 Tìm hiểu, xây dựng một hệ thống toàn diện có tính ứng dụng thực tiễn,

 Xây dựng được một cơ sở dữ liệu đáp ứng đủ các tiêu chí đặt ra với một

hệ thống, đa nền tảng, có tính kế thừa cao.

 Phần cứng có thể dễ dàng triển khai, giảm thiểu chi phí phát sinh.

3 Nội dung nghiên cứu.

- Nghiên cứu về vi điều khiển STM32

- Nghiên cứu về vi điều khiển ESP8266

- Nghiên cứu về các cảm biến có liên quan

- Nghiên cứu về các cơ cấu chấp hành

- Nghiên cứu về thiết kế giao diện giám sát trên điện thoại

4 Phạm vi nghiên cứu.

- Khai thác và vận hành các thiết bị điện trong nông nghiệp

- Xây dựng thuật toán điều khiển

- Xây dựng giao diện giám sát trên điện thoại

- Tính toán và thiết kế phần cứng

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.

- Ý nghĩa khoa học:

- Ý nghĩa thực tiễn:

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG.

1.1 Giới thiệu một số hệ thống điều khiển thiết bị điện hiện nay.

Trong những năm qua, việc trồng thực phẩm tại các khu vực thành thị

đã trở thành một xu hướng toàn cầu, và nó tiếp tục phát triển Nó đã trở nênhiện đại, tạo thành xu thế, nó đang được khẳng định là tương lai của thựcphẩm, và những thương hiệu làm vườn thông minh mới xuất hiện nhanh hơnbao giờ hết Những lợi ích mà vườn thông minh mang lại là không thể phủnhận

Hệ thống vườn thông minh hiện nay có rất nhiều trong ứng dụng thực tếtrong đời sống, một số mô hình vườn thông minh trong và ngoài nước đãđược nghiên cứu và ứng dụng thực nghiệm như sau

1.1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Hình 1.1 Trang trại thẳng đứng ở Nhật Bản

Có thể nói Israel, Singapore và Nhật Bản là những quốc gia đi tiênphong trong phát triển nông nghiệp cao với những công nghệ chăm sóc câytrồng vô cùng độc đáo như hệ thống tưới nhỏ giọt, hệ thống tưới phun sương,

hệ thống tưới phun mưa, hệ thống tưới cảnh quan và ngay cả hệ thống thủycanh trồng cây không dùng đất Và gần đây nhất hướng đến nhu cầu trồng

cây trên những diện tích nhỏ hẹp nên có thêm giải pháp trồng rau xanh trênnhững nông trại thẳng đứng " Verical farm " đang là xu hướng được quantâm tại nhiều nơi hiện nay bởi vừa tận dụng tối đa diện tích canh tác, vừa chorau sạch với sản lượng lớn, phục vụ nhu cầu cho nhiều hộ gia đình

Tóm lại, hiện nay nước ngoài đã áp dụng hình thức "Vườn thông minh" từrất lâu và cho rất nhiều nơi và ứng dụng này thậm chí còn được sử dụng tạingay những hộ gia đình nhỏ Chính vì sự tiện lợi mà nó đem lại nên nó dầntrở thành ứng dụng khá phổ biến hiện nay trên toàn thế giới

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Hình 1.2 Hệ thống tưới cây tự động của kỹ sư Vi Toàn Nghĩa

Nước ta hiện nay thuật ngữ nông nghiệp hiện đại không còn xa lạ gìvới nhiều người nhưng do chi phí đầu tư hệ thống chăm sóc cây tự độngkhá cao do phải nhập chu yếu từ nước ngoài, dẫn đến việc nhân rộng môhình chưa phô biến, và hạn chế những hệ thống chăm sóc cây tự động chủyếu hướng tới đối tượng người dùng phải có diện tích trồng cây rộng lớn,chưa chú trọng đến thị trường người dùng có diện tích trồng eo hẹp

Trong nước cũng có rất nhiều nghiên cứu như hệ thống tưới cây tựđộng của kỹ sư Vi Toàn Nghĩa 2013, sau đó là hàng loạt công trình nghiêncứu hệ thống trồng cây điều khiển từ xa, hệ thống trồng cây tự động hướngđến cả phân khúc người sử dụng có quỹ tích eo hẹp Nhưng hạn chế nhữngnghiên cứu chưa tận dụng hạ tầng internet hiện có để mở rộng người dùngvới hệ thống trồng cây có giám sát tự động từ xa, hướng đến cả người dùngkhông những có diện tích trồng eo hẹp, không có thời gian chăm sóc nhưngvẫn có vườn au an toàn cho riêng mình

Từ những đánh giá trên, chúng em quyết định làm một hệ thống quản lý

“Vườn thông minh” với tính năng đáp ứng được cơ bản nhu cầu của người

sử dụng

1.2 Hệ thống điều khiển cho vườn thông minh

1.2.1 Giới thiệu về vườn thông minh.

Vườn thông minh (tiếng Anh là "Smart Garden") là một khu vườn đượctrang bị hệ thống tự động tiên tiến dành cho điều khiển hệ thống tưới tiêu,chiếu sáng, giám sát nhiệt độ độ ẩm, an ninh và nhiều tính năng khác nhằmmục đích làm cho hoạt động sản xuất nông nghiệp ngày càng tiên tiến , antoàn và góp phần sử dụng hợp lý các nguồn tài nguyên

Một trong những ví dụ cơ bản nhất của vườn thông minh là một hệ thốngkiểm soát nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất của khu vườn nhằm điềukhiển hệ thống tưới tiêu giúp tiết kiệm điện, nước Hệ thống cũng có thể điềukhiển mái che giúp kiểm soát nhiệt độ trong khu vườn, hệ thống camera giámsát, hệ thống phòng ngừa trộm

Vườn thông minh ngoài ra còn có một số ứng dụng sáng tạo hơn, gồm hệthống camera thông minh giám sát tình trạng cây trồng, phát hiện sớm sâubệnh, hệ thống thu hoạch tự động, Các chức năng này có thể được thực hiệnnhờ các thiết bị trong khu vườn được kết nối với nhau để hệ thống điều khiển

trung tâm có thể theo dõi các trạng thái và ra các quyết định điều khiển phùhợp.

Vườn thông minh đã được hình dung trong các tác phẩm khoa học viễntưởng từ nhiều năm nhưng nó chỉ trở thành hiện thực kể từ thế kỷ 20 sau sựphát triển rộng rãi của điện và những tiến bộ nhanh chóng của công nghệthông tin, theo Wikipedia

Các thành phần của vườn thông minh.

Các thành phần của hệ thống vườn thông minh bao gồm các cảm biến(như cảm biến nhiệt độ, cảm biến ánh sáng , cảm biến độ ẩm đất), các bộ điềukhiển hoặc máy chủ và các thiết bị chấp hành khác Nhờ hệ thống cảm biến,các bộ điều khiển và máy chủ có thể theo dõi các trạng thái của khu vườn đểđưa ra các quyết định điều khiển các thiết bị chấp hành một cách phù hợpnhằm đảm bảo môi trường sống tốt nhất cho con người

1.2.2 Phân tích lựa chọn phương án thiết kế.

- Từ yêu cầu của bài toán, phân tích và đưa ra các phương pháp thiết kế

- Đối với vi điều khiển, có thể sử dụng vi điều khiển Arduino hoặcSTM32.

Bảng 1.1 So sánh hai loại vi điều khiển : Arduino và STM32

Nhận xét:

Sau khi phân tích hai vi điều khiển trên, kết hợp với các yếu tố của đề tàinhư tính ứng dụng, chi phí, hiệu suất, khả năng tải lực và các yếu tố kỹ thuậtkhác thì sử dụng vi điều khiển STM32 sẽ là phương pháp tối ưu nhất và phùhợp với hoạt động của đề tài.

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT.

2.1 Vi điều khiển STM32.

2.1.1 Tổng quan về vi điều khiển

Vi điều khiển cũng là một máy tính nhỏ, trong đó CPU, bộ nhớ (RAM,ROM), I / O thiết bị ngoại vi, timers, counters, được nhúng vào trong mộtmạch tích hợp (IC) nơi mà các bộ vi xử lý và tất cả các khối này được kếthợp vào trong một board thông qua hệ thống bus Vi điều khiển có thể dễdàng giao tiếp với thiết bị ngoại vi bên ngoài như cổng nối tiếp, ADC, DAC,Bluetooth, Wi-Fi, …vv quá trình giao tiếp nhanh hơn khi so sánh với các bộ

vi xử lý Hầu hết các vi điều khiển sử dụng cấu trúc RISC Ngoài ra còn cómột số vi điều khiển sử dụng cấu trúc CISC như 8051, motorolla, vv…

Hình 2.1 Kiến trúc phần cứng của vi điều khiển

2.1.2 Những điểm nổi bật của STM32

Những đặc điểm nổi trội của dòng ARM Cortex đã thu hút các nhà sảnxuất IC, hơn 240 dòng vi điều khiển dựa vào nhân Cortex đã được giới thiệu.Không nằm ngoài xu hướng đó, hãng sản xuất chip ST Microelectronic đãnhanh chóng đưa ra dòng STM32F4 STM32F1 là vi điều khiển dựa trên nềntảng lõi ARM Cortex-M3 thế hệ mới do hãng ARM thiết kế Lõi ARMCortex-M3 là sự cải tiến từ lõi ARM7 truyền thống từng mang lại thànhcông vang dội cho công ty ARM

STM đã đưa ra thị trường 4 dòng vi điều khiển dựa trên ARM7 vàARM9, nhưng STM32 là một bước tiến quan trọng trên đường cong chi phí

và hiệu suất (price/performance), giá chỉ gần 1 Euro với số lượng lớn, STM32

là sự thách thức thật sự với các vi điều khiển 8 và 16-bit truyền thống STM32đầu tiên gồm 14 biến thể khác nhau, được phân thành hai dòng: dòngPerformance có tần số hoạt động của CPU lên tới 72Mhz và dòng Access cótần số hoạt động lên tới 36Mhz Các biến thể STM32 trong hai nhóm nàytương thích hoàn toàn về cách bố trí chân (pin) và phần mềm, đồng thờikích thước bộ nhớ FLASH ROM có thể lên tới 512K và 64K SRAM

Hình 2.2 Kiến trúc của STM32 nhánh Performance và Access

2.1.2.1 Sự tinh vi

Thoạt nhìn thì các ngoại vi của STM32 cũng giống như những viđiều khiển khác, như hai bộ chuyển đổi ADC, timer, I2C, SPI, CAN, USB vàRTC Tuy nhiên mỗi ngoại vi trên đều có rất nhiều đặc điểm thú vị Ví dụnhư bộ ADC 12-bit có tích hợp một cảm biến nhiệt độ để tự động hiệu chỉnhkhi nhiệt độ thay đổi và hỗ trợ nhiều chế độ chuyển đổi Mỗi bộ định thời có 4khối capture compare (dùng để bắt sự kiện với tính năng input capture và tạodạng sóng ở ngõ ra với output compare), mỗi khối định thời có thể liên kết vớicác khối định thời khác để tạo ra một mảng các định thời tinh vi hơn Một bộđịnh thời cao cấp chuyên hỗ trợ điều khiển động cơ, với 6 đầu ra PWM vớidead time (khoảng thời gian được chèn vào giữa hai đầu tín hiệu xuất PWM bù

nhau trong điều khiển mạch cầu H) lập trình được và một đường break input(khi phát hiện điều kiện dừng khẩn cấp) sẽ buộc tín hiệu PWM sang một trạngthái an toàn đã được cài sẵn Ngoại vi nối tiếp SPI có một khối kiểm tổng(CRC) bằng phần cứng cho 8 và 16 word hỗ trợ tích cực cho giao tiếp thẻ nhớ

xử bus nội (bus arbiter) và ma trận bus (bus matrix) tối thiểu hoá sự tranhchấp bus giữa truy cập dữ liệu thông qua CPU (CPU data access) và các kênhDMA Điều đó cho phép các đơn vị DMA hoạt động linh hoạt, dễ dùng và tựđộng điều khiển các luồng dữ liệu bên trong vi điều khiển

STM32 là một vi điều khiển tiêu thụ năng lượng thấp và đạt hiệu suấtcao Nó có thể hoạt động ở điện áp 2V, chạy ở tần số 72MHz và dòng tiêu thụchỉ có 36mA với tất cả các khối bên trong vi điều khiển đều được hoạt động.Kết hợp với các chế độ tiết kiệm năng lượng của Cortex, STM32 chỉ tiêu thụ2μA khi ở chế độ Standby Một bộ dao động nội RC 8MHz cho phép chipnhanh chóng thoát khỏi chế độ tiết kiệm năng lượng trong khi bộ dao độngngoài đang khởi động Khả năng nhanh đi vào và thoát khỏi các chế độ tiếtkiệm năng lượng làm giảm nhiều sự tiêu thụ năng lượng tổng thể

bộ dao động bên ngoài tách biệt với xung nhịp hệ thống chính Hệ thống bảo

vệ xung nhịp có thể phát hiện lỗi của bộ dao động chính bên ngoài (thường

là thạch anh) và tự động chuyển sang dùng bộ dao động nội RC 8MHz

2.1.2.3 Tính bảo mật

Một trong những yêu cầu khắc khe khác của thiết kế hiện đại lànhu cầu bảo mật mã chương trình để ngăn chặn sao chép trái phép phầnmềm Bộ nhớ Flash của STM32 có thể được khóa để chống truy cập đọcFlash thông qua cổng Debug Khi tính năng bảo vệ đọc được kích hoạt, bộnhớ Flash cũng được bảo vệ chống ghi để ngăn chặn mã không tin cậy đượcchèn vào bảng vector ngắt Hơn nữa bảo vệ ghi có thể được cho phép trongphần còn lại của bộ nhớ Flash STM32 cũng có một đồng hồ thời gian thực

và một khu vực nhỏ dữ liệu trên SRAM được nuôi nhờ nguồn pin Khu vựcnày có một đầu vào chống giả mạo (anti-tamper input), có thể kích hoạt một

sự kiện ngắt khi có sự thay đổi trạng thái ở đầu vào này Ngoài ra một sựkiện chống giả mạo sẽ tự động xóa dữ liệu được lưu trữ trên SRAM đượcnuôi bằng nguồn pin

2.1 Giới thiệu về công nghệ Wifi

Wifi là viết tắt của từ Wireless Fidelity trong tiếng Anh, được gọi chung là mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến Wifi là loại sóng vô tuyến tương tự như sóng điện thoại, sóng truyền hình và radio Hầu hết các thiết bị sử dụng điện tử hiện nay như : Smartphone, Máy tính bảng, Tivi, Laptop đều có thể kết nối được WiFi Và Wifi là thứ gắn liền và không thể thiếu với đời sống của người dân trong hầu hết công việc cũng như giải trí hàng ngày

Kết nối Wifi dựa trên các loại chuẩn kết nối IEEE 802.11, và chủ yếu hiện nay Wifi hoạt động trên băng tần 54 Mbps và có tín hiệu mạnh nhất trong khoảng cách 100 feet gần 31 mét.

2.1.1 Nguyên tắc hoạt động

Hình 2 1:nguyên tắắc ho t đ ng wif ạ ộ

Truyền thông qua mạng không dây là truyền thông vô tuyến hai chiều Cụthể:

Thiết bị adapter không dây (hay bộ chuyển tín hiệu không dây) của máy

tính chuyển đổi dữ liệu sang tín hiệu vô tuyến và phát những tín hiệu này đi bằngmột ăng-ten

Thiết bị router không dây nhận những tín hiệu này và giải mã chúng Nó gởithông tin tới Internet thông qua kết nối hữu tuyến Ethernet

Quy trình này vẫn hoạt động với chiều ngược lại router nhận thông tin từ

Internet, chuyển chúng thành tín hiệu vô tuyến và gởi đến adapter không dây củamáy tính

Sóng WIFI: Các sóng vô tuyến sử dụng cho WiFi gần giống với các sóng vôtuyến sử dụng cho thiết bị cầm tay, điện thoại di động và các thiết bị khác Nó cóthể chuyển và nhận sóng vô tuyển, chuyển đổi các mã nhị phân 1 và 0 sang sóng

vô tuyến và ngược lại

Tuy nhiên, sóng WiFi có một số khác biệt so với các sóng vô tuyến khác ởchỗ:

Chúng truyền và phát tín hiệu ở tần số 2.5 GHz hoặc 5GHz Tần số này cao hơn sovới các tần số sử dụng cho điện thoại di động, các thiết bị cầm tay và truyền

2.1.2 Các chuẩn kết nối wifi