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

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 LongMã SV: 2019603770 Sinh viên: Giáp Văn MạnhMã SV: 2019603937 Sinh viên: Lê Hữu Tiến Mã SV: 2019603666Sinh viên: Nguyễn Mạnh HùngMã SV: 2019603392

Hà Nội, Năm 2023

LỜI CẢM ƠN

Đối với một sinh viên trưởng đại học công nghiệp Hà Nội, đồ án tốt nghiệp là một minh chứng cho những kiến thúc đã có được sau năm năm học tập Trong quá trình hoàn thành đồ án tốt nghiệp, ngoài những cố gắng của bản thân, 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 xin được gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy Do trình độ nghiên cứu và thực hiện 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 Vì thế chúng em rất mong nhận được sự góp ý của thầy cô và bạn bè để đề tài của chúng em được hoàn thiện hơn Cuối cùng, chúng em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè đã giúp đỡ, chia sẻ cùng chúng em trong quá trình học tập và hoàn thành đồ án của mình Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 20 tháng 5 năm 2023

KT Nhóm đồ án

DANH MỤC HÌNH ẢNHDANH MỤC BẢNG BIỂU

MỞ ĐẦU1 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 ngày càng nhiều Nhu cầu của con người ngày càng cao đưa đến những thách thức liên quan đến việc quan sát, nhận biết, xử lí tự động các dữ liệu online một cách hiệu quả Từ những thực tiễn đó, kích thích sự tò mò, tìm hiểu của con người, là nguồn cảm hứng cho các ứng dụng thông minh ra đời Là sinh viên khoa điện trường đại học Công nghiệp Hà Nội, với những kiến thức đã học cùng với mong muốn được tìm 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 điềukhiển 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 một nhu cầu nào đó của chính người sử dụng cụ thể áp dụng trong nông nghiệp có tính qui mô lớn.

2 Mục đích nghiên cứu.

Đề tài được nghiên cứu, khảo sát và thực hiện với mục đích áp dụng các kiến thức đã học trên ghế nhà trường để xây dựng, phát triển một hệ thống điều khiển 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 nên hiện đại, tạo thành xu thế, nó đang được khẳng định là tương lai của thực phẩm, và những thương hiệu làm vườn thông minh mới xuất hiện nhanh hơn bao giờ hết Những lợi ích mà vườn thông minh mang lại là không thể phủ nhận.

Hệ thống vườn thông minh hiện nay có rất nhiều trong ứng dụng thực tế trong đời sống, một số mô hình vườn thông minh trong và ngoài nước đã được 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 tiên phong trong phát triển nông nghiệp cao với những công nghệ chăm sóc cây trồng 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 thủy canh 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 trên những nông trại thẳng đứng " Verical farm " đang là xu hướng được quan tâm tại nhiều nơi hiện nay bởi vừa tận dụng tối đa diện tích canh tác, vừa cho rau 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" từ rất lâu và cho rất nhiều nơi và ứng dụng này thậm chí còn được sử dụng tại ngay những hộ gia đình nhỏ Chính vì sự tiện lợi mà nó đem lại nên nó dần trở 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 gì với nhiều người nhưng do chi phí đầu tư hệ thống chăm sóc cây tự động khá cao do phải nhập chu yếu từ nước ngoài, dẫn đến việc nhân rộng mô hình chưa phô biến, và hạn chế những hệ thống chăm sóc cây tự động chủ yếu 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 tự động của kỹ sư Vi Toàn Nghĩa 2013, sau đó là hàng loạt công trình nghiên cứu hệ thống trồng cây điều khiển từ xa, hệ thống trồng cây tự động hướng đến cả phân khúc người sử dụng có quỹ tích eo hẹp Nhưng hạn chế những nghiên cứu chưa tận dụng hạ tầng internet hiện có để mở rộng người dùng với hệ thống trồng cây có giám sát tự động từ xa, hướng đến cả người dùng không những có diện tích trồng eo hẹp, không có thời gian chăm sóc nhưng vẫn 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 minh1.2.1 Giới thiệu về vườn thông minh.

Vườn thông minh (tiếng Anh là "Smart Garden") là một khu vườn được trang 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 nhằm mục đích làm cho hoạt động sản xuất nông nghiệp ngày càng tiên tiến , an toàn 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 thống kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất của khu vườn nhằm điều khiển hệ thống tưới tiêu giúp tiết kiệm điện, nước Hệ thống cũng có thể điều khiển mái che giúp kiểm soát nhiệt độ trong khu vườn, hệ thống camera giám sát, hệ thống phòng ngừa trộm.

Vườn thông minh ngoài ra còn có một số ứng dụng sáng tạo hơn, gồm hệ thống camera thông minh giám sát tình trạng cây trồng, phát hiện sớm sâu bệnh, hệ thống thu hoạch tự động, Các chức năng này có thể được thực hiện nhờ 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 phù hợp.

Vườn thông minh đã được hình dung trong các tác phẩm khoa học viễn tưởng từ nhiều năm nhưng nó chỉ trở thành hiện thực kể từ thế kỷ 20 sau sự phát triển rộng rãi của điện và những tiến bộ nhanh chóng của công nghệ thông 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 điều khiển 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 để đưa ra các quyết định điều khiển các thiết bị chấp hành một cách phù hợp nhằm 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 hoặc

Nhận xét:

Sau khi phân tích hai vi điều khiển trên, kết hợp với các yếu tố của đề tài như tính ứng dụng, chi phí, hiệu suất, khả năng tải lực và các yếu tố kỹ thuật khác thì sử dụng vi điều khiển STM32 sẽ là phương pháp tối ưu nhất và phù hợp 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 một mạch tích hợp (IC) nơi mà các bộ vi xử lý và tất cả các khối này được kết hợp vào trong một board thông qua hệ thống bus Vi điều khiển có thể dễ dàng 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 có một 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 sản xuất 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 đã nhanh chóng đưa ra dòng STM32F4 STM32F1 là vi điều khiển dựa trên nền tảng lõi ARM Cortex-M3 thế hệ mới do hãng ARM thiết kế Lõi ARM Cortex-M3 là sự cải tiến từ lõi ARM7 truyền thống từng mang lại thành công vang dội cho công ty ARM.

STM đã đưa ra thị trường 4 dòng vi điều khiển dựa trên ARM7 và ARM9, 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 STM32 đầu tiên gồm 14 biến thể khác nhau, được phân thành hai dòng: dòng Performance có tần số hoạt động của CPU lên tới 72Mhz và dòng Access có tần số hoạt động lên tới 36Mhz Các biến thể STM32 trong hai nhóm này tương thích hoàn toàn về cách bố trí chân (pin) và phần mềm, đồng thời kích thước bộ nhớ FLASH ROM có thể lên tới 512K và 64K SRAM.

Hình 2.2 Kiến trúc của STM32 nhánh Performance và Access2.1.2.1 Sự tinh vi

Thoạt nhìn thì các ngoại vi của STM32 cũng giống như những vi điều khiển khác, như hai bộ chuyển đổi ADC, timer, I2C, SPI, CAN, USB và RTC Tuy nhiên mỗi ngoại vi trên đều có rất nhiều đặc điểm thú vị Ví dụ như bộ ADC 12-bit có tích hợp một cảm biến nhiệt độ để tự động hiệu chỉnh khi nhiệt độ thay đổi và hỗ trợ nhiều chế độ chuyển đổi Mỗi bộ định thời có 4 khối capture compare (dùng để bắt sự kiện với tính năng input capture và tạo dạng sóng ở ngõ ra với output compare), mỗi khối định thời có thể liên kết với các khối định thời khác để tạo ra một mảng các định thời tinh vi hơn Một bộ định thời cao cấp chuyên hỗ trợ điều khiển động cơ, với 6 đầu ra PWM với dead 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 trạng thái 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 SD hoặc MMC.

STM32 có hỗ trợ thêm tối đa 12 kênh DMA (Direct Memory Access) Mỗi kênh có thể được dùng để truyền dữ liệu đến các thanh ghi ngoại vi hoặc từ các thanh ghi ngoại vi đi với kích thước từ (word) dữ liệu truyền đi có thể là 8/16 hoặc 32-bit Mỗi ngoại vi có thể có một bộ điều khiển DMA (DMA controller) đi kèm dùng để gửi hoặc đòi hỏi dữ liệu như yêu cầu Một bộ phân xử bus nội (bus arbiter) và ma trận bus (bus matrix) tối thiểu hoá sự tranh chấp bus giữa truy cập dữ liệu thông qua CPU (CPU data access) và các kênh DMA Điều đó cho phép các đơn vị DMA hoạt động linh hoạt, dễ dùng và tự động 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 suất cao Nó có thể hoạt động ở điện áp 2V, chạy ở tần số 72MHz và dòng tiêu thụ chỉ 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 thụ 2μA khi ở chế độ Standby Một bộ dao động nội RC 8MHz cho phép chip nhanh chóng thoát khỏi chế độ tiết kiệm năng lượng trong khi bộ dao động ngoài đang khởi động Khả năng nhanh đi vào và thoát khỏi các chế độ tiết kiệm năng lượng làm giảm nhiều sự tiêu thụ năng lượng tổng thể.

2.1.2.2 Sự an toàn

Ngày nay các ứng dụng hiện đại thường phải hoạt động trong môi trường khắc khe, đòi hỏi tính an toàn cao, cũng như đòi hỏi sức mạnh xử lý và càng nhiều thiết bị ngoại vi tinh vi Để đáp ứng các yêu cầu khắc khe đó, STM32 cung cấp một số tính năng phần cứng hỗ trợ các ứng dụng một cách tốt nhất Chúng bao gồm một bộ phát hiện điện áp thấp, một hệ thống bảo vệ xung Clock và hai bộ Watchdogs Bộ đầu tiên là một Watchdog cửa sổ (windowed watchdog) Watchdog này phải được làm tươi trong một khung thời gian xác định Nếu nhấn nó quá sớm, hoặc quá muộn, thì Watchdog sẽ kích hoạt Bộ thứ hai là một Watchdog độc lập (independent watchdog), có

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 là nhu cầu bảo mật mã chương trình để ngăn chặn sao chép trái phép phần mềm Bộ nhớ Flash của STM32 có thể được khóa để chống truy cập đọc Flash thông qua cổng Debug Khi tính năng bảo vệ đọc được kích hoạt, bộ nhớ Flash cũng được bảo vệ chống ghi để ngăn chặn mã không tin cậy được chèn vào bảng vector ngắt Hơn nữa bảo vệ ghi có thể được cho phép trong phần 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 vực này 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 sự kiện chống giả mạo sẽ tự động xóa dữ liệu được lưu trữ trên SRAM được nuôi 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 mạngkhông dây sử dụng sóng vô tuyến Wifi là loại sóng vô tuyến tương tự như sóng điệnthoại, 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 làthứ gắn liền và không thể thiếu với đời sống của người dân trong hầu hết công việccũng như giải trí hàng ngày

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

2.1.1 Nguyên tắc hoạt động

Hình 2 1:nguyên tắắc ho t đ ng wifạộ

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

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 bằng một ăng-ten.

Thiết bị router không dây nhận những tín hiệu này và giải mã chúng Nó gởi thông 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 của máy tính.

Sóng WIFI: Các sóng vô tuyến sử dụng cho WiFi gần giống với các sóng vô tuyến sử dụng cho thiết bị cầm tay, điện thoại di động và các thiết bị khác Nó có thể 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 ở chỗ:

Chúng truyền và phát tín hiệu ở tần số 2.5 GHz hoặc 5GHz Tần số này cao hơn so với 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