Báo cáo internet vạn vật đề tài xây dựng hệ thống tưới cây tự động

LỜI CẢM ƠNBài báo cáo môn học Internet vạn vật với đề tài “Xây dựng hệ thống tưới cây tự động” là kết quả của quá trình cố gắng không ngừng nghỉ của nhóm em và nhận được sự hướng dẫn tận

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT VĨNH LONGKHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

BÁO CÁO

MÔN: INTERNET VẠN VẬT

TỰ ĐỘNG

Giảng viên hướng dẫn: Trần Phan An Trường Người thực hiện: 20004136 – Trần Hồng Nhung

20004020 – Huỳnh Đạt 20004141 – Nguyễn Tấn Phát

Vĩnh Long, 2022

NHẬN XÉT & ĐÁNH GIÁ ĐIỂM CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN

LỜI CẢM ƠN

Bài báo cáo môn học Internet vạn vật với đề tài “Xây dựng hệ thống tưới cây tự động” là kết quả của quá trình cố gắng không ngừng nghỉ của nhóm em và nhận được sự hướng dẫn tận tình thầy Trần Phan An Trường giảng viên môn Internet vạn vật đã trang bị giúp em những kỹ năng cơ bản và kiến thức cần thiết để hoàn thành được đồ án này Qua đây, nhóm em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy, người đã giúp đỡ chúng em hoàn thành được bài báo cáo này này.

Tuy nhiên, trong quá trình làm đồ án do kiến thức chuyên ngành còn hạn chế nên không thể tránh khỏi một vài thiếu sót khi trình bày và đánh giá vấn đề Rất mong nhận được sự góp ý, đánh giá của thầy cùng các bạn để đề tài của nhóm em thêm hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 2

1.2.1.Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu đề tài 5

1.2.2.Khái quát về tưới tiêu tự động 5

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8

2.1.5.Các chân của Arduino 10

2.1.6.Ứng dụng của Arduino Uno R3 10

2.2.1.Giới thiệu phần mềm Proteus 10

2.2.2.Mô phỏng Arduino trên Proteus 11

2.3.Cảm biến và module chức năng 11

2.3.9.Mạch mở rộng chân I/O expander giao tiếp I2C 19

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG 21

3.1.Đặc tả hệ thống 21

3.2.Sơ đồ đấu nối 22

3.3.Code hệ thống tưới cây tự động 22

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 27

4.1.Kết luận 27

4.2.Hướng phát triển 27

4.2.1Đo và thông báo được các thông số về môi trường xung quanh 27

4.2.2Đưa đề tài phát triển rộng rãi vào thực tế 27

TÀI LIỆU THAM KHẢO 28

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, khoa học công nghệ ngày càng phát triển, vi điều khiển AVR và vi điều khiển PIC ngày càng thông dụng và hoàn thiện hơn, nhưng có thể nói sự xuất hiện của Arduino vào năm 2005 tại Italya đã mở ra một hướng đi mới cho vi điều khiển Sự xuất hiện của Arduino đã hỗ trợ cho con người rất nhiều trong lập trình và thiết kế, nhất là đối với những người bắt đầu tìm tòi về vi điều khiển mà không có quá nhiều kiến thức, hiểu biết sâu sắc về vật lý và điện tử Phần cứng của thiết bị đã được tích hợp nhiều chức năng cơ bản và là mã nguồn mở Ngôn ngữ lập trình trên nền Java lại vô cùng dễ sử dụng tương thích với ngôn ngữ C và hệ thư viện rất phong phú và được chia sẻ miễn phí Chính vì những lý do như vậy nên arduino hiện đang dần phổ biến và được phát triển ngày càng mạnh mẽ trên toàn thế giới.

Trên cơ sở kiến thức đã học trong môn học: Tin học cơ sở, Kỹ thuật số,… cùng với những hiểu biết về các thiết bị điện tử, nhóm chúng em đã quyết định thực hiện đề tài: Thiết kế hệ thống tưới cây tự động Đề tài gồm các nội dung sau:

Chương 1 Tổng quan về đề tài Chương 2 Cơ sở lý thuyết

Chương 3 Phân tích thiết kế hệ thống Chương 4 Kết luận và hướng phát triển

1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI1.1.Tổng quan về Internet vạn vật

Hình 1.1 Internet vạn vật

Internet vạn vật (IoT) là khái niệm kết nối các thiết bị với nhau và với Internet IoT là một mạng lưới khổng lồ gồm các vật (things) và con người được kết nối - tất cả đều thu thập và chia sẻ dữ liệu với nhau Việc kết nối có thể thực hiện qua Wifi, Bluetooth…

1.1.1 Lịch sử

2

Hình 1.2 Kevin Ashton (1968)

Năm 1999, Kevin Ashton đã đưa ra cụm từ Internet of Things nhằm để chỉ các đối tượng có thể được nhận biết cũng như sự tồn tại của chúng.

Đến năm 2016, Internet Vạn Vật khẳng định được bước tiến của mình nhờ sự hội tụ của nhiều công nghệ, bao gồm truyền tải vô tuyến hiện diện dầy đặc, phân tích

nghĩa là tất cả các dạng thức của hệ thống nhúng cổ điển, như mạng cảm biến không

1.1.2 Lợi ích

IoT được coi là chìa khóa thành công của con người trong tương lai gần, nó tác động tích cực đến đời sống, công việc thông qua nhiều ứng dụng:

 Tự động hóa hệ thống nhà thông minh  Quản lý các thiết bị cá nhân bằng kết nối mạng

 Mua sắm thông minh qua các phần mềm máy tính, điện thoại  Quản lý môi trường, chất thải trong các nhà máy, xí nghiệp  Quản lý, lập kết hoạch công việc cho các doanh nghiệp, công ty  Theo dõi sức khỏe từ xa

 …

Hầu hết các ngành nghề hiện nay đều phát triển hơn dựa trên sự kết nối linh hoạt của mạng lưới IoT Bao gồm từ giáo dục, nông nghiệp, công nghiệp, y tế,…

Điển hình như các nhà máy sản xuất bắt đầu áp dụng cảm biến cho các thành phần làm ra sản phẩm Từ đó theo dõi hoạt động của chúng và nâng cao chất lượng Hay các doanh nghiệp sử dụng công nghệ IoT để quản lý nhân sự, dữ liệu công ty cải thiện hiệu suất làm việc.

3

1.1.3 Ưu điểm

 Giao tiếp:

IoT khuyến khích giao tiếp giữa các thiết bị, còn được gọi là giao tiếp Machine-to-Machine (M2M) Các thiết bị vật lý có thể duy trì kết nối do đó sẽ đem đến việc kết hợp nhuần nhuyễn giữa chúng giúp đạt chất lượng sản phẩm cao hơn.

 Tự động hóa giúp giám sát thiết bị tốt hơn:

Đây là ưu điểm vượt trội của IoT IoT cho phép bạn tự động hóa và kiểm soát các nhiệm vụ được : thực hiện hàng ngày Không cần đến sự can thiệp của con người, các máy móc có thể giao tiếp với nhau giúp gia tăng tốc độ cũng như chất lượng sản phẩm.

 Thông tin:

Các cuộc cách mạng công nghiệp đã phát triển nhiều hơn về đầu mối cũng như nguồn thông tin về mọi thứ Doanh nghiệp bạn chỉ cần chuẩn bị những thứ cần thiết và tra cứu thông tin để có thể ra quyết định ngay tập tức.

 Màn hình, máy quan sát:

Ưu điểm rõ ràng của IoT là giám sát Nó biết chính xác số lượng vật tư hoặc chất lượng không khí, sản phẩm trong nhà bạn và cũng có thể cung cấp thêm thông tin mà trước đây bạn gặp khó khăn khi thu thập

 Tiết kiệm thời gian:

Sự tương tác giữa máy với máy mang lại hiệu quả tốt hơn và cho kết quả chính xác Thay vì phí thời gian để lặp lại các nhiệm vụ tương tự mỗi ngày, nó cho phép mọi người thực hiện các công việc sáng tạo khác.

 Tiết kiệm tiền bạc:

Ưu điểm lớn nhất của IOT là tiết kiệm tiền IoT rất hữu ích khi giúp cho thói quen hàng ngày của mọi người bằng cách làm cho các thiết bị giao tiếp với nhau hiệu quả Chúng sẽ cảnh báo kịp thời những vấn đề, sự cố phát sinh Vì vậy, bạn có thể tiết kiệm năng lượng cũng như chi phí sửa chữa, duy trì nhiều sản phẩm.

4

1.1.4 Nhược điểm

 Độ phức tạp:

IoT là một mạng lưới đa dạng và phức tạp, vì vậy với bất kỳ lỗi hoặc lỗi trong phần mềm hoặc phần cứng có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng Khi mất điện cũng có thể gây ra nhiều bất tiện trong các hệ thống và thao tác của nhiều thiết bị vì chúng được kết nối với nhau.

 Quyền riêng tư / Bảo mật:

Cuộc sống của chúng ta sẽ ngày càng được kiểm soát bởi công nghệ, và sẽ phụ thuộc vào nó Nếu tất cả dữ liệu IoT này được truyền đi, nguy cơ mất quyền riêng tư sẽ tăng lên.

 An toàn:

Tất cả các thiết bị gia dụng, máy móc công nghiệp, dịch vụ khu vực công và nhiều thiết bị khác đều được kết nối với Internet Vì vậy, nó đã tạo ra một kho thông tin khổng lồ có sẵn trên các thiết bị đó và những thông tin này dễ bị tấn công bởi tin tặc Sẽ rất nghiêm trọng nếu thông tin cá nhân cũng như bí mật của riêng bạn những kẻ xâm nhập trái phép lan truyền.

1.2.Lĩnh vực của IoT

1.2.1 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu đề tài

Mục tiêu của đề án là thiết kế một hệ thống tưới cây tự động đơn giản với nguyên lý là thông qua cảm biến độ ẩm của đất để truyển tín hiệu cho hệ thống để biết lúc nào nên vận hành động cơ bơm nước cho khu vườn Tất cả mọi việc đều tự động diễn ra trong quá trình cài đặt sẵn và qua các cảm biến để điều tiết việc tưới cây hợp lí trong mọi thời thiết.

Với mô hình mạch đơn giản, chi phí thấp, dễ thiết kế, nên có thể áp dụng rộng rãi vào cuộc sống thực tế của chúng ta

1.2.2 Khái quát về tưới tiêu tự động

1.2.2.1 Tìm hiểu về tưới tiêu tự động

Tưới tự động là gì? Ngay cái tên đã nói lên được điểm căn bản và cốt lõi của phương pháp này Hiểu một cách đơn giản thì nó chính là việc cung cấp nước

5

cho cây trồng một cách hoàn toàn tự động Phương pháp này rất đa dạng về hình thức Có thể là tưới dạng phun sương, nhỏ giọt hay phun mưa.

Hệ thống tưới tự động được tự động hóa thông qua thiết bị cảm biến để biết được chính xác thời điểm cây trồng cần cung cấp nước để giúp cho cây được phát triển khỏa mạnh.

Hệ thống này được ứng dụng phổ biến trong lĩnh vực nông nghiệp cũng như nhiều công trình xây dựng cảnh quan Hiện nay, không khó để bắt gặp các khu biệt thự, các hộ gia đình lắp hệ thống này tại vườn cây cảnh, vườn rau,… 1.2.2.2 Các loại hệ thống tưới

 Hệ thống tưới nhỏ giọt:

Nước tưới thành từng giọt đến chính xác vị trí của gốc cây Phương pháp tưới này thích hợp để tưới cho các gốc cây lớn trong vườn, chậu cây cảnh, hàng rào cây, bức tường cây, khay rau trồng ở ban công…

 Ưu điểm:

- Tiết kiệm nước tối đa cho gia đình bạn.

- Không làm nước văng tung tóe ra xung quanh, hạn chế sự phát triển của cỏ dại mọc quanh gốc cây.

- Có thể ứng dụng cho nhiều khu vườn, nhiều địa hình khác nhau.

- Áp suất nước tưới đồng đều cho toàn bộ các gốc cây ở những vị trí khác nhau - Chi phí lắp đặt hợp lí.

 Nhược điểm:

- Chỉ tưới được ở gốc cây, không có khả năng làm mát lá và thân cây - Các đầu tưới có khả năng bị tắt nghẽn nếu không sử dụng bộ lọc 

 Hệ thống tưới phun mưa

Nước phun giống như mưa, tia nước tưới đều cho những khu vực mà bạn muốn tưới Hình thức tưới này thích hợp để tưới cho các bồn hoa trong khuôn viên sân vườn, luống rau xanh, những khu vực cây cảnh…

 Ưu điểm:

- Nước tưới đều, không bỏ sót khu vực nào.

6

- Có thể điều chỉnh được lưu lượng nước tưới ở từng khu vực và từng gốc cây - Ứng dụng tưới cho nhiều loại cây khác nhau.

 Nhược điểm:

- Nước dễ văng tung tóe ra lối đi - Lưu lượng nước tưới lớn.

 Hệ thống tưới phun sương:

Phun ra tia nước thành màn sương mỏng và mịn, tạo môi trường thuận tiện giúp cây phát triển nhanh Hệ thống tưới phun sương thường được ứng dụng để tưới cho vườn lan, các giỏ hoa treo, tưới làm mát không gian sân vườn…

Ưu điểm:

- Nước phun mịn, tưới đều cho toàn bộ khu vực mà bạn mong muốn - Tốn ít lưu lượng nước tưới.

Nhược điểm: - Nước tưới dễ bị bốc hơi.

- Rễ cây hấp thụ được rất ít lượng nước.

7

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1.1.Lịch sử phát triển Arduino

Arduino được khởi động vào năm 2005 như là một dự án dành cho sinh viên tại Ivrea, Italy Vào thời điểm đó các sinh viên sử dụng một "BASIC Stamp" (con tem Cơ Bản) có giá khoảng $100, xem như giá dành cho sinh viên Massimo Banzi, một trong những người sáng lập, giảng dạy tại Ivrea Cái tên "Arduino" đến từ một quán bar tại Ivrea, nơi một vài nhà sáng lập của dự án này thường xuyên gặp mặt Bản thân quán bar này lấy tên là Arduino, Bá tước của Ivrea, và là vua của Italy từ năm 1002 đến 1014.

Lý thuyết phần cứng được đóng góp bởi một sinh viên người Colombia tên là Hernando Barragan Sau khi nền tảng Wiring hoàn thành, các nhà nghiên cứu đã làm việc với nhau để giúp nó nhẹ hơn, rẻ hơn, và khả dụng đối với cộng đồng mã nguồn mở Trường này cuối cùng bị đóng cửa, vì vậy các nhà nghiên cứu, một trong số đó là David Cuarlielles, đã phổ biến ý tưởng này.

Giá hiện tại của board mạch này dao động xung quanh $30 và được làm giả đến mức chỉ còn $9 Một mạch bắt chước đơn giản Arduino Mini Pro có lẽ được xuất phát từ Trung Quốc có giá rẻ hơn $4, đã trả phí bưu điện.

2.1.2 Arduino Uno R3

Hình 2.1 Arduino Uno R3

8

Arduino thực sự đã gây sóng gió trên thị trường thế giới trong nhiều năm qua với số lượng người dùng cực lớn và đa dạng.

Arduino Uno R3 là một trong những mạch Arduino được sử dụng phổ biến nhất Hiện nay, dòng mạch này đã phát triễn đến thế hệ thứ 3 (R3)

Đây là board mạch được đánh giá là tốt nhất cho những người mới bắt đầu về điện tử và lập trình Nó được sử dụng nhiều nhất trong các board mạch thuộc họ Arduino

2.1.3 Thông số kỹ thuật

Arduino Uno được xây dụng với phân nhân là vi điều khiển Atmega328P sử dụng thạch anh có chu kỳ dao động là 16 MHz Với vi điều khiển này, ta có 14 ngõ

9

ra/vào được đánh số từ 0 đến 13 Song song đó, ta có thêm 6 ngõ nhận tín hiệu anolog được đánh ký hiệu từ A0 đến A5.

Trên board còn có 1 nút reset, 1 ngõ kết nối với máy tính qua cổng USB và 1 ngõ sử dụng nguồn cấp jack 2.1mm lấy năng lượng trực tiếp từ AC-DC adapter hay thông qua ắc-quy nguồn.

2.1.5 Các chân của Arduino

Các chân năng lượng: GND (Ground), 5V, 3.3V, Vin (Voltage Input), IOREF, RESET.

Các cổng ra/vào: Arduino Uno có 14 chân digital để đọc hoặc xuất tín hiệu vào 6 chân analog (A0 – A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10 bit, để đọc giá trị điện trong khoảng 0V – 5V

2.1.6 Ứng dụng của Arduino Uno R3

Aruino Uno R3 được sử dụng phổ biến trong việc tự thiết kế ra các mạch điện tử như điều khiển led, gửi dữ liệu lên lcd, điều khiển motor, hay được gắn thêm các Shield để kết nối nhiều module cảm biến khác để thực hiện thêm nhiều chức năng mở rộng như gửi dữ liệu qua wifi.

2.2.Tìm hiểu về Proteus

2.2.1 Giới thiệu phần mềm Proteus

Phần mềm vẽ Proteus là phần mềm vẽ mạch điện tử được phát triển bởi công ty Lancenter Electronics Phần mềm có thể mô tả hầu hết các linh kiện điện tử thông dụng hiện nay, đặc biệt hỗ trợ cho cả các phần mềm như 8051, PIC, Motorola, AVR.

Proteus có khả năng mô phỏng hoạt động của các mạch điện tử bao gồm phần thiết như kế mạch và viết trình điều khiển cho các loại vi điều khiển như MCS-51, AVR, PIC…

10

2.2.2 Mô phỏng Arduino trên Proteus

Hình 2.2 Mô phỏng Arduino trên Proteus

2.3.Cảm biến và module chức năng2.3.1 Cảm biến độ ẩm đất

Cảm biến đo độ ẩm đất hay còn được gọi là máy đo độ ẩm đất Nó chủ yếu được sử dụng để đo hàm lượng thể tích nước của đất, theo dõi độ ẩm của đất, tưới tiêu nông nghiệp và bảo vệ lâm nghiệp.

Hai đầu đo của cảm biến được cắm vào đất để phát hiện độ ẩm Dùng dây nối giữa cảm biến và module chuyển đổi Thông tin về độ ẩm đất sẽ được đọc về và gửi tới module chuyển đổi.

• DO: Đầu ra tín hiệu số (0 và 1) • AO: Đầu ra Analog (Tín hiệu tương tự)

Ứng dụng:

 Đo nhiệt độ đất, đo độ ẩm đất Nhà kính.

 Đo dữ liệu độ ẩm đất, nhiệt độ đất giúp nhà nông giám sát chất lượng vườn cây trồng.

 Tích hợp các hệ thống tưới thông minh.

 Các ứng dụng phù hợp giám sát đo độ ẩm đất, nhiệt độ đất cần độ chính xác cao, ổn định và tiện lợi.

Hình 2.4 DHT11

Nguyên lý hoạt động:

12

Để có thể giao tiếp với DHT11 theo chuẩn 1 chân vi xử lý thực hiện theo 2 bước:

- Gửi tin hiệu muốn đo (Start) tới DHT11, sau đó DHT11 xác nhận lại.

- Khi đã giao tiếp được với DHT11, Cảm biến sẽ gửi lại 5 byte dữ liệu và nhiệt độ đo được.

Thông tin kỹ thuật:

 Nguồn: 3 -> 5 VDC.

 Dòng sử dụng: 2.5mA max (khi truyền dữ liệu)  Khoảng đo độ ẩm: 20%-90% RH (sai số 5%RH)  Khoảng đo nhiệt độ: 0-50°C (sai số 2°C)  Tần số lấy mẫu tối đa: 1Hz (1 giây / lần)  Kích thước 15mm x 12mm x 5.5mm.

2.3.3 Cảm biến mưa

Hình 2.5 Cảm biến mưa

Cảm biến nước mưa (Rain Water Sensor ) được sử dụng để phát hiện mưa, nước hoặc các dung dịch dẫn điện tiếp xúc với bề mặt cảm biến sẽ phát ra tín hiệu để làm các ứng dụng tự động: phát hiện mưa, báo mực nước tự động,

Thông số kỹ thuật:

 Điện áp sử dụng: 5VDC

13

 Kích thước tấm cảm biến mưa: 54 x 40mm  Kích thước board PCB: 30 x 16mm

 Tín hiệu đầu ra: Digital TTL (0VDC / 5VDC) và đầu ra Analog A0 trả giá trị điện áp tuyến tính theo lượng nước tiếp xúc với cảm biến.

 Lỗ cố định bu lông dễ dàng để cài đặt  Có đèn báo hiệu nguồn và đầu ra

 Độ nhạy có thể được điều chỉnh thông qua chiết áp

 LED sáng lên khi không có mưa đầu ra cao, có mưa, đầu ra thấp LED tắt

Chế độ kết nối:

 VCC: Nguồn  GND: Đất

 D0: Đầu ra tín hiệu TTL chuyển đổi  A0: Đầu ra tín hiệu Analog

2.3.4 Module chuyển đổi

Hình 2.6 Module cảm biến độ ẩm đất

Module chuyển đổi có cấu tạo chính gồm một IC so sánh LM393, một biến trở, 4 điện trở dán 100 Ohm và 2 tụ dán Biến trở có chức năng định ngưỡng so sánh với tin hiệu độc ẩm đất đọc về từ cảm biến.

Đặc điểm:

14