Có thể nói trong nông học ngoài những kĩ thuật trồng trọt, chăm sóc thi tưới nước là một trong các khẩu quan trọng nhất trong trồng trọt, để đảm bảo cây sinh trưởng và phát triển bình th
Tính cấp thiết của đề tài
Nền nông nghiệp của nước ta là nền nông nghiệp vẫn còn lạc hậu cũng như chưa có nhiều ứng dụng khoa học kĩ thuật được áp dụng vào thực tế Rất nhiều quy trình kĩ thuật trồng trọt, chăm sóc được tiến hành một cách chủ quan và không đảm bảo được đúng yêu cầu Có thể nói trong nông học ngoài những kĩ thuật trồng trọt, chăm sóc thi tưới nước là một trong các khẩu quan trọng nhất trong trồng trọt, để đảm bảo cây sinh trưởng và phát triển bình thường, tưới đúng và tưới đủ theo yêu cầu nông học của cây trồng sẽ không sinh sâu bệnh, hạn chế thuốc trừ sâu cho sản phẩm an toàn, đạt năng suất, hiệu quả cao.
Ngoài ra trên những tuyến phố ở khu vực trung tâm thành phố chúng ta vẫn bắt gặp hình ảnh các xe bồn chở nước tưới cây dọc đường gây ùn tắc, mất an toàn giao thông.
Mặt khác hiện nay nước ta đang trong giai đoạn công nghiệp hóa, hiện đại hóa các thiết bị máy móc tự động được đưa vào phục vụ thay thế sức lao động của con người Vì vậy thiết bị tưới đang được nghiên cứu, thiết kế, chế tạo đưa vào thực tiễn ngày được áp dụng càng nhiều Thiết bị tưới cũng rất đa dạng về chủng loại (vòi phun mưa, phun sương, vòi nhỏ giọt bù áp, vòi không bù áp, dây tưới nhỏ giọt ) có thông số khác nhau phục vụ cho các loại cây khác nhau được chế tạo từ nhiều nước như Israel, Hàn Quốc, Đài Loan, Trung Quốc sẽ rất thuận tiện cho người sử dụng lựa chọn phủ hợp với nhu cầu sử dụng của mình Việc tính toán để lựa chọn thiết bị hệ thống tưới đáp ứng được nhu cầu tưới theo nông học cây trồng và phù hợp điều kiện kinh tế, kỹ thuật cho hiệu quả cao là việc cần thiết cho việc phát triển trên diện rộng của hệ thống tưới này Hệ thống tưới phun đáp ứng độ ẩm gốc, độ ẩm lá và không khi cho cây trồng phát triển tốt, hệ thống tiết kiệm nước tạo điều kiện cho cây trồng hấp thụ dinh dưỡng không gãy rửa trôi, thoải hóa đất,không gây ô nhiễm môi trường Hệ thống tưới nước tự động có thể kết hợp với bón phân, phun thuốc hóa học Hơn thế nữa, với việc thiết kế một hệ thống tưới cây tự động sẽ giúp cho con người không phải tưới cây, không phải tốn chi phí nhân công tưới nước cũng như giám sát thời gian tưới cây Với hệ thống này, việc tưới cây sẽ là tự động tùy theo nhiệt độ thời tiết nắng hay mưa, độ ẩm cao hay thấp, mùa nào trong năm Tất cả các điều kiện đó sẽ được đưa vào Hệ thống tính toán và đưa ra thời gian chính xác để bơm nước Người lao động sẽ không cần phải quan tâm đến việc tưới cây, cây sẽ được sinh trưởng và phát triển tốt hơn nhờ việc tưới cây phù hợp và chính xác hơn.
Mục đích, phạm vi nghiên cứu
Về phương diện đồ án:
- Mục đích của đề tài là thiết kế và thi công mô hình hệ thống tưới cây tự động dựa theo cảm biến độ ẩm.
- Mô hình hệ thống tưới cây tự động thích hợp cho các vườn cây ăn quả và rau củ
- Tiết kiệm chi phí cho người nông dân và các doanh nghiệp.
Về phương diện bản thân:
- Tăng khả năng tự học, tự nghiên cứu, được tiếp xúc thực tế, hiểu rõ hơn những thứ về chuyên ngành.
- Vận dụng kiến thức đã học để nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống tưới tự động, từ đó đưa vào ứng dụng thực tiễn Giúp cho việc tưới tiêu cây trồng ở nước ta có những phương án mới và đạt được hiệu quả cao.
- Giúp ta có thêm nhiều trãi nghiệm, kinh nghiệm cho sau này.
- Tìm hiểu được nhiều kiến thức về arduino.
- Hệ thống tưới cây tự động bằng giao diện Arduino được điều khiển bằng Arduino uno.
- Hệ thống là mô hình đơn giản mang tính chất thí nghiệm, chưa có những tính năng phức tạp.
- Hệ thống chỉ hoạt động trong khoảng thời gian cố định được cài đặt sẵn.
Kết cấu
Tổng quan về để tài:
- Giới thiệu các linh kiện sử dụng trong đồ án.
- Thiết kế hệ thống tưới tự động.
- Kết luận và định hướng phát triển.
Phương pháp nghiên cứu
Để thực hiện nội dung đề tài nghiên cứu, em tiến hành phương pháp nghiên cứu sau:
Các kết quả nghiên cứu kế thừa:
- Kế thừa công trình nghiên cứu của các thế hệ trước về cơ sở lý thuyết của các phần mềm lập trình và mô phỏng.
- Kế thừa các nghiên cứu có trong thực tiễn. Định hướng nghiên cứu:
- Tìm hiểu tài liệu liên quan về đề tài.
- Tìm hiểu phần mềm arduino.
- Thiết kế và thi công mô hình.
- Chạy mô phỏng và chỉnh sửa mô hình.
- Nghiên cứu phần mềm lập trình và mô phỏng trên máy tính.
- Tìm ra phương pháp lập trình đơn giản, dễ sử dụng, hiệu quả.
TỔNG QUÁT VỀ ĐỀ TÀI
Khái niện về hệ thống tự động
Hệ thống điều khiển tự động là hệ thống bao gồm các phần tử tự động nhằm điều khiển các quá trình xảy ra trong thiên nhiên, cuộc sống mà không có sự tham gia trực tiếp của con người.
Hệ thống điều khiển tự động; là tập hợp các thành phần vật lý có mối liên quan và tác động qua lại lẫn nhau để chỉ huy, tự hiệu chỉnh hoặc điều khiển một hệ thống khác.
Hệ thống điều khiển tự động xuất hiện ngày nay rất phổ biến.
- Hệ thống điều hoà không khí.
- Hệ thống điều chỉnh độ ẩm.
- Hệ thống tự động báo cháy v.v
Trong môi trường sản xuất:
- Các đường dây sản xuất, lắp ráp tự động - Các máy điều khiển theo chương trình, Máy tính, Robot v.v
Trong quá trình đang phát triển của đất nước hiện nay, thì các thiết bị tự động hiện đại đang ngày một thay thế con người Vì vậy chúng ta đang không ngừng cái tiến các thiết bị giúp con người thực hiện một cách dễ dàng và tiết kiệm được nhiều thời gian hơn.
Hình 1 hệ thống tưới tự động
Do đó, hệ thống tưới nước tự động là vô cùng quan trọng giúp người nông dân tiết kiệm được thời gian và thuận tiện hơn giúp đạt được năng suất tốt khi cây được tưới nước đúng giờ Đáp ứng được nhu cầu về thời gian và không gian.
Ứng dụng của tự động hóa trong tưới tiêu cho cây trồng
Công trường thực vật là căn cứ địa sản xuất nông nghiệp của hiện đại hóa Toàn bộ quá trình đều có thể điều khiển tự động để giảm bớt sức người, nâng cao sản lượng
Mặc dù tự động hóa ứng dụng từ rất lâu cho việc tưới tiêu, song nó chỉ phát triển ở một số nước phát triển, còn đối với các nước chậm phát triển tuy nền nông nghiệp chiếm tỉ lệ lớn nhưng việc ứng dụng tự động hóa cho việc tưới cây vẫn còn rất chậm.
Hiện nay, được sự trợ giúp của nước ngoài các nước đang phát triển đã đưa dẫn tự động hóa vào đời sống và sản xuất, đặc biệt là các nước đông nam ở trong đó có Việt Nam.
Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ chế tạo thiết bị tự động hóa, kết hợp với thành tựu trong công nghệ vi điện tử và công nghệ thông tin, đã cho phép tạo nên một giải pháp tự động hóa trong mọi lĩnh vực Có thể nói tự động hóa trở thành xu hướng tất yếu cho mọi lĩnh vực cho bất kỳ quốc gia, vùng lãnh thổ nào.
Các nghiên cứu ở nước ngoài
Ở nước ngoài đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng về hệ thống tưới cây tự động: Đầu những năm 80, Liên Xô ( cũ ) đã chế tạo ra một loại máy tự động ứng dụng trong nông nghiệp Khi làm việc loại máy này có thể quan sát được độ ẩm của thổ nhưỡng, nhiệt độ không khí, sức gió Nó có thể xác định được phương pháp tưới và tiến hành tưới cho cây trồng, nhờ một loại máy làm mưa nhân tạo khác.
Hãng robot Droplet giới thiệu robot tưới cây tích hợp những công nghệ tự động mới nhất, điện toán đảm máy và một số dịch vụ kết nối khác cho phép Droplet có khá năng tự động ngắm hưởng vòi phun, lượng nước và tần suất tưới để tự động tưới nước cho cây theo những lịch trình tự tỉnh toán dựa trên phân tích các dữ liệu đầu vào Droplet là 1 chiếc vòi phun tự động có khả năng tự điều chỉnh hướng dòng nước phun ra từ ống đến thân cây trong bán kính 9,14 mét Trước khi robot tự động vận hành người dùng chỉ cần khai báo tên của các loại cây có mặt trong vườn thông qua điện thoại, máy tính bảng, được kết nối không dây với robot Dựa trên thông tin về tên các loại cây Droplet sẽ tự tra cứu thông tin trên mạng nhằm xác định lượng nước cũng như tần số tưới cho phù hợp với từng loại cây Bên cạnh đó, Droplet cũng tự tra cứu dữ liệu về tình hình thời tiết của địa điểm làm việc để xác định mua năng nhằm đưa ra lịch làm việc thích hợp.
Các nghiên cứu trong nước
Ở nước ta đã có nhiều nghiên cứu và ứng dụng hệ thống tự động vào trong cuộc sống Người dân đã sáng tạo ra các hệ thống bản tự động giúp tiết kiệm sức lao động, hiệu quả mang lại cao hơn so với tưới thủ công Tuy nhiên hệ thống này còn nhiều nhược điểm cần khắc phục để mang lại hiệu quả cao nhất có thể. Ở các trường đại học chuyên ngành kĩ thuật đã có nhiều đề tài về hệ thống tưới nước tự động do sinh viên thực hiện Tuy nhiên vẫn còn nhiều mặt hạn chế cần khắc phục.
Hệ thống tưới phun tự động đa năng- một công trình khoa học của 2 giảng viên trường Cao đẳng Công nghiệp (CĐCN) Huế: tiến sĩ Lê Văn Luận và thạc sĩ Lê Đình Hiếu Các thiết bị chính của hệ thống tưới phun đa năng này gồm có 1 cảm biến đo nhiệt độ và 1 cảm biến đo độ ẩm của đất được cài đặt tại nhà màng trồng hoa, hệ điều khiển được lập trình trên PLC-S7-
1200 Khi các cảm biến cho thông số độ ẩm của đất hoặc nhiệt độ không khi tại nhà màng bảo hiệu cần nước, tín hiệu này sẽ đưa đến hộp điều khiển PLC Tại đây các chức năng sẽ được điều khiển tự động để nhận nước và đưa tưới tự động tưới phun theo các vòi phun lắp đặt, và sẽ tự ngừng trong đúng 5 phút, khi cảm biến báo độ ẩm hoặc nhiệt độ đã đạt yêu cầu Hệ thống tưới phun tự động đa năng là sản phẩm khoa học có ý tưởng hay, tính thiết thực và đã được thử nghiệm có hiệu quả thực tế.
Các vấn đề cần nghiên cứu bổ xung
Các nghiên cứu ở trên đã được ứng dụng từ lâu Tuy nhiên, do giá thành quá cao nên nhiều người chưa có điều kiện để sử dụng các thiết bị đó Vì vậy, tác giả đã thực hiện nghiên cứu hệ thống tưới sử dụng cảm biến độ ẩm của đất để quyết định thời gian tưới cho cây trồng Hệ thống chế tạo đơn giản, chi phi thấp dễ sửa chữa
TỔNG QUÁT VỀ ARDUINO VÀ CÁC LINH KIỆN THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ
Giới thiệu về Arduino
- Arduino Uno là một board mạch vi điều khiển được phát triển bởi Arduino.cc, một nền tảng điện tử mã nguồn mở chủ yếu dựa trên vi điều khiển AVR Atmega328P Với Arduino chúng ta có thể xây dựng các ứng dụng điện từ tương tác với nhau thông qua phần mềm và phần cứng hỗ trợ.
- Khi arduino chưa ra đời, để làm được một dự án điện tử nhỏ liên quan đến lập trình, biên dịch, chúng ta cần đến sự hỗ trợ của các thiết bị biến dịch khác để hỗ trợ Ví dụ như dùng Vi điều khiển PIC hoặc IC vì điều khiển họ 8051 , chúng ta phải thiết kế chân nạp onboard, hoặc mua các thiết bị hỗ trợ nạp và biên dịch như mạch nạp 8051, mach nap PIC
- Hiện nay Arduino được biết đến ở Việt Nam rất rộng rãi Từ học sinh trung học, đến sinh viên và người đi làm Những dự án nhỏ và lớn được thực hiện một cách rất nhanh, các mã nguồn mở được chia sẽ nhiều trên diễn đàn trong nước và nước ngoài Giúp ích rất nhiều cho những bạn theo đam mê nghiên cứu chế tạo những sản phẩm có ích cho xã hội.
- Trong những năm qua, Arduino là bộ não cho hàng ngân dự án điện tử lớn nhỏ, từ những sản phẩm ra đời ứng dụng đơn giản trong cuộc sống đến những dự án khoa học phức tạp.
Cứ như vậy, thư viện mã nguồn mở ngày một tăng lên, giúp ích cho rất nhiều người mới biết đến Arduino cũng như những chuyên viên lập trình nhúng và chuyện gia cùng tham khảo và xây dựng tiếp nối
- Bạn muốn thiết kế điều khiển thiết bị thông qua cam biến ảnh sáng Đo nồng độ hóa chất, khi ga và xử lý thông qua cảm biến nồng độ và cam biến khi Bạn muốn làm 1 con robot mini, Bạn muốn quản lý tắt mở thiết bị điện trong nhà, bạn muốn điều khiển motor, nhận dạng ID, Khó hơn xíu là bạn muốn làm một máy CNC hoặc máy in 3D mini, máy bay không người lái
( Flycam) một hệ thống thu thập dữ liệu thông qua GSM, xử lý ảnh, điều khiển vạn vật thông qua internet giao tiếp với điện thoại thông minh
- Để làm được điều đó, từ đơn giản đến phức tạp bạn cần sử dụng ngôn ngữ lập trình Arduino dựa trên sơ đồ hệ thống của bạn thiết kế, thông qua phần mềm Arduino IDE, để thực hiện những yêu cầu đó đưa về bộ phận xử lý trung tâm (Arduino).
Hiện nay trên thị trường có rất nhiều phiên bản Arduino như:
- Arduino Uno R3 là một board mạch vi điều khiển được phát triển bởi Arduino.cc, một nền tảng điện tử mã nguồn mở chủ yếu dựa trên vi điều khiển AVR Atmega328P.
- Phiên bản hiện tại của Arduino Uno R3 đi kèm với giao diện USB, 6 chân đầu vào analog, 14 cổng kỹ thuật số I / O được sử dụng để kết nối với các mạch điện tử, thiết bị bên ngoài Trong đó có 14 công I/O, 6 chân đầu ra xung PWM cho phép các nhà thiết kế kiểm soát và điều khiển các thiết bị mạch điện tử ngoại vi một cách trực quan.
- Arduino Uno R3 được kết nối trực tiếp với máy tính thông qua USB để giao tiếp với phần mềm lập trình IDE, tương thích với Windows, MAC hoặc Linux Systems, tuy nhiên Windows thích hợp hơn để sử dụng Các ngôn ngữ lập trình như C và C ++ được sử dụng trong IDE.
- Ngoài USB, người dùng có thể dùng nguồn điện ngoài để cấp nguồn cho bo mạch - Các bo mạch Arduino Uno khá giống với các bo mạch khác trong các loại Arduino về mặt sử dụng và chức năng, tuy nhiên các bo mạch Uno không đi kèm với chip điều khiển FTDI USB to Serial.
- Có rất nhiều phiên bản bo mạch Uno, tuy nhiên, Arduino Nano V3 và Arduino Uno là những phiên bản chính thức nhất đi kèm với vi điều khiển Atmega328 8 bit AVR Atmel trong đó bộ nhớ RAM là 32KB.
- Khi tính chất và chức năng của nhiệm vụ trở nên phức tạp, thẻ nhớ SD Mirco có thể được kết nối thêm vào Arduino để lưu trữ được nhiều thông tin hơn.
Hình 1.3a Arduino uno R3 -Các tính năng Arduino trên Board
+ Arduino Uno đi kèm với giao diện USB tức là cổng USB được thêm vào bo mạch Arduino để phát triển giao tiếp nối tiếp với máy tính.
+ Bộ vi điều khiển Atmega328 sử dụng trên bo mạch đi kèm với một số tính năng như hẹn giờ, bộ đếm, ngắt, chân PWM, CPU, chân I/O và dựa trên xung nhịp 16 MHz giúp tạo ra nhiều tần số và số lệnh hơn trong mỗi chu kỳ.
+ Đây là một nền tảng mã nguồn mở, nơi mọi người có thể sửa đổi và tối ưu hóa bảng dựa trên số lượng hướng dẫn và nhiệm vụ muốn đạt được.
Phần mềm lập trình Arduino IDE
Hình 2a phần mềm arduino IDE
Hình 2b Giao diện bên trong phần mềm
Vùng lệnh bao gồm các nút lệnh menu (File, Edit, Sketch, Tools,Help) Phía dưới là các icon cho phép sử dụng nhanh các chức năng thường dùng của IDE được miêu tả như sau:
Hình 2c Nút tắt sử dụng nhanh các phim chức năng
Các thiết bị và linh kiện
Loại bơm ly tâm trục ngang, đầu gang
Điện áp Mô tơ : 2 pha 220V-380V, 50/60 Hz
Tốc độ vòng quay : 2900 vòng/phút
Hình 3.1 mô tơ bơm nước
Van điện từ có thiết kế nhỏ gọn, hoạt động nhanh, bền, giá thành hợp lí nhưng mang lại hiệu quả công việc cao.Sử dụng trong hệ thống tự động hóa tưới tiêu sẽ mang lại hiệu quả rất cao.
Dạng van: thường đóng, thường mở
Nhiệt độ làm việc: 0 – 185 độ C
Áp làm việc: PN10, PN16
Kiểu đóng mở: ON/OFF
Module relay là thiết bịnh dùng để đóng ngắt mạch điều khiển Dung trong các mạch điện tử.
Các thông số kĩ thuật.
Kích thước: 43mm x 17.3mm x 17mm (dài x rộng x cao)
Điện áp nuôi : 5VDC /12VDC
Tín hiệu vào điều khiển: 0V
Tín hiệu là 0: thì Relay đóng
Tín hiệu là 1 : thi Relay mở Đầu ra:
Tiếp điểm relay 220V 10A (Lưu ý tiếp điểm, không phải điện áp ra)
VCC, GND là nguồn nuôi Relay
In là chân tín hiệu điểu khiển
Dùng cấp nguồn cho arduino
Điện áp đầu vào: 100 ~ 240VAC 50/60HZ
Đầu cắm AC: chuẩn Hoa Kỳ
Điện áp đầu ra: 5VDC
Dòng điện đầu ra: max 3A
Jack đầu ra DC: 5.5 * 2.5mm (tương thích 5.5 * 2.1mm)
Arduino là một nền tảng mã nguồn mở được sử dụng để xây dựng các ứng dụng điện tử tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn Arduino giống như một máy tính nhỏ để người dùng có thể lập trình và thực hiện các dự án điện tử mà không cần phải có các công cụ chuyên biệt để phục vụ việc nạp code.
Hình 3.5 Arduino uno R3 chip cắm
Các thông số kĩ thuật:
Dòng tối đa chân 5V : 500mA
Dòng tối đa chân 3.3V : 50mA
Dòng tối đa chân I/O : 30mA
Số chân Digital I/O: 14 (6 chân PWM)
Tốc độ xung nhịp: 16Mhz
Dùng đóng ngắt mạch điện, bảo vệ các thiết bị điện tránh việc quá tải hay ngắn mạch, tuột áp,
Điện áp định mức: DC1000V
Cảm biến độ ẩm đất, trạng thái đầu ra mức thấp (0V), khi đất thiếu nước đầu ra sẽ là mức cao (5V), độ nhạy cao chúng ta có thể điều chỉnh được bằng biến trở Phần đầu đo được cắm vào đất để phát hiện độ ẩm của đất, khi độ ầm của đất đạt ngưỡng thiết lập, đầu ra DO sẽ chuyển trạng thái từ mức thấp lên mức cao Nhờ thế, các bạn có thể sử dụng Analog hoặc Digital của Arduino để đọc giá trị từ cảm biến.
Hình 3.7 cảm biến độ ẩm
Có lỗ cố định để lắp đặt thuận tiện
Sử dung chip LM393 để so sánh, ổn định làm việc
GND: GND của nguồn ngoài
DO: Đầu ra tín hiệu số (mức cao hoặc mức thấp)
AO: Đầu ra tín hiệu tương tự (Analog)
THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG BẰNG CẢM BIẾN ĐỘ ẨM
Yêu cầu thực hiện
Hệ thống tưới cây tự động hoạt động theo sự lập trình sẵn trên Arduino, nếu độ ẩm của đất thấp hơn mức đã đặt, thì hệ thống sẽ tưới đến khi độ ẩm đạt mức đã đặt.
Sơ đồ kết nối và nguyên lý hoạt động của mạch
Hình 2 sơ đồ kết nối
Nguyên lý hoạt động:
Khi đất thiếu nước cảm biến độ ẩm sẽ xuất mức cao(5V), Arduino nhận tính hiệu mức cao thực hiện so sánh, nếu điều kiện sai sẽ xuất tính hiệu mức thấp (0V) làm cho relay đóng lại, relay đóng lại van điện và mô tơ sẽ hoạt động tưới cho đến khi đất đủ độ ẩm cảm biến sẽ xuất mức thấp (0V) Arduino nhận tính hiệu thực hiện so sánh, nếu điều kiện dúng sẽ xuất tính hiệu mức cao (5V) làm cho relay ngắt, van điện và mô tơ sẽ ngừng bơm.
3 Chương trình lập trình hệ thống tưới cây tự động theo cảm biến độ ẩm của đất trên phần mềm Arduino IDE
Chương trình code này sử dụng 4 thiết bị cảm biến độ ẩm,
4 module relay, 4 van điện và 1 mô tơ nước.
Hình 3a Code hệ thống tưới cây tự động trên app Arduino IDE
Hình 3b Code hệ thống tưới cây tự động trên app Arduino IDE
Code hệ thống tưới cây tự động theo cảm biến độ ẩm của đất: void setup()
{ pinMode (2, INPUT); pinMode (3, INPUT); pinMode (4, INPUT); pinMode (5, INPUT); pinMode (6, OUTPUT); pinMode (7, OUTPUT); pinMode (8, OUTPUT); pinMode (9, OUTPUT); pinMode (10, OUTPUT);
{digitalWrite (6, HIGH); digitalWrite (10, HIGH);} else
{ digitalWrite (6, LOW); digitalWrite (10, LOW);} if (digitalRead (3) == 0)
{digitalWrite (7, HIGH); digitalWrite (10, HIGH);} else
{ digitalWrite (7, LOW); digitalWrite (10, LOW);} if (digitalRead (4) == 0)
{digitalWrite (8, HIGH); digitalWrite (10, HIGH);} else
{ digitalWrite (8, LOW); digitalWrite (10, LOW);} if (digitalRead (5) == 0)
{digitalWrite (9, HIGH); digitalWrite (10, HIGH);} else
