báo cáo môn vi xử lý sản phẩm máy đo nhiệt độ độ ẩm môi trường để ứng dụng cho khu vườn thông minh

MỞ ĐẦU1.Đặt vấn đềTrong ngành nông nghiệp, việc duy trì độ ẩm và nhiệt độ lý tưởng cho câytrồng là rất quan trọng để đảm bảo sự sinh trưởng và phát triển tối ưu của chúng.Tuy nhiên, việc

Đ I H C BÁCH KHOA HÀ N IẠỌỘ TRƯỜNG ĐI N-ĐI N TỆỆỬ

Nhóm 5:

- Nguyễn Hà Sơn 20207581

- Nguyễn Đăng Vũ 20207584- Nguyễn Đức Giang 20207555- Dương Quang Huy 20207570Giảng viên hướng dẫn: Ts Hàn Huy Dũng

Báo cáo môn vi xử lý

Sản phẩm: máy đo nhiệt độ độ ẩm môi trường đểứng dụng cho khu vườn thông minh

HÀ NỘI, 7/2023

LỜI NÓI ĐẦU

Mục tiêu đề tài thiết kế chế tạo máy đo độ ẩm và nhiệt độ môi trường ứng dụngcho hệ thống tưới tiêu thông minh sử dụng vi xử lý ESP32 và mạch cảm biếnBME280 Trong thời gian thực hiện đề tài này, nhờ sự giảng dạy cũng như giúp đỡcủa thầy Hàn Huy Dũng nhóm chúng em đã hoàn thành được những yêu cầu được đềra của đề tài này

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Hàn Huy Dũng đã tận tình chỉ bảo vàgiúp đỡ nhóm chúng em hoàn thành sản phẩm Do kiến thức còn hạn chế trong quátrình thực hiện chúng em không tránh khỏi những sai xót kính mong thầy chỉ dẫn,bỏ qua và giúp đỡ Nhóm chúng em rất mong được sự đóng góp của thầy và cácbạn để nội dung đề tài này ngày càng hoàn thiện hơn.

MỞ ĐẦU

1.Đặt vấn đề

Trong ngành nông nghiệp, việc duy trì độ ẩm và nhiệt độ lý tưởng cho câytrồng là rất quan trọng để đảm bảo sự sinh trưởng và phát triển tối ưu của chúng.Tuy nhiên, việc theo dõi và điều chỉnh môi trường này thường đòi hỏi sự can thiệpthủ công liên tục, điều này có thể tốn nhiều thời gian và công sức của người nôngdân.

Để giải quyết vấn đề này, hệ thống tưới tiêu tự động sử dụng cảm biến độ ẩmvà nhiệt độ đã được phát triển Bằng cách sử dụng các cảm biến như cảm biến độẩm và cảm biến nhiệt độ, hệ thống này có khả năng tự động theo dõi điều kiện môitrường xung quanh cây trồng và điều chỉnh quá trình tưới tiêu một cách thông minh.Cảm biến độ ẩm giúp hệ thống đo lường mức độ ẩm trong đất xung quanhcây trồng Khi mức độ ẩm giảm xuống mức quá thấp, hệ thống sẽ tự động kích hoạtquá trình tưới tiêu để cung cấp nước cho cây trồng Tương tự, cảm biến nhiệt độgiúp hệ thống đo lường nhiệt độ xung quanh cây trồng Khi nhiệt độ vượt quángưỡng được đặt trước, hệ thống có thể kích hoạt quá trình làm mát hoặc điều chỉnhhệ thống tưới tiêu để giảm nhiệt độ.

Hệ thống tưới tiêu tự động sử dụng cảm biến độ ẩm và nhiệt độ không chỉgiúp tiết kiệm thời gian và công sức cho người nông dân, mà còn mang lại nhiều lợiích khác Việc duy trì môi trường lý tưởng cho cây trồng giúp tăng năng suất, cảithiện chất lượng sản phẩm và giảm rủi ro mất mùa Hơn nữa, hệ thống này cũng cóthể tích hợp các tính năng thông minh như giao tiếp dữ liệu qua mạng, quản lý từ xavà tự động hoá quy trình tưới tiêu.

Tóm lại, hệ thống tưới tiêu tự động sử dụng cảm biến độ ẩm và nhiệt độmang lại sự tiện lợi và hiệu quả cho ngành nông nghiệp Việc ứng dụng công nghệnày giúp tối ưu hóa quy trình tưới tiêu và đảm bảo sự phát triển bền vững của câytrồng, đồng thời đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao về sản xuất nông nghiệp hiệuquả và bền vững.

- Tiết kiệm nước và tài nguyên: Hệ thống tưới tiêu tự động sử dụng cảm biến độẩm và nhiệt độ giúp điều chỉnh lượng nước cần thiết dựa trên tình trạng thựctế của đất và cây trồng Điều này giúp tránh lãng phí nước và tiết kiệm tàinguyên quý giá.

- Giảm sự phụ thuộc vào người lao động: Việc thực hiện quá trình tưới tiêu thủcông đòi hỏi công sức và thời gian của người nông dân Tuy nhiên, với hệthống tưới tiêu tự động, quá trình này được thực hiện tự động và không đòihỏi sự can thiệp thủ công liên tục Điều này giảm sự phụ thuộc vào lao độngcon người, cho phép người nông dân tập trung vào các công việc khác quantrọng hơn trong nông nghiệp.

- Quản lý chính xác và theo dõi từ xa: Hệ thống tưới tiêu tự động sử dụng cảmbiến độ ẩm và nhiệt độ cung cấp thông tin chính xác về môi trường tại cácvùng trồng trọt Thông qua kết nối mạng, người nông dân có thể theo dõi vàquản lý quá trình tưới tiêu từ xa, đảm bảo rằng mọi thứ đang diễn ra đúng nhưdự đoán và có thể điều chỉnh khi cần thiết.

- Tích hợp công nghệ thông minh: Hệ thống tưới tiêu tự động có thể tích hợpcông nghệ thông minh và trí tuệ nhân tạo để nâng cao hiệu quả và tự động hoáquá trình tưới tiêu Ví dụ, hệ thống có thể sử dụng dữ liệu thu thập được từcảm biến để tạo ra các mô hình dự báo và đưa ra các quyết định thông minh đểđiều chỉnh tưới tiêu một cách tối ưu.

Tổng quan, việc chọn đề tài về hệ thống tưới tiêu tự động sử dụng cảm biến độ ẩmvà nhiệt độ trong nông nghiệp mang lại nhiều lợi ích quan trọng như tăng năng suất,tiết kiệm tài nguyên, giảm công sức lao động, quản lý chính xác và tích hợp côngnghệ thông minh Đây là một lĩnh vực đầy tiềm năng để ứng dụng công nghệ trong

nâng cao hiệu quả và bền vững của nông nghiệp Và đó cũng là những lý do nhómbọn em chọn đề tài hệ thống tưới tiêu tự động.

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG1.1 Khái niệm về hệ thống tưới tiêu tự động

Hệ thống tưới tiêu tự động là một hệ thống được thiết kế để tự động điềuchỉnh việc cung cấp nước và điều kiện môi trường khác cho cây trồng trong nôngnghiệp Thay vì phải thực hiện quá trình tưới tiêu và quản lý môi trường một cáchthủ công, hệ thống tự động sử dụng các thiết bị cảm biến và bộ điều khiển để giámsát và điều chỉnh các yếu tố quan trọng như độ ẩm, nhiệt độ, ánh sáng, pH đất, vàlượng chất dinh dưỡng.

Các thành phần chính của một hệ thống tưới tiêu tự động thường bao gồm:- Cảm biến: Hệ thống sử dụng các cảm biến như cảm biến độ ẩm, cảm biến

nhiệt độ, cảm biến ánh sáng, cảm biến pH đất và cảm biến mức nước để thuthập thông tin về điều kiện môi trường xung quanh cây trồng.

- Bộ điều khiển: Bộ điều khiển là trung tâm của hệ thống, nơi xử lý thông tintừ cảm biến và ra quyết định về việc cung cấp nước và điều chỉnh môitrường Bộ điều khiển có thể được lập trình để thực hiện các hành động tựđộng dựa trên dữ liệu cảm biến nhận được.

- Hệ thống tưới tiêu: Hệ thống tưới tiêu bao gồm các thiết bị như bơm nước,ống dẫn nước, và các thiết bị phun nước như vòi phun hoặc gương phun Hệthống này được kích hoạt và điều chỉnh bởi bộ điều khiển để cung cấp lượngnước phù hợp cho cây trồng.

- Hệ thống kiểm soát: Hệ thống kiểm soát bao gồm các công tắc, van điềukhiển và thiết bị khác để điều khiển hoạt động của hệ thống tưới tiêu, baogồm mở và đóng nguồn nước, điều chỉnh áp suất, và kiểm soát các thiết bịtưới tiêu.

- Giao diện người dùng: Hệ thống tưới tiêu tự động thường có một giao diệnngười dùng cho phép người quản lý hoặc người nông dân theo dõi và điềuchỉnh các thiết lập và hoạt động của hệ thống Giao diện này có thể là một

ứng dụng điện thoại thông minh, máy tính hoặc màn hình cảm ứng trực tiếptrên thiết bị kiểm soát.

Mục tiêu chính của hệ thống tưới tiêu tự động là tạo ra một môi trường lýtưởng cho cây trồng để tăng năng suất, giảm sự lãng phí tài nguyên và công sức laođộng, và đảm bảo sự phát triển bền vững của nông nghiệp Hệ thống này cũng cóthể tích hợp các tính năng thông minh như giao tiếp dữ liệu qua mạng, quản lý từ xavà tự động hoá quy trình tưới tiêu, tạo ra sự linh hoạt và hiệu quả trong việc quản lýmôi trường trồng trọt

1.2 Ứng dụng của hệ thống tưới tiêu tự động

Hệ thống tưới tiêu tự động sử dụng cảm biến độ ẩm và nhiệt độ trong nôngnghiệp có thể được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực và đối tượng sử dụngkhác nhau Dưới đây là một số ví dụ về ứng dụng và đối tượng sử dụng của hệthống này:

- Nông trại lớn và trang trại công nghệ cao: Hệ thống tưới tiêu tự động có thểđược áp dụng trong các nông trại lớn hoặc trang trại công nghệ cao nơi sảnxuất cây trồng và cây công nghiệp quy mô lớn Việc sử dụng hệ thống nàygiúp quản lý tưới tiêu và điều kiện môi trường một cách tự động và hiệu quả.- Trang trại gia đình và vườn nhỏ: Đối với các gia đình và cá nhân có một khu

vườn nhỏ hoặc trang trại nhỏ, hệ thống tưới tiêu tự động có thể giúp đơn giảnhóa quá trình tưới tiêu và đảm bảo rằng cây trồng nhận được đủ nước và điềukiện môi trường lý tưởng.

- Công viên và khu vườn đô thị: Hệ thống tưới tiêu tự động cũng có thể đượcsử dụng để quản lý tưới tiêu trong các công viên và khu vườn đô thị Việc sửdụng hệ thống này giúp tiết kiệm nước và đảm bảo cây cỏ và cây hoa trongcác khu vườn công cộng nhận được đủ nước và điều kiện phát triển tốt.- Trồng trọt trong nhà kính và hệ thống Aquaponic: Hệ thống tưới tiêu tự động

được sử dụng rộng rãi trong trồng trọt trong nhà kính và các hệ thống

Aquaponic Đối với các hệ thống này, việc kiểm soát nước, độ ẩm và nhiệt độlà rất quan trọng để đảm bảo sự phát triển và sinh trưởng của cây trồng và hệthống thủy sinh.

- Cây trồng đặc biệt và cây trồng nhạy cảm: Các cây trồng đặc biệt như hoalan, cây ăn quả, cây thuốc, cây dược liệu hoặc các loại cây trồng nhạy cảmđòi hỏi sự chính xác và kiểm soát môi trường cao Hệ thống tưới tiêu tự độngsử dụng cảm biến độ ẩm và nhiệt độ có thể được sử dụng để đáp ứng các yêucầu đặc biệt của các loại cây trồng này.

CHƯƠNG 2 CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ MẠCH ĐIỀU KHIỂN HỆTHỐNG TƯỚI CÂY THEO ĐỘ ẨM

Thiết kế mạch điều khiển có chức năng thực hiện điều khiển đóng ngắt thiết bị điện tự động thông qua các cảm biến nhiệt độ và độ ẩm

Hệ thống được thiết kế gồm 5 khối:

- Khối thu gồm cảm biến nhiệt độ và độ ẩm BME280- Khối xử lý trung tâm sử dụng ESP32.

- Khối hiển thị sử dụng LCD- Khối nguồn sử dụng pin.

Sơ đồ khối của mạch

Hình 2 1 Sơ đồ khối của mạch.

Chức năng của từng khối:

Khối xử lý trung tâm: Vi điều khiển ESP32 điều khiển toàn bộ hoạt động của mạch là nhận dữ liệu giải mã tín hiệu nhiệt độ và độ ẩm

Đưa hiển thị lên các LCD sau đó đưa ra tín hiệu điều khiển bật /tắt

Khối hiển thị: Là các LCD 4 dòng 20 kí tự để hiển thị nhiệt độ và độ ẩm môi trường, thời gian.

Khối nguồn nuôi: Là khối cơ bản nhất nó cung cấp dòng nuôi cho toàn bộ linh kiện trong mạch Nó tạo ra điện áp ổn định thoả mãn các chỉ số về điện áp và dòng ( Dùng pin)

2.1 Vi điều khiển ESP32

2.1.1 Sơ đồ chân và sơ đồ nguyên lý của ESP32

Hình 2 2.Sơ đồ chân của PIC 16F877A.

Hình 2 3 Sơ đồ nguyên lý

2.1.2 Cấu trúc vi điều khiển ESP32

Sơ đồ chân và sơ đồ nguyên lý của ESP32 được trình bày trên Hình 2.3 và với các đặc điểm cơ bản như sau :

- ESP32 có tất cả 30 chân

Chức năng các chân VĐK:Chân Input Only

GPIO từ 34 đến 39 là GPI – chân chỉ đầu vào Các chân này không có điện trở kéo lên hoặc kéo xuống bên trong Chúng không thể được sử dụng làm đầu ra, vì vậychỉ sử dụng các chân này làm đầu vào:

- GPIO 34- GPIO 35- GPIO 36- GPIO 39

Chân tích hợp Flash trên ESP32

GPIO 6 đến GPIO 11 dùng để kết nối Flash SPI, không khuyến khích sử dụng trong các ứng dụng khác

- GPIO 6 (SCK/CLK)- GPIO 7 (SDO/SD0)- GPIO 8 (SDI/SD1)- GPIO 9 (SHD/SD2)- GPIO 10 (SWP/SD3)- GPIO 11 (CSC/CMD)

Chân cám biến điện dung

Các chân ESP32 này có chức năng như 1 nút nhấn cảm ứng, có thể phát hiện sự thay đổi vềđiện áp cảm ứng trên chân.

Các cảm biến cảm ứng bên trong đó được kết nối với các GPIO sau:

Analog to Digital Converter (ADC)

ESP32 có các kênh đầu vào ADC 18 x 12 bit (trong khi ESP8266 chỉ có ADC 1x 10 bit) Đâylà các GPIO có thể được sử dụng làm ADC và các kênh tương ứng:

Digital to Analog Converter (DAC)

Có các kênh DAC 2 x 8 bit trên ESP32 để chuyển đổi tín hiệu kỹ thuật số thành đầu ra tín hiệuđiện áp tương tự Các kênh này chỉ có độ phân giải 8 bit, nghĩa là có giá trị từ 0 – 255 tươngứng với 0 – 3.3V

Các kênh DAC:

● DAC1 (GPIO25)

● DAC2 (GPIO26)

Các chân thời gian thực RTC

Các chân này có tác dụng đánh thức ESP32 khi trong chế độ Low Power Mode Sử dụng như1 chân ngắt ngoài.

Để xuất PWM, bạn cần xác định các thông số này trong code:

2.2 Cảm biến BME280

- BME280 là cảm biến nhiệt độ và độ ẩm

Hình 2 4.Cảm biến BME280Giao tiếp I2C

2.3 LCD

Sử dụng màn hình tinh thể lỏng LCD loại 4 dòng, 20 kí tự LCD2004 Mànhình LCD đã rất phổ biến trên thị trường và việc lập trình cho nó rất đơn Sử dụngnguồn nuôi thấp (từ 2, 5 đến 5V) Có thể hoạt động ở hai chế độ 4 bit hoặc 8 bit

Hình 2 6 Sơ đồ nguyên lý kết nối của LCD2004 trong mạch điện

2.4 Tụ điện

Tụ điện là linh kiện điện tử thụ động được sử dụng rộng rãi trong các mạch điện tử, chúng được sử dụng trong các mạch lọc nguồn, lọc nhiễu,mạch truyền tín hiệu, mạch tạo dao động vv… Có tác dụng nạp xả điện, ổn định điện áp đầu ra.

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.1 Xây dựng bài toán cho hệ thống

Hệ thống tưới cây tự động đã và đang được ứng dụng rộng rãi.

Việc tưới cây tự động sẽ làm tăng hiệu quả canh tác như: giảm thời gian laođộng, tiết kiệm nước, tăng năng suất cho cây trồng, Tuy nhiên để đạt được hiệuquả cao nhất cần tính toán kĩ về đặc tính cây trồng cũng như điều kiện vùng.Một hệ thống tưới cây tự động bao gồm:

- Nguồn nước cấp cho hệ thống.- Máy bơm nước, các van điện từ.- Hệ thống đường ống chính và phụ.

-Các đầu phun tưới (có hoặc không tùy vào phương pháp tưới ).-Bộ điều khiển tự động đóng ngắt máy bơm hoặc các van điện từ.

Đề ra phương án cho hệ thống tưới tự động

Phương án để ra quyết định đóng mở hệ thống tưới như sau:+ Độ ẩm > 90% thì hệ thống không hoạt động.+ Độ ẩm 85-90% tưới 10 phút

+ Độ ẩm 80-84% tưới 15 phút+ Độ ẩm 75-79% tưới 20 phút+ Độ ẩm < 74% tưới 25 phút.

Các phương án lựa chọn trên có thể thay đổi được tùy theo vùng miền, loại cây, mùa và thời tiết.

Thiết kế bộ hẹn giờ tự động, đến giờ cài đặt hệ thống hoạt động, bơm đượcbật lên và tùy thuộc vào khoảng độ ẩm và quyết định đến thời gian đóng bơm.

3.2 Yêu cầu kỹ thuật3.2.1 Yêu cầu chức năng:

Trong lĩnh vực nông nghiệp và vườn trồng, máy đo độ ẩm thườngđược sử dụng để đo lượng nước trong đất và giúp người trồng cây quản lý tìnhtrạng đất, đảm bảo rằng cây trồng được tưới nước đúng lượng và đúng cách đểđạt hiệu quả tốt nhất Dưới đây là một số yêu cầu chức năng cần thiết của máyđo độ ẩm trong vườn:

Độ chính xác cao: Máy đo độ ẩm trong vườn cần có độ chính xáccao để đo đạt độ ẩm chính xác của đất, giúp người trồng cây đưa ra quyết địnhchính xác về việc tưới nước và chăm sóc cây trồng.

Đo độ ẩm nhanh chóng: Máy đo độ ẩm trong vườn cần có khảnăng đo đạt độ ẩm nhanh chóng để tiết kiệm thời gian cho người trồng cây.

Thích hợp cho đất và loại cây trồng: Máy đo độ ẩm trong vườncần được thiết kế để phù hợp với đất và loại cây trồng được trồng trong vườn.Một số máy đo độ ẩm có thể được thiết kế để phù hợp với đất cát, đất sét hoặcđất đá v.v.

Đa chức năng: Máy đo độ ẩm trong vườn cần có khả năng đo đạtđộ ẩm của nhiều loại đất và cây trồng khác nhau.

Dễ sử dụng: Máy đo độ ẩm trong vườn cần được thiết kế để dễ sửdụng và có thể được vận hành bởi người không có kinh nghiệm sử dụng máy đo.Hiển thị kết quả đo đạt rõ ràng: Máy đo độ ẩm trong vườn cần cómàn hình hiển thị kết quả đo đạt rõ ràng và dễ đọc để người trồng cây có thể đưara quyết định dựa trên dữ liệu đo đạt được.

Lưu trữ dữ liệu: Một số máy đo độ ẩm trong vườn có thể có tínhnăng lưu trữ dữ liệu, giúp người trồng cây quản lý tình trạng đất theo thời gian.

Có thể kết nối với các thiết bị khác: Một số máy đo độ ẩm trongvườn có khả năng kết nối với các thiết bị khác như điện thoại thông minh hoặcmáy tính để bàn để quản lý dữ liệu đo đạt và đưa ra quyết định chăm sóc câytrồng hiệu quả hơn.

3.2.2 Yêu cầu phi chức năng:

Ngoài các yêu cầu chức năng cần thiết, máy đo độ ẩm trong vườn cũng cần đápứng một số yêu cầu phi chức năng để đảm bảo tính tiện dụng và hiệu quả trongquá trình sử dụng Dưới đây là một số yêu cầu phi chức năng cần thiết của máyđo độ ẩm trong vườn.

Bền và đáng tin cậy: Máy đo độ ẩm trong vườn cần được thiết kế để bền và đángtin cậy trong quá trình sử dụng, đảm bảo máy có thể hoạt động tốt trong môitrường khắc nghiệt của vườn trồng cây.

Khả năng chống thấm nước: Máy đo độ ẩm trong vườn cần có khả năng chốngthấm nước để đảm bảo máy đo có thể hoạt động tốt trong môi trường đất ẩmhoặc khi tiếp xúc với nước.

Kích thước nhỏ gọn và di động: Máy đo độ ẩm trong vườn cần có kích thướcnhỏ gọn và có thể di động để dễ dàng mang theo và sử dụng ở nhiều vị trí khácnhau trong vườn.

Dễ dàng vệ sinh và bảo trì: Máy đo độ ẩm trong vườn cần thiết kế sao cho dễdàng vệ sinh và bảo trì để đảm bảo máy có thể hoạt động tốt trong thời gian dài.An toàn và không gây hại cho môi trường: Máy đo độ ẩm trong vườn cần đượcsản xuất từ các vật liệu an toàn và không gây hại cho môi trường.

Điều kiện hoạt động: Nhiệt độ: -40°C đến 85°C; Độ ẩm: 0% đến 100% RHĐộ chính xác: Nhiệt độ: ±0.5°C; Độ ẩm: ±2% RH

3.3.Thiết kế