báo cáo thực tập tốt nghiệp đại học thiết kế hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ độ ẩm trong nông nghiệp bằng mobile

BÁO CÁO THỰC TẬPTRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘIKHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - THÔNG TINBÁO CÁO THỰC TẬPTỐT NGHIỆP ĐẠI HỌCĐề tài: Thiết kế hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ, độ ẩmtrong nông nghiệp bằ

Trang 1

BÁO CÁO THỰC TẬP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - THÔNG TIN

BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài: Thiết kế hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ, độ ẩm

trong nông nghiệp bằng mobile

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Hoài Giang

Sinh viên thực hiện: Phan Nguyễn Mạnh Thắng,

Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

KHOA CN ĐIỆN TỬ - THÔNG TIN

ĐỀ TÀI THỰC TẬP TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Họ và tên sinh viên: Phan Nguyễn Mạnh Thắng

 Chương 1: Tổng quan về vi điều khiển và hệ thống Arduino

 Chương 2: Khảo sát, phân tích yêu cầu và lựa chọn giải pháp

 Chương 3: Thiết kế chi tiết và triển khai hệ thống

TRƯỞNG KHOA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Trang 3

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành chuyên đề báo cáo thực tập này trước hết em xin gửi đến quý thầy,cô giáo

trong Khoa công nghệ điện tử thông tin trường Trường Đại học Mở Hà Nội lời cảm ơn chân

thành

Đặc biệt, em xin gởi đến thầy Nguyễn Hoài Giang, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ

em hoàn thành chuyên đề báo cáo thực tập này lời cảm ơn sâu sắc nhất

Em xin chân thành cảm ơn Ban Lãnh Đạo, các phòng ban của công ty D&L, đã tạo điềukiện thuận lợi cho em được tìm hiểu thực tiễn trong suốt quá trình thực tập tại công ty Đồngthời nhà trường đã tạo cho em có cơ hội được thực tập nơi mà em yêu thích, cho em bước rađời sống thực tế để áp dụng những kiến thức mà các thầy cô giáo đã giảng dạy Qua công việcthực tập này em nhận ra nhiều điều mới mẻ và bổ ích trong việc nghiên cứu và triển khai, đểgiúp ích cho sự nghiệp sau này của bản thân

Vì kiến thức bản thân còn hạn chế, trong quá trình thực tập, hoàn thiện chuyên đề này emkhông tránh khỏi những sai sót, kính mong nhận được những ý kiến đóng góp từ cô cũng nhưquý công ty

Em xin chân thành cảm ơn!

3

Trang 4

NHẬN XÉT

………

Trang 5

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 3

NHẬN XÉT 4

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN VÀ HỆ THỐNG ARDUINO 8

1.1 Khái niệm Vi điều khiển 8

1.2 Tổng quan hệ thống Arduino 8

1.2.1 Khái niệm Arduino 8

1.2.2 Cấu trúc Arduino 9

1.2.3 Khả năng kết nối 9

1.3 Kết luận chương 1 9

CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT, PHÂN TÍCH YÊU CẦU VÀ LỰA CHỌN GIẢI PHÁP 10

2.1 Khảo sát đối tượng nghiên cứu 10

2.2 Phân tích yêu cầu 10

2.3 Lựa chọn giải pháp 10

2.4 Quy trình làm việc của hệ thống 10

2.4.1 Đưa yêu cầu 10

2.4.2 Tổng quan thiết kế và hoạt động của hệ thống 10

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHI TIẾT VÀ TRIỂN KHAI HỆ THỐNG 12

3.1 Mô hình thiết hệ thống 12

3.1.1 Danh sách thiết bị 12

3.1.2 Tổng quan hệ thống 12

3.1.3 Sơ đồ khối 13

3.1.4 Chi tiết các thiết bị phần cứng 13

3.1.4.1 Arduino Uno R3 13

3.1.4.2 Màn hình LCD 1602 xanh dương 5V 16

3.1.4.3 Các thiết bị khác 17

3.2 Chế tạo và lắp đặt 21

3.2.1 Chế tạo 21

3.2.2 Lắp đặt 22

3.2.3 Đánh giá kết quả 22

KẾT LUẬN 23

PHỤ LỤC 24

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 27

5

Trang 6

Hình 3.4 Vi điều khiển Arduino UNO R3

Hình 3.5: Các chân vào ra của Arduino

Trang 7

MỞ ĐẦU

Như chúng ta biết, nhiệt độ và độ ẩm là những thành phần vật lý rất quan trọng trong cuộcsống con người Việc thay đổi nhiệt độ, độ ẩm ảnh hưởng rất nhiều đến sự sinh trưởng và pháttriển của động vật, thực vật và cấu tạo, tính chất vật lý của vật chất Ví dụ, sự thay đổi nhiệt

độ của 1 chất khí sẽ làm thay đổi thể tích, áp suất của chất khí trong bình Vì vậy, trongnghiên cứu khoa học, trong công nghiệp, trong nông nghiệp và trong đời sống sinh hoạt, thuthập các thông số và điều khiển nhiệt độ là điều rất cần thiết Trong các lò nhiệt, máy điềuhoà, máy lạnh hay cả trong lò viba, điều khiển nhiệt độ là tính chất quyết định cho sản phảm

ấy Trong ngành luyện kim, cần phải đạt đến một nhiệt độ nào đó để kim loại nóng chảy, vàcũng cần đạt một nhiệt độ nào đó để ủ kim loại nhằm đạt được tốt các đặc tính cơ học như độbền, độ dẻo, độ chống gỉ sét Trong ngành thực phẩm, cần duy trì một nhiệt độ nào đó đểnướng bánh, để nấu, để bảo quản Việc thay đổi thất thường nhiệt độ, không chỉ gây hư hạiđến chính thiết bị đang hoạt động, còn ảnh hưởng đến quá trình sản xuất, ngay cả trên chínhsản phẩm ấy

Đặc biệt trong ngành nông nghiệp, nhiệt độ và độ ẩm ảnh hưởng trực tiếp đến năng xuất vàchất lượng sản phẩm Vì vậy việc điều khiển được nhiệt độ và độ ẩm là hết sức quan trọng

Có nhiều phương pháp điều khiển nhiệt độ và độ ẩm khác nhau, mỗi phương pháp đều có ưunhược điểm khác nhau

Với mong muốn kết hợp những kiến thức đã được học tại giảng đường với thực tế trongcuộc sống để giúp ích cho công việc trong tương lai của mình, em đã tìm hiểu về hệ thốngđiều khiển nhiệt độ và độ ẩm từ thiết bị smart mobile, sử dụng wifi thông qua Arduino, thôngtin nhiệt độ, độ ẩm hiển thị trên màn hình LCD, và thực hiện đồ án thực tập tốt nghiệp

Đồ án này thích hợp ứng dụng cho nhà lưới trồng các loại rau, hoa, cây cảnh là thích hợpnhất, có tính khả thi rất cao Người dùng có thể theo dõi và điều chỉnh các thông số một cáchkịp thời và chính xác, giúp cho việc canh tác cây trồng trở nên chính xác và đạt chất lượng tốtnhất Giải pháp để điều khiển nhiệt độ, độ ẩm là dùng hệ thống quạt và ánh sáng để thay đổinhiệt độ và độ ẩm trong khu vực điều khiển

7

Trang 8

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN VÀ HỆ THỐNG

ARDUINO

1.1 Khái niệm Vi điều khiển

Vi điều khiển là một máy tính tích hợp trên 1 chip, thướng sử dụng để điều khiển các thiết

bị điện tử Vi điều khiển thực chất gồm một vi xử lý có hiệu suất đủ cao và giá thành thấp (sovới các vi xử lý đa năng dùng trong máy tính) kết hợp với các thiết bị ngoại vi như các bộnhớ, các mô đun vào/ra, các mô đun biến đổi từ số sang tương tự và từ tương tự sang số, môđun điều chế độ rộng xung (PWM)

Vi điều khiển thường được dùng để xây dựng hệ thống nhúng Nó xuất hiện nhiều trongcác dụng cụ điện tử, thiết bị điện, máy giặt, lò vi sóng, điện thoại, dây truyền tự động Hầu hếtcác loại vi điều khiển hiện nay có cấu trúc Harvard là loại cấu trúc mà bộ nhớ chương trình và

bộ nhớ dữ liệu được phân biệt riêng

Cấu trúc của một vi điều khiển gồm CPU, bộ nhớ chương trình (thường là bộ nhớ ROMhoặc bộ nhớ Flash), bộ nhớ dữ liệu (RAM), các bộ định thời, các cổng vào/ra để giao tiếp vớicác thiết bị bên ngoài, tất cả các khối này được tích hợp trên một vi mạch

1.2 Tổng quan hệ thống Arduino

1.2.1.Khái niệm Arduino

Arduino là một board mạch vi xử lý nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhauhoặc với môi trường được thuận lợi hơn Được giới thiệu đến công chúng năm 2005 nhữngnhà thiết kế mong muốn mang đến một cách thức đơn giản chi phí thấp để khuyến khíchsinh viên, người yêu thích có thể dễ dàng chế tạo ra những thiết bị có khả năng tương tácvới môi trường qua các cảm biến và cơ cấu chấp hành

Arduino hiện nay đã rất phổ biến trên thế giới và chúng cũng được biết đến rộng rãi tạiViệt Nam Với vô vàn những ứng dụng mở rộng độc đáo Arduino ngày càng chứng tỏ đượcsức mạnh của mình Arduino là một nền tảng mã nguồn mở được sử dụng để xây dựng cácứng dụng điện tử tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn Arduinogiống 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 1.1: Bo mạch Arduino

Trang 9

1.2.2.Cấu trúc Arduino

Phần cứng: gồm 1 board mạch mã nguồn mở thường được gọi là vi điều khiển và có thểlập trình được Phần cứng được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARMAtmel 32-bit Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầuvào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau.Các phần mềm hỗ trợ phát triển tích hợp IDE dùng để soạn thảo, biên dịch code và nạpchương trình cho board Nó được thiết kế để dành cho những người mới tập làm quen vớilĩnh vực phát triển phần mềm Nó bao gồm một chương trình code editor với các chứcnăng như đánh dấu cú pháp, tự động brace matching, và tự động canh lề, cũng như compile(biên dịch) và upload chương trình lên board chỉ với 1 cú nhấp chuột

Phần mềm: Ngôn ngữ lập trình cho Arduino sử dụng nền tảng C

1.2.3.Khả năng kết nối

- Arduino có thể hoạt động hoàn toàn độc lập hoặc các Arduino có thể kết nối với nhau

- Arduino có thể kết nối với các chip điều khiển, thiết bị điện tử,…

- Arduino có thể kết nối với một máy tính

- Ngoài ra Arduino có thể cung cấp cho người sử dụng nhiều sự tương tác với môitrường xung quanh

- Hệ thống cảm biến đa dạng: Cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm, gia tốc, vận tốc, cường độánh sáng, màu sắc, lượng nước, cảm biến phát hiện chuyển động, kim loại, khí độc,…

- Các thiết bị hiển thị: màn hình LCD, đèn LED,…

- Các module chức năng hỗ trợ kết nối có dây với các thiết bị khác hoặc kết nối khôngdây thông dụng 3G, GPRS, Wifi, Bluetooth,…

- Định vị GPS, nhắn tin SMS,…

1.3 Kết luận chương 1

Tổng quan chương 1 trình bày tóm tắt về khái niệm, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của

Vi điều khiển và Hệ thống Arduino Các yếu tố thích hợp của Arduino cho việc xây dựngmột hệ thống cảm biến theo rõi chỉ số môi trường Từ đó để chúng ta hiểu rõ và lựa chọnthiết bị cho phù hợp với quy mô và mục đích sử dụng

9

Trang 10

CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT, PHÂN TÍCH YÊU CẦU VÀ LỰA CHỌN GIẢI

PHÁP

2.1 Khảo sát đối tượng nghiên cứu

Đồ án tập trung nghiên cứu về hệ thống đo đạc và điều khiển thông số nhiệt độ, độ ẩm, ánhsáng trong nhà kính nhằm điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm tạo môi trường thích hợp cho cây cối,hoa màu phát triển và giảm sự ảnh hưởng của thời tiết xấu

Đối tượng cụ thể trong đồ án nghiên cứu lần này là Trang trại Nấm Tốt Trang trại đang ápdụng quy trình nông nghiệp thông minh cho lứa nấm trong quý 1 đầu năm 2020

2.2 Phân tích yêu cầu

Do đặc thù thời tiết miền Bắc vào các tháng quý 1 đầu năm diễn biến khá phức tạp: độ ẩmcao, nhiệt độ thay đổi thất thường, rất không tốt cho sự phát triển của nấm Được trồng trongnhà màng, việc kiểm soát các yếu tố nhiệt độ, độ ẩm, cường độ sáng luôn là yêu cầu cấp thiếtcho trang trại Hơn nữa, để vận hành tốt một mô hình nông nghiệp thông minh thời đại 4.0, thìyêu cầu phải có một hệ thống cảm biến theo dõi và kiểm soát các yếu tố môi trường tác độnglên cây trồng là yêu cầu cấp thiết nhất Từ đó cả mô hình trang trại mới đi vào vận hành tốtđược

Bài toán cụ thể được đặt ra là phải kiểm soát được các thông số môi trường ảnh hưởng lênnấm, trong nhà màng, từ đó kỹ sư nông nghiệp sẽ có những điều chỉnh kịp thời để cho chấtlượng nấm được tốt nhất, đạt được tiêu chuẩn trang trại đặt ra

2.3 Lựa chọn giải pháp

- Sử dụng module arduino làm trung tâm điều khiển

- Module relay để thao tác đóng cắt điều khiển

- Dụng màn hình LCD để hiển thị thông tin

- Dùng cảm biến DTH11 để đo nhiệt đô, độ ẩm

- Module wifi để điều khiển từ xa

2.4 Quy trình làm việc của hệ thống

2.4.1.Đưa yêu cầu

- Các kỹ sư nông nghiệp của Nấm Tốt muốn theo rõi được giá trị về nhiệt độ, độ ẩm,chất lượng không khí, cường độ sáng ( giá trị klux sẽ update ở version 2.1)

- Nhóm xây dựng đề tài đưa yêu cầu cho kỹ sư môi trường về ngưỡng cảnh báo củanhiệt độ để hệ thống có thể can thiệp

2.4.2.Tổng quan thiết kế và hoạt động của hệ thống

Hệ thống điều khiển nhiệt độ, độ ẩm hoạt động dựa trên cảm biến nhiệt độ DTH11 vàarduino uno r3, module relay, module wifi

Nhiệt độ, độ ẩm, chất lượng không kh đo được sẽ hiển thị trên màn hình LCD đặt trên

mô hình để tiện theo dõi và kiểm tra Arduino-uno-r3được lập trình khi nhiệt độ tăng đếnmột mức nhất định sẽ làm cho quạt tự động quay, làm mát cho khu vực trồng nấm trên môhình cũng như làm quạt tự động dừng quay khi nhiệt độ giảm xuống dưới mức cho phép.Ngoài ra các kỹ sư nông nghiệp còn có thể theo rõi qua thiết bị Smart Mobile cá nhân,cũng như trực tiếp điều khiển bật tắt relay hoặc hệ thống

Trang 11

2.5 Kết luận chương 2

Như vậy, chương 2 đã trình bày cho chúng ta thấy tổng quan bài toán về thông số môitrường mà hệ thống cần đáp ứng Giải pháp mà nhóm đề ra, cũng như tổng quan thiết kế vàhoạt động của hệ thống Từ đó tạo tiền đề để đưa ra một thiết kế chi tiết

11

Trang 13

3.1.3.Sơ đồ khối

Hình 3.2: Sơ đồ khối 3.1.4.Chi tiết các thiết bị phần cứng

3.1.4.1 Arduino Uno R3

Hình 3.3: Arduino Uno R3

13

Trang 14

Một vài thông số của Arduino UNO R3

Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)

Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC

Điện áp vào giới hạn 6-20V DC

Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)

Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA

Hình 3.4: Vi điều khiển Arduino UNO R3

Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8, ATmega168,ATmega328 Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấpnháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo nhiệt độ - độ ẩm và hiển thịlên màn hình LCD,…

Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn ngoàivới điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V Thường thì cấp nguồn bằngpin vuông 9V là hợp lí nhất nếu bạn không có sẵn nguồn từ cổng USB

Trang 15

Hình 3.5: Các chân vào ra của Arduino

Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Chúng chỉ có 2 mứcđiện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA Ở mỗi chân đều có cácđiện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328 (mặc định thì cácđiện trở này không được kết nối)

Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 →210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V Với chân AREF trên board, bạn cóthể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog Tức là nếu bạn cấp điện áp2.5V vào chân này thì bạn có thể dùng các chân analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5(SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác

15

Trang 16

3.1.4.2.Màn hình LCD 1602 xanh dương 5V

Hình 3.6: Mặt trước màn hình LCD

Hình 3.7: Mặt sau màn hình LCD

Màn hình 16x2 với kích thước như sau:

Dài: 80,0 ± 0,5 mm, trong đó có 64,5 ± 0,2 mm dành cho panel hiển thị.

Rộng: 36,0 ± 0,5 mm, trong đó có 14,0 ± 0,2 mm dành cho phần panel hiển thị Dày: 12,0 mm( chiều dày tối đa).16 chân giao tiếp, tương ứng với đó là 16 lỗ, mỗi lỗ

chân rộng 1mm để cắm các kết nối, hoặc hàn luôn cable kết nối vào đó Hai chân liền kềcách nhau “2,54mm” (đúng bằng kích thước và khoảng cách giữa các lỗ trên bìa đục lỗthường dùng hàn mạch)

Trên panel hiển thị có 2 hàng( dòng), mỗi dòng có 16 module hiển thị, chính vì điều nàynên thường gọi luôn màn hình này là 16x2 Kích thước mỗi module 5,02x3 mm; cácmodule trên cùng 1 hàng cách nhau 0,5mm và giữa 2 hàng cách nhau 0,6mm; trên mỗimodule có 8x5=40 điểm ảnh, kích thước mỗi điểm ảnh 0,54x0,52mm và chúng cách nhau0,1mm

Trang 18

Điện áp ra: 5VDC

Dòng điện cực đại 1.5A (max)

Dải nhiệt độ hoạt động -40 ~ 80 độ C

Bảo vệ quá tài, quá nhiệt

Bảo vệ SOA bán dẫn đầu ra

Điện thế đóng ngắt tối đa: AC250V ~ 10A hoặc DC30V ~ 10A

Tích hợp Diod chống nhiễu và đèn báo tín hiệu kích

4 Module kết nối Wifi

Tiêu đề	Thiết kế hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ, độ ẩm trong nông nghiệp bằng mobile
Tác giả	Phan Nguyễn Mạnh Thắng, Đặng Hoài Linh
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Hoài Giang
Trường học	Trường Đại học Mở Hà Nội
Chuyên ngành	Công nghệ Kỹ thuật điện tử - Viễn thông
Thể loại	báo cáo thực tập tốt nghiệp đại học
Năm xuất bản	2020
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	27
Dung lượng	7,4 MB