bài tập lớn môn học đồ án thiết kế hệ thống nhúng đề tài nghiên cứu xây dựng hệ thống giám sát khu vườn

Là mạng kết nối các đồ vật và thiết bị thông qua cảm biến, phần mềm và các công nghệ khác, cho phép các đồ vật và thiết bị thu thập và trao đổi dữ liệu với nhau.. • Các thiết bị IoT có t

KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ I

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

MÔN HỌC ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÚNG Đề tài:’’Nghiên cứu xây dựng hệ thống giám sát khu vườn”

Giảng viên : Nguyễn Ngọc Minh Nhóm : 02

Thành viên : Bùi Văn Hưng - B20DCDT093 Vũ Duy Mạnh - B20DCDT133 Mai Văn Huy - B20DCDT085 Nguyễn Xuân Siêu - B20DCDT177

Hà Nội, ngày 02 tháng 05 năm 2024

Chúng em cũng gửi lời đồng cảm ơn đến các bạn trong Khoa Kĩ thuật Điện – Điện tử đã chia sẻ trao đổi những kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài này

Xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

Danh mục hình ảnh 4

I GIỚI THIỆU CHUNG 6

1.1 Giới thiệu chung về IoT (Internet of Things) 6

1.2 Ứng dụng của IoT trong các lĩnh vực 7

1.3 Ứng dụng của IoT trong khu vường thông minh 10

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12

Danh mục hình ảnh

Hình 1 Cấu trúc của hệ thống IOT 5

Hình 2 Sơ đồ chân của STM32F103C8T6 11

Hình 3 Sơ đồ chân của ESP32 38 pin 13

Hình 10 Cấu tạo của hệ điều hành thời gian thực 23

Hình 11 Sơ đồ phân chia thời gian thực thi các tác vụ 24

Hình 12 Sơ đồ phân chia thời gian thực thi các tác vụ dựa trên sự ưu tiên cao nhất 25

Hình 13 Sơ đồ phân chia thời gian thực hiên các tác vụ dựa trên sự ưu tiên thấp 25

Hình 14 Hàng đợi tác vụ 26

Hình 15 Các quy trình cơ bản của AJAX 29

Hình 16 Sơ đồ mô tả cách hoạt động của hai loại semaphore 29

Hình 17 Cấu trúc của một gói dữ liệu và khung dữ liệu trong giao tiếp UART 30

Hình 18 Giao tiếp I2C 32

Hình 19 Chuyển đổi tương tự sang số 33

Hình 20 Giao tiếp OneWire 35

Hình 21 Sơ đồ hoạt động của HTTP 36

Hình 22 Sơ đồ khối phần cứng 37

Hình 23 Mặt trước của mạch 38

Hình 24 Mặt sau của mạch in 39

Hình 25 Mạch cắm thực nghiệm trên boardtest 40

Hình 26 Web hiển thị dữ liệu thu thập từ trang trại 41

I GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Giới thiệu chung về IoT (Internet of Things) ➢ IoT là gì?

• IoT (Internet of Things) nghĩa là Internet vạn vật Là mạng kết nối các đồ vật và thiết bị thông qua cảm biến, phần mềm và các công nghệ khác, cho phép các đồ vật và thiết bị thu thập và trao đổi dữ liệu với nhau

• Internet vạn vật lan tỏa lợi ích của mạng internet tới mọi đồ vật được kết nối, chứ không chỉ dừng lại ở phạm vi một chiếc máy tính Khi một đồ vật được kết nối với internet, nó sẽ trở nên thông minh hơn nhờ khả năng gửi hoặc nhận thông tin và tự động hoạt động dựa trên các thông tin đó

• Các thiết bị IoT có thể là đồ vật được gắn thêm cảm biến để thu thập dữ liệu về môi trường xung quanh (giống như các giác quan), các máy tính/bộ điều khiển tiếp nhận dữ liệu và ra lệnh cho các thiết bị khác, hoặc cũng có thể là các đồ vật được tích hợp cả hai tính năng trên

• Tiềm năng ứng dụng của internet vạn vật (IoT) trải rộng trên mọi lĩnh vực Tuy nhiên, mọi hệ thống IoT hoàn chỉnh đều có đủ 4 bước: thu thập dữ liệu, chia sẻ dữ liệu, xử lý dữ liệu và đưa ra quyết định

➢ Cấu trúc của một hệ thống IoT

• Với một hệ thống IoT chúng sẽ bao gồm 4 thành phần chính đó là thiết bị (Things), trạm kết nối (Gateways), hạ tầng mạng (Network and Cloud) và bộ phân tích và xử lý dữ liệu (Services-creation and Solution Layers)

Hình 1 Cấu trúc của hệ thống IOT

• Các cảm biến sẽ có nhiệm vụ cảm nhận các tín hiệu từ môi trường như nhiệt độ, áp suất, ánh sáng,… và chuyển chúng thành các dạng dữ liệu trong môi trường Internet Sau đó các tín hiệu sẽ được xử lý và đưa ra các thay đổi theo ý của người tiêu dùng Hiện nay chúng thường được ứng dụng thông qua các ứng dụng trên điện thoại hay trên máy tính,…

1.2 Ứng dụng của IoT trong các lĩnh vực

➢ Nhà và văn phòng thông minh

• Nhà thông minh là một ví dụ điển hình về IoT Trong ngôi nhà thông minh các thiết bị điện tử dân dụng như đèn, quạt, máy lạnh… có thể được kết nối với nhau thông qua mạng internet Sự kết nối này cho phép người dùng vận hành các thiết bị này từ xa Một ngôi nhà thông minh có khả năng điều khiển ánh sáng, quản lý năng lượng, mở rộng và truy cập từ xa

• Hiện tại, ứng dụng IoT này không được sử dụng rộng rãi do chi phí lắp đặt quá cao, khó có khả năng chi trả

➢ Thiết bị đeo được (Wearable)

• Đồng hồ thông minh là ví dụ tiêu biểu về các thiết bị đeo tay thông minh Đồng hồ thông minh có khả năng đọc tin nhắn văn bản, hiển thị thông báo về các ứng dụng khác, theo dõi vị trí, theo dõi trạng thái tập luyện, nhắc nhở lịch trình và liên tục theo dõi tình

trạng sức khỏe Ngoài ra còn có một số thiết bị đeo được khác như: Kính thực tế ảo, vòng đeo thông minh, tai nghe không dây…

➢ Quản lý thiên tai

• IoT giúp dự đoán và quản lý các thảm họa thiên nhiên Lấy ví dụ về cháy rừng Để tránh sự hỗn loạn và tàn phá do cháy rừng, nhiều cảm biến khác nhau có thể được lắp đặt xung quanh ranh giới của các khu rừng Các cảm biến này liên tục theo dõi nhiệt độ và hàm lượng carbon trong khu vực Báo cáo chi tiết sẽ được gửi đến trung tâm giám sát chung một cách thường xuyên Trong trường hợp xảy ra cháy rừng, một cảnh báo được gửi đến phòng kiểm soát, đồn cảnh sát và đội cứu hỏa Do đó, IoT giúp các cơ quan chức năng lập kế hoạch và phản ứng nhanh chóng trong trường hợp khẩn cấp

➢ Ô tô tự lái

• Ô tô tự lái là một trong những dòng ô tô thông minh đã và đang phát triển với việc ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) và công nghệ cảm biến thông minh trong IoT Một trong những thành phần quan trọng của IoT trong ô tô là các cảm biến thông minh liên tục thu thập các thông tin về xe, tình trạng giao thông, các phương tiện khác và các đối tượng khác trên đường đi

• Hệ thống bao gồm các đơn vị camera, cảm biến khoảng cách, RADAR, mảng anten RF để thu thập thông tin và giúp xe đưa ra quyết định dựa trên những thay đổi đột ngột trên đường Các phương tiện và đồ vật thông minh có thể chia sẻ thông tin với nhau bằng công nghệ RF

• Khi dữ liệu khổng lồ được thu thập, AI có thể dự đoán được các tình huống nhất định trên đường đi, cảnh báo tình trạng trên đường và phương tiện, hỗ trợ người lái xe an toàn, tránh va chạm

• Ví dụ: Hỗ trợ kiểm soát hành trình, quản lý nhiên liệu, thông báo có tai nạn trên tuyến đường, tình trạng giao thông đông đúc ở một tuyến đường cụ thể…

➢ Phân tích dữ liệu lớn (Big Data Analytics)

• Một trong những thành phần cơ bản của phân tích dữ liệu lớn (Big data) chính là bản thân của dữ liệu đó; nhiều tổ chức coi dữ liệu là tài sản quý giá nhất để phát triển chiến lược kinh doanh của họ Nguồn dữ liệu có thể từ bất kỳ đâu như máy móc, môi trường, thực vật, con người hoặc thậm chí động vật

• Internet of Things sử dụng hàng trăm loại cảm biến được thiết kế để thu thập dữ liệu từ nhiều loại ứng dụng Lượng dữ liệu khổng lồ từ hàng triệu cảm biến thông minh sẽ giúp cho việc phân tích dữ liệu cần sử dụng trí tuệ nhân tạo và máy học cải thiện được các thuật toán ra quyết định

➢ Máy đọc mã vạch thông minh

• Máy đọc mã vạch IoT có thể giúp quản lý hàng tồn kho tốt hơn cho các nhà bán lẻ Các đầu đọc hỗ trợ xử lý tín hiệu kỹ thuật số dựa trên AI Những thiết bị này có thể tối ưu hóa hoạt động của nhiều lĩnh vực bao gồm bán lẻ, hậu cần, kho hàng…

• Đầu đọc thẻ thanh toán dựa trên IoT có tính năng kết nối dữ liệu đám mây để kết nối với các hệ thống khác như phần mềm ERP, có tích hợp QRCode, Barcode Sử dụng đầu đọc mã vạch được kết nối sẽ giúp doanh nghiệp dễ dàng hơn trong quá trình quản lý hàng tồn kho

➢ Nông nghiệp thông minh

• Nếu như trước đây toàn bộ quá trình nông nghiệp đều phụ thuộc vào sức lao động con người thì giờ đây được đơn giản hóa nhờ sự xuất hiện của máy móc và công nghệ Ứng dụng IoT trong ngành trồng trọt giúp nông dân có thể kiểm soát và nắm bắt những thông tin cần thiết như thời điểm tốt nhất thu hoạch, độ dinh dưỡng của đất, lượng phân bón phù hợp, độ ẩm của đất…

• Những mô hình trang trại chăn nuôi thông minh cũng dần ra đời với những tiến bộ của IoT giúp cho người chủ kiểm soát và thu thập các dữ liệu cần thiết về nhiệt độ chuồng,

độ ẩm không khí hoặc dữ liệu sức khỏe của vật nuôi… từ đó tiết kiệm sức lao động và nâng cao năng suất

➢ Công nghiệp sản xuất

Công nghiệp sản xuất là một trong những ngành sớm áp dụng IoT, nó đã thay đổi hoàn toàn một số giai đoạn của chu kỳ phát triển sản phẩm IoT công nghiệp sẽ giúp tối ưu hóa các công đoạn sản xuất khác nhau của sản phẩm như:

• Giám sát chuỗi cung ứng và quản lý hàng tồn kho • Tối ưu hóa trong phát triển sản phẩm

• Tự động hóa quy trình sản xuất hàng loạt • Kiểm tra chất lượng và cải tiến sản phẩm • Cải thiện việc đóng gói và quản lý

• Tối ưu hóa quy trình bằng cách sử dụng dữ liệu được thu thập từ số lượng lớn các mạng cảm biến

• Giải pháp hiệu quả về chi phí để quản lý tổng thể nhà máy

1.3 Ứng dụng của IoT trong khu vường thông minh

➢ Giám sát cây trồng

• Cảm biến đặt trong các trang trại sẽ theo dõi sự thay đổi của cây trồng khi chịu ảnh hưởng bởi những yếu tố như ánh sáng, độ ẩm, nhiệt độ, hình dạng và kích thước • Bất kỳ sự bất thường nào được cảm biến phát hiện đều được phân tích và thông báo cho

người nông dân Do đó, viễn thám giúp ngăn ngừa sự lây lan của bệnh tật và theo dõi sự phát triển của cây trồng

➢ Thu thập điều kiện thời tiết

• Dữ liệu được thu thập bởi cảm biến về độ ẩm, nhiệt độ, lượng mưa và phát hiện sương giúp xác định mô hình thời tiết trong trang trại để thực hiện canh tác loại cây trồng phù hợp

➢ Giám sát chất lượng đất

• Phân tích tình trạng đất giúp xác định giá trị dinh dưỡng và diện tích khô hơn của trang trại, khả năng thoát nước của đất hoặc độ chua, cho phép điều chỉnh lượng nước cần thiết để tưới tiêu và lựa chọn loại hình canh tác có lợi nhất

• Dữ liệu về tình trạng đất cũng giúp thúc đẩy nông nghiệp tái tạo thông qua cung cấp thông tin về cách thức và thời điểm tăng chất hữu cơ, từ đó đạt được cấu trúc đất tốt hơn và mở đường cho nông nghiệp thông minh

➢ Tưới tiêu tự động

• Cảm biến độ ẩm đất có thể gửi dữ liệu về hệ thống tưới tiêu tự động, giúp điều chỉnh lượng nước cần thiết cho từng khu vực của trang trại dựa trên điều kiện thực tế Điều này giúp tiết kiệm nước và tối ưu hóa quá trình tưới tiêu

➢ Quản lý sâu bệnh

• Các cảm biến có thể giám sát sự xuất hiện của sâu bệnh hoặc dấu hiệu của chúng trên cây trồng Thông tin này có thể được sử dụng để đưa ra các biện pháp phòng trừ hoặc điều trị đúng lúc, giúp giảm thiểu tổn thất và tăng năng suất

➢ Quản lý điều hòa nhiệt độ

• Hệ thống IoT có thể được sử dụng để giám sát và điều chỉnh nhiệt độ trong nhà kính hoặc khu vườn Điều này giúp tạo ra môi trường ổn định cho cây trồng phát triển, đặc biệt quan trọng trong việc canh tác cây trồng nhạy cảm với biến đổi nhiệt độ

➢ Quản lý nguồn nước

• IoT có thể được sử dụng để giám sát chất lượng và lượng nước trong các hồ chứa, giúp quản lý nguồn nước một cách hiệu quả hơn và đảm bảo rằng các cây trồng luôn được cung cấp đủ nước

➢ Phân tích dữ liệu để tối ưu hóa sản xuất

• Dữ liệu thu thập từ các cảm biến có thể được sử dụng để phân tích xu hướng và dự báo về sản xuất cây trồng Việc này giúp người nông dân tối ưu hóa quy trình canh tác, quản lý nguồn lực và tăng cường hiệu suất sản xuất

➢ Theo dõi chất lượng sản phẩm

• Cảm biến có thể được sử dụng để giám sát chất lượng của các loại cây trồng, từ việc đo lường độ chín của trái cây đến kiểm tra độ tươi của rau cải Thông tin này có thể được sử dụng để đảm bảo rằng sản phẩm đạt tiêu chuẩn chất lượng và an toàn cho người tiêu dùng

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Các thiết bị sử dụng

Hình 2 Sơ đồ chân của STM32F103C8T6

Chi tiết sản phẩm

– 72 MHz, 90 DMIPS với 1,25 DMIPS/MHz – Phép nhân chu kỳ đơn và phân chia phần cứng

– Bộ điều khiển ngắt lồng nhau với 43 kênh ngắt có thể che được

– Xử lý ngắt (giảm xuống 6 chu kỳ CPU) ) với chuỗi đuôi

– Bộ nhớ Flash 32 đến 128 Kbyte – SRAM 6 đến 20 Kbyte

– PLL cho xung nhịp CPU

– Bộ tạo dao động 32 kHz chuyên dụng cho RTC có hiệu chuẩn

■ Công suất thấp

– Ngủ, Dừng và Chờ các chế độ

– Cung cấp VBAT cho RTC và các thanh ghi dự phòng

– Phạm vi chuyển đổi: 0 đến 3,6 V – Khả năng giữ và lấy mẫu kép

– Có thể đồng bộ hóa với bộ hẹn giờ điều khiển nâng cao – Nhiệt độ cảm biến

■ DMA

– Bộ điều khiển DMA 7 kênh

– Hỗ trợ các thiết bị ngoại vi: bộ hẹn giờ, ADC, SPI, I2C và USART

ESP32

Hình 3 Sơ đồ chân của ESP32 38 pin

ESP32 là một bộ vi điều khiển và hệ thống trên chip không dây (SoC) phổ biến được phát triển bởi Espressif Systems Nó được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng IoT (Internet of Things) và các hệ thống nhúng khác nhau ESP32 là phiên bản kế thừa của ESP8266 và mang đến những cải tiến đáng kể về sức mạnh xử lý, tùy chọn kết nối và tính linh hoạt Dưới đây là một số tính năng và thông số kỹ thuật chính của ESP32:

• Bộ xử lý lõi kép: ESP32 có bộ vi điều khiển Xtensa LX6 lõi kép, mang lại hiệu suất và khả năng đa nhiệm tốt hơn so với bộ vi điều khiển lõi đơn

• Tốc độ CPU: Mỗi lõi có thể chạy ở tốc độ lên tới 240 MHz, khiến nó phù hợp với nhiều ứng dụng

• Kết nối không dây: ESP32 cung cấp nhiều tùy chọn giao tiếp không dây, bao gồm Wi-Fi (802.11 b/g/n), Bluetooth (BLE và Classic) và hỗ trợ cả chế độ máy khách và điểm truy cập

• Bộ nhớ: ESP32 thường bao gồm 520KB SRAM và 4 MB bộ nhớ flash, cung cấp dung lượng lưu trữ lớn cho mã chương trình và dữ liệu

• Chân GPIO: ESP32 cung cấp một số lượng đáng kể các chân GPIO (Đầu vào/Đầu ra cho mục đích chung), cho phép nó giao tiếp với nhiều loại cảm biến, màn hình và thiết bị bên ngoài

• Chuyển đổi tương tự sang số (ADC): Nó có ADC SAR 12 bit với nhiều kênh để giao tiếp cảm biến tương tự

• Chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự (DAC): ESP32 bao gồm hai kênh DAC 8 bit • Thiết bị ngoại vi: Nó có nhiều loại thiết bị ngoại vi, bao gồm UART, I2C, SPI,PWM,

v.v., giúp nó phù hợp với các yêu cầu giao tiếp khác nhau

• Cảm biến tích hợp: Một số mô-đun ESP32 đi kèm với cảm biến tích hợp, chẳng hạn như cảm biến nhiệt độ và độ ẩm

• Chế độ năng lượng thấp: ESP32 cung cấp nhiều chế độ năng lượng thấp khác nhau để giảm mức tiêu thụ năng lượng trong các ứng dụng chạy bằng pin

• Môi trường phát triển: ESP32 có thể được lập trình bằng Arduino IDE, PlatformIO v

• Khung phát triển IoT Espressif (ESP-IDF)

DHT11

Hình 4 Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11

DHT11 là cảm biến nhiêt độ và độ ẩm giao tiếp với 1 chân dữ liệu, DHT11 đo được giá trị độ ẩm từ 20% đến 90%RH và nhiệt độ từ 0oC đến 50oC, độ chính xác: ± 5%RH và ±2oC

Cấu tạo cảm biến gồm 2 phần: một điện trở nhiệt và một cảm biến độ ẩm điện dung Ngoài ra bên trong module còn có các mạch chuyển đổi tương tự sang số Cảm biến được tích

hợp bộ tiền xử lý giúp cho dữ liệu nhận về được chính xác mà không cần phải qua bất kỳ khâu phân tích hay tính toán nào

Thông số kỹ thuật :

• Điện áp hoạt động: 5VDC • Chuẩn giao tiếp: TTL, 1 wire

• Khoảng đo nhiệt độ: 0-50°C sai số ± 2°C • Tần số lấy mẫu tối đa 1Hz (1 giây / lần)

MODULE CẢM BIẾN ĐỘ ẨM ĐẤT

Hình 5 Cảm biến độ ẩm đất

Module Cảm Biến Độ Ẩm Đất sử dụng IC chính LM393, là một cảm biến độ ẩm đất kỹ thuật số dễ sử dụng Chỉ cần lắp cảm biến vào đất và nó có thể đo hàm lượng độ ẩm hoặc mực nước trong đó Nó cho đầu ra kỹ thuật số 5V khi độ ẩm cao và 0V khi độ ẩm trong đất thấp

• Cảm biến bao gồm một biến trở để đặt ngưỡng độ ẩm mong muốn Đầu ra kỹ thuật số có thể được kết nối với một bộ điều khiển vi mô để cảm nhận mức độ ẩm Cảm biến cũng xuất ra một đầu ra tương tự có thể được kết nối với ADC của bộ điều khiển vi mô để có được mức độ ẩm chính xác trong đất, phù hợp để thực hiện các dự án làm vườn bằng nước, cảm biến nước, v.v

• 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 Cảm biến độ ẩm đất có thể sử dung tưới hoa tự động khi không có người quản lý khu vườn của bạn hoặc dùng trong những ứng dụng tương tự như trồng cây

• Độ nhạy của cảm biến độ ẩm đất có thể tùy chỉnh được (bằng cách điều chỉnh chiết áp màu xanh trên board mạch) Phần đầu DO 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

Thông số kỹ thuật:

+ Điện áp làm việc 3.3V ~ 5V + Có lỗ cố định để lắp đặt thuận tiện + Kích thước: 59 * 1.5 * 19.6 mm

+ Sử dung chip LM393 để so sánh, ổn định làm việc + Đầu kết nối sừ dung 3 dây

VCC 3.3V ~ 5V

GND GND của nguồn ngoài

DO Đầu ra tín hiệu số (mức cao hoặc mức thấp) AO Đầu ra tín hiệu tương tự (Analog)

• Đầu ra AO có thể được kết nối với vi điều khiển thông qua chức năng ADC, bạn có thể nhận được các giá trị cường độ ánh sáng xung quanh chính xác hơn

Thông số kỹ thuật

• Điện áp hoạt động: 3.3V - 5V • Kích thước PCB: 3cm x 1.6cm • Led xanh báo nguồn và ánh sáng • IC so sánh : LM393

• VCC: 3.3V - 5V • GND: 0V

• DO: Đầu ra tín hiệu số (0 và 1)

• Mô tả sơ đồ chân của module cảm biến ánh sáng + DO: Tín hiệu ra digital

+ GND: Nối Mass - Cực âm + VCC: Nối nguồn 3.3V đến 5V

LCD 16x2

Hình 7 Màn hình hiển thị LCD 16x2

Thông số kỹ thuật LCD 16×2

LCD 16×2 được sử dụng để hiển thị trạng thái hoặc các thông số

• LCD 16×2 có 16 chân trong đó 8 chân dữ liệu (D0 – D7) và 3 chân điều khiển (RS, RW, EN)

• 5 chân còn lại dùng để cấp nguồn và đèn nền cho LCD 16×2

• Các chân điều khiển giúp ta dễ dàng cấu hình LCD ở chế độ lệnh hoặc chế độ dữ liệu

• Chúng còn giúp ta cấu hình ở chế độ đọc hoặc ghi

LCD 16×2 có thể sử dụng ở chế độ 4 bit hoặc 8 bit tùy theo ứng dụng ta đang làm