thiết kế một hệ thống tưới cây tự động được xây dựng với trung tâm là arduino uno r3 một trong những loại board arduino với chi phí thấp

Trong đề tài này, em sẽ thiết kế một hệ thống tưới cây tự động được xây dựng với trung tâm là Arduino UNO R3 một trong những loại Board Arduino với chi phí thấp, thiết kế đơn giản, có ứn

1

MỤC LỤC

Lời mở đầu 4

Lời cảm ơn 5

Chương 1: Giới thiệu về hệ thống tưới cây tự động 6

1.1 Giới thiệu về hệ thống tưới cây tự động 6

1.1.1 Tính cấp thiết của hệ thống tưới cây tự động 6

1.1.2 Mục đích và yêu cầu của hệ thống tưới cây 7

1.2 Yêu cầu đề tài 8

1.3 Giải pháp thiết kế 9

1.3.1 Một số giải pháp thiết kế cho hệ thống tưới nước tự động 9

1.3.2 Một số giải pháp đã được áp dụng trong nước và nước ngoài 11

1.4 Xây dựng sơ đồ điều khiển, chức năng, nhiệm vụ và các khối điều khiển 12 Chương 2: Tìm hiểu thiết bị và thiết kế phần cứng 14

2.1 Tìm hiểu thiết bị 14

2.1.1 Tổng quan về Arduino UNO R3 14

2.1.2 Tìm hiểu về LCD 16X2 gắn I2C 15

2.1.3 Tìm hiểu về cảm biến độ ẩm đất M9BI 16

2.1.4 Máy Bơm Mini 6-12V MB385 18

2.1.5 Relay 19

2.1.6 Một số linh kiện khác 19

2.2 Thiết kế phần cứng 20

Chương 3: Lập trình điều khiển và kết quả thực nghiệm 21

3.1 Lập trình điều khiển 21

2

3.1.1 Lưu đồ thuật toán 21

3.1.2 Chương trình điều khiển 22

3.2 Kết quả mô phỏng thực nghiệm 24

3.3 Hướng phát triển của đề tài 25

Kết luận 26

tài liệu tham khảo 27

Tóm tắt 28

3

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Cảm biến độ ẩm trong công nghiệp 9

Hình 1.2: Vòi phun nước tưới nhỏ giọt Archives 10

Hình 1.3: Ứng dụng năng lượng mặt trời trong hệ thống tưới tiêu 10

Hình 1.4: Mô hình ứng dụng công nghệ IOT vào hệ thống tưới 11

Hình 1.5: Robot Droplet tưới cây tự động 12

Hình 1.6: Sơ đồ khối hệ thống 13

Hình 2.1: Vi xử lý Arduino UNO R3 14

Hình 2.2: Màn hình LCD 16x2 gắn module I2C 15

Hình 2.3: Đầu cảm biến độ ẩm đất 16

Hình 2.4: Module của cảm biến 17

Hình 2.5: Sơ đồ chân cảm biến 17

Hình 2.6: Máy bơm Mini MB385 18

Hình 2.7: Sơ đồ đấu nối chân mô phỏng 20

Hình 3.1: Lưu đồ thuật toán của hệ thống 21

4

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay khoa học công nghệ ngày càng phát triển, vi điều khiển ngày càng trở nên thông dụng và hoàn thiện hơn Nhưng có thể nói sự xuất hiện của Arduino vào năm 2005 tại Italia đã mở ra mọt 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 toài về vi điều khiển mà không có quá nhiều kiến thức, hiểu biết sâu sắc về vật lý và điện tử Phần cứng 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/C++ và hệ thống 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 Trong đề tài này, em sẽ thiết kế một hệ thống tưới cây tự động được xây dựng với trung tâm là Arduino UNO R3 (một trong những loại Board Arduino) với chi phí thấp, thiết kế đơn giản, có ứng dụng rộng rãi từ mô hình nhỏ đơn giản đến mô hình lớn phức tạp

5

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện đồ án này, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Cao Đức Thanh - người đã tận tâm hướng dẫn và hỗ trợ em trong suốt quá trình học tập và làm đồ án

Thầy không chỉ là người thầy có kiến thức sâu rộng mà còn là người đồng hành tận tâm, luôn sẵn sàng giải đáp mọi thắc mắc và đưa ra những hướng dẫn chi tiết để giúp em vượt qua mọi khó khăn Bằng tâm huyết và sự nhiệt huyết của mình, Thầy Thanh đã giúp em hiểu sâu hơn về môn học, phát triển kỹ năng nghiên cứu và thực hiện tốt các nhiệm vụ được giao

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Cao Đức Thanh, người đã giúp đỡ

em hoàn thành bài tập lớn một cách suôn sẻ hơn Sự hướng dẫn của Thầy không chỉ

là nguồn động viên mà còn là nguồn động lực lớn, giúp em tự tin hơn trong quá trình nghiên cứu và thực hiện học phần đồ án 1

Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn sự đồng hành và hỗ trợ quý báu của thầy trong suốt quá trình học tập của em

6

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG 1.1 Giới thiệu về hệ thống tưới cây tự động

1.1.1 Tính cấp thiết của hệ thống tưới cây tự động

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 thì tưới nước là một trong các khâu 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 phù 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 khí cho cây trồng phát triển tốt, hệ thống tiết kiệm nước tạo điều kiện cho cây trong hấp thu dinh dưỡng không gây thối rữa, thoái hóa đất, không gây ô nhiễm môi trường Hệ thống tưới nước tự động có thể kết hợp với bón phân, phun thuốc hóa

7

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

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 dần tự động hóa vào đời sống và sản xuất, đặc biệt là các nước đông nam á 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 kì quốc gia, vùng lãnh thổ nào

1.1.2 Mục đích và yêu cầu của hệ thống tưới cây

Hệ thống tưới cây tự động là một phương pháp tưới nước được cài đặt trước bằng máy móc và thiết bị điện tử Hệ thống này tự động cung cấp nước cho cây theo thời gian và lượng nước đã được định sẵn Có nhiều lợi ích của hệ thống tưới tự động:

Tiết kiệm nước: Hệ thống tưới tự động phân phối nước đều đặn và chính xác, giảm lãng phí so với tưới thủ công

hệ thống còn kết hợp cảm biến thời tiết để tăng hiệu suất tưới cây và ngăn chặn ngập úng khi trời mưa

Yêu cầu của hệ thống tưới cây:

- Cảm biến được độ ẩm của đất,

- Điều khiển tự động,

- Hệ thống máy bơm tưới nước

1.2 Yêu cầu đề tài

Đề tài có một số yêu cầu sau:

Độ chính xác trong việc phân phối nước: Hệ thống tưới cần phân phối nước đều và chính xác đến từng vị trí gốc cây Điều này đảm bảo rằng tất cả cây trồng đều nhận đủ lượng nước cần thiết

Tiết kiệm nước: Hệ thống tưới tự động nên được thiết kế để sử dụng nước một cách hiệu quả Sử dụng các cảm biến để đo độ ẩm đất và điều chỉnh lượng nước tưới dựa trên điều kiện thời tiết và nhu cầu thực tế của cây trồng

Dễ dàng bảo trì và sửa chữa: Hệ thống tưới cần được lắp đặt sao cho dễ dàng kiểm tra, làm sạch và sửa chữa Các bộ phận như van, ống dẫn và vòi tưới nên được chọn kỹ càng để tránh hỏng hóc và rò rỉ

9

Khả năng tự động hoạt động: Hệ thống tưới tự động nên có khả năng lập lịch tưới nước theo thời gian và điều kiện thời tiết Điều này giúp tiết kiệm nước và đảm bảo cây trồng luôn được cung cấp đủ nước

Chất lượng vật liệu: Sử dụng các vật liệu chất lượng cao để đảm bảo tính bền vững của hệ thống Ống dẫn, van và các bộ phận khác nên chịu được áp lực và không

bị ăn mòn

Tích hợp công nghệ thông minh: Hệ thống tưới tự động có thể tích hợp cảm biến, hẹn giờ và điều khiển từ xa Điều này giúp tối ưu hóa việc tưới cây và giảm thời gian quản lý

1.3 Giải pháp thiết kế

1.3.1 Một số giải pháp thiết kế cho hệ thống tưới nước tự động

Cảm biến độ ẩm đất: Sử dụng cảm biến độ ẩm để đo lường độ ẩm của đất và xác định lượng nước cần tưới Tích hợp nhiều cảm biến ở các vị trí chiến lược để đảm bảo độ chính xác

Hình 1.1: Cảm biến độ ẩm trong công nghiệp

10

Bộ điều khiển tự động: Phát triển bộ điều khiển thông minh có khả năng xử lý thông tin từ cảm biến và điều chỉnh lượng nước cần tưới Tích hợp thuật toán học máy để tối ưu hóa lịch trình tưới dựa trên dữ liệu lịch sử và điều kiện môi trường

Hệ thống phun nước: Thiết kế vòi phun có thể điều chỉnh hướng và áp lực để đảm bảo phân phối nước đều trên diện tích tưới Sử dụng công nghệ phun nước thông minh để điều chỉnh góc và mức nước tùy thuộc vào loại cây và đặc điểm đất

Hình 1.2: Vòi phun nước tưới nhỏ giọt Archives

Năng lượng tái tạo: Sử dụng nguồn năng lượng tái tạo như pin mặt trời để cung cấp năng lượng cho hệ thống Thiết kế hệ thống hiệu quả năng lượng để giảm chi phí hoạt động

Hình 1.3: Ứng dụng năng lượng mặt trời trong hệ thống tưới tiêu

11

Tương thích với IoT: Kết nối với Internet of Things (IoT) để có khả năng tương tác với các thiết bị và hệ thống khác nhau Sử dụng giao thức tiêu chuẩn để đảm bảo tính tương thích và mở rộng

Hình 1.4: Mô hình ứng dụng công nghệ IOT vào hệ thống tưới

1.3.2 Một số giải pháp đã được áp dụng trong nước và nước ngoài

Hãng robot Droplet giới thiệu robot tưới cây tích hợp những công nghệ tự động mới nhất, điện toán đám mây và một số dịch vụ kết nối khác cho phép Droplet có khả năng tự động ngắm hướng vòi phun, lượng nước và tần suất tưới để tự động tưới nước cho cây theo những lịch trình tự tính 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 mưa/nắng nhằm đưa ra lịch làm việc thích hợp Bộ điều khiển tưới cây tự động Israel dễ dàng

12

được lập trình theo yêu cầu tưới của người sử dụng Chỉ cần vài thao tác lập trình, cung cấp cho hệ thống một nguồn nước đầu vào và dẫn các đầu tưới đến các vị trí cần tưới là đã hoàn tất việc lắp đặt hệ thống tưới tự động theo công nghệ tưới tiên tiến

Hình 1.5: Robot Droplet tưới cây tự động

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 khí tại nhà màng báo 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 ứng thiết thực và

đã được thử nghiệm có hiệu quả thực tế

1.4 Xây dựng sơ đồ điều khiển, chức năng, nhiệm vụ và các khối điều khiển

Sơ đồ điều khiển:

13

Khối nguồn Khối vi xử

lý

Khối động cơ

Khối cảm biến

Hình 1.6: Sơ đồ khối hệ thống

Chức năng của các khối điều khiển:

Khối nguồn: Cung cáp các mức điện áp một chiều cho các bộ phận của hệ thống Bao gồm các điện áp sau:

- 12VDC: Cung cấp cho động cơ máy bơm

- 5VDC: Cung cấp cho board mạch Arduino UNO R3, màn hình LCD I2C, relay, cung cấp cho cảm biến độ ẩm đất

Khối vi xử lý: thực iện các phép tính và quản lý hoạt động của hệ thống Nó có vai trò quan trọng trong xử lý dữ liệu và điều khiển các thiết bị khác Ở đây, mạch Arudino UNO R3 có tác dụng nhận tín hiệu Analog từ cảm biến, sau đó tính toán và đưa ra độ ẩm của đất dưới dạng phần trăm Đồng thời dựa trên số liệu thu được, điều khiển đóng cắt máy bơm

Khối cảm biến: Các cảm biến đo và ghi nhận thông tin từ môi trường xung quanh Chúng đo độ ẩm của đất và chuyển chúng thành dạng tín hiệu analog gửi đến Arduino UNO R3

Khối động cơ: bao gồm relay có chức năng đóng ngắt động cơ và động cơ chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ để bơm nước tưới tiêu cho cây trồng

bị các bộ chân đầu vào/ đầu ra Digital và Analog có thể giao tiếp với các bảng mạch

mở rộng khác nhau Mạch Arduino Uno thích hợp cho những bạn mới tiếp cận và đam mê về điện tử, lập trình…Dựa trên nền tảng mở do Arduino.cc cung cấp các bạn dễ dàng xây dựng cho mình một dự án nhanh nhất ( lập trình Robot, xe tự hành, điều khiển bật tắt led…)

Thông số kỹ thuật:

- Vi điều khiển: Atmega328 họ 8 bit

- Điện áp hoạt động: 5 – 12VDC

- Tần số hoạt động: 16MHz

15

- Dòng tiêu thụ: 300mA

- Điện áp vào giới hạn: 19VDC

- Số chân Digital: 14 (6 chân PWM)

- Số chân Analog: 6 (độ phân giải 10 bit)

- Dòng tối đa trên mỗi chân I/O: 30mA

- Dòng ra tối đa (5V): 500mA

- Dòng ra tối đa (3.3V): 50mA

16

- 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

Thông số module I2C:

- Điện áp hoạt động: 2.5-6V DC

- Hỗ trợ màn hình: LCD1602,1604,2004 (driver HD44780)

- Giao tiếp: I2C

- Địa chỉ mặc định: 0X27 (có thể điều chỉnh bằng ngắn mạch chân A0/A1/A2)

- Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt

- Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD

Chức năng của module I2C trong điều khiển màn hình LCD: LCD có quá nhiều nhiều chân gây khó khăn trong quá trình đấu nối và chiếm dụng nhiều chân trên vi điều khiển Thay vì phải mất 6 chân vi điều khiển để kết nối với LCD 16×2 (RS,

EN, D7, D6, D5 và D4) thì module IC2 bạn chỉ cần tốn 2 chân (SCL, SDA) để kết nối Module I2C hỗ trợ các loại LCD sử dụng driver HD44780(LCD 16×2, LCD 20×4, …) và tương thích với hầu hết các vi điều khiển hiện nay

2.1.3 Tìm hiểu về cảm biến độ ẩm đất M9BI

Đầu cảm biến:

Hình 2.3: Đầu cảm biến độ ẩm đất

Đầu cảm biến là phần tiếp xúc trực tiếp với đất để đo độ ẩm Thường là hai đầu kim loại không rỉ như thép không gỉ hoặc đồng được chìm vào đất Hai đầu kim loại