Thiết kế bộ điều khiển tưới thông minh

Báo cáo đồ án tốt nghiệp đề tài "Thiết kế bộ điều khiển tưới thông minh phục vụ sản xuất cây trồng ứng dụng công nghệ IoT"

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA CƠ ĐIỆN

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA CƠ ĐIỆN

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng công trình nghiên cứu này là kết quả của công sức

và nỗ lực cá nhân của tôi Các phân tích và kết luận được trình bày trong đồ án này đều được thực hiện một cách trung thực và khách quan, chưa từng được sử dụng để bảo vệ cho bất kỳ đồ án môn học nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự hỗ trợ trong quá trình thực hiện đồ án đã được cảm ơn, và tất cả các nguồn thông tin được trích dẫn trong đồ án này đều được ghi rõ nguồn gốc

Hà Nội, ngày 09 tháng 05 năm 2024

Sinh viên thực hiện

Đặng Tuấn Quang

ii

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, em muốn bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến Ban giám đốc Học viện Nông nghiệp Việt Nam, Ban chủ nhiệm khoa Cơ Điện và tất cả các thầy cô giáo trong khoa, trong trường đã dành thời gian và công sức để dạy bảo và hướng dẫn em suốt 5 năm qua tại Học viện

Đặc biệt, em muốn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các giảng viên bộ môn

Tự động hóa Khoa Cơ Điện, người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong quá trình hoàn thành đề tài tốt nghiệp này

Em cũng muốn chân thành cảm ơn tới tất cả thầy cô giáo, bạn bè và người thân đã luôn động viên, hỗ trợ và tạo điều kiện thuận lợi nhất để em hoàn thành

đồ án này

Em nhận thức rằng do kiến thức và thời gian còn hạn chế, đồ án của em không tránh khỏi những thiếu sót, và em hy vọng rằng các ý kiến đóng góp từ quý thầy cô và bạn bè sẽ giúp đồ án này trở nên hoàn thiện hơn

Cuối cùng, em muốn gửi lời chúc sức khỏe, hạnh phúc và thành công đến toàn bộ các thầy cô giáo trong khoa Cơ Điện, các thầy cô trong Học viện Nông nghiệp Việt Nam cũng như tất cả bạn bè và người thân

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 09 tháng 05 năm 2024

Đặng Tuấn Quang

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Mục đích 1

3 Giới hạn nghiên cứu 2

4 Ý nghĩa khoa học 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÀI LIỆU 4

1.1 Khái niệm chung 4

1.1.1 Khái niệm về hệ thống tưới 4

1.1.2 Khái niệm về IoT 4

1.1.3 Khái niệm về bộ điều khiển tưới thông minh 7

1.1.4 Khái niệm về camera IP wifi 8

1.2 Một số bộ điều khiển tưới thực tế 9

1.2.1 Bộ điều khiển tưới tự động qua điện thoại EV04 9

1.2.2 Bộ điều khiển tưới tự động Rain Bird ESP-ME3 11

1.2.3 Bộ điều khiển tưới tự động Hunter Pro-HC 12

1.3 Ứng dụng tự động hoá trong hệ thống tưới 13

1.4 Yêu cầu 15

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 16

2.1 Đối tượng nghiên cứu 16

2.1.1 Các phương pháp tưới 16

2.1.2 Trang thiết bị điều khiển 19

2.2 Nội dung nghiên cứu 22

2.3 Phương pháp nghiên cứu 23

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 24

iv

3.1 Sơ đồ tổng quát 24

3.2 Thiết kế phần cứng 25

3.2.1 Thiết kế khung 26

3.2.2 Lựa chọn cảm biến và thiết bị 26

3.2.3 Lựa chọn bộ điều khiển 32

3.2.4 Cơ cấu chấp hành 44

3.3 Thiết kế phần mềm 45

3.3.1 Bảng phân công tín hiệu 45

3.3.2 Thuật toán điều khiển 45

3.3.3 Chương trình điều khiển 47

3.4 Thiết kế giao diện 48

3.5 Các bước chế tạo 54

3.6 Thử nghiệm và kết quả 58

3.7 Đánh giá và thảo luận 69

3.7.1 Đánh giá 69

3.7.2 Thảo luận 69

3.8 Hạch toán giá thành 69

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 71

1 Kết luận 71

2 Đề nghị 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

PHỤ LỤC 74

v

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Bảng phân công tín hiệu vào/ra 45

Bảng 3.2 Bảng tín hiệu đầu vào PCB 56

Bảng 3.3 Bảng đấu nối jack GX16 56

Bảng 3.4 Bảng đấu nối LCD, nút nhấn 57

Bảng 3.5 Bảng kết quả kiểm tra khả năng bắt sóng wifi của bộ điều khiển 59

Bảng 3.6 Bảng kết quả đọc được từ các cảm biến trong lần thử nghiệm 1 61

Bảng 3.7 Bảng kết quả đọc được từ các cảm biến trong lần thử nghiệm 2 62

Bảng 3.8 Bảng kết quả chạy chế độ manual 63

Bảng 3.9 Bảng kết quả chạy chế độ Valuer 64

Bảng 3.10 Bảng kết quả chạy chế độ Timer 1 lần/ngày 65

Bảng 3.11 Bảng kết quả chạy chế độ Timer 2 lần/ngày 65

Bảng 3.12 Bảng kết quả dữ liệu thu được từ cảm biến trong 1 ngày 66

Bảng 3.14 Bảng kết quả kiểm tra cảm biến nhiệt độ và độ ẩm không khí 67

Bảng 3.13 Bảng kết quả kiểm tra cảm biến ánh sáng 68

Bảng 3.15 Bảng hạch toán giá thành 70

vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Hệ thống tưới 4

Hình 1.2 Internet of Things 5

Hình 1.3 IoT trong nông nghiệp 6

Hình 1.4 Camera IP wifi 9

Hình 1.5 Bộ điều khiển tưới tự động qua điện thoại EV04 9

Hình 1.6 Bộ điều khiển tưới tự động rain bỉd esp-me3 11

Hình 1.7 Bộ điều khiển tưới tự động Hunter Pro-HC 12

Hình 2.1 Phương pháp tưới phun mưa 16

Hình 2.2 Phương pháp tưới nhỏ giọt 17

Hình 2.3 Phương pháp tưới phun sương 18

Hình 2.4 Esp32_32U 19

Hình 2.5 PINOUT module esp32_32U 20

Hình 2.6 Atmega328P 20

Hình 2.7 PINOUT module arduino nano 21

Hình 3.1 Sơ đồ khối 24

Hình 3.2 Sơ đồ bố trí các cảm biến 25

Hình 3.3 Bản vẽ 3D thiết kế khung 26

Hình 3.4 Cảm biến độ ẩm đất đầu dò chống ăn mòn 26

Hình 3.5 Cảm biến SHT30-HT76 27

Hình 3.6 Cảm biến cường độ ánh sáng GY-30 28

Hình 3.7 Cảm biến mưa 29

Hình 3.8 Cảm biến phát hiện chất lỏng XKC-Y25-V 30

Hình 3.9 LCD 128x64 31

Hình 3.10 Nguồn 12V 8A 31

Hình 3.11 Tổng quan sơ đồ nguyên lý 33

Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển 34

Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý khối mức logic UART 34

vii

Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý khối RTC 35

Hình 3.15 Sơ đồ nguyên lý khối tín hiệu cảm biến 35

Hình 3.16 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 5V 36

Hình 3.17 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 3.3V 36

Hình 3.18 Sơ đồ nguyên lý khối nút nhấn 37

Hình 3.19 Sơ đồ nguyên lý khối relay 37

Hình 3.20 Altium Designer 38

Hình 3.21 Giao diện thiết kế PCB trên phần mềm Altium Designer 39

Hình 3.22 Đặt kích thước PCB 39

Hình 3.23 Sắp xếp linh kiện 40

Hình 3.24 Đặt luật đi dây Altium 40

Hình 3.25 Đi dây lớp top Altium 41

Hình 3.26 Đi dây lớp buttom Altium 41

Hình 3.27 Đi dây 2 lớp và đóng via Altium 41

Hình 3.28 Phủ đồng PCB cả 2 lớp Altium 42

Hình 3.29 Mô phỏng PCB 3D Altium 42

Hình 3.30 Xuất file gerber Altium 43

Hình 3.31 Mặt trước PCB hoàn thiện 43

Hình 3.32 Mặt sau PCB hoàn thiện 43

Hình 3.33 Sơ đồ mạch lực 44

Hình 3.34 Sơ đồ thuật toán điều khiển quá trình tưới bằng tay 46

Hình 3.35 Sơ đồ thuật toán điều khiển quá trình tưới tự động 47

Hình 3.36 App inventor(Mitapp) 48

Hình 3.37 Giao diện lập trình Mitapp 48

Hình 3.38 Tạo projects mới Mitapp 49

Hình 3.39 Thiết kế giao diện người dùng Mitapp 49

Hình 3.40 Liên kết lập trình các hàm chức năng Mitapp 50

Hình 3.41 App hoàn thiện trên smartphone 50

viii

Hình 3.42 Lập trình web hiển thị biểu đồ thời gian thực 51

Hình 3.43 Dữ liệu hiển thị trên thingspeak 51

Hình 3.44 Tạo google sheets mới 52

Hình 3.45 Tạo app script 53

Hình 3.46 Thêm thư viện Appfirebase 53

Hình 3.47 Tạo lịch trình lưu dư liệu firebase lên google sheeets 54

Hình 3.48 Dữ liệu được cập nhật trên google sheets 54

Hình 3.49 Hộp kĩ thuật chống nước 230x150x85 54

Hình 3.50 Bộ jack gx16 55

Hình 3.51 Ốc siết cáp PG9 55

Hình 3.52 Mạch hàn linh kiện hoàn thiện 55

Hình 3.53 Lắp jack gx16 và PG9 55

Hình 3.54 Lắp mạch, hàn dây jack gx16 56

Hình 3.55 Lắp LCD, nút nhấn 57

Hình 3.56 Lắp nguồn 57

Hình 3.57 Đấu dây các cảm biến 58

Hình 3.58 Hoàn thiện bộ điều khiển 58

Hình 3.59 Kiểm tra khả năng bắt sóng của bộ điều khiển 58

Hình 3.60 Hình ảnh từ camera quan sát 59

Hình 3.61 Lắp hệ thống phun sương 60

Hình 3.62 Kết nối các cảm biến 60

Hình 3.63 Biểu đồ đo cảm biến độ ẩm đất lần 1 61

Hình 3.64 Biểu đồ đo cảm biến độ ẩm đất lần 2 63

Hình 3.65 Chạy chế độ manual 63

Hình 3.66 Chạy chế độ Valuer 64

Hình 3.67 Chạy chế độ timer 65

Hình 3.69 Máy đo vi khí hậu lutron LM-8102 67

Hình 3.68 So sánh cường độ ảnh sáng với máy Lutron LM-8102 68

hệ thống tưới truyền thống thường gặp phải các vấn đề như lãng phí nước, không hiệu quả trong quản lý và điều khiển, cũng như thiếu tính linh hoạt trong việc điều chỉnh theo điều kiện thời tiết và nhu cầu cây trồng

Do đó, việc thiết kế một bộ điều khiển cho hệ thống tưới nông nghiệp sử dụng công nghệ IoT trở thành một nhu cầu cấp bách Bằng cách kết hợp cảm biến, thiết bị điều khiển và kết nối Internet, ta có thể tạo ra một hệ thống tự động hoàn chỉnh, giúp tối ưu hóa việc sử dụng nước và năng lượng, cũng như tăng cường khả năng quản lý và điều khiển từ xa

Tuy nhiên, việc thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống tưới nông nghiệp ứng dụng IoT không chỉ đơn giản là việc kết nối các thiết bị với Internet Đòi hỏi sự lưu trữ dữ liệu, phân tích dữ liệu, và tự động hóa quy trình điều khiển sao cho phù hợp với điều kiện địa lý, thời tiết, và nhu cầu tưới của từng loại cây cụ thể

Vì vậy, với kiến thức đã học kết hợp với việc tìm hiểu về công nghệ, điện

tử, em đã chọn đề tài “Thiết kế bộ điều khiển tưới thông minh phục vụ sản xuất cây trồng ứng dụng công nghệ IoT” Với đề tài này em mong rằng sau khi hoàn thành sẽ củng cố thêm được kiến thức thực tế và đóng góp vào sự phát triển nông nghiệp của nước nhà

2

3 Giới hạn nghiên cứu

Chặng đường từ lý thuyết đến thực tiễn không hề dễ dàng, đặc biệt khi công nghệ và kiến thức liên tục thay đổi và phát triển với tốc độ chóng mặt Với vốn hiểu biết hạn chế của mình, việc đáp ứng đa dạng yêu cầu thực tế thường trở nên khó khăn, đặc biệt khi mỗi yêu cầu mới cần đến sự mở rộng lớn về kiến thức và khả năng

Vì vậy, trong đồ án này, tôi chỉ tập trung vào việc xây dựng một hệ thống thực hiện được một phần nhỏ của các yêu cầu, nhằm chứng minh tính khả thi của

dự án Đồng thời, để giới hạn phạm vi và đảm bảo tính hiện thực, em sẽ tập trung vào các mục tiêu cụ thể sau:

Xây dựng được một phần mềm điều khiển giám sát: Em sẽ tạo ra một ứng dụng hoạt động cơ bản, giúp người dùng kiểm soát và điều chỉnh việc tưới cho cây trồng thông qua giao diện người dùng

Sử dụng các thiết bị cảm biến phổ biến: Do hạn chế về mặt tài chính nên

em sẽ chỉ sử dụng các cảm biến giá rẻ và dễ dàng tiếp cận để thu thập dữ liệu về

độ ẩm đất và điều kiện môi trường cơ bản

Giải quyết các vấn đề cơ bản: Em sẽ tập trung vào giải quyết những vấn đề

cơ bản liên quan đến việc thu thập và xử lý dữ liệu cảm biến, cũng như việc điều khiển thiết bị tưới dựa trên dữ liệu thu thập được

Sử dụng các loại camera IP có sẵn trên thị trường để theo dõi sự hoạt động của hệ thống

Đề tài được nghiên cứu qua các tài liệu, kiến thức trên mạng Internet và các sách giáo trình

Đề tài được thực hiện và thử nghiệm tại nhà riêng

4 Ý nghĩa khoa học

Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ IoT trong lĩnh vực nông nghiệp: Dự án đóng góp vào việc mở rộng kiến thức về cách sử dụng công nghệ mới nhất để cải thiện hiệu suất và quản lý trong nông nghiệp Việc áp dụng IoT có thể mở ra nhiều

cơ hội mới cho việc tăng cường sản xuất nông nghiệp trong môi trường đô thị

3

Nghiên cứu về quản lý tài nguyên trong nông nghiệp: Bằng cách tối ưu hóa việc sử dụng nước và năng lượng thông qua hệ thống điều khiển tự động, dự án giúp nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên tự nhiên trong sản xuất nông nghiệp, đồng thời giảm thiểu lãng phí và tác động tiêu cực đến môi trường

Phát triển công nghệ trong lĩnh vực nông nghiệp thông minh: Dự án đóng vai trò là một bước tiến quan trọng trong việc phát triển và áp dụng các công nghệ mới nhất vào lĩnh vực nông nghiệp, góp phần vào việc xây dựng một nền nông nghiệp thông minh, bền vững và hiệu quả hơn

Xây dựng cơ sở cho nghiên cứu và phát triển tiếp theo: Dự án tạo ra cơ sở

dữ liệu và kết quả nghiên cứu cần thiết cho các dự án và nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực tưới thông minh và nông nghiệp, từ đó thúc đẩy sự phát triển và ứng dụng của công nghệ IoT trong nông nghiệp

Các thiết bị cảm biến Các cảm biến được sử dụng để đo các thông số như

độ ẩm đất, nhiệt độ, độ ẩm không khí và ánh sáng mặt trời Các dữ liệu từ các cảm biến này sẽ giúp hệ thống đưa ra quyết định về lượng nước cần tưới cho cây trồng

Bộ điều khiển Bộ điều khiển là trung tâm của hệ thống, nhận dữ liệu từ các cảm biến và dựa vào đó điều chỉnh hoạt động của hệ thống tưới Nó có thể quyết định khi nào cần tưới nước, lượng nước cần tưới và thời gian tưới

Hệ thống phân phối nước Hệ thống này bao gồm các ống nước, bơm nước

và các van điều khiển để chuyển nước từ nguồn cung cấp đến các vị trí tưới trên mảng đất hoặc trong hệ thống thủy canh

Giao diện người dùng Gồm phần mềm hoặc giao diện mà người dùng có thể sử dụng để thiết lập và điều chỉnh các thiết lập của hệ thống tưới, như thời gian tưới, lượng nước, và các thiết lập khác

1.1.2 Khái niệm về IoT

5

Hình 1.2 Internet of Things

IoT là viết tắt của Internet of Things, có nghĩa là "Internet vạn vật" Đây là một khái niệm công nghệ mạng lưới, mô tả việc kết nối các thiết bị thông minh, cảm biến và các máy móc khác với Internet và với nhau Mục tiêu của IoT là tạo

ra một mạng lưới có khả năng truyền thông, thu thập dữ liệu, và thực hiện các tác

vụ tự động mà không cần sự can thiệp trực tiếp của con người IoT giúp các thiết

bị từ nhiều lĩnh vực khác nhau như điện tử tiêu dùng, công nghiệp, y tế, nông nghiệp, vận tải và nhiều lĩnh vực khác, có thể giao tiếp với nhau và chia sẻ dữ liệu thông qua Internet

IoT cũng là một trong những xu hướng công nghệ đang phát triển mạnh

mẽ, mở ra một thế giới mới của kết nối và tự động hóa, tác động sâu rộng vào mọi lĩnh vực của cuộc sống và kinh doanh IoT không chỉ đơn thuần là việc kết nối các thiết bị thông minh với nhau, mà còn là một sứ mệnh để tạo ra một môi trường sống và làm việc thông minh, tiện nghi hơn và đồng thời mang lại những lợi ích kinh tế và phát triển xã hội

Cơ bản, IoT bao gồm ba thành phần chính: cảm biến (sensors), kết nối mạng (internet), phần mềm và cloud (software and cloud) Cảm biến là bộ não của hệ thống, thu thập dữ liệu về môi trường xung quanh như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, địa lý, và nhiều thông tin khác Dữ liệu này sau đó được truyền đi thông qua các kết nối mạng như Wi-Fi, Bluetooth, hay các giao thức IoT khác, đến các máy chủ hoặc dịch vụ đám mây để lưu trữ và xử lý Phần mềm và cloud đảm bảo rằng dữ liệu được quản lý và phân tích một cách hiệu quả, đồng thời cung cấp khả năng

mở rộng và linh hoạt cho hệ thống

và đô thị thông minh, IoT có thể cải thiện an toàn giao thông, quản lý lưu lượng

xe cộ và tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng và các nguồn tài nguyên khác

Hình 1.3 IoT trong nông nghiệp

Tuy nhiên, việc triển khai và sử dụng IoT cũng đặt ra nhiều thách thức và vấn đề phức tạp Bảo mật dữ liệu là một trong những vấn đề quan trọng nhất, cần phải đảm bảo an toàn cho thông tin cá nhân và ngăn chặn các cuộc tấn công mạng Ngoài ra, tiêu chuẩn hóa và tương thích giữa các thiết bị và hệ thống IoT cũng là một vấn đề cần được giải quyết để đảm bảo tính linh hoạt và tính đồng bộ của hệ thống Quản lý lớn lượng dữ liệu (Big Data) và phân tích dữ liệu cũng là một thách thức không nhỏ khi triển khai IoT

Cuối cùng, IoT không chỉ là một công nghệ, mà còn là một cách tiếp cận mới mẻ và đầy tiềm năng để tối ưu hóa cuộc sống và công việc của chúng ta Việc tận dụng hết tiềm năng của IoT đòi hỏi sự hợp tác và nỗ lực từ tất cả các bên liên quan, từ các nhà sản xuất thiết bị đến các nhà phát triển phần mềm, các nhà nghiên

7

cứu và cả cơ quan quản lý Trong bài viết này sẽ cho chúng ta thấy khả năng của IoT mang lại cho nông nghiệp

1.1.3 Khái niệm về bộ điều khiển tưới thông minh

Bộ điều khiển tưới thông minh là một hệ thống tự động hóa tiên tiến giúp quản lý và điều khiển việc tưới nước cho cây trồng một cách hiệu quả và tiết kiệm Được thiết kế để thay thế các hệ thống tưới truyền thống, bộ điều khiển này sử dụng công nghệ hiện đại nhằm tối ưu hóa việc sử dụng nước và đảm bảo cây trồng nhận được lượng nước cần thiết theo nhu cầu Hệ thống bao gồm nhiều thành phần chính như cảm biến môi trường, bộ điều khiển trung tâm, kết nối Internet, phần mềm quản lý, và các van điều khiển tự động

Cảm biến môi trường đóng vai trò quan trọng trong việc đo đạc các yếu tố như độ ẩm đất, nhiệt độ, lượng mưa, độ ẩm không khí, và ánh sáng mặt trời Dữ liệu thu thập từ các cảm biến này được gửi đến bộ điều khiển trung tâm, nơi chúng được phân tích để đưa ra quyết định về lịch tưới Bộ điều khiển trung tâm có thể được lập trình theo các lịch tưới cố định hoặc điều chỉnh linh hoạt từ phía người dùng

Một trong những tính năng nổi bật của hệ thống là khả năng kết nối Internet Nhờ kết nối này, người dùng có thể điều khiển và giám sát hệ thống từ xa qua điện thoại thông minh hoặc máy tính Phần mềm quản lý thường hiển thị các dữ liệu quan trọng và cung cấp các báo cáo chi tiết về các thông số môi trường

Các van điều khiển tự động là một phần quan trọng khác của hệ thống Chúng được điều khiển bởi bộ điều khiển trung tâm để mở hoặc đóng nước tưới theo nhu cầu thực tế của cây trồng Việc sử dụng van tự động này giúp đảm bảo lượng nước được cung cấp đúng lúc và đúng lượng, tránh tình trạng lãng phí nước hoặc thiếu nước cho cây trồng

Bộ điều khiển tưới thông minh mang lại nhiều lợi ích đáng kể Đầu tiên, hệ thống giúp tiết kiệm nước một cách hiệu quả bằng cách sử dụng chính xác lượng nước cần thiết, điều này đặc biệt quan trọng ở những khu vực khô hạn hoặc trong các mùa khô tùy thuộc vào tính chất của loại cây mà hệ thống có hệ thống tưới

8

khác nhau như phun sương, phun mua, nhỏ giọt Thứ hai, nó giúp tăng năng suất cây trồng bằng cách cung cấp đủ lượng nước cho cây, cải thiện chất lượng sản phẩm nông nghiệp Thứ ba, hệ thống tự động hóa này giúp người nông dân tiết kiệm thời gian và công sức, giúp họ tập trung vào các công việc khác Cuối cùng, việc sử dụng hệ thống tưới thông minh còn góp phần bảo vệ môi trường bằng cách giảm lãng phí nước và ngăn ngừa tình trạng ngập úng hoặc thiếu nước cho cây trồng

Bộ điều khiển tưới thông minh là một giải pháp công nghệ cao không chỉ tối ưu hóa việc tưới mà còn bảo vệ tài nguyên nước và nâng cao hiệu quả sản xuất nông nghiệp Với sự kết hợp của các công nghệ tiên tiến, hệ thống này mang lại nhiều lợi ích thiết thực, giúp người nông dân quản lý việc tưới một cách thông

minh và hiệu quả hơn

1.1.4 Khái niệm về camera IP wifi

Hiện nay, camera được sử dụng với mục đích chủ yếu là để chụp hình hoặc với mục đích đảm bảo an ninh Trong bài viết này chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu khái niệm camera IP là gì và tập trung vào camera giám sát không dây

Camera IP (Internet Protocol Camera) là loại camera quan sát sử dụng công nghệ Internet Protocol (IP) để truyền tải dữ liệu hình ảnh và âm thanh qua mạng Loại camera này khác với camera analog truyền thống ở chỗ camera IP sử dụng địa chỉ IP riêng để kết nối mạng và truyền dữ liệu, giúp người dùng xem trực tiếp hình ảnh camera từ xa qua Internet bằng điện thoại thông minh, máy tính bảng, hoặc máy tính

Tương tự với các loại camera khác, camera giám sát vẫn có chức năng lưu trữ dữ liệu hình ảnh, video và cần có thiết bị như đầu ghi hoặc ổ cứng hoặc lưu trữ cloud Chất lượng và và độ phân giải của camera giám sát không quá cao nhưng đảm bảo đủ sắc nét để nhận diện khuôn mặt và nhận diện chuyển động

Camera IP không dây ( Camera Wifi)

9

Hình 1.4 Camera IP wifi

Hiện nay, camera không dây được khá nhiều người tiêu dùng ưa chuộng bởi lắp đặt nhanh, sử dụng dễ dàng, thuận tiện Camera wifi được tích hợp nhiều tính năng thông minh như cảnh báo chuyển động, đàm thoại 2 chiều, xoay 360º Mang đến những hình ảnh chân thực, sắc nét giúp đảm bảo an ninh an toàn, hiệu quả

Chỉ cần kết nối camera với smartphone, laptop, máy tính bảng…là có thể giám sát được khu vực lắp đặt camera mọi lúc mọi nơi Miễn là có kết nối Internet Ngoài ra, hiện nay một số dòng camera không dây có hỗ trợ thẻ nhớ giúp bạn có thể xem lại toàn bộ hình ảnh khi cần

1.2 Một số bộ điều khiển tưới thực tế

1.2.1 Bộ điều khiển tưới tự động qua điện thoại EV04

Hình 1.5 Bộ điều khiển tưới tự động qua điện thoại EV04

EV04 là một bộ điều khiển tự động từ xa bằng ứng dụng smartphone của công ty LAZYCO, Có thể điều khiển một bơm và bốn van điện từ Thiết bị này

10

sử dụng sóng GSM, tương thích với các nhà mạng viễn thông như Viettel, Mobifone, Vinaphone, do đó có thể điều khiển từ xa bất cứ nơi nào có sóng điện thoại mà không cần wifi, 3G hay 4G Với bốn cổng van, người dùng có thể điều khiển tưới nước ở bốn khu vực khác nhau tùy theo nhu cầu Giao diện ứng dụng trực quan và dễ sử dụng, giúp việc điều khiển các thiết bị trở nên đơn giản EV04

có thể mở rộng để điều khiển tới 12 van khi kết hợp với hai bộ EX04 Đặc biệt, thiết bị chỉ cho phép bơm chạy khi van mở, tránh tình trạng quên mở van dẫn đến

vỡ ống nước hoặc cháy bơm Thiết bị này còn có thể tích hợp các cảm biến như cảm biến cạn nước để bảo vệ hệ thống Cảm biến cạn nước sẽ gửi cảnh báo và ngắt bơm ngay lập tức khi hết nước, tránh hư hỏng máy bơm EV04 kết hợp các cảm biến và công tắc đầu vào để phát hiện lỗi, giúp bảo vệ hệ thống tưới và đảm bảo an toàn cho người dùng

Thiết bị này không chỉ điều khiển tưới nước một cách thông minh mà còn

có khả năng nhận biết và xử lý sự cố trên đường ống, đồng thời gửi cảnh báo kịp thời cho người dùng EV04 có thể điều khiển bật tắt và hẹn giờ mọi lúc mọi nơi Người dùng có thể thiết lập lịch biểu để máy bơm và van tưới hoạt động tự động hàng ngày với khoảng cách điều khiển lên đến hàng ngàn kilomet Ngoài ra, thiết

bị còn hỗ trợ tính năng phân quyền và bảo mật an toàn Ứng dụng của EV04 rất rộng rãi, từ tưới nông nghiệp đến sản xuất công nghiệp và cuộc sống hàng ngày Trong nông nghiệp, nó giúp điều khiển tưới cây, tưới rau, chong đèn cho cây thanh long, mà không cần đến tận nơi Trong công nghiệp, EV04 là lựa chọn hoàn hảo cho việc điều khiển các thiết bị tự động Trong gia đình, thiết bị giúp người dùng tưới cây, bật nóng lạnh, điều khiển đèn và nhiều thiết bị khác từ xa Thông số kỹ thuật của EV04 bao gồm kích thước 90x70x60 mm, trọng lượng 125g, điện áp 24VDC, và vỏ nhựa ABS siêu nhẹ, siêu bền Thiết bị hoạt động tốt trong khoảng nhiệt độ từ 10 đến 70°C và sử dụng micro SIM để kết nối GSM Với những tính năng vượt trội, EV04 mang lại giải pháp tự động hóa tiện lợi và hiệu quả cho nhiều lĩnh vực khác nhau

11

Ngoài những ưu điểm vượt trội kể trên thiết bị cũng có những hạn chế như

sử dụng sóng di động GSM sẽ phát sinh chi phí cho mỗi tin nhắn lệnh từ phần mềm Phần mềm quản lý cũng không thể phản hồi liên tục được như mạng 4G hay wifi Khả năng mở rộng hạn chế và không có các cảm biến tích hợp Bộ điều khiển nhỏ gọn nên không có mạch lực phải sử dụng mạch lực bên ngoài

1.2.2 Bộ điều khiển tưới tự động Rain Bird ESP-ME3

Hình 1.6 Bộ điều khiển tưới tự động rain bỉd esp-me3

Rain Bird ESP-ME3 là một trong những bộ điều khiển tưới tự động tiên tiến nhất trên thị trường hiện nay, được phát triển bởi Rain Bird Corporation, một trong những nhà sản xuất hàng đầu về hệ thống tưới tự động và giải pháp tiết kiệm nước Được thiết kế với mục tiêu cung cấp hiệu suất cao và tính linh hoạt, ESP-ME3 là sự lựa chọn lý tưởng cho việc quản lý hệ thống tưới trong các khu vườn, sân golf, công viên và cảnh quan khác

Với khả năng quản lý đến 22 vùng tưới khác nhau, với ESP-ME3 người dùng có thể tùy chỉnh và lập trình cho từng khu vực cụ thể trong hệ thống tưới của mình Điều này có nghĩa là chúng ta có thể điều chỉnh lịch trình tưới, thời gian tưới và cài đặt khác cho mỗi khu vực một cách độc lập, tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của cây cối và môi trường sống

Màn hình hiển thị LCD màu lớn cung cấp giao diện người dùng trực quan

và dễ sử dụng, giúp bạn dễ dàng thực hiện các cài đặt và điều chỉnh hệ thống tưới một cách chính xác Khả năng kết nối Wi-Fi của ESP-ME3 là một tính năng đặc biệt quan trọng, giúp người dùng kết nối hệ thống tưới với mạng Wi-Fi và điều khiển từ xa thông qua ứng dụng di động Rain Bird Điều này mang lại sự tiện lợi

Mặc dù có nhiều ưu điểm như vậy nhưng sau cũng có các nhược điểm như giá thành rất cao khi chỉ có bộ điều khiển và các modul mở rộng phải mua riêng Phức tạp trong quá trình cài đặt, mặc dù ESP-ME3 được thiết kế để dễ sử dụng, nhưng việc cài đặt ban đầu và lập trình các chế độ tưới có thể phức tạp đối với người dùng không có kinh nghiệm với hệ thống tưới tự động Đôi khi, việc hiểu

rõ và cấu hình chính xác các cài đặt có thể mất thời gian và công sức

1.2.3 Bộ điều khiển tưới tự động Hunter Pro-HC

Hình 1.7 Bộ điều khiển tưới tự động Hunter Pro-HC

Hunter Pro-HC là một bộ điều khiển tưới tự động hiện đại và tiên tiến, được Hunter Industries, một trong những nhà sản xuất hàng đầu trong lĩnh vực hệ thống tưới tự động, phát triển và sản xuất Với sự tích hợp của công nghệ kết nối Wi-Fi

và ứng dụng di động Hunter, Pro-HC mang lại sự linh hoạt và tiện lợi cho việc quản lý hệ thống tưới

Với khả năng kết nối Wi-Fi người dùng dễ dàng kiểm soát hệ thống tưới từ bất kỳ đâu, bất kỳ khi nào thông qua ứng dụng di động Hunter Điều này rất hữu ích khi cần điều chỉnh lịch trình tưới theo thời tiết thay đổi hoặc khi đang đi xa và muốn kiểm soát hệ thống tưới từ xa Bộ điều khiển có thể quản lý đa vùng, giúp tùy chỉnh lịch trình tưới cho từng khu vực

13

Có thể mở rộng quản lý đến 6, 12 hoặc 24 vùng tưới khác nhau tùy thuộc vào số lượng modul mở rộng thêm người dùng có thể dễ dàng tùy chỉnh và điều chỉnh lịch trình tưới cho từng khu vực cụ thể trong hệ thống tưới Các tùy chọn lịch trình linh hoạt như thời gian tưới, thời gian nghỉ giữa các chu kỳ tưới và tần suất tưới giúp người dùng tối ưu hóa việc sử dụng nước và đáp ứng nhu cầu tưới của cây cối một cách hiệu quả nhất

Pro-HC có thiết kế với một màn hình hiển thị lớn và các nút điều khiển dễ

sử dụng, giúp người dùng dễ dàng cấu hình và điều chỉnh hệ thống tưới Màn hình cung cấp thông tin chi tiết về lịch trình tưới và trạng thái hoạt động của các vùng tưới, tạo điều kiện thuận lợi cho việc theo dõi và quản lý hệ thống

Mặc dù Hunter Pro-HC có nhiều ưu điểm nổi bật, nhưng cũng không tránh khỏi một số nhược điểm Một trong những nhược điểm chính của Hunter Pro-HC

là giá thành và chi phí cài đặt ban đầu So với một số bộ điều khiển tưới tự động khác trên thị trường, Pro-HC có thể có giá cao hơn, đặc biệt là khi tính thêm chi phí các modul mở rộng Có một màn hình hiển thị lớn và các nút điều khiển dễ sử dụng, giao diện người dùng của Pro-HC có thể phức tạp đối với những người không quen thuộc với công nghệ hoặc không có kinh nghiệm trong việc cài đặt

hệ thống tưới tự động Số cảm biến còn hạn chế nên các thông số về môi trường hiển thị được rất ít Phức tạp trong quá trình lắp đặt do đòi hỏi phải thiết kế thêm

hệ thống mạch lực

1.3 Ứng dụng tự động hoá trong hệ thống tưới

Hệ thống tưới thông minh với ứng dụng công nghệ IoT điều khiển và giám sát từ xa đã thay thế một cách hiệu quả công việc tưới thủ công, mang lại nhiều lợi ích vượt trội cho người nông dân và các doanh nghiệp nông nghiệp

Giám sát và điều khiển từ xa: Thông qua kết nối Internet, hệ thống giúp người dùng giám sát và điều khiển hệ thống từ xa bằng các thiết bị như điện thoại thông minh hoặc máy tính Có nghĩa là người nông dân có thể kiểm tra tình trạng tưới của ruộng đồng bất cứ lúc nào và từ bất cứ đâu, mà không cần phải có mặt tại chỗ Tính năng này đặc biệt hữu ích khi người nông dân có nhiều khu vực trồng trọt cần được quản lý

Tiết kiệm thời gian công sức: Với hệ thống tưới thông minh, người nông dân không cần phải dành nhiều thời gian để kiểm tra và điều chỉnh việc tưới nước mỗi ngày Hệ thống tự động sẽ làm việc này, giúp người nông dân tập trung vào các công việc khác như chăm sóc cây trồng, quản lý trang trại, hoặc thậm chí là nghỉ ngơi Điều này không chỉ giúp tăng hiệu quả lao động mà còn cải thiện chất lượng cuộc sống của người nông dân

Giảm thiểu sai sót và lãng phí: Hệ thống tưới tự động hoạt động dựa trên

dữ liệu chính xác từ các cảm biến, giúp giảm thiểu sai sót do con người gây ra như tưới quá nhiều hoặc quá ít nước Điều này không chỉ giúp tiết kiệm nước mà còn đảm bảo rằng cây trồng nhận được lượng nước cần thiết để phát triển tối ưu Việc giảm lãng phí nước cũng góp phần bảo vệ tài nguyên nước, một nguồn tài nguyên quý giá và hạn chế ở nhiều khu vực

Lưu trữ dữ liệu và phân tích: Hệ thống tưới thông minh thường đi kèm với phần mềm quản lý và phân tích dữ liệu Người nông dân có thể theo dõi các thông

số của môi trường Dữ liệu này được lưu trữ và giúp họ đưa ra các quyết định thông minh hơn, cải thiện chiến lược tưới và các biện pháp canh tác khác

Cài đặt linh hoạt và đa năng: Hệ thống có khả năng cài đặt linh hoạt, cho phép người dùng sử dụng các hệ thống vòi tưới khác nhau như tưới nhỏ giọt, tưới phun sương, tưới phun mưa tùy thuộc vào tính chất của từng loại cây Tạo ra các kịch bản tưới khác nhau, điều kiện môi trường và yêu cầu cụ thể Người dùng

có thể cài đặt lịch trình tưới, cài đặt ngưỡng độ ẩm đất, ngưỡng ánh sáng và điều chỉnh các thông số khác để đáp ứng nhu cầu cụ thể của từng khu vực trồng trọt

Tự động hóa đang là xu hướng phát triển không có dấu hiệu chậm lại Công nghệ này tiếp tục sẽ thúc đẩy các tổ chức để đạt được hiệu quả và hiệu suất ngày càng cao Để duy trì tính cạnh tranh trong thị trường, người nông dân sẽ muốn trở thành một trong những người đi đầu trong việc triển khai tự động hóa

15

1.4 Yêu cầu

Mô hình tưới ứng dụng công nghệ IoT phải đạt được những yêu cầu sau: Kích thước nhỏ gọn: 230x150x85mm

Ứng dụng thành công công nghệ IoT

Quản lý từ xa qua phần mềm di động: Hệ thống cần có khả năng quản lý từ

xa thông qua Internet để người dùng có thể kiểm soát và điều chỉnh hệ thống từ bất kỳ đâu, bất kỳ lúc nào Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc quản lý và giám sát hệ thống

Thu thập dữ liệu: Hệ thống cần có khả năng thu thập dữ liệu từ các cảm biến như cảm biến độ ẩm đất từ 0 đến 100%, cảm biến nhiệt độ không khí từ -10 đến 80℃, cảm biến độ ẩm không khí từ 0 đến 100%, cảm biến ánh sáng từ 0 đến 100% Dữ liệu này sẽ được sử dụng để đánh giá điều kiện môi trường và nhu cầu nước của cây trồng

Lưu trữ được các giá trị mà hệ thống đo đạc được Hệ thống có khả năng lưu trữ dữ liệu nhằm phục vụ cho việc phân tích và đánh giá môi trường sau này với giới hạn 5 triệu ô dữ liệu trong google sheets

Tính linh hoạt: Hệ thống cần được thiết kế để linh hoạt và có thể mở rộng

để phục vụ các nhu cầu cụ thể của từng trang trại hoặc khu vực trồng trọt khác nhau

Điều khiển các van cũng như máy bơm chính xác không bị gián đoạn tránh các trường hợp như bơm mở nhưng van vẫn đóng làm cháy bơm và vỡ ống

Cài đặt và thay đổi được các thông số của hệ thống như ánh sáng, độ ẩm hay thời gian

Như vậy qua chương 1 chúng ta đã hiểu tổng quan về hệ thống tưới ứng dụng IoT trong thực tế Qua đó chúng ta có thể xây dựng được yêu cầu thiết kế

mô hình bộ điều khiển giám sát hệ thống tưới có ứng công nghệ IoT

Tiếp theo để hiểu rõ hơn về đề tài, ta sẽ đến với đối tượng và phương pháp nghiên cứu được trình bày cụ thể trong chương 2

16

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu

2.1.1 Các phương pháp tưới

a, Phương pháp tưới phun mưa

Hình 2.1 Phương pháp tưới phun mưa

Phương pháp tưới phun mưa là một kỹ thuật tưới trong nông nghiệp, trong

đó nước được phun ra từ các vòi phun hoặc béc phun dưới dạng các hạt nhỏ giống như mưa tự nhiên Hệ thống này sử dụng một mạng lưới ống dẫn nước, thường kết hợp với máy bơm để tạo áp lực, giúp phân phối nước đều đặn và hiệu quả trên diện tích đất trồng trọt Nước từ hệ thống phun mưa thấm vào đất, cung cấp độ

ẩm cho cây trồng một cách đồng đều, giúp cải thiện sự phát triển và năng suất cây trồng

Ưu điểm của phương pháp này là phân phối nước đều và đi xa trong một khoảng không gian rộng, giảm công lao động và bảo vệ đất Tuy nhiên, nó cũng

có nhược điểm như chi phí đầu tư ban đầu cao và yêu cầu bảo trì định kỳ Phương pháp này thường áp dụng cho các cây trồng lớn và có diện tích rộng như cây cà phê, cây ăn quả, cây công nghiệp Đối với các khu vực khô cằn hoặc có hạn chế

về nguồn nước, phương pháp tưới phun mưa mang lại một giải pháp hiệu quả và tiết kiệm để duy trì sự sống cho cây trồng

b, Phương pháp tưới nhỏ giọt

17

Hình 2.2 Phương pháp tưới nhỏ giọt

Phương pháp tưới nhỏ giọt là một phương pháp tưới cây hiệu quả và tiết kiệm nước Thay vì tưới nước rải rác trên diện tích rộng, phương pháp này tập trung cung cấp nước và chất dinh dưỡng trực tiếp vào gốc cây thông qua các ống nhỏ giọt hoặc béc phun nhỏ Cách thức hoạt động của hệ thống tưới nhỏ giọt bao gồm bơm nước để tạo áp suất, hệ thống ống nhỏ giọt để dẫn nước tới từng cây và

bộ điều khiển để kiểm soát lượng nước và thời gian tưới Nước được cung cấp chậm rãi và trực tiếp vào khu vực gốc cây, tạo ra môi trường ẩm ướt xung quanh

hệ rễ mà không gây lãng phí nước

Phương pháp tưới nhỏ giọt thường được áp dụng cho một số loại cây trồng như cây hoa và cây cảnh, cây trồng hạt như cà chua hay ớt

Ưu điểm của phương pháp này bao gồm khả năng tiết kiệm nước và năng lượng, cung cấp chính xác lượng nước và dưỡng chất cho cây, và giảm mất mát

do hơi nước cũng như nguy cơ mọc cỏ dại Tuy nhiên, hệ thống này cũng có nhược điểm như chi phí ban đầu cao, nguy cơ bị tắc nghẽn và yêu cầu bảo dưỡng thường xuyên, cũng như hạn chế trong việc phục vụ diện tích lớn

c, Phương pháp tưới phun sương

18

Hình 2.3 Phương pháp tưới phun sương

Phương pháp tưới phun sương cũng là phương pháp được sử dụng trong đề tài này Đây là một trong những phương tiện hiệu quả được sử dụng trong lĩnh vực tưới tiêu, không chỉ trong nông nghiệp mà còn trong các ứng dụng khác như cảnh quan và công nghiệp Phương pháp này dựa trên việc tạo ra các hạt nước nhỏ

và mịn, giống như sương sớm, và phun vào không khí xung quanh cây trồng hoặc khu vực cần tưới

Cơ chế hoạt động của hệ thống tưới phun sương thường bao gồm các ống phun được đặt đều trong khu vực cần tưới Khi nước được phun ra, áp suất cao sẽ làm nước chuyển đổi thành các hạt nhỏ, tạo thành một màn sương mịn xung quanh cây trồng Những hạt sương này sẽ tiếp xúc với không khí và nhanh chóng bay đi, tạo ra một môi trường ẩm ướt quanh cây, giúp chúng hấp thụ nước một cách hiệu quả Phương pháp này thường được áp dụng cho một số loại cây trồng như: Các loại rau non hoặc rau mầm, các loại hoa như hoa lan, hoa hồng

Một trong những ưu điểm lớn của phương pháp này là khả năng tiết kiệm nước, vì nước không được sử dụng trực tiếp để tưới cây mà được chuyển hóa thành hạt sương mịn Điều này giúp giảm thiểu lượng nước bị phung phí do tiếp xúc trực tiếp với đất và cũng giảm nguy cơ mất nước Ngoài ra, tưới phun sương cũng có thể được sử dụng để làm mát không gian, giảm nhiệt độ và tăng độ ẩm, đặc biệt là trong các khu vực khí hậu khô cằn

19

Phương pháp này không chỉ giúp tăng hiệu suất sản xuất cây trồng mà còn thích hợp cho việc tạo ra môi trường sống lý tưởng cho các loại cây và thảm cỏ, đặc biệt là trong các khu vực thiếu nước Đồng thời, nó cũng được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như công nghiệp, thủy sản nuôi trồng, và cảnh quan, đem lại hiệu quả kinh tế và môi trường tích cực.như thủy sản nuôi trồng, làm mát công nghiệp và làm mát không gian công cộng

2.1.2 Trang thiết bị điều khiển

Giới thiệu về ESP32-WROOM-32U

Hình 2.4 Esp32_32U

ESP32 là một loại vi điều khiển (microcontroller) có hiệu suất cao được sản xuất bởi Espressif Systems, một công ty công nghệ đặt trụ sở tại Trung Quốc Được ra mắt vào năm 2016, ESP32 được thiết kế đặc biệt để hỗ trợ các ứng dụng Internet of Things (IoT)

ESP32 là một vi điều khiển đa chức năng với nhiều đặc điểm nổi bật giúp

nó trở thành một lựa chọn lý tưởng cho nhiều ứng dụng khác nhau Đầu tiên, điểm đáng chú ý nhất của ESP32 là khả năng kết nối Wi-Fi và Bluetooth tích hợp Với việc tích hợp sẵn cả module Wi-Fi và Bluetooth, ESP32 cho phép kết nối không dây với mạng Wi-Fi và các thiết bị Bluetooth mà không cần sử dụng các module ngoại vi phụ trợ Ngoài ra, ESP32 được trang bị chip xử lý mạnh mẽ, giúp nó xử

lý các nhiệm vụ phức tạp và đa nhiệm một cách hiệu quả Điều này làm cho việc phát triển các ứng dụng IoT trở nên dễ dàng và linh hoạt hơn

ESP32 cũng được trang bị nhiều cổng giao tiếp như SPI, I2C, UART, GPIO, ADC, DAC, và các giao tiếp khác, tạo điều kiện thuận lợi cho việc kết nối với nhiều loại linh kiện và thiết bị ngoại vi khác nhau

20

Khả năng tiết kiệm năng lượng của ESP32 cũng là một điểm mạnh, với khả năng hoạt động ở nhiều chế độ tiết kiệm năng lượng khác nhau, giúp gia tăng tuổi thọ pin và phù hợp với các ứng dụng di động hoặc cần tiết kiệm năng lượng

Cuối cùng, ESP32 được hỗ trợ bởi một loạt các công cụ phát triển phần mềm như Arduino IDE, PlatformIO, ESP-IDF, giúp người dùng dễ dàng phát triển

và triển khai ứng dụng của mình

Hình 2.5 PINOUT module esp32_32U

Đối với thông số kỹ thuật, ESP32 hoạt động ở điện áp từ 3 đến 3.6VDC, có

448 KB ROM cho các chức năng khởi động, 520 KB SRAM cho dữ liệu Nó cũng

có 4MB hoặc 16MB Flash, Wi-Fi 802.11b/g/n, Bluetooth V4.2, cùng với nhiều giao tiếp phần cứng như SD card, UART, SPI, I2C, PWM, ADC, DAC

Giới thiệu về Atmega328P

Hình 2.6 Atmega328P

ATmega328P là một loại vi điều khiển (microcontroller) sản xuất bởi Microchip Technology (trước đây là Atmel Corporation) Được phát triển dựa

21

trên kiến trúc AVR RISC Thông số kỹ thuật của ATmega328P bao gồm kiến trúc AVR 8-bit, bộ nhớ flash 32 KB, EEPROM 1 KB, SRAM 2 KB, và 23 GPIO Nó cũng đi kèm với 32 thanh ghi mục đích chung và 24 ngắt nội và ngoại vi

Đối với giao tiếp, ATmega328P hỗ trợ UART, SPI và I2C, cùng với bộ chuyển đổi A/D 8 kênh 10 bit và 6 kênh PWM, cung cấp linh hoạt trong việc kết nối và điều khiển các linh kiện ngoại vi

Một số ứng dụng cụ thể của nó trong các dự án thực tế và những thách thức

cụ thể mà người phát triển có thể phải đối mặt khi làm việc với chip này ATmega328P thường được sử dụng trong các dự án nhúng và điện tử như Arduino Uno và các biến thể của nó Arduino Uno là một bo mạch phổ biến dùng để phát triển các ứng dụng nhúng đơn giản đến trung bình Sự phổ biến của nó chủ yếu là

do sự dễ sử dụng và linh hoạt trong việc lập trình, cũng như khả năng mở rộng thông qua các shields và modules bổ sung Một trong những ứng dụng phổ biến của ATmega328P là trong các dự án điều khiển thiết bị đơn giản như đèn LED, cảm biến, và servo motor Với số lượng GPIO đủ lớn và khả năng giao tiếp với các giao thức như UART, SPI, và I2C, vi điều khiển này rất phù hợp để điều khiển

và tương tác với các thành phần điện tử khác

Hình 2.7 PINOUT module arduino nano

Một ứng dụng khác của ATmega328P là trong các dự án đòi hỏi việc thu thập dữ liệu từ các cảm biến và gửi chúng đến một máy tính hoặc thiết bị khác để

22

xử lý Ví dụ, một dự án theo dõi môi trường có thể sử dụng các cảm biến như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng kết hợp với ATmega328P để thu thập dữ liệu và gửi chúng qua giao tiếp đến một máy tính hoặc máy chủ để phân tích

Mặc dù ATmega328P có nhiều ứng dụng tiềm năng, nhưng cũng có những thách thức cụ thể mà ta có thể phải đối mặt Một trong số đó là hạn chế về bộ nhớ

và tính năng của chip Với bộ nhớ flash chỉ có 32 KB, việc lập trình các ứng dụng phức tạp hoặc sử dụng nhiều thư viện có thể trở nên khó khăn Đối với các dự án yêu cầu xử lý dữ liệu lớn hoặc các tính năng phức tạp, việc chọn một vi điều khiển

có bộ nhớ lớn hơn có thể là một lựa chọn tốt hơn

Ngoài ra, ATmega328P chỉ có thể hoạt động ở tần số thạch anh 16MHz Điều này có thể là một hạn chế đối với các dự án yêu cầu tiết kiệm năng lượng hoặc hoạt động ở tần số thấp hơn để tiết kiệm pin

Cuối cùng, ATmega328P là một trong những chip vi điều khiển phổ biến nhất và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng nhúng và dự án điện tử

2.2 Nội dung nghiên cứu

Tổng quan về hệ thống tưới kiểu cũ: Mô tả về hệ thống tưới truyền thống

và các hạn chế của nó, bao gồm cách thức vận hành, quản lý nước

Lập kế hoạch và thiết kế hệ thống tưới IoT: Xác định các yêu cầu chức năng của hệ thống Thiết kế kiến trúc hệ thống, bao gồm cả phần cứng và phần mềm Lựa chọn các linh kiện phần cứng như vi điều khiển, cảm biến, van điều khiển nước

Phát triển phần cứng: Thiết kế và phát triển bộ điều khiển tưới IoT dựa trên

vi điều khiển ESP32 và Arduino nano Lắp ráp và kiểm tra phần cứng để đảm bảo hoạt động ổn định và tương thích với các linh kiện khác

Phát triển phần mềm: Phát triển ứng dụng điều khiển từ xa trên nền tảng IoT, cho phép người dùng theo dõi và điều khiển hệ thống tưới từ xa thông qua điện thoại di động Phát triển tính năng quản lý lịch trình tưới tự động

Thử nghiệm, đánh giá và cải tiến: Tiến hành thử nghiệm chạy thử hệ thống, đánh giá hiệu suất của hệ thống mang lại và các cải tiến trong tương lai

23

2.3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu khai thác và sử dụng các thiết bị linh kiện hiện có:

Nghiên cứu phân tích và đánh giá các thiết bị và linh kiện hiện có, bao gồm

cả vi điều khiển, cảm biến, module kết nối mạng và các linh kiện khác Xác định các tính năng, khả năng và hạn chế của mỗi thiết bị để biết cách tận dụng chúng trong nghiên cứu

Lựa chọn và kết hợp thiết bị linh kiện: Dựa trên phân tích đánh giá, tiến hành lựa chọn các thiết bị và linh kiện phù hợp để sử dụng trong nghiên cứu

Tùy chỉnh và cải thiện: Có thể tiến hành tùy chỉnh và cải thiện các thiết bị

và linh kiện để đáp ứng các yêu cầu cụ thể của nghiên cứu Điều này có thể bao gồm việc cải tạo lại các cảm biến có sẵn, thay đổi phần cứng hoặc thêm các tính năng mới

Thử nghiệm và đánh giá: Sau khi tùy chỉnh, tiến hành thử nghiệm và đánh giá hiệu suất của các thiết bị và linh kiện trong các điều kiện thực tế hoặc mô phỏng Thực hiện đo lường các thông số kỹ thuật, độ chính xác và độ ổn định để đảm bảo rằng chúng đáp ứng được yêu cầu của nghiên cứu

Ứng dụng và triển khai: Cuối cùng, sau khi hoàn thiện và đánh giá, hệ thống được triển khai và áp dụng vào thực tế Tiếp tục theo dõi và cải thiện hệ thống dựa trên phản hồi và trải nghiệm thực tế

Qua chương 2, chúng ta đã tìm hiểu được tổng quan về đối tượng nghiên cứu, ý đồ xây dựng hệ thống, các thiết bị có trong hệ thống và phương pháp nghiên cứu Trên cơ sở đó trong chương 3, em sẽ hoàn thiện các thiết kế phần cứng, phần mềm và tiến hành chế tạo mô hình, cùng đó là thực hiện thử nghiệm đánh giá hoạt động của hệ thống

LCD_128x64: Màn hình hiển thị

ESP32, Atmega328P: Các vi điều khiển

RCT: Khối thời gian thực DS3231

SHT30 (2): Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm không khí SHT30

Firebase cloud: Cơ sở dữ liệu thời gian thực

Cơ cấu chấp hành: Bao gồm bơm, đèn và các van điện từ

I2C: Giao tiếp I2C

SPI: Giao tiếp SPI

UART: Giao tiếp UART

Nguyên lý hoạt động: Esp32 đọc dữ liệu từ các cảm biến nhiệt độ độ ẩm, ánh sáng, mưa, gửi qua atmega328P, atmega328 nhận giá trị và hiển thị lên LCD

25

đồng thời đọc giá trị từ cảm biến nhiệt độ, độ ẩm(2) tiếp tục gửi trở lại esp32, hai

vi xử lý giao tiếp với nhau qua UART mềm Tiếp theo esp32 tổng hợp giá trị đọc được từ cảm biến cũng như giá trị nhận được từ atmega328, sau khi tổng hợp đủ chuỗi dữ liệu tiến hành gửi dữ liệu lên firebase(Realtime Database) Dữ liệu từ firebase được gửi xuống app và hiển thị trên màn hình di động các thao tác điều khiển và cài đặt các thông số từ người dùng trên app được gửi lên firebase và truyền lại esp32 để xử lý và thực hiện các tác vụ đã được lập trình Quá trình điều khiển qua lại giữa App và Esp32 đều được phản hồi đến người dùng Cảm biến mưa có thể bật hoặc tắt trên app, khi phát hiện mưa mà hệ thống đang trong quá trình tưới thì hệ thống sẽ tắt bơm Cảm biến phát hiện chất lỏng hoạt động khi mực nước trong bể chưa hết và ngắt bơm để bảo vệ bơm và đường ống

Hình 3.2 Sơ đồ bố trí các cảm biến

Khu vực cần tưới là khu vực ngoài trời gồm có các cả biến độ ẩm đất cắm trên các vùng cần tưới hoặc các luống có có lắp đặt hệ thống vòi tưới, cảm biến nhiệt độ và độ ẩm không khí 1 cũng như cảm biến mưa và cảm biến ánh sáng lắp trên cao cách mặt đất 2m

Bên trong khu vực trong nhà lắp đặt bộ điều khiển trung tâm, cảm biến nhiệt độ và độ ẩm không khí 2 cũng như cảm biến phát hiện chất lỏng dưới bể chứa để phát hiện hết nước

3.2 Thiết kế phần cứng

26

3.2.1 Thiết kế khung

Hình 3.3 Bản vẽ 3D thiết kế khung

Kích thước thiết kế 230x150x85mm, Vật liệu bằng nhựa ABS

3.2.2 Lựa chọn cảm biến và thiết bị

a Cảm biến độ ẩm đất đầu dò chống ăn mòn

Hình 3.4 Cảm biến độ ẩm đất đầu dò chống ăn mòn

Cảm biến độ ẩm đất đang trở thành một phần không thể thiếu trong các hệ thống tưới nước tự động và vườn thông minh hiện đại Để đảm bảo độ chính xác

và độ bền cao, cảm biến độ ẩm đất thường được trang bị đầu dò chống ăn mòn,

27

giúp tăng cường khả năng chịu đựng và ổn định so với các loại đầu dò làm bằng PCB

Cảm biến này được thiết kế để giúp xác định độ ẩm của đất thông qua đầu

dò và trả về giá trị Analog hoặc Digital qua 2 chân tương ứng để giao tiếp với vi điều khiển Với tín hiệu đầu ra Analog, giá trị được truyền theo điện áp cấp nguồn tương ứng, trong khi đó, với tín hiệu đầu ra Digital, thông tin được truyền dưới dạng số hóa

Điện áp hoạt động của cảm biến là từ 3.3 đến 12VDC, tạo điều kiện linh hoạt cho việc tích hợp vào các hệ thống có nguồn cung cấp điện khác nhau Tích hợp đầu dò chống ăn mòn không chỉ nâng cao độ bền của cảm biến mà còn đảm bảo sự ổn định trong quá trình hoạt động, giúp cho hệ thống hoạt động một cách hiệu quả và đáng tin cậy trong thời gian dài

b Cảm biến SHT30

Hình 3.5 Cảm biến SHT30-HT76

Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm SHT30 – HT76 là một loại cảm biến đo độ ẩm

và nhiệt độ độ chính xác cao, được sản xuất bởi công ty Sensirion Cảm biến SHT30 có độ chính xác cao và ổn định trong việc đo độ ẩm và nhiệt độ môi trường Được thiết kế với bộ lọc chống thấm PE từ vật liệu polyme, cảm biến này có khả năng chống bụi, chống thấm nước và cung cấp sự thoáng khí tốt

Cảm biến SHT30 phía trong được bao bọc bên ngoài là lớp vỏ bảo vệ khỏi các tác động vật lý từ môi trường như bụi, nước… Dây cảm biến sử dụng cáp

c Cảm biến cường độ ánh sáng GY-30

Hình 3.6 Cảm biến cường độ ánh sáng GY-30

Cảm biến cường độ ánh sáng GY-30 là một mạch cảm biến nhỏ gọn và chính xác, được thiết kế để đo lường mức độ sáng trong môi trường xung quanh Với giao tiếp I2C, cảm biến này dễ dàng kết nối với các vi điều khiển, giúp việc thu thập dữ liệu ánh sáng trở nên thuận tiện và hiệu quả GY-30 có dải đo rộng từ

0 đến 65535 lux, phù hợp cho nhiều ứng dụng như hệ thống chiếu sáng thông minh, nông nghiệp công nghệ cao và các thiết bị điện tử tiêu dùng

Thiết kế của cảm biến gồm các chân kết nối như GND, ADD, SDA, SCL

và VCC, có thể tích hợp dễ dàng vào các hệ thống khác nhau Đặc biệt, cảm biến này có độ nhạy cao và độ chính xác ±3%, đảm bảo cung cấp các phép đo tin cậy

Ngoài ra, GY-30 tiêu thụ năng lượng thấp và có kích thước nhỏ gọn, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các dự án DIY và các hệ thống nhúng phức

Bề mặt của phần đầu dò được chế tạo với chất lượng cao và có khả năng chống oxi hóa, đảm bảo sự bền bỉ và ổn định của cảm biến dưới nhiều điều kiện khác nhau Điều này làm cho cảm biến mưa trở thành một công cụ tin cậy và hiệu quả trong việc theo dõi và đánh giá tình trạng môi trường

Thông số kỹ thuật của cảm biến mưa bao gồm điện áp hoạt động từ 3 đến 5VDC, dòng định mức dưới 3mA và thời gian đáp ứng nhanh (100ms), giúp cung cấp dữ liệu chính xác và kịp thời Độ chính xác cao trong việc phát hiện độ ẩm cũng là một điểm nổi bật, giúp đảm bảo hiệu suất hoạt động của cảm biến trong mọi điều kiện

Với các thông số kỹ thuật này, cảm biến mưa có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ tự động hóa, giám sát môi trường đến ứng dụng trong ngành nông nghiệp và xây dựng Đóng vai trò quan trọng trong việc theo dõi và điều chỉnh hệ thống tưới, đảm bảo an toàn trong các ứng dụng liên quan đến tưới,

30

cảm biến mưa là một phần không thể thiếu trong hệ thống nông nghiệp thông minh hiện đại

e Cảm biến phát hiện chất lỏng không tiếp xúc XKC-Y25-V

Hình 3.8 Cảm biến phát hiện chất lỏng XKC-Y25-V

Cảm biến mực chất lỏng không tiếp xúc là một công cụ quan trọng trong việc xác định mực chất lỏng tại vị trí đặt của cảm biến Khi mực nước hoặc chất lỏng đạt tới vị trí này, cảm biến sẽ xuất tín hiệu đầu ra ở mức cao hoặc thấp, thường được kèm theo đèn báo để cung cấp thông tin trực quan

Một trong những ưu điểm lớn của cảm biến này là khả năng xuyên qua các thành bồn phi kim loại mà vẫn duy trì hiệu suất hoạt động Điều này là do cảm biến không tiếp xúc trực tiếp với chất lỏng giúp tăng độ bền và tuổi thọ của sản phẩm

Thông số kỹ thuật của cảm biến lỏng bao gồm điện áp sử dụng từ 5 đến 24VDC, dòng tiêu thụ 200mA, và khả năng xuyên qua các thành bồn có độ dày

từ 0 đến 20mm, với chất liệu bồn chứa là phi kim Cảm biến cũng hoạt động trong môi trường nhiệt độ từ -20 đến 100 độ C và độ ẩm từ 5% đến 100%, đảm bảo hiệu suất ổn định và đáng tin cậy trong mọi điều kiện

Với độ chính xác và độ nhạy tốt, cảm biến mực chất lỏng là một phần không thể thiếu trong các hệ thống giám sát và điều khiển mức nước, đảm bảo hoạt động hiệu quả và an toàn

f Màn Hình Graphic LCD 12864 Driver ST7920 xanh lá