TOP Báo Cáo IOT Nông nghiệp thông minh chăm sóc cây

Nông nghiệp thông minh chăm sóc cây: -Tưới cây tự động, bật tắt đèn tự động -chuyển chế độ thủ công-chế độ tự động -chế độ hẹn giờ -chế độ hẹn thời gian tối đa -chế độ hẹn giờ switch mode -thay đổi ngưỡng đo -cập nhật thông số môi trường realtime

Giới thiệu tổng quan về đề tài

Giới thiệu tổng quan về IOT chung

IoT, hay Internet of Things (Internet vạn vật), là một hệ thống mạng lưới kết nối các thiết bị điện tử và công nghệ, cho phép truyền tải dữ liệu hiệu quả giữa thiết bị và đám mây, cũng như giữa nhiều thiết bị với nhau.

Vào những năm 90, các kỹ sư máy tính đã bắt đầu lắp đặt bộ xử lý và cảm biến vào các vật dụng hàng ngày, nhưng con chip lúc đó có kích thước lớn và cồng kềnh Nhờ sự phát triển của công nghệ, chip hiện nay đã trở nên nhỏ gọn, nhanh chóng, thông minh và tinh vi hơn Bên cạnh đó, chi phí sản xuất chip đã giảm đáng kể, tạo điều kiện cho ngành công nghiệp tập trung vào việc tích hợp hệ thống IoT vào mọi khía cạnh của doanh nghiệp, căn nhà và văn phòng làm việc.

Nguyên lý hoạt động của Internet vạn vật (IoT) dựa trên việc trao đổi và thu thập dữ liệu theo thời gian thực, cho phép các thiết bị kết nối và tương tác hiệu quả.

Trong đó, một IoT sở hữu 3 thành phần gồm:

Thiết bị thông minh, bao gồm tivi, thiết bị tập thể dục và camera an ninh, được trang bị khả năng điện toán thông qua hệ thống IoT Các thiết bị này có khả năng thu thập thông tin từ môi trường xung quanh, nhận dữ liệu từ người dùng và thực hiện quá trình truyền – nhận dữ liệu qua mạng Internet.

Giao diện đồ họa người dùng là công cụ quan trọng để quản lý một nhóm thiết bị IoT, chẳng hạn như một website hoặc ứng dụng di động, cho phép người dùng đăng ký và kiểm soát các thiết bị điện tử một cách hiệu quả.

Ứng dụng IoT là một hệ thống bao gồm các phần mềm và dịch vụ, có khả năng tích hợp dữ liệu từ nhiều thiết bị khác nhau Ứng dụng này sử dụng trí tuệ nhân tạo (AI) để phân tích dữ liệu và đưa ra các quyết định thông minh.

Từ đó, các thông tin này sẽ được truyền ngược về thiết bị IoT và thiết bị sẽ phản hồi lại theo một cách hoàn chỉnh nhất.

Hình 2 Cách thức hoạt động IoT

Công nghệ sử dụng trong IoT: Các công nghệ tích hợp trong hệ thống

Điện toán biên là công nghệ tiên tiến giúp kiểm soát các thiết bị thông minh và thực hiện nhiều nhiệm vụ vượt ra ngoài việc chỉ truyền và nhận dữ liệu từ nền tảng IoT Công nghệ này nâng cao khả năng xử lý tại biên của mạng lưới IoT, góp phần giảm độ trễ trong truyền thông và cải thiện tốc độ phản hồi, mang lại hiệu suất tối ưu cho hệ thống.

Điện toán đám mây là giải pháp lưu trữ dữ liệu từ xa, cho phép quản lý hiệu quả các thiết bị IoT Nhờ vào công nghệ này, nhiều thiết bị trong mạng lưới có thể dễ dàng truy cập và chia sẻ dữ liệu, nâng cao khả năng kết nối và tương tác.

Máy học là các thuật toán và phần mềm được sử dụng để phân tích, xử lý dữ liệu và đưa ra quyết định dựa trên thông tin thu thập thực tế Các thuật toán này có thể hoạt động trên nền tảng đám mây hoặc tại điểm biên IoT mang lại nhiều ưu điểm như khả năng kết nối và tự động hóa, nhưng cũng tồn tại một số nhược điểm cần được xem xét.

 Tăng khả năng truy cập thông từ mọi thiết bị, ở mọi lúc và mọi nơi.

 Các thiết bị điện tử có thể kết nối với nhau một cách dễ dàng.

 Chuyển các gói dữ liệu qua mạng được kết nối tiết kiệm thời gian và tiền bạc.

Hệ thống IoT nâng cao chất lượng dịch vụ của doanh nghiệp và giảm thiểu sự can thiệp của người dùng bằng cách tự động hóa các nhiệm vụ.

 Rủi ro hacker đánh cắp thông tin mật tăng cao vì số lượng các thiết bị kết nối và chia sẻ thông tin tăng.

 Các doanh nghiệp gặp phải thách thức lớn trong việc thu thập, phân tích và quản lý dữ liệu từ mọi thiết bị.

Các thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau gặp khó khăn trong việc kết nối với nhau do hệ thống IoT chưa đạt tiêu chuẩn quốc tế về khả năng tương thích.

Giới thiệu đề tài nhóm

1.2.1 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu

Hệ thống giám sát cây thanh long được phát triển nhằm tự động điều khiển các thiết bị dựa trên dữ liệu cảm biến thời gian thực Cây thanh long cần môi trường sống đặc biệt để phát triển và thu hoạch hiệu quả cho nông dân Người dùng có thể theo dõi các thông số môi trường như cường độ ánh sáng, độ ẩm đất và nhiệt độ thông qua ứng dụng di động, từ đó điều chỉnh các thiết bị để tạo ra môi trường sống tối ưu cho cây thanh long.

Dự án này cung cấp hai chế độ hoạt động: tự động và thủ công, giúp người dùng có thể kiểm soát hoặc cho phép hệ thống tự động điều chỉnh các thiết bị theo các ngưỡng đã được cài đặt.

Công nghệ Firebase cho phép quản lý dữ liệu ngưỡng và điều khiển thiết bị từ xa, đảm bảo cập nhật tức thì các thay đổi của người dùng và phản hồi nhanh chóng từ thiết bị Hệ thống này không chỉ tiết kiệm năng lượng và tài nguyên mà còn mang lại sự tiện lợi cho người dùng trong việc kiểm soát môi trường thông qua thiết bị di động.

Nghiên cứu này tập trung vào phát triển ứng dụng theo dõi và tích hợp hệ thống cảm biến, đồng thời điều khiển thiết bị tự động thông qua mạng lưới IoT kết nối với Firebase.

Người dùng có thể theo dõi các thông số như cường độ ánh sáng, độ ẩm đất, nhiệt độ và độ ẩm không khí theo thời gian thực thông qua ứng dụng.

Hệ thống tự động điều chỉnh hoạt động của bơm nước và bóng đèn dựa trên ngưỡng cài đặt, cho phép người dùng thay đổi các ngưỡng này từ xa thông qua Firebase.

Chế độ thủ công cho phép người dùng trực tiếp điều khiển các thiết bị bơm nước và bóng đèn thông qua ứng dụng mà không cần phải dựa vào ngưỡng tự động.

1.2.2 Khái quát về hệ thống chăm sóc cây thanh long

- Tưới cây và bật tắt đèn tự động.

Tưới cây tự động là hệ thống sử dụng công nghệ và thiết bị để tưới nước cho cây trồng theo lịch trình đã cài đặt Thay vì tưới nước bằng tay, bạn có thể thiết lập hệ thống này để cung cấp nước vào thời điểm thích hợp trong ngày với lượng nước phù hợp Điều này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian và công sức mà còn đảm bảo cây trồng luôn được cung cấp đủ nước.

Hệ thống tưới cây tự động mang lại nhiều lợi ích vượt trội, bao gồm tiết kiệm thời gian cho người sử dụng, giúp bạn có thêm thời gian cho các hoạt động khác mà không cần tưới nước hàng ngày Bên cạnh đó, nó còn giúp tiết kiệm nước bằng cách phân phối chính xác lượng nước cần thiết, giảm thiểu lãng phí do tưới quá nhiều hoặc quá ít Hệ thống này đảm bảo cây trồng luôn nhận được nước đều đặn, hỗ trợ sự phát triển tốt hơn và hạn chế tình trạng úng hay khô héo Cuối cùng, tính năng điều khiển và lập trình qua điện thoại thông minh hoặc máy tính bảng mang lại sự tiện lợi tối đa cho người dùng.

Đèn tự động bật tắt là một tính năng thông minh, giúp điều chỉnh ánh sáng dựa trên môi trường xung quanh hoặc theo lịch trình đã được cài đặt Tính năng này không chỉ mang lại sự tiện lợi mà còn tiết kiệm năng lượng hiệu quả.

Thay vì sử dụng công tắc thủ công để bật tắt đèn, bạn có thể áp dụng hệ thống tự động hóa, giúp tiết kiệm năng lượng và mang lại nhiều tiện ích Hệ thống này hoạt động dựa trên nguyên lý tự động, tối ưu hóa việc sử dụng ánh sáng trong không gian sống.

Hệ thống đèn tự động sử dụng cảm biến để phát hiện điều kiện môi trường xung quanh Chẳng hạn, cảm biến ánh sáng sẽ tự động bật đèn khi độ sáng môi trường giảm xuống dưới một ngưỡng nhất định.

Hệ thống IoT là một giải pháp thông minh cho phép giám sát và điều khiển các thiết bị như bơm nước và bóng đèn, dựa trên dữ liệu cảm biến môi trường theo thời gian thực.

 Hệ thống tưới cây tự động:

Chương trình tự động tưới cây được khởi động khi nhiệt độ không khí và độ ẩm đất thấp hơn ngưỡng cài đặt Hệ thống sử dụng cảm biến nhiệt độ và độ ẩm để liên tục theo dõi và gửi dữ liệu về website quản lý hoặc bộ điều khiển Khi độ ẩm đất giảm xuống dưới mức thiết lập, bơm nước sẽ tự động hoạt động để tưới cây mà không cần can thiệp từ con người Khi độ ẩm đạt yêu cầu, bơm sẽ tự động ngừng hoạt động, giúp tiết kiệm nước hiệu quả.

Hệ thống tưới cây tự động giúp kiểm soát lượng nước tưới, chỉ hoạt động khi đất cần, từ đó giảm thiểu lãng phí nước Nó duy trì độ ẩm đất ở mức lý tưởng, tạo điều kiện tối ưu cho sự phát triển của cây trồng Tưới đúng thời điểm khi đất khô giúp cây hấp thụ nước hiệu quả và ngăn ngừa ngập úng do tưới quá nhiều Điều này đặc biệt hữu ích trong môi trường khô cằn hoặc nơi nước khan hiếm, cho phép hệ thống hoạt động liên tục mà không cần can thiệp của con người Người dùng không còn lo lắng về việc quên tưới cây, vì hệ thống tự điều chỉnh dựa trên dữ liệu cảm biến.

 Hệ thống bật tắt đèn tự động:

Lý thuyết, công nghệ, ngôn ngữ lập trình

Arduino

Arduino là bo mạch vi điều khiển được phát triển bởi nhóm giáo sư và sinh viên Ý vào năm 2005 Nó có khả năng cảm nhận và điều khiển nhiều thiết bị khác nhau, từ việc nhận tín hiệu từ cảm biến đến điều khiển đèn và động cơ Hơn nữa, Arduino có thể kết nối với nhiều module như module đọc thẻ từ, ethernet shield và sim900A, mở rộng khả năng ứng dụng của nó.

Phần cứng Arduino bao gồm một board mạch nguồn mở, được thiết kế dựa trên vi xử lý AVR Atmel 8-bit hoặc ARM Atmel 32-bit Hiện tại, Arduino có tất cả 6 phiên bản, trong đó Arduino Uno và Arduino Mega là hai phiên bản phổ biến nhất.

Hình 3 Cấu tạo Arduino Uno R3

Các loại boart Arduino phổ biến:

 Arduino RedBoard Ứng dụng Arduino: Arduino có nhiều ứng dụng trong đời sống, trong việc chế tạo các thiết bị điện tử chất lượng cao.

Lập trình robot với Arduino đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển hoạt động của robot Bên cạnh đó, lập trình máy bay không người lái cũng là một ứng dụng đầy tiềm năng cho tương lai.

Game tương tác sử dụng Arduino cho phép người chơi kết nối với các thiết bị như Joystick và màn hình, mang đến trải nghiệm thú vị với các trò chơi như Tetrix, phá gạch, Mario và nhiều trò chơi sáng tạo khác.

Arduino là giải pháp hiệu quả để điều khiển thiết bị ánh sáng cảm biến, đóng vai trò quan trọng trong hệ thống đèn giao thông Các hiệu ứng đèn nháy được lập trình giúp làm nổi bật các biển quảng cáo, tăng cường khả năng thu hút sự chú ý của người qua đường.

Arduino là một công cụ hiệu quả trong việc điều khiển thiết bị ánh sáng cảm biến, đặc biệt trong hệ thống đèn giao thông Các hiệu ứng đèn nháy được lập trình giúp thu hút sự chú ý và làm nổi bật các biển quảng cáo.

The ESP8266 is a Wi-Fi system-on-chip (SoC) module developed by Espressif Systems, primarily utilized for creating Internet of Things (IoT) embedded applications.

ESP8266 là một vi mạch Wi-Fi tiết kiệm chi phí, được sản xuất bởi công ty Espressif Systems có trụ sở tại Thượng Hải, Trung Quốc Nó tích hợp đầy đủ ngăn xếp TCP/IP và khả năng vi điều khiển, mang lại sự linh hoạt cho các ứng dụng IoT.

ESP8266 có khả năng lưu trữ ứng dụng hoặc chuyển giao tất cả các chức năng mạng Wi-Fi từ bộ xử lý ứng dụng khác.

Mô-đun Wi-Fi ESP8266 được lập trình sẵn với firmware AT, cho phép bạn dễ dàng kết nối với thiết bị Arduino Nhờ đó, bạn có thể tận hưởng khả năng kết nối Wi-Fi tương tự như khi sử dụng Wi-Fi Shield.

Mô-đun ESP8266 là một bo mạch cực kỳ tiết kiệm chi phí với cộng đồng đông đảo và phát triển nhanh nhất hiện nay.

Thông số kỹ thuật của ESP8266:

 Wi-Fi 2,4 GHz (802.11 b/g/n, hỗ trợ WPA/WPA2).

 Đầu vào/đầu ra mục đích chung (16 GPIO).

 Giao thức truyền thông nối tiếp mạch tích hợp liên thông (I²C).

 Chuyển đổi analog sang kỹ thuật số (ADC 10 bit).

 Giao thức truyền thông nối tiếp ngoại vi nối tiếp (SPI).

 Giao diện I²S (Inter-IC Sound) với DMA (Truy cập bộ nhớ trực tiếp) (chia sẻ chân với GPIO).

 UART (trên các chân chuyên dụng, cộng với

UART chỉ truyền có thể được bật trên GPIO2).

 Điều chế độ rộng xung (PWM).

Hình 4 Sơ đồ chân ESP8266

 RST : – Chân reset mức thấp đang hoạt động.

 EN : – Pin kích hoạt mức cao.

 TX : – Chân truyền dữ liệu nối tiếp của UART.

 RX : – Chân nhận nối tiếp của UART.

 GPIO0 & GPIO2 : – Chân I/O mục đích chung

Chân TX/RX, còn được gọi là chân giao tiếp, có thể được sử dụng để lập trình mô-đun hoặc cho mục đích I/O nối tiếp Để lập trình mô-đun qua UART, cần kết nối GPIO0 với đất và GPIO2 với VCC hoặc để mở Đối với I/O nối tiếp thông thường, hãy để cả hai chân mở mà không kết nối với VCC hoặc đất.

Khi lập trình ESP8266, việc sử dụng các nền tảng như Arduino IDE hoặc MicroPython giúp đơn giản hóa quy trình Bạn có thể tận dụng các thư viện và tài nguyên trực tuyến để tăng tốc quá trình phát triển hiệu quả hơn.

Mô-đun ESP8266 có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như dự án IoT, hệ thống tự động hóa gia đình và mạng cảm biến, giúp phát huy tối đa tiềm năng của nó.

ESP8266 là một module Wifi có thể được sử dụng bên ngoài, hỗ trợ firmware AT tiêu chuẩn Nó có thể kết nối với bất kỳ bộ vi điều khiển nào thông qua giao tiếp UART hoặc hoạt động như một bộ vi điều khiển Wifi độc lập, bằng cách lập trình một firmware mới thông qua SDK được cung cấp.

 Các chân GPIO cho phép IO Analog và Digital, cộng với PWM, SPI, I2C, v.v.

 ESP8266 có nhiều ứng dụng khi nói đến IoT Đây chỉ là một số chức năng mà chip này được sử dụng

 Kết nối mạng: Ăng-ten Wifi của module cho phép các thiết bị nhúng kết nối với bộ định tuyến và truyền dữ liệu

Xử lý dữ liệu bao gồm việc tiếp nhận và xử lý đầu vào từ các cảm biến analog và kỹ thuật số, sau đó thực hiện các phép toán phức tạp hơn thông qua hệ điều hành thời gian thực (RTOS) hoặc bộ phát triển phần mềm (SDK) không thuộc hệ điều hành.

 Kết nối P2P: Tạo giao tiếp trực tiếp giữa các ESP và các thiết bị khác bằng kết nối IoT P2P

 Máy chủ Web: Truy cập các trang được viết bằng HTML hoặc ngôn ngữ phát triển.

Cảm biến và các module chức năng

2.2.1 Cảm biến nhiệt độ đất Soil Moisture Sensor

Cảm biến độ ẩm đất (Soil Moisture Sensor) được sử dụng để đo lường giá trị độ ẩm trong đất Thiết bị này thường được áp dụng trong các mô hình vườn cây thông minh, hệ thống tưới nước tự động và giám sát môi trường.

Cảm biến độ ẩm đất này sử dụng đầu dò để xác định mức độ ẩm và truyền tải giá trị dưới dạng tín hiệu Analog và Digital qua hai chân kết nối với vi điều khiển ESP8266.

Hình 5 Cảm biến độ ẩm đất

Đầu dò cảm biến được cắm vào đất để xác định độ ẩm cần thiết cho việc trồng cây Khi độ ẩm đạt ngưỡng đã được người dùng thiết lập, đầu ra DO sẽ chuyển từ mức thấp sang mức cao Thông tin này sau đó được gửi về module chuyển đổi để xử lý.

Module chuyển đổi bao gồm IC LM393, một biến trở, bốn điện trở 100 Ω và hai tụ dán Biến trở có nhiệm vụ thiết lập ngưỡng so sánh với giá trị từ cảm biến IC LM393 nhận hai đầu vào: ngưỡng so sánh và tín hiệu cảm biến Khi độ ẩm đất thấp hơn ngưỡng đã định, chân đầu ra của IC sẽ ở mức thấp (LOW); ngược lại, khi độ ẩm cao hơn ngưỡng, chân đầu ra sẽ ở mức cao (HIGH).

 PCB có kích thước nhỏ 3 x 1.6 cm.

 IC LM393 được tích hợp để so sánh, ổn định làm việc.

 Khoảng đo độ ẩm đất Analog: 0 – 1023

 Sơ đồ chân: o VCC: 3.3V ~ 5V. o GND: Kết nối với GND của hệ thống. o DO: Đầu ra tín hiệu số Digital Output o AO: Đầu ra tín hiệu tương tự Analog Output

Cảm biến độ ẩm đất hoạt động dựa trên nguyên lý đo độ dẫn điện giữa hai điện cực, với độ dẫn điện tăng khi độ ẩm đất cao và giảm khi độ ẩm thấp Sự thay đổi này ảnh hưởng trực tiếp đến giá trị đo được của cảm biến.

 Phân tích chất lượng đất.

 Theo dõi điều kiện môi trường.

Cảm biến DHT11 là một thiết bị đo nhiệt độ và độ ẩm kỹ thuật số phổ biến, thường được áp dụng trong các dự án IoT, Arduino và hệ thống nhúng Với thiết kế đơn giản, DHT11 cung cấp thông tin chính xác về độ ẩm và nhiệt độ môi trường, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho nhiều ứng dụng.

Cảm biến này có thể đo độ ẩm từ 20% đến 90% RH (Relative Humidity) và nhiệt độ từ 0°C đến 50°C với độ chính xác tương đối.

 Cảm biến nhiệt độ: Sử dụng một nhiệt điện trở (thermistor) để đo nhiệt độ bên ngoài môi trường.

Cảm biến độ ẩm không khí hoạt động dựa trên một lớp điện môi polyme, giúp phát hiện sự thay đổi độ dẫn điện khi độ ẩm trong không khí tăng hoặc giảm.

 Dòng tiêu thụ 2.5mA (khi truyền dữ liệu).

 Khoảng đo nhiệt độ: 0 - 50°C (sai số 2°C).

 Khoảng đo độ ẩm: 20% - 90% RH (sai số 5% RH).

 Tốc độ lấy mẫu: 1 giây.

 Kích thước: 15mm x 12mm x 5.5mm.

 Sơ đồ chân: o VCC: 3.3V ~ 5V DC. o DATA: Truyền dữ liệu về nhiệt độ và độ ẩm. o NC: Không được sử dụng. o GND: Kết nối với GND của hệ thống.

Cảm biến DHT11 hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi điện trở để đo nhiệt độ và độ ẩm Khi nhiệt độ hoặc độ ẩm thay đổi, giá trị điện trở bên trong cảm biến cũng thay đổi, và tín hiệu này được chuyển đổi thành tín hiệu kỹ thuật số để vi điều khiển như Arduino có thể đọc được.

 Kiểm soát môi trường trong nhà.

Cảm biến ánh sáng đo lường mức độ ánh sáng trong môi trường, thường được ứng dụng trong tự động hóa ánh sáng, giám sát môi trường, và các dự án IoT như hệ thống chiếu sáng thông minh.

Hình 7 Cảm biến ánh sáng

Cảm biến ánh sáng, thường là photodiode hoặc phototransistor, có chức năng phát hiện ánh sáng và chuyển đổi nó thành tín hiệu điện Thiết kế của cảm biến này thường dễ dàng cắm vào các board mạch hoặc kết nối với vi điều khiển.

Module chuyển đổi bao gồm các linh kiện điện tử như điện trở, tụ điện và IC, có chức năng xử lý tín hiệu Nó chuyển đổi tín hiệu từ cảm biến thành tín hiệu Analog hoặc Digital để gửi tới vi điều khiển.

 Kích thước PCB nhỏ, khoảng 3 x 1.6cm.

 Sơ đồ chân: o VCC: 3.3V ~ 5V. o GND: Kết nối với GND của hệ thống. o DO: Đầu ra tín hiệu số (Digital Output). o AO: Đầu ra tín hiệu tương tự (Analog Output).

Cảm biến ánh sáng hoạt động bằng cách phát hiện ánh sáng và chuyển đổi nó thành tín hiệu điện Khi ánh sáng mạnh, điện áp tăng, ngược lại khi ánh sáng yếu, điện áp giảm Nhờ đó, vi điều khiển có thể xác định mức độ ánh sáng hiện tại.

 Điều chỉnh gương chiếu hậu.

 Tự động điều chỉnh độ phơi sáng.

Mạch relay 5V là một thiết bị điều khiển cho phép đóng mở mạch điện, sử dụng điện áp thấp để kích hoạt điện áp cao Với kích thước nhỏ gọn và tính tiện lợi, nó được ứng dụng phổ biến trong việc điều khiển các thiết bị công suất lớn như một công tắc điện.

 Relay tiêu thụ dòng ~80mA.

 Điện thế đóng ngắt tối đa : AC 250V/10A hoặc DC 30V/10A

 Có đèn báo đóng ngắt Relay

 Jump H/L level trigger thiết lập mức điều khiển relay Có 2 mức: HIGH/LOW.

 Đầu vào: o DC+: Nguồn điện dương (VCC). o DC-: Nguồn điện âm (GND). o IN: Relay điều khiển mức cao hoặc thấp.

 Đầu ra: o COM: Chân chung. o NO: Chân thường mở. o NC: Chân thường đóng.

 Kích thước: 5.0 x 2.6 x 1.9 (cm). Ứng dụng:

 Điều khiển thiết bị gia dụng.

 Điều khiển động cơ, thiết bị chiếu sáng tự động.

 Robot và tự động hóa.

2.2.5 Động cơ bơm chìm 5V. Động cơ có lưu lượng 1.6 lít/phút với kích thước nhỏ gọn Có khả năng chống nước và hoạt động khi chìm trong nước Được ứng dụng để bơm nước, dung dịch trong các thiết kế nhỏ, mô hình tưới tiêu, hồ cá,…

Hình 9 Động cơ bơm chìm 5V

2.2.6 Mạch 16 kênh Analog Multiplexer 74HC4067 Được sử dụng để mở rộng chân giao tiếp Analog hoặc Digital, có tác dụng như một bộ chuyển switch 16 kênh sang 1 kênh tín hiệu chính bằng các bit địa chỉ tương ứng và ngược lại ứng dụng trong các loại Vi điều khiển có ít chân Analog hoặc Digital nhưng cần giao tiếp với nhiều thiết bị khác nhau, mạch có chất lượng linh kiện và gia công tốt, độ bền cao.

 IC chính: 16 Channel Analog Multiplexer 74HC4067.

 Điện áp hoạt động 2V ~ 5V DC.

Firebase

Firebase là nền tảng lý tưởng cho việc phát triển ứng dụng di động và trang web, cung cấp các API mạnh mẽ và dễ sử dụng mà không cần thiết lập backend hay server.

Firebase là dịch vụ cơ sở dữ liệu đám mây mạnh mẽ của Google, giúp đơn giản hóa việc lập trình ứng dụng thông qua các API dễ sử dụng Mục tiêu chính của Firebase là tăng cường số lượng người dùng và tối ưu hóa lợi nhuận Ngoài ra, Firebase còn cung cấp tính năng đa năng và bảo mật cao, hỗ trợ cả hai nền tảng Android và iOS.

Firebase cung cấp một danh sách đầy đủ các sản phẩm hỗ trợ cho các nhà phát triển, bao gồm hai tùy chọn cơ sở dữ liệu chính là Firestore và Realtime Database Ngoài ra, Firebase cũng cho phép lưu trữ Cloud Media một cách dễ dàng.

Nó cũng cho phép phát triển ứng dụng không cần máy chủ thông qua việc tích hợp Cloud Functions.

Firebase Realtime Database cung cấp các tính năng chính:

 Đồng bộ theo thời gian thực: Mọi thay đổi dữ liệu được đồng bộ ngay lập tức với các thiết bị kết nối.

 Hỗ trợ ngoại tuyến: Ứng dụng vẫn hoạt động khi mất mạng, đồng bộ lại khi có kết nối.

 Truy cập từ khách hàng: Có thể truy cập trực tiếp từ thiết bị di động hoặc trình duyệt mà không cần máy chủ trung gian.

 Mở rộng quy mô: Hỗ trợ chia cơ sở dữ liệu thành nhiều phần cho các ứng dụng lớn.

Tính năng này hoạt động như thế nào?

Firebase Realtime Database cho phép xây dựng ứng dụng phong phú và cộng tác nhờ vào việc truy cập an toàn vào cơ sở dữ liệu từ mã phía máy khách Dữ liệu được lưu trữ cục bộ, cho phép người dùng tiếp tục tương tác ngay cả khi ngoại tuyến Các sự kiện theo thời gian thực vẫn được kích hoạt, mang đến trải nghiệm mượt mà cho người dùng Khi thiết bị kết nối lại, Realtime Database tự động đồng bộ hóa các thay đổi dữ liệu cục bộ với thông tin cập nhật từ xa, giúp giải quyết mọi xung đột một cách hiệu quả.

Firebase Realtime Database cung cấp một ngôn ngữ quy tắc linh hoạt, gọi là Quy tắc bảo mật Firebase Realtime Database, để xác định cấu trúc dữ liệu và quyền truy cập vào dữ liệu Khi kết hợp với Firebase Authentication, nhà phát triển có thể kiểm soát quyền truy cập của người dùng vào dữ liệu và cách thức họ tương tác với nội dung.

Realtime Database là một cơ sở dữ liệu NoSQL nên có nhiều cách tối ưu hoá so với một cơ sở dữ liệu quan hệ API Realtime

Cơ sở dữ liệu được thiết kế để tối ưu hóa tốc độ thực thi các thao tác, giúp tạo ra trải nghiệm tuyệt vời theo thời gian thực cho hàng triệu người dùng mà không làm giảm khả năng phản hồi Do đó, cần xem xét cách người dùng truy cập dữ liệu và điều chỉnh cấu trúc cơ sở dữ liệu cho phù hợp.

2.3.2 Firebase Realtime Database Arduino Library cho ESP8266

Thư viện FirebaseESP8266.h cung cấp các hàm trực quan, giúp người dùng thực hiện các thao tác với Firebase Realtime Database (FRD) thông qua các phương thức REST API như get, set, post, patch và delete một cách dễ dàng trên nền tảng ESP8266.

Khởi tạo: Trước khi sử dụng các hàm trong thư viện này phải thực hiện các khai báo và khởi tạo đối tượng.

//1 Include Firebase ESP8266 library (this library)

//2 Include ESP8266WiFi.h and must be included after

//3 Declare the Firebase Data object in global scope

//4 Setup Firebase credential in setup()

Firebase.begin("yout_project_id.firebaseio.com",

Để PUT dữ liệu vào Firebase Database, các kiểu dữ liệu khác nhau sử dụng các hàm tương ứng như setInt, setFloat, setDouble, setBool, setString và setJSON Nếu lệnh thực hiện thành công, hàm sẽ trả về giá trị true, ngược lại sẽ trả về false.

Ví dụ: Firebase.setInt(firebaseData, “/Int/test”, 123)

Để POST dữ liệu vào Firebase Database, bạn có thể sử dụng các hàm khác nhau tùy thuộc vào kiểu dữ liệu, bao gồm pushInt, pushFloat, pushDouble, pushBool, pushString và pushJSON Các hàm này sẽ trả về true nếu việc POST thành công và false nếu không.

Ví dụ: Firebase.pushJSON(firebaseData, “/test/append”, jsonData)

Phương thức PATCH trong Firebase Database chỉ áp dụng cho dữ liệu dạng chuỗi JSON Khi thực hiện PUT hoặc POST dữ liệu JSON, toàn bộ dữ liệu cũ tại nhánh được ghi sẽ bị xóa và thay thế bằng dữ liệu mới, dẫn đến việc ghi đè dữ liệu PATCH được thiết kế để ghi dữ liệu chuỗi JSON vào cơ sở dữ liệu mà không làm mất dữ liệu không liên quan.

Database mà không ghi đè lên dữ liệu cũ Các hàm hỗ trợ phương thức này là updateNode và updateNodeSilent.

Ví dụ: Firebase.updateNode(firebaseData, “/test/update”, updateJSONData)

DELETE dữ liệu trong Firebase Database : hàm thực hiện việc delete dữ liệu là deleteNode Hàm sau đây sẽ xóa tất cả dữ liệu tại đường dẫn “/test/append”.

Ví dụ: Firebase.deleteNode(firebaseData, “/test/append”);

Để lấy dữ liệu từ Firebase Database, bạn có thể sử dụng các hàm như getInt, getFloat, getDouble, getBool, getString và getJSON, tương ứng với các kiểu dữ liệu khác nhau Các hàm này sẽ trả về true khi truy vấn thành công và false khi thất bại Dữ liệu được lấy sẽ được xử lý thông qua đối tượng firebaseData.

Chương III Phân tích yêu cầu

Mục đích hệ thống

Hệ thống được xây dựng nhằm:

- Giám sát môi trường thời gian thực:

Thu thập và hiển thị các chỉ số môi trường như cường độ ánh sáng, độ ẩm đất, nhiệt độ và độ ẩm không khí là rất quan trọng để hỗ trợ chăm sóc cây Thăng Long hiệu quả Những thông tin này giúp người chăm sóc cây nắm bắt tình hình môi trường và điều chỉnh các yếu tố cần thiết để cây phát triển tốt nhất.

- Tự động hóa chăm sóc cây:

 Điều khiển máy bơm nước và đèn tự động bật/tắt dựa trên dữ liệu từ cảm biến và ngưỡng do người dùng cài đặt.

- Hỗ trợ linh hoạt trong quản lý:

 Cung cấp chế độ Auto (tự động) và Manual (thủ công).

 Tích hợp tính năng hẹn giờ để tối ưu hóa hoạt động thiết bị.

 Giảm thiểu lãng phí nước và điện thông qua việc sử dụng các cảm biến và cài đặt tự động.

Phạm vi hệ thống

3.2.1 Đối với phía người dùng

- Theo dõi thông số môi trường:

 Độ ẩm không khí (%RH).

 Chuyển đổi giữa chế độ Auto và Manual.

 Bật/tắt máy bơm và đề khi ở chế độ Manual.

 Tự do cài đặt ngưỡng để hệ thống tự động bật/tắt thiết bị ở chế độ Auto.

 Thiết lập thời gian tối thiểu máy bơm cần hoạt dộng mỗi lần bật.

 Hẹn giờ chuyển đổi giữa chế độ Auto và Manual.

 Hẹn giờ bật/tắt máy bơm tại thời gian cụ thể.

- Thu thập dữ liệu cảm biến:

 Nhận dữ liệu từ các cảm biến môi trường và đồng bộ thời gian thực qua Firebase.

 Bật/tắt máy bơm và đèn dựa trên ngưỡng cài đặt.

- Quản lý tài khoản người dùng:

 Xác định người dùng thông qua Firebase Authentication.

 Lưu trữ và quản lý thông tin tài khoản trên Firebase.

Yêu cầu chức năng

- Quản lý tài khoản người dùng:

 Đăng ký và đăng nhập thông qua Firebase Authentication.

 Hỗ trợ tính năng khôi phục mật khẩu.

- Theo dõi thông số môi trường thời gian thực:

 Hiển thị thông tin từ cảm biến ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm đất.

 Dữ liệu được đồng bộ trực tiếp qua Firebase.

 Bật/tắt máy bơm và đèn tự động dựa trên các ngưỡng cài đặt (chế độ Auto).

 Người dùng có thể tự động bật/tắt thiết bị thủ công ở chế độ Manual.

 Thiết lập thời gian tối thiểu cho máy bơm hoạt động mỗi lần bật.

 Hẹn giờ tự động chuyển đổi giữa chế độ Manual và Auto.

 Hẹn giờ bật/tắt máy bơm tại thời điểm cụ thể.

Yêu cầu phi chức năng

 Hệ thống phải hiển thị dữ liệu từ cảm biến với độ trễ tối đa 2 giây.

 Thông tin tài khoản người dùng được mã hóa và lưu trữ an toàn trên Firebase.

 Hỗ trợ tích hợp thêm các cảm biến hoặc thiết bị mới trong tương lai.

Sơ đồ Use Case Tổng Quát

Hình 11 Sơ đồ Use Case Tổng Quát

Thiết kế hệ thống

Mục tiêu nghiên cứu

Hệ thống sẽ liên tục thu thập dữ liệu từ các cảm biến ánh sáng, độ ẩm và nhiệt độ được đặt trong môi trường cây trồng, theo tần suất đã được thiết lập, nhằm theo dõi và đánh giá điều kiện xung quanh cây trồng một cách hiệu quả.

Hệ thống cung cấp giao diện quản lý cho người dùng, cho phép điều khiển thiết bị qua website Giao diện hiển thị thông tin về nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và cho phép điều khiển máy bơm cùng đèn điện Người dùng có thể sử dụng chế độ tự động để dễ dàng quản lý các thiết bị này.

Hành vi và hoạt động của hệ thống

- Giám sát điều kiện môi trường thời gian thực:

Đo độ ẩm đất là quá trình sử dụng cảm biến để xác định độ ẩm tại nhiều vị trí khác nhau Dữ liệu thu thập được sẽ được gửi về hệ thống trung tâm, giúp phân tích tình trạng đất và nhu cầu nước một cách chính xác.

Cảm biến nhiệt độ không khí và độ ẩm đất đóng vai trò quan trọng trong việc xác định điều kiện môi trường, từ đó ảnh hưởng đến tốc độ bay hơi nước Việc đo lường chính xác nhiệt độ và độ ẩm giúp tối ưu hóa các quy trình nông nghiệp và quản lý tài nguyên nước hiệu quả hơn.

 Giám sát ánh sáng mặt trời: Cảm biến ánh sáng đo cường độ chiếu sáng, giúp xác định thời điểm bật tắt đèn phù hợp.

- Thu thập và phân tích dữ liệu:

Dữ liệu cảm biến được lưu trữ nhằm theo dõi sự biến đổi của các yếu tố môi trường và điều kiện đất theo thời gian.

 Phân tích dữ liệu lịch sử: Sử dụng dữ liệu lưu trữ để phân tích và dự đoán nhu cầu tưới cây trong tương lai.

- Quyết định kích hoạt hệ thống:

Xác định ngưỡng tưới nước và bật tắt đèn là bước quan trọng trong việc chăm sóc cây trồng Bạn cần thiết lập các ngưỡng độ ẩm đất và ánh sáng để biết khi nào cần tưới và lượng nước cần thiết Việc này nên được thực hiện dựa trên loại cây và điều kiện môi trường cụ thể để đảm bảo cây phát triển khỏe mạnh.

Hệ thống tưới tự động được kích hoạt khi độ ẩm đất giảm xuống dưới ngưỡng quy định Nó sẽ tự động mở van để cung cấp nước cho cây trồng Sau khi đảm bảo cung cấp đủ lượng nước cần thiết, hệ thống sẽ tự động tắt.

Hệ thống bật tắt đèn tự động hoạt động khi cường độ ánh sáng giảm xuống dưới ngưỡng cài đặt, giúp bật đèn cho cây Khi ánh sáng đạt đủ mức để cây phát triển, hệ thống sẽ tắt đèn nhằm tiết kiệm điện năng.

- Quản lý và điều khiển từ xa:

Người dùng có thể giám sát và điều khiển hệ thống từ xa qua giao diện web, cho phép hiển thị dữ liệu thời gian thực về độ ẩm đất, nhiệt độ và ánh sáng.

Người dùng có thể dễ dàng chuyển đổi giữa chế độ điều khiển thủ công và tự động Trong chế độ thủ công, họ có khả năng bật hoặc tắt hệ thống từ xa, mang lại sự tiện lợi và linh hoạt trong việc quản lý thiết bị.

Hình 12 Đặc tả tiến trình

4.4 Đặc tả cấp độ IoT

Hình 13 Đặc tả cấp độ IoT

4.5 Đặc tả mô hình thông tin

Hình 14 Đặc tả mô hình thông tin

STT Công việc Mô tả công việc

Nghiên cứu cảm biến ánh sáng

Tìm hiểu về cảm biến ánh sáng, code arduino, cách kết nối và đọc dữ liệu, gửi dữ liệu lên firebase

Vũ Quốc Huy Hoàn Thành

Nghiên cứu cảm biến độ ẩm

Tìm hiểu về cảm biến độ ẩm, code arduino cách kết nối và đọc dữ liệu, gửi dữ liệu lên firebase

Nghiên cứu cảm biến nhiệt độ

Tìm hiểu về cảm biến nhiệt độ, code arduino, cách kết nối và đọc dữ liệu, gửi dữ liệu lên firebase

La Đức Hiệp Hoàn Thành

Phát triển giao diện hiển thị người dùng

Thiết kế giao diện hiển thị cho người dùng các thông số, các chức năng

Tích hợp, kết nối với mạch arduino, xử lý trên

Firebase lưu trữ và đồng bộ dữ liệu

Phát triển chế độ tự động và thủ công điều khiển đèn

Phát triển chế độ tự động và thủ công cho bóng đèn dựa theo ngưỡng ánh sáng

Phát triển chế độ tự động và thủ công điều khiển máy bơm mini

Phát triển chế độ tự động và thủ công cho máy bơm dựa theo 2 ngưỡng là nhiệt độ và độ ẩm

Phát triển bổ sung chức năng thiết lập lịch hẹn.

Người dùng có thể thiết lập thời gian biểu cụ thể tưới cây và tưới trong bao lâu.

Thiết lập khoảng thời gian tối thiểu máy bơm

Có thể thiết lập thời gian cố định 15 phút máy bơm tưới cây mỗi lần

La Đức Hiệp Hoàn thành

Thiết lập lịch hẹn chuyển chế độ

Thiết lập khoảng thời gian hệ thống tự động chuyển đổi từ manual sang auto.

Vũ Quốc Huy Hoàn thành

Quản lý tài khoản thiết bị người dùng

12 Làm báo cáo Giới thiệu tổng quan,

34 giới thiệu đề tài của nhóm,bìa,mục lục

Giới thiệu arduino, thông số kỹ thuật,ứng dụng esp8266, Sensors + thiết bị liên quan

Chương 3 phân tích và công việc phân chia)

Chương 4 Thiết kế hệ thống

-Yêu cầu vẫn chưa hoàn thành: Thiết lập nhiều người dùng với mỗi người dùng điều khiển một hệ thống IOT chăm sóc Thăng Long riêng mình.

Nhóm em đã nhận ra rằng việc chỉ mua một bộ thiết bị dẫn đến việc chỉ có thể cho một người dùng sử dụng Do đó, chúng em đã quyết định phát triển hệ thống để nhiều người dùng có thể sử dụng cùng một thiết bị với các tài khoản khác nhau Chúng em cam kết sẽ tiếp tục cải tiến để nâng cao chất lượng hệ thống trong thời gian tới Xin chân thành cảm ơn thầy đã dành thời gian đọc bài viết này.

Đặc tả cấp độ IoT