Báo cáo nhập môn về kĩ thuật Đề tài hệ thống tưới cây tự Động

Trước tình hình biến đổi khí hậu và khan hiếm nước, hệ thống tưới cây tự động trở thành một giải pháp cần thiết để tối ưu hóa việc sử dụng nước và nâng cao hiệu quả canh tác.. Với sự phá

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 10, năm 2024

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 2

DANH MỤC HÌNH ẢNH 3

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 4

1.1 Tổng quan về đề tài 4

1.2 Lợi ích của hệ thống tưới cây tự động 4

CHƯƠNG 2:CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 Arduino Uno R3 5

2.2 Rơ-le điều khiển (Relay Module) 6

2.3 Động cơ bơm nước 12V và 5V 7

2.4 Cảm biến ẩm đất (Soil Sensor Moisture) 8

2.5 Cảm biến thời gian thực (DS3231 Real-time Clock Module) 9

2.6 Dây dẫn (Jumper Wires) 10

2.7 Bộ chuyển đổi (Adapter 9V) 11

CHƯƠNG 3:QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ 13

3.1 Tình huống & tham khảo 13

3.2 Nguyên lý hoạt động cơ bản 13

3.3 Sơ đồ mạch điện 14

3.4 Lập trình Arduino 15

CHƯƠNG 4:KẾT QUẢ 16

4.1 Kết quả thi công hệ thống máy bên trong 16

CHƯƠNG 5:KẾT LUẬN 17

5.1 Kết quả đạt được 17

5.2 Hạn chế và khuyết điểm của hệ thống 17

5.3 Hướng phát triển 17

5.4 Tổng kết 17

BẢNG TIẾN ĐỘ 18

LỜI MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài nghiên cứu:

gian chăm sóc cây trồng Hệ thống này giúp sinh viên tự trồng và chăm sóc rau sạch tại nhà mà không cần tưới nước thủ công mỗi ngày, đáp ứng nhu cầu ăn

uống lành mạnh, tiết kiệm chi phí sinh hoạt Bên cạnh đó, qua đề tài này, sinh viên có cơ hội học hỏi và thực hành các kiến thức về điện tử, lập trình và công nghệ tự động hóa, từ đó nâng cao kỹ năng thực hành và hiểu biết về IoT, tạo nềntảng cho các ứng dụng công nghệ cao trong tương lai

Ngoài ra, còn là xuất phát từ nhu cầu ngày càng tăng của thị trường đối với các giải pháp nông nghiệp thông minh và tiết kiệm tài nguyên Trước tình hình biến đổi khí hậu và khan hiếm nước, hệ thống tưới cây tự động trở thành một giải pháp cần thiết để tối ưu hóa việc sử dụng nước và nâng cao hiệu quả canh tác Với sự phát triển của IoT và công nghệ tự động hóa, nhu cầu về hệ

thống tưới tự động ngày càng mở rộng trong các hộ gia đình trồng cây tại nhà, nông trại nhỏ và cả các dự án nông nghiệp quy mô lớn Đề tài này không chỉ bắt kịp xu hướng thị trường mà còn tạo cơ hội để nghiên cứu, phát triển các ứng

dụng công nghệ cao phục vụ cho nông nghiệp bền vững

Mục tiêu của đề tài:

Mục tiêu của đề tài là thiết kế hệ thống tưới cây tự động cơ bản bằng các cảm biến và linh kiện điện tử thông dụng phù hợp cho tự động hóa Mục tiêu chính làgiảm bớt công sức và thời gian chăm sóc cây

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1: Arduino Uno R3 6

Hình 2.2: Rơ-le điều khiển (Relay Module) 7

Hình 2.3: Động cơ bơm nước 12V 8

Hình 2.4: Động cơ bơm nước 5V 8

Hình 2.5: Cảm biến ẩm đất (Soil Sensor Moisture) 9

Hình 2.6: Cảm biến thời gian thực (DS3231 Real-time Clock Module) 10

Hình 2.7: Dây dẫn (Jumper Wires) 11

Hình 2.8: Bộ chuyển đổi (Adapter 9V) 12

Hình 3.1: Sơ đồ mạch hệ thống 1 14

Hình 3.2: Sơ đồ mạch hệ thống 2 14

Hình 3.3: Lập trình hệ thống 1 15

Hình 3.4: Lập trình hệ thống 2 15

Hình 4.1: Mạch thực tế hệ thống 1 16

Hình 4.2: Mạch thực tế hệ thống 2 16

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1.1 Tổng quan về đề tài

Hệ thống tưới cây tự động đơn giản là giải pháp dùng côngnghệ để tưới nước cho cây trồng theo cách tự động, dựa trên

các cảm biến đo độ ẩm đất và điều khiển theo thời gian Hệ

thống này giúp tiết kiệm nước, tối ưu hóa việc chăm sóc cây

trồng, và giảm bớt công sức của người dùng Đặc biệt, hệ thống tưới cây tự động phù hợp cho những người bận rộn hoặc sinh

viên sống tại nhà trọ, muốn trồng rau sạch mà không cần lo

lắng về việc tưới nước thường xuyên

Đây cũng là cơ hội để sinh viên áp dụng kiến thức về lập trình và mạch điện tử, giúp nâng cao kỹ năng thực hành và pháttriển kiến thức trong lĩnh vực công nghệ tự động hóa

1.2 Lợi ích của hệ thống tưới cây tự động

 Tiết kiệm nước: Hệ thống tưới tự động dựa trên cảm biến

độ ẩm đất giúp cung cấp lượng nước vừa đủ, tránh lãng phí

và bảo vệ nguồn tài nguyên nước

 Tiết kiệm thời gian và công sức: Người dùng không cần

phải tưới cây thủ công mỗi ngày, hệ thống tự động hóa

hoàn toàn quá trình này, phù hợp cho những người bận

rộn

 Tối ưu hóa sinh trưởng của cây: Tưới đúng thời điểm và

đúng lượng giúp cây phát triển tốt hơn, hạn chế sâu bệnh

do ngập úng hoặc thiếu nước

 Tăng hiệu quả sản xuất: Ứng dụng trong nông nghiệp

giúp tăng năng suất và chất lượng cây trồng, từ đó hỗ trợ phát triển nông nghiệp bền vững



CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Arduino Uno R3

Khái niệm: 

 Là một loại vi điều khiển dựa trên nền tảng mã nguồn mở, được thiết kế

để phát triển các dự án điện tử dễ dàng và nhanh chóng Arduino Uno R3

là phiên bản phổ biến và cơ bản nhất của dòng Arduino, sử dụng vi điều khiển ATmega328P

Công dụng chính: 

 Điều khiển tự động hoá (hệ thống tưới cây tự động, báo cháy, )

 Giao tiếp và thu thập dữ liệu cảm biến (cảm biến ẩm, khí gas, )

 Xây dựng các thiết bị IOT (theo dõi và điều khiển từ xa, )

 Ứng dụng trong Robotics (điều khiển các robot đơn giản, )

Thông số kỹ thuật:

 Vi điều khiển: ATmega328P

 Điện áp hoạt động: 5V

 Điện áp đầu vào (khuyên dùng): 7-12V

 Số chân I/O kỹ thuật số: 14 chân (6 chân hỗ trợ PWM)

 Số chân Analog Input: 6 chân

 Dòng tối đa trên mỗi chân I/O: 20mA

 Bộ nhớ Flash: 32 KB (0.5 KB dùng cho bootloader)

 Tải tối đa: AC 250V / 10A, DC 30V / 10A. 

 Điện áp khởi động của mô-đun: 5V

 Sự cách ly SMD optocoupler, hiệu suất ổn định; kích hoạt hiện tại 5mA. 

 Mô-đun có thể được thiết lập mức cao hoặc thấp gây ra bởi một jumper

 Đèn LED nguồn (màu xanh lá cây), đèn LED trạng thái chuyển tiếp (màu đỏ)

 Kích thước mô-đun: 50 x 26 x 18,5mm

Hình 2.2: Rơ-le điều khiển (Relay Module)

2.3 Động cơ bơm nước 12V và 5V

Khái niệm:

 Là một thiết bị được sử dụng để bơm nước từ một vị trí này sang vị trí

khác, thường sử dụng trong các hệ thống tưới tiêu, bể cá, hoặc các ứng dụng làm mát

 Tuổi thọ làm việc bình thường: 2-3 năm / 200-500 giờ

 Đường kính đầu vào và đầu ra: đường kính ngoài 8mm / đường kính

ngoài 5-6mm

Hình 2.3: Động cơ bơm nước 12V

Hình 2.4: Động cơ bơm nước 5V

2.4 Cảm biến ẩm đất (Soil sensor moisture)

Khái niệm:

 Là một thiết bị được sử dụng để đo độ ẩm của đất trong các ứng dụng

nông nghiệp, cảnh quan, và công nghiệp

Công dụng chính:

 Quản lý tưới tiêu

 Theo dõi tình trạng đất

Thông số kỹ thuật: 

 Điện áp hoạt động: 3,3-5VDC.

 Tín hiệu đầu ra:

 Analog: theo điện áp cấp nguồn tương ứng

 Digital: High hoặc Low, có thể điều chỉnh độ ẩm mong muốn bằng biến trở thông qua mạch so sánh LM393 tích hợp

 Kích thước: 3 x 1,6cm

Hình 2.5: Cảm biến ẩm đất (Soil sensor moisture)

2.5 Cảm biến thời gian thực (DS3231 Real-time Clock Module)

 Giao tiếp: I2C

 Lưu trữ và cung cấp các thông tin thời gian thực: ngày, tháng, năm, giờ, phút, giây,

 Có pin backup duy trì thời gian trong trường hợp không cấp nguồn

Hình 2.6: Cảm biến thời gian thực (DS3231 Real-time Clock Module)

2.6 Dây dẫn (Jumper Wire)

Có ba loại jumper wires phổ biến:

 Male-to-Male (Đực - Đực): Có hai đầu là chân cắm (thường dùng trên

breadboard)

 Female-to-Female (Cái - Cái): Có hai đầu là lỗ cắm (kết nối giữa các

module)

 Male-to-Female (Đực - Cái): Một đầu là chân cắm và đầu còn lại là lỗ

cắm (dùng để nối giữa Arduino và module)

 Dòng điện khoảng 1A-2A.

Hình 2.7: Dây dẫn (Jumper Wire)

2.7 Bộ chuyển đổi (Adapter 9V)

 Cấp nguồn cho các mạch điện tử: Cung cấp điện cho các board mạch

Arduino, Raspberry Pi, và các module khác

 Thay thế pin: Được sử dụng thay cho pin 9V để cấp nguồn lâu dài cho cácthiết bị mà không cần phải thay pin liên tục

Thông số kỹ thuật:

 Điện áp đầu ra 9V

 Dòng điện từ 500mA đến 2A

 Đầu nối Jack DC Barrel 5.5mm x 2.1mm hoặc 5.5mm x 2.5mm

 Vỏ adapter thường làm từ nhựa chống cháy (ABS hoặc PC), đảm bảo

cách điện tốt và an toàn khi sử dụng

Hình 2.8: Bộ chuyển đổi (Adapter 9V)

CHƯƠNG 3: QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ

3.1 Tình huống & Tham khảo

Tình huống: Một giàn cây rau cần được tưới 2 lần mỗi ngày Nhưng mà ta

thường quên và đôi khi lười tưới tiêu cho cây, từ đó nhóm đề xuất giải pháp

“Hệ thống tưới cây tự động” để không cần lo lắng để tưới cây.

 Cách lập trình và nối dây cho Arduino:

[3] Microsoft Rector, “IoT For Beginner, Automated plant watering”

3.2 Nguyên lý hoạt động cơ bản

Sau khi xây dựng tình huống và tham khảo, ta rút ra được 2 hệ thống thông

dụng: 

Hệ thống 1: Bên trong hệ thống máy có Máy bơm đẩy nước từ Nguồn nước đến

cây khi độ ẩm đo đất ở mức cần được tưới theo Cảm biến ẩm đất.

 Ưu điểm hệ thống: Sẽ luôn cảm biến được độ ẩm của đất để tưới cây lúc hợp lý nhất

 Nhược điểm hệ thống: Phần cảm biến tiếp xúc trực tiếp với đất và

nước, có thể gây ra tình trạng rỉ sét, hư hỏng cảm biến nếu tiếp xúc

trong lâu dài

Hình 3.4: Lập trình hệ thống 2

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ 4.1 Kết quả thi công hệ thống máy bên trong

Hình 4.1: Mạch thực tế hệ thống 1

Hình 4.2: Mạch thực tế hệ thống 2

5.3 Hướng phát triển trong tương lai

IoT hệ thống tưới cây tự động:

 Tăng cường khả năng giám sát từ xa: Người dùng có thể giám sát tình trạng cây trồng và hệ thống tưới từ xa, đưa

ra quyết định nhanh chóng và hiệu quả

 Ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) và Machine Learning giúp

hệ thống tự học hỏi và dự đoán các điều kiện tưới nước:

o Dự đoán nhu cầu nước: Dựa trên dữ liệu từ cảm biến,

hệ thống có thể dự đoán thời điểm và lượng nước cần thiết cho cây trồng

o Phân tích tình trạng cây trồng: AI có thể phân tích dữ liệu về môi trường và cây trồng để phát hiện sớm các vấn đề, chẳng hạn như sự khô hạn của đất hay thiếu chất dinh dưỡng