Xây dựng hệ thống tự động thu thập dữ liệu môi trường trong nhà kính

LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo Th.S Vũ Thành Vinh, Bộ môn Công nghệ ô tô hệ thống cảm biến, Trường Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông dành nhiều thời gian quan tâm đôn đốc, định hướng giúp đỡ em trình nghiên cứu hoàn thành đồ án Bên cạnh đó, em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến thầy cô giáo Bộ môn Công nghệ ô tô hệ thống cảm biến – Trường Đại học Công Nghệ Thông Tin Truyền Thông thầy cô giáo giảng dạy trường giúp đỡ em tích lũy nhiều kinh nghiệm kiến thức chuyên môn trình dài học tập, nghiên cứu đồng thời tạo điều kiện thuận lợi sở vật chất động viên tinh thần, giúp đỡ cho em phát triển thân trang bị đủ vốn kiến thức để em hoàn thành đồ án Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn quan tâm, sẻ chia động viên từ gia đình, bạn bè bên ủng hộ, giúp đỡ em để em có thêm động lực phấn đấu hoàn thành tốt đồ án Em xin chân thành cảm ơn ! Thái Nguyên, tháng năm 2016 Sinh viên thực đồ án Đinh Thế Hùng LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan nội dung đồ án “ Xây dựng hệ thống tự động thu thập liệu môi trường nhà kính“ em tự tìm hiểu nghiên cứu định hướng thầy giáo hướng dẫn với giúp đỡ tận tình thầy Th.S Vũ Thành Vinh thầy Th.S Đặng Văn Ngọc Nội dung báo cáo có cho phép sử dụng số công trình nghiên cứu thầy giáo Bộ môn Công nghệ ô tô hệ thống cảm biến, không vi phạm công trình nghiên cứu khác Nếu lời cam đoan không đúng, em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm trước pháp luật Thái Nguyên, tháng năm 2016 Sinh viên thực đồ án Đinh Thế Hùng MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Tổng quan hệ thống mạng cảm biến không dây 1.1.1 Giới thiệu mạng cảm biến không dây 1.1.2 Mô tả hệ thống mạng cảm biến không dây 1.1.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến mạng cảm biến không dây 1.1.4 Đặc điểm mạng cảm biến không dây 1.1.5 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây 10 1.2 Các ứng dụng mạng cảm biến không dây 14 1.2.1 Giám sát điều khiển công nghiệp 14 1.2.2 Tự động hoá gia đình điện dân dụng 15 1.2.3 Cảm biến quân 15 1.2.4 Cảm biến môi trường nông nghiệp thông minh 16 CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG THU THẬP DỮ LIỆU MÔI TRƯỜNG TRONG NHÀ KÍNH 19 2.1 Đặt vấn đề 19 2.2 Phân tích toán 19 2.2.1 Giải pháp thiết kế 20 2.2.2 Sơ đồ khối 21 2.3 Các linh kiện sử dụng hệ thống 23 2.3.1 Các linh kiện sử dụng khối xử lý điều khiển 23 2.3.2 Linh kiện sử dụng khối nguồn 28 2.3.3 Linh kiện sử dụng khối truyền nhận không dây 28 2.3.4 Các linh kiện sử dụng khối cảm biến 30 2.4 Thiết kế phần cứng 37 2.4.1 Node cảm biến 37 2.4.2 Node cảm biến 39 2.4.3 Node cảm biến số 40 2.4.4 Node cảm biến số 42 2.4.5 Node trung tâm 44 2.5 Thiết kế phần mềm 45 2.5.1 Arduino IDE cổng giao tiếp ảo cho arduino nano 45 2.5.2 Cấu hình kit thu phát RF CC22530 46 2.5.3 Giao diện hiển thị máy tính 47 2.5.4 Lưu đồ thuật toán 50 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 53 3.1 Kết phần cứng 53 3.2 Kết thực nghiệm 55 3.3 Đánh giá hệ thống 58 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Mô hình triển khai node cảm biến không dây Hình 1.2 : Các thành phần node cảm biến Hình 1.3: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây 10 Hình 2.1: Sơ đồ khối tổng quát toàn mạch 21 Hình 2.2: Sơ đồ khối tổng quát node cảm biến 21 Hình 2.3: Sơ đồ khối tổng quát node trung tâm 22 Hình 2.4 Arduino nano 23 Hình 2.5: Sơ đồ chân Arduino nano 24 Hình 2.6 Arduino mega 26 Hình 2.7: Sơ đồ chân Arduino mega 27 Hình 2.8: Module CC2530 28 Hình 2.9: Cấu tạo bên CC2530 29 Hình 2.10: Cảm biến nhiệt độ LM 35 30 Hình 2.11: Cảm biến HR 202 31 Hình 2.12: Sơ đồ chân module HR 202 32 Hình 2.13: Trở kháng HR202 phụ thuộc vào độ ẩm 33 Hình 2.14: Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750 33 Hình 2.15: Sơ đồ chân cảm biến độ ẩm đất HR202 35 Hình 2.16: Sơ đồ chân cảm biến nhiệt độ đất DS18B20 36 Hình 2.17: Sơ đồ nguyên lý node cảm biến số 38 Hình 2.18: Sơ đồ mạch in node cảm biến số 39 Hình 2.19: Sơ đồ nguyên lý node cảm biến số 39 Hình 2.20: Sơ đồ mạch in node cảm biến số 40 Hình 2.21: Sơ đồ nguyên lý node cảm biến số 41 Hình 2.22: Sơ đồ mạch in node cảm biến số 42 Hình 2.23: Sơ đồ nguyên lý node cảm biến số 43 Hình 2.24: Sơ đồ mạch in node cảm biến số 44 Hình 2.25: Sơ đồ nguyên lý node trung tâm 44 Hình 2.26: Giao diện Arduino IDE 45 Hình 2.27: Giao diện cổng giao tiếp ảo cho arduino nano 46 Hình 2.28: Mạch nạp SmartRF04EB cho CC2530 46 Hình 2.29: Giao diện mạch nạp CC2530 kết nối máy tính 47 Hình 2.30: Giao diện hiển thị thông số cảm biến môi trường 48 Hình 2.31: Giao diện hiển thị thông số cảm biến giá thể 48 Hình 2.32: Giao diện cấu hình thiết bị 49 Hình 2.33: Lưu đồ thuật toán node cảm biến số 50 Hình 2.34: Lưu đồ thuật toán node cảm biến số 50 Hình 2.35: Lưu đồ thuật toán node cảm biến số 51 Hình 2.36: Lưu đồ thuật toán node cảm biến số 51 Hình 2.37: Lưu đồ thuật toán node trung tâm 52 Hình 3.1: Mạch thật node cảm biến số 53 Hình 3.2: Mạch thật node cảm biến số 53 Hình 3.3: Mạch thật node cảm biến số 54 Hình 3.4: Mạch thật node cảm biến số 54 Hình 3.5: Mạch thật node trung tâm 55 Hình 3.6: Khi công tắc nguồn node cảm biến số bật 56 Hình 3.7: Kết hiển thị thông số node số 56 Hình 3.8: Khi công tắc nguồn node node bật 57 Hình 3.9: Kết hiển thị thông số node số số 57 Hình 3.10: Khi công tắc nguồn node cảm biến số số bật 58 Hình 3.11: Kết hiển thị thông số node số số 58 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Các dải tần dành cho ứng dụng Công nghiệp, khoa học y tế ISM (Industrial, Scientific and Medical) 14 Bảng 2.1 Thông số kĩ thuật Arduino nano 25 Bảng 2.2: Thông số kĩ thuật Arduino mega 28 Bảng 2.3: Thông số kĩ thuật CC2530 29 Bảng 2.4: Thông số kĩ thuật LM35 30 Bảng 2.5: Trở kháng LM35 phụ thuộc vào nhiệt độ 31 Bảng 2.6: Thông số module HR202 32 Bảng 2.7: Thông số cảm biến ánh sáng BH1750 34 Bảng 2.8: Thông số kĩ thuật cảm biến độ ẩm đât HR202 36 Bảng 2.9: Thống số cảm biến nhiệt độ đất DS18B20 37 LỜI MỞ ĐẦU Điều kiện môi trường thích hợp quan trọng cho tăng trưởng thực vật cải thiện suất trồng Tự động hoá việc thu thập liệu thông số đất thông số môi trường chi phối phát triển thực vật cho phép thông tin thu thập tần suất cao với yêu cầu lao động Hiện có hệ thống sử dụng hệ thống máy tính dựa tin nhắn cho người sử dụng liên tục thông báo điều kiện bên nhà kính, khả chi trả, cồng kềnh, khó khăn để trì chấp nhận công nhân kỹ công nghệ Dựa sở đó, em chọn đề tài “Xây dựng hệ thống tự động thu thập liệu môi trường nhà kính” Mục tiêu dự án thiết kế mô hình dựa vi điều khiển để theo dõi ghi lại giá trị nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng mặt trời môi trường tự nhiên môi trường đất để kiểm soát đưa biện pháp tối ưu hóa chúng để đạt độ tăng trưởng cần thiết suất tối đa Nội dung báo cáo gồm ba chương chính:  Chương : Tổng quan mạng cảm biến không dây  Chương : Phân tích thiết kế hệ thống thu thập liệu môi trường nhà kính  Chương : Kết đánh giá Mặc dù em cố gắng để hoàn thành song thời gian có hạn thiết sót kiến thức nên không tránh khỏi sai sót định trình nghiên cứu làm báo cáo, em mong đóng góp thầy, cô giáo để đồ án em hoàn thiện CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Tổng quan hệ thống mạng cảm biến không dây 1.1.1 Giới thiệu mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) bao gồm tập hợp thiết bị cảm biến sử dụng liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại quang học) để phối hợp thực nhiệm vụ cảm biến phân tán đối tượng mục tiêu Mạng liên kết trực tiếp với node quản lý giám sát viên hay gián tiếp thông qua điểm thu (Sink) môi trường mạng công cộng Internet hay vệ tinh Các node cảm biến không dây triển khai cho mục đích chuyên dụng giám sát an ninh; kiểm tra môi trường; tạo không gian thông minh; khảo sát, xác hóa nông nghiệp; y tế; Lợi chủ yếu chúng khả triển khai loại hình địa lý kể môi trường nguy hiểm sử dụng mạng cảm biến có dây truyền thống Việc kết hợp cảm biến thành mạng lưới ngày tạo nhiều khả cho người Các vi cảm biến với xử lý gắn thiết bị vô tuyến hoàn toàn gắn kích thước nhỏ Chúng hoạt động môi trường dày đặc với khả xử lý tốc độ cao Do đó, với mạng cảm biến không dây ngày nay, người ta khám phá nhiều tượng khó thấy trước Ngày nay, mạng cảm biến không dây ứng dụng nhiều lĩnh vực cấu trúc chống lại địa chấn, nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việc chuyên chở chất gây ô nhiễm, kiểm tra hệ sinh thái môi trường sinh vật phức tạp, v.v an mạng cảm biến không dây 1.1.2 Mô tả hệ thống mạng cảm biến không dây Các node cảm biến triển khai trường cảm biến (sensor field) minh họa hình 1.1 Mỗi node cảm biến phát tán mạng có khả thu thập thông số liệu, định tuyến số liệu thu nhận (Sink) để chuyển tới người dùng (User) định tuyến tin mang theo lệnh hay yêu cầu từ node Sink đến node cảm biến Số liệu định tuyến phía thu nhận (Sink) theo cấu trúc đa liên kết sở hạ tầng tảng (Multihop Infrastructureless Architecture), tức trạm thu phát gốc hay trung tâm điều khiển, hình 1.1 Bộ thu nhận liên lạc trực tiếp với trạm điều hành (Task Manager Node) người dùng gián tiếp thông qua Internet hay vệ tinh (Satellite) 10 Hình 3.11: Kết hiển thị thông số node số số 3.3 Đánh giá hệ thống Ưu điểm : Cảm biến có độ nhạy cao dễ dàng xử lý Thiết kế vòng khép kín ngăn ngừa hội làm ảnh hưởng đến môi trường nhà kính Bảo dưỡng thấp tiêu thụ điện thấp Hệ thống nhỏ gọn dễ dàng xách tay Có thể sử dụng cho loài điều kiện khác Có thể dễ dàng sửa đổi để cải thiện thiết lập thêm tính Trục trặc phận không ảnh hưởng đến toàn hệ thống Có thể thu thập thông tin qua mạng truyền thông không dây Nhược điểm: Không thể điều chỉnh thông số môi trường 85 Không có hệ thống tự động kiểm tra cố cảm biến Yêu cầu cung cấp điện không bị gián đoạn 86 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Sau thời gian nghiên cứu em hoàn thành báo cáo đồ án tốt nghiệp Trong báo cáo này, em tìm hiểu trình bày nội dung tóm tắt sau: - Tìm hiểu tổng quan mạng cảm biến không dây - Ứng dụng truyền thông không dây vào thiết kế hệ thống cảm biến liệu môi trường mạng truyền thông không dây Phần lý thuyết có liên quan trình bày đầy đủ Lưu đồ thuật toán, sơ đồ mạch nguyên lý mạch in giải thích rõ ràng mô tả chi tiết báo cáo Phần trình bày kết đánh giá để chứng minh lại lý thuyết đưa hướng phát triển đề tài Tuy nhiên, thời gian thực báo cáo hạn hẹp, nên báo cáo em không tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận phê bình, đóng góp thầy, cô môn để báo cáo em hoàn thiện Định hướng phát triển đề tài: Hiệu suất hệ thống tiếp tục cải thiện tốc độ hoạt động, dung lượng nhớ Số lượng node tăng thêm để cải thiện phạm vi hoạt động Một hệ thống báo động có thay đổi thông số trạng thái nhà kính Có thể tích hợp thêm phần kết nối với internet để theo dõi thông số môi trường nhà kính trực tuyến Có thể phát triển thêm hệ thống điều khiển để điều khiển thiết bị làm thay đổi thông số trạng thái nhà kính theo ý muốn Em xin chân thành cảm ơn ! 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO  http://arduino.vn/  http://codientu.org/  http://www.ti.com/  Dự án VLIR môn Công nghệ ô tô hệ thống cảm biến  Đặng Lê Khoa, Tổng quan truyền thông không dây (Overview of Wireless Systems)  Nitaigour P Mahalik (2007), Sensor Networks and Configuration  Robert Faludi (2010) , Building Wireless Sensor Networks  88 PHỤ LỤC Node cảm biến số #include OneWire ds(2); String str1; int temp; void setup(){ Serial.begin(38400); pinMode(2, INPUT); } float getTemp(){ byte data[12]; byte addr[8]; if ( !ds.search(addr)) { ds.reset_search(); return -1000; } if ( OneWire::crc8( addr, 7) != addr[7]) { Serial.println("CRC is not valid!"); return -1000; } if ( addr[0] != 0x10 && addr[0] != 0x28) { Serial.print("Device is not recognized"); return -1000; } ds.reset(); ds.select(addr); 89 ds.write(0x44,1); byte present = ds.reset(); ds.select(addr); ds.write(0xBE); for (int i = 0; i < 9; i++) { // we need bytes data[i] = ds.read(); } ds.reset_search(); byte MSB = data[1]; byte LSB = data[0]; float tempRead = ((MSB