Hệ thống quản lý vườn thông minh SmartGarden

Thông qua giao diện website được xây dựng hệ thống sẽ giúp người sử dụng có thể điều chỉnh từ xa và theo dõi các chỉ số môi trường của nhiều vườn thực vật với hệ thống xử lý trung tâm được trang bị hệ điều hành mã nguồn mở và board điều khiển STM32F4.Bên cạnh đó hệ thống trung tâm tại vườn thực vật còn có khả năng phát ra âm thanh giúp tạo ra yếu tố kích thích sự phát triển của thực vật.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

KHOA KỸ THUẬT MÁY TÍNH

TRẦN LIÊU PHƯỚC HẢI – 12520125

PHAN ĐỨC ANH - 12520534

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP HIỆN THỰC HỆ THỐNG QUẢN LÝ VƯỜN THỰC VẬT THÔNG MINH

KỸ SƯ NGÀNH KỸ THUẬT MÁY TÍNH

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

ThS PHAN ĐÌNH DUY

TP HỒ CHÍ MINH, 2017

LỜI NÓI ĐẦU

Tài liệu được Upload với mục đích thao khảo giúp các bạn hiểu thêm một số phương pháp để liên kết và hiện thực những chức năng mới lạ của vườn thực vật thông minh – Smart Garden Hi vọng các bạn có thể tham khảo một cách đúng đắn và sáng tạo và cho ra những hệ thống vườn thông minh của riêng mình, áp dụng vào thực tiễn đem lại lợi ích kinh tế Giúp đưa nông nghiệp công nghệ cao thành thế mạnh trong tương lai !

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN

ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH ẢNH

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

E-Node Environment Node Điểm thu thập dữ

liệu môi trường

Toàn văn bảnG-Control Garden Control Bộ điều khiển

trung tâm Toàn văn bản

CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU1.1 Lý do chọn đề tài.

Có thể nói mô hình nông nghiệp công nghệ cao đã và đang phát triển mạnh

mẽ tại nhiều quốc gia trên thế giới, đây là một mô hình đẩy mạnh sự phát triển nềnnông nghiệp theo hướng hiện đại, giúp gia tăng năng suất cây trồng và đảm bảo nhucầu thực phẩm sạch, nhờ áp dụng những thành tựu đạt được của ngành Công nghệthông tin vào Kĩ thuật nông nghiệp

Đó là những lý do mà nhóm chọn đề tài “Hệ thống quản lý vườn thực vậtthông minh (SmartGarden)” một mô hình trồng trọt nông nghiệp phù hợp giúp giảiquyết được các vấn đề nan giải của ngành nông nghiệp Việt Nam có thể hiện thựcđược và phù hợp với những kiến thức nền tảng từ chuyên ngành Kĩ Thuật Máy Tính

Đây cũng là một mô hình mà nhiều nơi trên thế giới đã thực hiện và đạt đượcnhiều thành tựu vượt trội

1.2 Mục Tiêu.

Hệ thống sẽ giúp người sử dụng có thể điều chỉnh từ xa và theo dõi các chỉ sốmôi trường của nhiều vườn thực vật trên một Website được xây dựng sẵn với hệthống xử lý trung tâm được trang bị hệ điều hành mã nguồn mở

Tất cả dữ liệu của môi trường từ các cảm biến trên bộ E-Node (EnvironmentNode) và dữ liệu người sử dụng từ Website sẽ được thu thập, tổng hợp và phân tíchtrên bộ xử lý trung tâm G-Control (Garden Control) các tín hiệu cảnh báo và điềukhiển sẽ được G-Control đưa ra giúp ổn định các thông số môi trường trong vườnthực vật

Bên cạnh đó G-Control còn có khả năng phát ra âm thanh giúp tạo ra yếu tố kíchthích sự phát triển của thực vật

.3 Khách thể, đối tượng, phạm vi nghiên cứu.

1.3.1 Khách Thể Nghiên Cứu

Khóa luận tập trung nghiên cứu và chế tạo một hệ thống “Hệ thống quản lývườn thực vật thông minh (SmartGarden)” cụ thể bao gồm:

• Khóa luận nghiên cứu dựa trên:

- Kit STM32F407VGT6 được nhúng hệ điều hành RTOS và kit ArduinoNano được gắn với các board mạch mở rộng tương ứng được nhóm thiết

kế phù hợp

- Website điều khiển được xây dựng trên Server của dịch vụ Hostinger

• Tìm hiểu các thiết bị không dây để truyền nhận dữ liệu môi trường: moduletruyền nhận dữ liệu bằng sóng RF: NRF24L01, module thu phát wifiESP8266-V1

• Nghiên cứu mô hình trao đổi dữ liệu giữa G-Control và Website thông quamodule ESP8266 theo dõi và nhận dữ liệu trực tuyết từ Website

• Nghiên cứu và xây dựng thư viện giải mã âm thanh trên kit

STM32F407VGT6

• Nghiên cứu chế tạo cảm biến độ ẩm đất dựa trên kit Arduino Nano, và cáccảm biến và thiết bị cân bằng môi trường

• Ứng dụng hệ điều hành RTOS để quản lý, hỗ trợ thực thi các tác vụ cùng lúc

1.3.2 Đối tượng nghiên cứu:

Liên kết dữ liệu từ Website để người sử dụng điều chỉnh các thông số gửi đến hệthống bên dưới nắm bắt và đưa ra các tín hiệu cảnh báo, kích hoạt các thiết bị cânbằng môi trường một cách hợp lý

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN2.1 Tình hình trong nước và ngoài nước.

2.1.1 Tình hình trong nước.

Có rất nhiều công trình nghiên cứu ở các địa phương cũng như các trườngđại học trên cả nước: nhà kính thông minh của Đại học Bách Khoa TPHCM(1) hay

hệ thống nhà kính Israel ở Hà Nội, Hải Phòng, nhà kính Hà Lan ở Đà Lạt(2) …

- Mô hình nhà kính thông minh của Đại học Bách Khoa TPHCM

Hình 2-1 Nhà kính thông minh Đại học Bách Khoa TPHCM

Nhà kính thông minh này có khả năng tự cung cấp chất dinh dưỡng cho câytheo chu kỳ thời gian, tư ̣động điều khiển khí hâụ trong mô hình (nhiệt độ, độ ẩm,ánh sáng) do hê ̣thống có trang bị các cảm biến nhiêṭ đô, đô ̣ẩm, ánh sáng, PH vàcác cơ cấu chấp hành như: bô ̣khuấy trộn, hệ thống tưới nhỏ giọt, hê ̣thống phunsương, quạt điều hòa, đèn Led chiếu sáng kích thích tăng trưởng

1() http://www.skhcn.vinhlong.gov.vn

2() http://www.khuyennong.binhthuan.gov.vn

- Mô hình nhà kính của Đà Lạt.

Hình 2-2 Nhà kính Phường 12 - Đà Lạt ( 3 )

Theo GS.TS Nguyễn Văn Bộ, Đà Lạt là đơn vị đi đầu trong việc ứng dụngnhà kính kết hợp với các biện pháp khoa học khác trong sản xuất nông nghiệp, bướcđầu đã cung cấp một lượng lớn hoa quả có chất lượng cao phục vụ nhu cầu trongnước và xuất khẩu

Các sản phẩm nhìn chung hoạt động ổn định và một số nhà kính đã được triểnkhai thực tế tuy nhiên chi phí còn cao và một số nhà kính vẫn chưa đảm bảo chấtlượng làm cho đất đai bạc màu và nguồn nước bị ô nhiễm

2.1.2 Tình hình ngoài nước.

Những nghiên cứu đã thành công và phát triển thành các hệ thống thực tế đạthiệu quả cao

Nhiều mô hình vườn thực vật công nghệ cao đã được triển khai trên thế giới như các

mô hình nhà kính hàng đầu tại Isarel với khả năng tưới nhỏ giọt và tiết kiệm nước cực kỳhiệu quả hay hệ thống làm vườn tại gia thông minh EDYN giúp thu thập dữ liệu, giámsát môi trường vườn thực vật tại nhà mọi lúc mọi nơi…

Hệ thống làm vườn thông minh EDYN được thiết kế sử dụng pin năng lượngmặt trời Với các thiết bị cảm ứng và vòi phun đều được trang bị pin lithium-polymer giúp dự trữ năng lượng trong những ngày không có mặt trời Thiết bị cũng()http://tuoitre.vn

được thiết kế để tránh bị ảnh hưởng bởi nước, phân bón, bụi bẩn và ánh nắng trựctiếp và cho phép người sử dụng theo dõi và quản lý vườn thực vật của mình từ xa.

Hình 2-3 Thiết bị làm vườn EDYN( 4 )

- Nhà kính công nghệ cao Israel, ngoài việc đảm bảo yêu cầu kết cấu bền vững,yêu cầu cho việc thực hiện cơ giới hoá đến mức cao nhất các công đoạn sản xuất,nhà kính còn có thể cho phép đáp ứng đến mức cao nhất các nhu cầu về kiểm soát

“tiểu khí hậu nhà kính”; kiểm soát “sinh học nhà kính”; kiểm soát “dịch hại” nhàkính; và thực hiện các biện pháp điện toán điều chỉnh các yếu tố môi trường sinhthái nhà kính

Hình 2-4 Các nhà khoa đang kiểm tra môi trường nhà kính tại Isarel( 5 )

4() http://www.khuyennongvn.gov.vn

5()http://vustathaibinh.vn

Nhiều nước trên thế giới luôn nỗ lực khai thác ứng dụng đến mức cao nhất lợithế và ưu việt của công nghệ thông tin để quản lý và sản xuất nông nghiệp

CHƯƠNG III: CƠ SỞ LÝ THUYẾT3.1 Nghiên cứu tác động của môi trường đến sự phát triển thực vật.

Hệ thống cây trồng chịu sự chi phối bởi các yếu tố tự nhiên,kinh tế – xã hội và điều kiện của nông hộ như đất, lao động, vốn,

kỹ năng sản xuất[6]

Trong đó các yếu tố tự nhiên là các yếu tố quan trọng và tácđộng trực tiếp lên cây trồng như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng…chúng có thể được tối ưu hóa thông qua hệ thống kiểm soát và cácthiết bị cân bằng môi trường

Bên cạnh đó các yếu tố nhân tạo từ con người cũng góp phần ảnh hưởng đến

sự phát triển của cây những hướng nghiên cứu mới cho thực vật và đang được cácnước trên thế giới triển khai như: bổ sung các loại phân bón, lai tạo giống cây, cảitạo đất…Để hướng tới việc phát triển mô hình nông nghiệp sạch chúng ta sẽ nghiêncứu một yếu tố nhân tạo sạch cũng không kém phần quan trọng giúp cây trồng pháttriển tốt hơn đó là: “Tác động của âm thanh đến sự phát triển của thực vật”

Các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng âm thanh ở các tần số khác nhau, biên

độ khác nhau, thời gian tiếp xúc khác nhau và khoảng cách từ nguồn phát đến câytrồng khác nhau Đều ảnh hưởng đến quá trình phát triển của thực vật Để làm rõvấn đề các nhà khoa học đã triển khai các thí nghiệm trên những cánh đồng và trongcác nhà kính dưới các nguồn phát âm thanh có tần số và độ lớn khác nhau[11]

Hình 3-1 Đặt loa phát âm thanh tần số thích hợp cho dưa chuột( 6 )

3.2 Tìm hiểu các thiết bị cân bằng môi trường.

• Cân bằng nhiệt độ, độ ẩm không khí :

Để cân bằng nhiệt độ, độ ẩm của môi trường, ta sử dụng cảm biến nhiệt độ, độ ẩmDHT11 và máy bơm phun sương kích hoạt thông qua Relay để tạo độ ẩm không khí

Chúng ta sẽ gắn cảm biến DHT11 chung với Board Arduino Nano (E-Node)

để thu thập dữ liệu của môi trường

Khi dữ liệu môi trường nhiệt độ, độ ẩm được gửi từ E-Node tới board trungtâm sẽ kích hoạt hệ thống bơm phun sương và quạt gió

Khi muốn nhiệt độ của vườn thực vật giảm hệ thống phun sương và quạt gió

sẽ cùng hoạt động để tạo ra hiện tượng bốc hơi nước lấy đi nhiệt độ oi bức của vườnthực vật Khi muốn tăng nhiệt độ của môi trường ta có thể sử dụng đèn quang hợp

để gia tăng nhiệt độ trong vườn thực vật đồng thời giúp thực vật phát triển tốt hơntrong những ngày thiếu nắng

Hình 3-3.Sử dụng que đo độ ẩm đất với chân Analog Arduino

• Cân bằng ánh sáng :

Sử dụng cảm biến ánh sáng BH1750 để đo cường độ ánh sáng và đèn bổ trợquang hợp ta có thể điều chỉnh ánh sáng trong vườn thực vật để cây phát triển tốthơn thông qua việc điều khiển các bộ đèn bổ trợ quang hợp

Hình 3-4.Cảm biến ánh sáng BH1750

3.3 Tìm hiểu phương pháp giải mã âm thanh cho cây trồng.

3.3.1 Tần số âm thanh cho cây trồng

Các nhà khoa học thử nghiệm bằng cách cho một nguồn phát âm dao dộng trongkhoảng 0,1 - 1kHz và có độ lớn khoảng 70 dB, và phát cách ngày mỗi lần phát trong

3 giờ đồng hồ thì năng suất của cây ớt ngọt, dưa leo, và cà chua tăng 30.05, 37.1 và13.2% tương ứng Bên cạnh đó năng suất cây rau diếp, rau bina, bông, gạo và lúa

mì đã tăng lên 19,6, 22,7, 11,4, 5,7 và 17,0% tương ứng Ngoài ra các loại sóng âmcòn tăng cường hệ miễn dịch của thực vật giúp chống chọi các loại sâu bệnh hiệuquả [11]

Các nghiên cứu trên cho thấy việc chúng ta tạo ra một thư việngiải mã âm thanh trên vi điều khiển để cho ra các tần số cho tronggiới hạn phù hợp là hoàn toàn có thể

3.3.2 Phương pháp giải mã âm thanh trên vi điều khiển

Dao động âm thanh bên ngoài và trong tự nhiên đều được các thiết bị thu âm ghinhận lại dưới dạng các tín hiệu điện và với sự hỗ trợ của bộ ADC vào mỗi khoảngthời gian cách đều nhau (chu kì lấy mẫu), các tín hiệu điện này được quy ra giá trịthực trên thang đo của bộ ADC hiện thời

Các giá trị âm thanh này sẽ được vi điều khiển đưa đến bộ nhớ chính là RAM vàđược xử lý bằng các module, giải thuật: lọc, nén hoặc mã hóa bit âm thanh trước khiđưa xuống bộ nhớ thứ cấp (các thiết bị nhớ ngoài) thông qua các câu lệnh ghi dữliệu của vi điều khiển

* Nếu các giá trị âm thanh được đưa trực tiếp từ trên RAM xuống dưới bộ nhớ

thứ cấp mà không thông qua các bộ nén, mã hóa thì ta sẽ có được những định dạng

âm thanh gốc chẳng hạn như file WAV [13]

Hình 3-5 Sơ đồ hoạt động thu âm cơ bản của vi điều khiển

Khi giải mã âm thanh và phát âm thanh, chúng ta có thể hình dung đây là mộtcông đoạn đảo ngược của quá trình thu âm (ADCDAC)

Sau khi qua quá trình thu âm các bit giá trị âm thanh sẽ được lưu trữ tại bộ nhớthứ cấp Các giá trị âm thanh này sẽ được vi điều khiển đưa đến bộ nhớ chính làRAM thông qua các lệnh đọc dữ liệu từ vi điều khiển

Các giá trị âm thanh này khi tới RAM sẽ được xử lý bởi các module, giải thuậtgiải mã, lọc bit và trở thành các giá trị thực trên thang đo (DAC)

Đến đây ta đã có được các bit giá trị âm thanh đã được giải mã và lọc tương đốihoàn chỉnh Sử dụng bộ DMA hoặc lệnh chuyển dữ liệu giữa 2 vùng nhớ của vi điềukhiển ta sẽ đẩy các giá trị âm thanh hoàn chỉnh này đến vùng buffer của bộ (DAC)vào mỗi khoảng thời gian cách đều nhau (chu kì lấy mẫu) như lúc thu âm Ta sẽ cóđược tín hiệu âm thanh dưới dạng hiệu điện thế của thang đo (DAC)

Hình 3-6 Sơ đồ hoạt động giả mã âm cơ bản của vi điều khiển.

3.4 Tìm hiểu về Kit STM32F407VGT6.

Kit STM32F407VGT6 là kit khá thông dụng sử dụng vi xử lý họ ARM với xungnhịp 168Mhz được trang bị chip 32-bit ARM Cortext với nhân FTU, 1MB bộ nhớFlash, 192KB RAM thuận lợi cho việc làm thiết bị trung tâm xử lý lập trình các dự ánlớn, có khả năng phối hợp với nhiều thiết bị ngoại vi khác

Hình 3-7 Kit STM32F407VGT6

3.5 Tìm hiểu về Kit Arduino Nano

Kit Arduino Nano sử dụng vi điều khiển Atemega328 và bộ nhớ 32KB Flash nhỏgọn có hỗ trợ nhiều thư viện, các hàm rất tường mình giúp giao tiếp thiết ngoại vi dễdàng tiết kiệm thời gian chi phí phù hợp để làm node (điểm xử lý dữ liệu) cho cácứng dụng đo lường và truyền nhận dữ liệu trong hệ thống lớn[9]

Hình 3.8 Kit Arduino Nano

3.6 Tìm hiểu các module truyền nhận dữ liệu

Truyền nhận dữ liệu về môi trường trong vườn thực vật: Với trung tâm điềukhiển chính là Board STM32F407VGT6 sử dụng Vi điều khiển ARM-Coxtex M4,

và hệ thống các Node (điểm) thu thập dữ liệu môi trường (Độ ẩm, nhiệt độ…) sửdụng Board Arduino Nano sử dụng vi điều khiển Atemega 328 việc trong đổi dữliệu sẽ thông qua Module NRF24L01

Hình 3-9 STM32F407 và Arduino trao đổi, dữ liệu thông qua Module NRF24L01

• Truyền nhận dữ liệu giữa người sử dụng và vườn thực vật:

Cơ sở dữ liệu (nơi lưu trữ thông tin chung của vườn thực vật) sẽ được đưa lênServer Hostinger có đăng kí Host sẵn và tương tác truyền nhận dữ liệu thông quaModule ESP8266-V1 với Board trung tâm STM32F407VGT6 để board trung tâm cóthể cập nhật dữ liệu từ người sử dụng

Người sử dụng có thể, theo dõi, thay đổi các chỉ số của vườn thực vật thôngqua một giao diện Web được thiết kế sẵn và liên kết chặt chẽ với hệ thống bên dưới

Dữ liệu môitrường Nhiệt

độ, độ ẩm…

Kích hoạt các bộ

phun ,tưới

Hình 3-10 Tương tác từ Website và hệ thống qua Module ESP8266-V1 và Host.

.

CHƯƠNG IV: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

4.1Mô hình chung của hệ thống

Hình 4-1 Mô hình truyền nhận và xử lý dữ liệu của hệ thống

• Hệ thống sẽ được chia làm 2 phần Tầng dưới và Tầng trên

chứa các cảm biến môi trường nhiệt độ, độ ẩm khí, độ ẩm đất… và dữ liệu đượclấy về từ Database trên Host về Board trung tâm STM32F407VGT6 (G-Control)tại đây dữ liệu môi trường từ E-Node sẽ được so sánh liên tục với dữ liệu trênDatabse, cho ra các chuỗi xử lý phù hợp để kích hoạt các bộ tới, phun sương,đèn quang hợp…đúng với loại cây trồng người sử dụng mong muốn

vật Dữ liệu sẽ được chứa trên Database của Host, đồng thời người sử dụng cóthể theo dõi và thay đổi các thông số của vườn thực vật trên Database này nhưloại cây trồng, biểu đồ cây.v.v để quản lý mọi lúc mọi nơi thông qua giao diệnWeb

4.2Thiết Kế E-Node.

4.2.1Tổng quan E-Node

E-Node là điểm thu thập các chỉ số môi trường bao gồm nhiệt độ, độ ẩm đất, độ

ẩm khí, được đặt tại nhiều khu vực trong vườn thực vật Board trung tâm bằng côngnghệ RF không dây và sử dụng nguồn nuôi bằng pin sạc 18650

Ngoài ra E-Node còn là một Board Phát triển cho Arduino Nano với các chângiao tiếp được mở rộng ra xung quanh tiện việc phát triển và nghiên cứu sau này

4.2.2Bộ đo độ ẩm đất E-Node

Kit Arduino Nano với điện áp tham chiếu 5v và độ phân giải ADC 10 bit.Chúng ta có thể chế tạo một cảm biến độ ẩm đất bằng việc sử dụng một trở 10k vàmột que đo bằng kim loại

Hình 4-2 Sơ đồ chế tạo mạch cảm biến độ ẩm đất

Với chân Analog A7 đặt ở trước que đo và nằm sau trở R1 như trong hình

thực hiện tính toán dựa trên các biểu thức dòng và áp ta có các công thức

Imạch = V5v / (R1 + Rque đo) (1)

Vanalog = V5v - VR1 (2) Dựa vào biểu thức (1) và (2) ở trên ta có công thức tính Vanalog:

Vanalog = V5v – R1 (3)

Nếu bình thường khi que đo ở trong không khí (giá trị trở của Rqueđo ở dương

vô cùng) áp dụng công thức ta tính được được tín hiệu điện trên chân A7 có giá trị

max (5v – 1023).

Nếu Rque đo giảm (nhúng vào nước) thì giá trị khối biểu thức:

R1 (hay VR1) Tăng

 Với biểu thức Vanalog = V5v – VR1 ta kết luận:

Khi nhúng que đo vào đất giá trị trên chân Analog sẽ GIẢM

DẦN đi từ MAX (5v-1023) trở xuống.

Chọn trở R1 có giá trị là 10kΩ ta bắt đầu chạy mạch theo sơ đồ phần cứng vàtest mạch hoạt động ra môi trường thực

• Đặt que đo trong nước:

• Đặt que đo trong không khí:

Hình 4-5 Đặt que đo trong không khí

Hình 4-6 Giá trị analog chân A3 khi que đo trong không khí

Dựa trên thực nghiệm ta thấy khi nhúng que đo vào nước hoàn toàn thì giá trịAnalog trên chân A7 cho ra là khoảng 350 Khi để ngoài không khí thì que đo chogiá trị khoảng từ 1020

 Ta phải đặt mốc:

•Giá trị 100% độ ẩm đất tương ứng với mốc 350.

•Giá trị 0% độ ẩm đất tương ứng với mức 1020.

Ta có thể thấy giá trị analog cho ra là giá trị nghịch (ngược) so với giátrị phần trăm Theo như biểu đồ hình 4-7

Hình 4-7 Biểu đồ giá trị phần trăm độ ẩm đất và giá trị Analog thu được.

- Để quy ước giá trị Analog của cảm biến độ ẩm đất sang phần trăm độ ẩmđất ta sử dụng hàm map(); cung cấp sẵn bở IDE của Arduino[9] để tiện việc quyước tham chiếu giá trị Chúng ta sẽ đưa các mốc giá trị ở biểu đồ trên vào hàmmap()

Map(giá trị đo được, mốc giá trị Analog Min, mốc tham chiếu ứng với giá trị Analog Min,mốc tham chiếu ứng với giá trị Analog Max,);

- Sau khi lấy được giá trị độ ẩm đất và truyền về board trung tâm Boardtrung tâm sẽ xử lý và đưa ra tín hiệu kích hoạt bộ phận tưới nhỏ giọt nếu như độ ẩmđất dưới mức tiêu chuẩn của loại cây, và sẽ ngưng tưới độ ẩm đã đạt, hoặc trên mứctiêu chuẩn

4.2.3Bộ đo nhiệt độ, độ ẩm khí E-Node

Để chế tạo mạch đo nhiệt độ, độ ẩm môi trường cho E-Node chúng ta sẽ sửdụng phần ngoại vi DHT11 liên kết với Arduino Nano theo bảng bên dưới

KẾT NỐI KIT ARDUINO NANO Arduino Nano DHT11

Bảng 4-1 Sơ đồ chân kết nối giữa DHT11 và Arduino Nano

Ta sẽ sử dụng thư viện DHT11 có sẵn do nhà sản xuất cung cấp để tiến hànhlấy dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm từ ngoại vi này

4.2.4Bộ truyền nhận dữ liệu môi trường E-Node

KẾT NỐI KIT ARDUINO NANO NRF24 Arduino Nano

Bảng 4-2 Sơ đồ chân kết nối giữa NRF24 và Arduino Nano

Thư viện NRF24 của nhà sản xuất sẽ cung cấp cho chúng ta các hàm

cơ bản để thực hiện việc truyền nhận dữ liệu [9] (nhiệt độ, độ ẩm khí, độ ẩmđất) từ E-Node sang G-Control mỗi khi có tín hiệu yêu cầu từ G-Control

Thứ tụ chuỗi truyền đi:

4.2.5Năng lượng tiêu thụ

Các E-Node của chúng ta sẽ sử dụng PIN sạc 18650 với trữ lượng4200mAh, vì vậy cần phải có chế độ tiết kiệm năng lượng hiệu quả cho E-Node đểđảm bảo thời gian hoạt động lâu dài và hạn chế việc thay, sạc pin nhiều lần

• Module NRF24L01:

- TX startup and change RX to TX (8mA)

- RX startup and change TX to RX (8.9mA)

• Vi điều khiển Arduino Nano: Hoạt động 30mA, sleep chế độ WDT (0,36mA)

• Pin: 4200mAh

Thiết lập giải thuật ta có: E-Node sẽ sleep 8s và thức dậy 0.3s nếu ko nhận đượcyêu cầu từ G-Control E-Node sẽ sleep 8s và thức dậy 2s nếu nhận được yêu cầu từG-Control

Chế độ sleep và WDT của Arduino Nano giúp ta tiết kiệm năng lượng nhiều hơntránh tổn hao rò rỉ năng lượng khi không dùng tới

4.2.6Giải thuật hoạt động

Hình 4-8 Lưu đồ giải thuật giao tiếp dữ liệu của E-Node đến G-Control

• Theo lưu đồ giải thuật hình 4-8, việc giao tiếp sẽ thực hiện theo các bước sau:

- Bước 1: E-Node sẽ chờ yêu cầu từ G-Control gửi xuống (lệnh ‘S’), nếu ko

nhận được tín hiệu ‘S’ thì sẽ tiếp bước 4, còn nếu nhận được tín hiệu ‘S’ thìtiếp bước 2

- Bước 2: E-Node sẽ gửi tín hiệu ‘O’ xác nhận cho board Control (để

G-Control xác nhận node sẽ gửi data và chờ) và gửi tiếp data cho board trung tâm

- Bước 3: Sau khi gửi xong data E-Node sẽ chờ tín hiệu ‘R’ của G-Control để

xác nhận đã nhận đủ dữ liệu Sau 100ms nếu E-Node không nhận thì sẽ tớibước 4 Còn nếu nhận thì tiếp bước 4

- Bước 4: E-Node sleep 8s và lặp lại vòng lặp.

4.2.7Phần cứng

• Thành phần E-Node:

- 02 chốt nguồn (Vin)

- 01 Switch (Công tắc nguồn)

- 01 Rào chân kit Arduino Nano

- 01 trở 10k Ω

- 01 chốt kết nối que đo độ ẩm đất

- 01 Rào chân kết nối NRF2.4

- 01 Rào chân kết nối DHT11

- 07 ô chân cắm nguồn 3V3

- 01 ô chân cắm nguồn 5V

- 03 ô chân cắm đất(GND)

- 12 ô chân cắm Digital (D13 -> D2)

- 07 ô chân cắm Analog (A7->A0)

• Mạch nguyên lý E-Node (Schematic)

Hình 4-9 Mạch nguyên lý E-Node

Hình 4-10 Mạch PCB layout

Hình 4-11 Mạch layout E-Node hoàn chỉnh hoạt động cùng các thiết bị

Hình 4-12 Đóng gói E-Node

4.3Thiết kế G-Control.

4.3.1 Tổng quan

G-Control Board xử lý trung tâm của vườn thực vật là nơi sẽ thu thập dữ liệu từE-Node và cho ra các chuỗi xử lý phù hợp đồng thời liên tục cập nhật và liên kết dữliệu với Server để người sử dụng theo dõi và quản lý mọi thông số của vườn thực vật

Đặc biệt G-Control có chứa bộ giải mã tần số cao bên trong, giúp phát ranhững file âm thanh giúp cây sinh trưởng và phát triển tốt hơn

4.3.2Xây dựng thư viện giải mã âm thanh trên G-Control

KẾT NỐI SHIELD VỚI STM32F4

Bảng 4-3 Sơ đồ chân kết nối Shield được thẻ nhớ với STM32F4

Hình 4-17 Mô hình giải mã âm thanh

Buffer[…] (8 bit) Buffer[0] Buffer[1] Buffer[2] Buffer[3] Buffer[4] Buffer[5] Buffer[6] Buffer[7] … Loa Trái Loa Phải Loa Trái Loa Phải Loa Trái Loa Phải Loa Trái Loa Phải ….

PIN A4 PIN A5 PIN A4 PIN A5 PIN A4 PIN A5 PIN A4 PIN A5

Sound Sample Data

1 Sound Sample Data 2 Sound Sample Data 3 Sound Sample Data 4 …

Bảng 4-4 Thứ tự dữ liệu âm thanh xuất ra chân PIN từ thẻ nhớ

• Theo mô hình ở hình 4-17, việc giải mã sẽ thực hiện theo các bước sau:

- Bước 1: Ta sẽ load vài nghìn byte dữ liệu âm thanh từ thẻ nhớ và đưa vào

buffer1 trên RAM Sau khi load xong ngắt Timer được kích hoạt và được phân chia

tần số sao cho cứ mỗi (1/Tần số giải mã) thì ngắt này xảy ra một lần

- Bước 2: Trong khi chờ ngắt xảy ra ta sẽ tranh thủ đọc dữ liệu của đoạn nhạc

(các bit âm thanh tiếp theo lên lên trên RAM vào buffer 2)

- Bước 3: Khi ngắt xảy ra ta chuyển dữ liệu âm thanh 8 bit từ RAM ở buffer1

vào thanh ghi lưu trữ của DAC Ta sẽ có được dao động âm thanh mỗi (1/Tần số

giải mã) cứ như vậy dữ liệu âm thanh 8bit sẽ liên tục được chuyển từ RAM sang

vùng thanh ghi lưu trữ của DAC tạo thành các dao động điện trên chân DAC PIN

(PA4 – PA5)

- Bước 4: Ta gắn cực dương của loa phải và loa trái với chân pin DAC PA4 và

PA5, cực âm của 2 loa với chân GND của Board lúc này loa sẽ phát ra như các dao

động giống như dao động điện trên chân pin và tạo thành âm thanh

- Bước 5: Khi dữ liệu âm thanh trên buffer1 đã hết ta sẽ phát lệnh chuyển sang

để đọc các bit âm thanh tiếp theo ở buffer2 và lặp lại quá trình như vậy ta sẽ giải mã

âm thanh một các liên tục

- Ưu điểm của phương pháp trên:

- Giảm bớt độ đáp ứng của vi xử lý vì không cần chuyển dạng Little –

endian sang dạng A – Law như các file âm thanh 16 bit, chỉ sử dụng mộtbyte 8bit để giải mã cho mỗi mẫu âm thanh

- Load dữ liệu âm thanh nhanh hơn vì chỉ sử dụng mẫu 8bit giúp chống

hiện tượng ngắt quãng, nghẹn cổ chai

- Có thể linh động trong việc thay đổi tần số theo mong muốn trong

khoảng từ 20Hz tới 48000Hz

- Có thể liên kết với DMA giúp trao đổi dữ liệu nhanh hơn vì các vùng nhớ

đều 8 bit như nhau và không có sự khác biệt về định dạng cũng như cácchuẩn quy ước

- Giảm bớt dung lượng các file âm thanh thuận tiện cho việc lưu trữ

4.3.3Bộ truyền nhận dữ liệu môi trường G-Control

Để lấy được dữ liệu về môi trường trong vườn thực vật G-Control sẽ thu dữ

liệu từ các E-Node thông qua NRF24 dựa trên giao tiếp SPI

Ta sẽ sử dụng thư viện NRF24 có sẵn do nhà sản xuất cung cấp để tiến hànhlấy dữ liệu từ các E-Node thông qua các hàm giao tiếp SPI giữa STM32F4 vàNRF24[3].

KẾT NỐI MODULE RF VỚI STM32F4

Bảng 4-5 Sơ đồ chân kết nối RF với STM32F4

E-Node được sleep sẽ thức giấc mỗi 8s một lần nên G-Control sẽ gửi dữ liệu xác nhận trong khoảng 8.5s để hứng thời điểm E-Node thức giấc giao tiếp và thu dữ liệu môi trường về

4.3.4Cảm biến ánh sáng trên G-Control

Chúng ta sẽ sử dụng BH1750 kết nối với Board STM32F4 để phục vụ việclấy dữ liệu ánh sáng môi trường trong vườn thực vật

Ngoài ra chúng ta sử dụng một số chân pin linh động trên kit để kích hoạtmái che và để kích hoạt đèn led

Ta kết nối chân SDA và SCK của BH1750 với chân của STM32F4 bằng theonhư bảng 4-6 bên dưới.

Bảng 4-6 Sơ đồ chân kết nối với BH1750 với STM32F4

Đối với cảm biến ánh sáng BH1750 hiện tại không có thư viện của nhà sảnxuất chung cấp cho Board STM32F4, chúng ta sẽ đi xây dựng thư viện để giao tiếpvới I2C phần cứng này với bộ theo cách thức hoạt động mà nhà sản xuất cung cấp

Cảm biến ánh sáng sẽ giúp thu dữ liệu ánh sáng của toàn bộ vườn thực vật tạimội thời điểm và kích hoạt các relay, đóng mở các bộ đèn quang hợp giúp cung cấpđầy đủ ánh sáng cho cây trồng

- Định hướng tính năng điều chỉnh ánh sáng:

Trên thị trường hiện nay có rất nhiều loại led phát sáng giúp cho cây trồngsinh trưởng tốt vì thế hệ thống sẽ được thiết kế theo hướng dựa vào cảm biến ánhsáng để điều chỉnh mái che, đèn led để đưa ra thời gian chiếu sáng phù hợp chotừng loại cây

Mỗi loại cây trồng có yêu cầu ánh sáng khác nhau tùy theo loại, dựa vào đặctính và nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ ánh sáng đến cây trồng mà có thể phân

ra thành 3 nhóm: