THIẾT kế hệ THỐNG tưới nước tự ĐỘNG

Đề tài đƣợc thực hiện dựa trên những yêu cầu thực tế với mục đích giảm nhân công lạo động, hạ chi phi sản xuất, đồng thời tiết kiệm thời gian và nguồn nƣớc hiện đang cạn kiệt dần. Hệ Thống gồm ba khối chính: Khối cảm biến độ ẩm đất có nhiệm vụ đo độ ẩm của đất và gửi tới khối sever để xử lý, khối cảm biến sử dụng nguồn pin đƣợc sạc bằng năng lƣợng mặt trời. Khối sever sử dụng board Arduino UNO để nhận dữ liệu từ khối cảm biến và khối máy tính để xử lý thông tin và điều khiển động cơ(máy bom). Khối máy tính có nhiệm vụ tải thông tin thời tiết và gửi dữ liệu cho khối sever đồng thời hiển thị thông tin độ ẩm của đất theo biểu đồ.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN KỸ THUẬT MÁY TÍNH – VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI NƯỚC

NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÁY TÍNH

Sinh viên: TRẦN NGUYÊN THÁI

MSSV: 11119137

TP HỒ CHÍ MINH – 1/2016

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN KỸ THUẬT MÁY TÍNH - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI NƯỚC

NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÁY TÍNH

Sinh viên: TRẦN NGUYÊN THÁI

MSSV: 11119137

GVHD: Th.S HOÀNG XUÂN BÁCH

TP HỒ CHÍ MINH – 1/2016

iii

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất cả quý thầy cô giảng dạy tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, đặt biệt là quý thầy cô Khoa Điện – Điện Tử đã giảng dạy và cung cấp những kiến thức bổ ích tạo tiền đề cho tôi thực hiên đồ án này

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến giáo viên hướng dẫn thầy Th.S Hoàng Xuân Bách, thầy đã khởi tạo ý tưởng, cung cấp tài liệu, đồng thời tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Tôi cũng bày tỏ sự cảm ơn tới anh Nguyễn Huỳnh Quý Nam người đã giúp để tôi

có nhiều ý tưởng và hoàn thiện ý tưởng đó trong quá trình thực hiện đề tài

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và các thầy cô trong khoa đã tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi có cơ hội nghiên cứu và thực hiện đề tài này

Cảm ơn đến thầy cô trong Khoa Điện Điện Tử và các bạn lớp 11119 đã chia sẻ, trao đổi, đóng góp kiến thức giúp tôi thực hiện tốt đề tài

Xin chân thành cảm ơn!

Thực hiện đề tài

TRẦN NGUYÊN THÁI

iv

TÓM TẮT

Đề tài được thực hiện dựa trên những yêu cầu thực tế với mục đích giảm nhân công lạo động, hạ chi phi sản xuất, đồng thời tiết kiệm thời gian và nguồn nước hiện đang cạn kiệt dần Hệ Thống gồm ba khối chính:

- Khối cảm biến độ ẩm đất có nhiệm vụ đo độ ẩm của đất và gửi tới khối sever

để xử lý, khối cảm biến sử dụng nguồn pin được sạc bằng năng lượng mặt trời

- Khối sever sử dụng board Arduino UNO để nhận dữ liệu từ khối cảm biến và khối máy tính để xử lý thông tin và điều khiển động cơ(máy bom)

- Khối máy tính có nhiệm vụ tải thông tin thời tiết và gửi dữ liệu cho khối sever đồng thời hiển thị thông tin độ ẩm của đất theo biểu đồ

v

MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VII

DANH MỤC BẢNG IX

CÁC TỪ VIẾT TẮT X

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI 2

1.3 PHẠM VI ÁP DỤNG 3

1.4 BỐ CỤC 3

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 MỘT SỐ HỆ THỐNG TƯƠNG TỰ HIỆN NAY 4

2.1.1 Các nghiên cứu ở nước ngoài 4

2.1.2 Các nghiên cứu trong nước 5

2.1.3 Đánh giá tổng quan 6

2.2 CÁC THÀNH PHẦN CHÍNHTRONGĐỀTÀI 8

2.2.1 Tổng quan về Arduino 8

2.2.2 Arduino UNO 9

2.2.3 Arduino Pro Mini 5V 11

2.2.4 Module ESP8266 13

2.2.5 Công nghệ pin mặt trời 18

2.2.6 Cảm biến độ ẩm đất 19

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG 21

3.1 LỰA CHỌN THIẾT KẾ 21

3.2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG 22

3.2.1 Thiết kế sơ bộ 22

3.2.2 Thiết kế phần cứng 23

3.2.3 Thiết kế phần mềm 30

3.3 THỰC HIỆN KẾT NỐI CÁC KHỐI 32

vi

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ 35

4.1 MÔ HÌNH THỰC TẾ 35

4.1.1 Khối server 35

4.1.2 Khối cảm biến độ ẩm đất 36

4.1.3 Khối máy tính 37

4.2 HOẠT ĐỘNG THỰC TẾ 39

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 40

5.1 TÓM LƯỢC MỤC ĐÍCH, QUY TRÌNH HOẠT ĐỘNG VÀ KẾT QUẢ 40

5.1.1 Tóm lược mục đích 40

5.1.2 Quy trình hoạt động 40

5.1.3 Kết quả chung 40

5.2 ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA ĐỂ TÀI 40

5.2.1 Ưu điểm của đề tài 40

5.2.2 Nhược điểm của đề tài 41

5.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 41

PHỤ LỤC A 43

PHỤ LỤC B 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

vii

Hình 1 1: Tưới nước chảy tràn lan 1

Hình 1 2: Xe bòn tưới nước 2

Hình 2 1: Robot Droplet tự động tưới nước 5

Hình 2 2: Ông Nguyễn Văn Tất bên hệ thống tưới nước 6

Hình 2 3: Sơ đồ chân và chưc năng của Arduino UNO 10

Hình 2 4: Sơ đồ chức năng chân của Arudino UNO 11

Hình 2 5: Module ESP8266 14

Hình 2 6: Sơ đồ chân ESP8266 14

Hình 2 7: Cảm biến độ ẩm đất 19

Hình 2 8: Sơ đồ nguyên lý của cảm biến 20

Hình 3 1 Sơ đồ khối của hệ thống 22

Hình 3 2: Lưu đồ giải thuật khối Server 24

Hình 3 3: Sơ đồ nguyên lý các linh kiên giao tiếp với arduino 25

Hình 3 4: Lưu đồ thuật toán của khối cảm biến 26

Hình 3 5: Sơ đồ nguyên lý của khối Arduino Pro Mini 27

Hình 3 6: Sơ đồ khối của khối nguồn 27

Hình 3 7: Module hạ áp 28

Hình 3 8: Mạch sạc pin 28

Hình 3 9: Nâng áp (5v) 29

Hình 3 10: Sơ đồ nguyên lý mạch quản lý nguồn 29

Hình 3 11: Pin Lithium- ion 4200mA, 3.7V 30

Hình 3 12: Giao diện khởi động của arduino 1.6.6 31

Hình 3 13: Giao diện khởi động visual studio 2013 32

Hình 3 14: Mạch Layout giao tiếp với server 33

Hình 3 15: mach layout giao tiếp với Arduino pro mini 33

Hình 3 16: Mạch layout quản lý nguồn 34

viii

Hình 4 1: Kết quả thực tế khối server 35

Hình 4 2: kết quả thực tế của khối cảm biến độ ẩm đất 36

Hình 4 3: Giao diện trên máy tính 37

Hình 4 4: Kết quả gió tiếp với khối server 38

Hình 4 5: Mô hình hoàn thiện 39

ix

Bảng 2 1: Tóm tắt sơ lƣợc Arduino Uno 9

Bảng 2 2: Tóm tắt sơ lƣợc về Arduino Pro Mini 5V 12

Bảng 2 3: Bảng tập lệnh AT của esp8266 15

Bảng 3 1: Kết nối các chân của module wifi với Arduino Uno 23

Bảng 4 1: Bảng giá trị điện của mạch server 35

Bảng 4 2: Các thông số về điền của khối cảm biến 36

x

IDE: Integrated development environment

PWM: Pulse-width modulation

LCD: Liquid Crystal Display

I2C: Inter-Integrated Circuit

AVR: Auto voltage regulator

AT: Attention command

IC: Integrated Circuit

ADC: Analog to Digital Converter

XML: eXtensible Markup Language

JSON: Javascript Object Notation

Hình 1 1: Tưới nước chảy tràn lan

2

Ngoài ra trên các tuyết đường trong đô thị chúng ta thường thấy các xe bồn chở nước tưới cây có thể làm ùn tắt giao thông, tốn chi phi chuyên chở, tốn nhân công lao động Hệ thống tưới sẽ đáp ứng độ ẩm của đất, tiết kiệm nước tạo điều kiện cho cây trồng hấp thụ được tốt hơn, chống xói mòn, rửa trôi, thoái hóa đất Hơn thế nữa, với việc thiết kế hệ thống tưới cây tự động sẽ giúp cho cong người không phải tưới nước cho cây, không tốn nhân công tưới nước Với hệ thống tưới nước này việc tưới nước sẽ phụ thuộc vào độ ẩm của đất và thông tin thời tiết của khu vực để điều khiển tưới nước

Hình 1 2: Xe bòn tưới nước

Mặt khác hiện nay nước ta là đất nước thuộc nhóm nước đang phát triển, đang trong giai đoạn công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước các thiết bị, máy móc tự động hóa được đưa vào sản xuất để phục vụ thay thế sức lao động của con người, tăng chất lượng, sản lượng của cây trồng Vì nhiều lý do trên tôi đã

chọn đề tài “Thiết kế hệ thống tưới nước”

1.2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Mục tiêu của đề tài này là nghiên cứu, phân tích và thiết kế được mạch có khả năng điều khiển tưới nước thông qua các thông tin được thu thập về Thông tin độ ẩm của đất được cảm biến đo chuyển tới khối xử lý dữ liệu và được gửi tới sever là ARDUINO bằng module WIFI đồng thời thông tin thời tiết được máy

1.4 BỐ CỤC

Trong đề tài này, tôi xây dựng một hể thống tự động tưới nước dựa trên các thông số thu thập về để điều khiển tưới tự động Bố cục tổng thể được trình bày như sau:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về đề tài Chương này sẽ giới thiệu lý do chọn đề tài mục đích của đề tài

Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trong chương này trình bày về các đề tài, các hệ thống đã và đang được triển khai Giới thiệu các thiết bị chính được sử dụng trong đề tài

Chương 3: Thiết kế và Thi công Chương này trình bày chi tiết toàn bộ quá trình thiết kế hệ thống, từ quá trình lựa chọn ý tưởng, thiết kế nguyên lý cho đến quá trình lập trình, thi công hê thống

Chương 4: Kết quả Chương này chủ yếu trình bày về mô hình phần cứng đã xây dựng, hoạt động thực tế của mạch

Chương 5: Tóm lược và kết luận Chương này trình bày ngắn gọn lại một lần nữa mục tiêu, hoạt động của đề tài, các ưu và nhược điểm của hệ thống Đồng thời cũng nêu ra một loạt các hướng phát triển đề tài trong tương lai

4

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 MỘT SỐ HỆ THỐNG TƯƠNG TỰ HIỆN NAY

2.1.1 Các nghiên cứu ở nước ngoài

Ở nước ngoài đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng về hệ thống tưới cây tự động Đầu những năm 80, Liên Xô (cũ) đã chế tạo ra một loại máy tưới tự động ứng dụng trong nông nghiệp Khi làm việc loại máy này có thể quan sát được độ

ẩm của thổ nhưỡng, nhiệt độ không khí, sức gió… Nó có thể xác định được phương pháp tưới và tiến hành tưới cho cây trồng, nhờ một loại máy làm mưa nhân tạo khác Hãng robot Droplet giới thiệu robot tưới cây tích hợp những công nghệ tự động mới nhất, điện toán đám mây và một số dịch vụ kết nối khác cho phép Droplet có khả năng tự động ngắm hướng vòi phun, lượng nước và tần suất tưới để tự động tưới nước cho cây theo những lịch trình tự tính toán dựa trên phân tích các dữ liệu đầu vào Droplet là 1 chiếc vòi phun tự động có khả năng tự điều chỉnh hướng dòng nước phun ra từ ống đến thân cây trong bán kính 9.14 mét Trước khi robot tự động vận hành, người dùng chỉ cần khai báo tên của các loại cây có mặt trong vườn thông qua điện thoại, máy tính bảng, được kết nối không dây với robot Dựa trên thông tin về tên các loại cây, Droplet sẽ tự tra cứu thông tin trên mạng nhằm xác định lượng nước cũng như tần số tưới cho phù hợp với từng loại cây Bên cạnh đó, Droplet cũng tự tra cứu dữ liệu về tình hình thời tiết của địa điểm làm việc để xác định mưa/nắng nhằm đưa ra lịch làm việc thích hợp

5

Hình 2 1: Robot Droplet tự động tưới nước

Bộ điều khiển tưới cây tự động Israel dễ dàng được lập trình theo yêu cầu tưới của người sử dụng Chỉ cần vài thao tác lập trình, cung cấp cho hệ thống một nguồn nước đầu vào và dẫn các đầu tưới đến các vị trí cần tưới là đã hoàn tất việc lắp đặt hệ thống tưới tự động theo công nghệ tưới tiên tiến

2.1.2 Các nghiên cứu trong nước

Hệ thống tưới phun tự động đa năng một công trình khoa học của 2 giảng viên trường Cao đẳng Công nghiệp (CĐCN) Huế: tiến sĩ Lê Văn Luận và thạc sĩ

Lê Đình Hiếu được áp dụng trong hệ nhà màng trồng hoa địa lan của ông Lê Văn

Lự, thôn Tiên Nộn-xã Phú Mậu-huyện Phú Vang Các thiết bị chính của hệ thống tưới phun đa năng này gồm có 1 cảm biến đo nhiệt độ và 1 cảm biến đo độ ẩm của đất được cài đặt tại nhà màng trồng hoa, hệ điều khiển được lập trình trên PLCS7 1200 Khi các cảm biến cho thông số độ ẩm của đất hoặc nhiệt độ không khí tại nhà màng báo hiệu cần nước, tín hiệu này sẽ đưa đến hộp điều khiển PLC Tại đây các chức năng sẽ được điều khiển tự động để nhận nước và đưa tưới tự động tưới phun theo các vòi phun lắp đặt, và sẽ tự ngừng trong đúng 5 phút, khi cảm biến báo độ ẩm hoặc nhiệt độ đã đạt yêu cầu Hệ thống tưới phun tự động đa năng là sản phẩm khoa học có ý tưởng hay, tính ứng thiết thực và đã được thử nghiệm có hiệu quả thực tế

6

Mô hình tưới nước chạy bằng năng lượng mặt trời của ông Nguyễn Văn Tất (ngụ ấp 7, xã Đức Liễu, huyện Bù Đăng, tỉnh Bình Phước), mô hình giúp tiết kiệm chi phí, nhân công, phân bón đồng thời tăng năng suất và không gây ô nhiễm môi trường Hệ thống bao gồm một tấm pin năng lượng mặt trời, công suất 175w và được nối với motor Motor sẽ vận hành khi có đủ nắng và bom nước tới các gốc cây trồng

Hình 2 2: Ông Nguyễn Văn Tất bên hệ thống tưới nước

Theo ông Nguyễn Văn Tất “Qua hơn 2 năm sử dụng hệ thống này kết quả cho thấy vườn cà phê và điều không còn rụng trái non, bông ca cao không còn bị héo như trước, trái và hạt chắc hơn Do đó, năng suất vườn cây tăng từ 25 - 30%

so với trước Không những cho tăng năng suất mà còn tiết kiệm chi phí so với chạy máy bơm Nếu như trước đây bình quân vào mùa khô gia đình tôi phải tưới

ít nhất 5 lần/mùa, chi phí hết 8 triệu tiền dầu và 5 triệu tiền nhân công, nhưng nay không tốn một đồng nào”

2.1.3 Đánh giá tổng quan

- Một số hệ thống tại nước ngoài: các hệ thống ở nước ngoài thường là các hệ thống quy mô lơn, sử dụng công nghệ cao, các thiết bị hiện đại + Ưu điểm:

7

o Các hệ thống hoạt động ổn định tương đối chính xác vì họ

sử dụng các thiết bị tiên tiến

o Các hệ thống nhỏ gọn, đầy đủ cá chức năng được tích hợp vào hệ thống

o Các thông tin thời tiết của họ độ chính xác cao

+ Nhược điểm:

o Các sản phẩm thiết kế chi phi cao dẫn đến giá thành cao

o Một số sản phẩm chỉ được ưng dụng tại khu vực của họ

o Các thiết kế thường ứng dụng vào các công trình lớn

- Các hệ thống trong nước:

+ Ưu điểm:

o Các hệ thống đều tự động tưới

o Đáp ứng được nhu cầu nước của cây trồng

o Chi phí các hệ thống tương đối

số lần tưới không phụ thuộc vào nhu cầu của cây

o Các hệ thống chưa gọn các dây nối của các thiết bị còn nhiều

Dựa vào các phân tích và đánh giá trên, cho thấy các hệ thống đều thực sự chưa hoàn hảo về mọi tiêu chí Căn cứ vào điều kiện cũng như yêu cầu thực tế của nước ta, hoàn toàn có thể thiết kế một hệ thống tưới nước tự động và sự kết hợp những ưu điểm của các hệ thống đã có cũng như hạn chế tối đa có thể các nhược điểm còn tồn tại

Được giới thiệu vào năm 2005, Những nhà thiết kế của Arduino cố gắng mang đến một phương thức dễ dàng, không tốn kém cho những người yêu thích, sinh viên và giới chuyên nghiệp để tạo ra những nhiết bị có khả năng tương tác với môi trường thông qua các cảm biến và các cơ cấu chấp hành Những ví dụ phổ biến cho những người yêu thích mới bắt đầu bao gồm các robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ và phát hiện chuyển động Đi cùng với nó là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) chạy trên các máy tính cá nhân thông thường và cho phép người dùng viết các chương trình cho Aduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++ Một mạch Arduino bao gồm một vi điều khiển AVR với nhiều linh kiện bổ sung giúp dễ dàng lập trình và có thể mở rộng với các mạch khác Một khía cạnh quan trọng của Arduino là các kết nối tiêu chuẩn của nó, cho phép người dùng kết nối với CPU của board với các module thêm vào có thể dễ dàng chuyển đổi, được gọi là shield Vài shield truyền thông với board Arduino trực tiếp thông qua các chân khách nhau, nhưng nhiều shield được định địa chỉ thông qua serial bus I²C-nhiều shield có thể được xếp chồng và sử dụng dưới dạng song song Arduino chính thức thường sử dụng các dòng chip megaAVR, đặc biệt là ATmega8, ATmega168, ATmega328, ATmega1280, và ATmega2560 Một vài các bộ vi xử lý khác cũng được sử dụng bởi các mạch Aquino tương thích Hầu hết các mạch gồm một bộ điều chỉnh tuyến tính 5V và một thạch anh dao động

16 MHz (hoặc bộ cộng hưởng ceramic trong một vài biến thể), mặc dù một vài thiết kế như LilyPad, Pro Mini chạy tại 8 MHz do yêu cầu về điện áp, năng lượng Một vi điều khiển Arduino cũng có thể được lập trình sẵn với một boot

 Thông số Arduino UNO

Arduino là một Board mạch Vi Điều Khiển sử dụng chip AVR ATmega328,

Atmega168, ATmega8 của Atmel Nó chứa tất cả mọi thứ cần thiết để hỗ trợ các

bạn dễ lập trình vi điều khiển [11]

Bảng 2 1: Tóm tắt sơ lƣợc Arduino Uno

Vi điều khiển ATmega328 (họ 8 bit)

Số chân digital I/0 14 (trong đó có 6 chân hỗ trợ ngõ ra PWM)

Số chân analog ngõ vào 6(độ phân giải 10bit)

Dòng DC trên mỗi chân I/O 40 mA

 Sơ đồ các phần chính của Arduino UNO

Arduino UNO có sơ đồ linh kiện nhƣ hình sau đây

10

Hình 2 3: Sơ đồ chân và chƣc năng của Arduino UNO

1 Cổng USB (loại B): đây là cổng giao tiếp để ta upload code từ PC lên

vi điểu khiển Đồng thời nó cũng là giao tiếp serial để truyền dữ liệu giữa vi điểu khiển với máy tính

2 Jack nguồn: để chạy Arduino khi không kết nối với máy tính Lúc đó,

ta cần một nguồn 9V đến 12V

3 Hàng Header: đánh số từ 0 đến 12 là hàng digital pin, nhận vào hoặc xuất ra các tín hiệu số Ngoài ra có một pin đất (GND) và pin điện áp tham chiếu (AREF)

4 Hàng header thứ hai: chủ yếu liên quan đến điện áp đất, nguồn

5 Hàng header thứ ba: các chân để nhận vào hoặc xuất ra các tín hiệu analog Ví dụ nhƣ đọc thông tin của các thiết bị cảm biến

6 Vi điều khiển AVR: đây là bộ xử lý trung tâm của toàn bo mạch Với mỗi mẫu Arduino khác nhau thì con chip này khác nhau Ở con Arduino Uno này thì sử dụng ATMega328

11

 Sơ đồ chân của Arduino UNO

Hình 2 4: Sơ đồ chức năng chân của Arudino UNO

2.2.3 Arduino Pro Mini 5V

 Tổng quan

Arduino Pro Mini là 1 module rất nhỏ, sử dụng chip ATmega328P Vì sử dụng chung dòng chip ATmega328 nên việc lập trình và thiết kế ứng dụng hoàn toàn tương tự board Arduino Uno R3 Ngoài ra có 1 sự khác biệt nhỏ là board Arduino Pro Mini có tới 8 cổng analog (thay vì 6 như trên Arduino Uno R3) Trong đó 2 ngõ analog A6, A7 không thể xuất tín hiệu digital!

12

Hình 2.1: Arduino Pro Mini 5V

Board Arduino Pro Mini 5V, 16Mhz mặc định sử dụng nguồn 5V và chạy ở xung nhịp 16Mhz Tuy nhiên trên board có sẵn đầu vào RAW để cấp nguồn thông qua mạch điều áp từ 5V – 12V hoặc Vcc cấp nguồn 3.3V hoặc 5V [9]

Mô tả sơ lƣợc

Bảng 2 2: Tóm tắt sơ lƣợc về Arduino Pro Mini 5V

Số chân digital I/O 14 ( 6 chân có thể dùng cho PWM)

Số chân analog ngõ vào 4

Dòng DC ngõ vào trên mỗi chân 40 mA

Một module WIFI đƣợc tích hợp sẵn một firmware với các tập lệnh AT, tuy nhiên đã có thêm nhiều phiên bản firmware hổ trợ nhiều ngôn ngữ, trong đó có LUA và Arduino Module ESP8266 là module wifi giá rẻ và đƣợc đánh giá rất

14

cao cho các ứng dụng lien quan tới internet và wifi cũng nhƣ các ứng dụng truyền nhận sử dụng thay thế cho các module RF khác [2]

Hình 2 5: Module ESP8266

Hình 2 6: Sơ đồ chân ESP8266

 Tính năng của ESP8266

 Hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n

 WI-FI 2.4GHz, hỗ trợ WPA/WPA2

 Chuẩn điện áp hoạt động: 3.3v

 Chuẩn giao tiếp nối tiếp UART với tốc độ baud lên đến 115200

 Có 3 chế độ hoạt động: Client, Access Point, Both Client and Access point

15

 Hỗ trợ các chuẩn bảo mật nhƣ: OPEN, WEP, WPA_PSK, WPA2_PSK, WPA_WPA2_PSK

 Hỗ trợ 2 chuẩn giao tiếp TCP và UDP

 Làm việc nhƣ một máy chủ có thể kết nối với 5máy con

 Led chỉ báo truyền nhận TX/RX

 Chức năng của các chân

 Vcc: nguồn 3.3v lên đến 300mA

 RST: Chân reset, kéo xuống mức thấp để reset

 CH_PD: Nếu đƣợc kéo lên mức cao thì module sẽ bắt đầu thu phát wifi, kéo xuống mức thấp module dừng phát wifi

 GPIO0: kéo xuống mức thấp ở chế độ upgrade firmware

16

38,”70:62:b8:6f:6d:58”,1)+CWLAP:(4,”Lilipad2.4”,-

83,”f8:7b:8c:1e:7c:6d”,1) Join

Access

point

AT+CWJAP?

AT+CWJAP=”SSID”,”Password”

Wifi Mode AT+CWMODE?

AT+CWMODE=1 AT+CWMODE=2 AT+CWMODE=3

Query STA

AP BOTH Set up TCP

or UDP

connection

AT+CIPSTART=?

(CIPMUX=0) AT+CIPSTART=<type>,<addr>,<port>(CIPMUX=1) AT+CIPSTART=<id><type

>,<addr>,<port>

Query Id=0-4, type=TCP/UDP, addr=IP address, Port=port

Query Single Multiple Check join AT+CWLIF

(CIPMUX=1) AT+CIPSEND=<id>,<length>

Close

TCP/UDP

AT+CIPCLOSE=<id> or AT+CIPCLOSE

Upgrade

AT+CIUPDATE 1 +CIPUPDATE:1 found server

2 +CIPUPDATE:2 connect server

3 +CIPUPDATE:3 got edition

4 +CIPUPDATE:4 start updateReceived

18

Watchdog

Disable*

AT+CSYSWDTDISABLE Watchdog, auto restart when

program errors occur: disable

Pin năng lượng mặt trời hay pin quang điện(Solar Panel) bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) - là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện Sự chuyển đổi này thực hiện theo hiệu ứng quang điện Các pin năng lượng Mặt trời có nhiều ứng dụng trong thực tế

Do giá thành còn đắt, nên ít được sử dụng, chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng

mà điện lưới khó vươn tới như núi cao, ngoài đảo xa, hoặc phục vụ các hoạt động trên không gian; cụ thể như các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất,máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm tay từ xa, thiết bị bơm nước Các Pin năng lượng Mặt trời được thiết kế như những modul thành phần, được ghép lại với nhau tạo thành các tấm năng lượng Mặt trời có diện tích lớn, thường được đặt trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể có thể đó ánh sáng nhiều nhất, và kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện Các tấm pin Mặt Trời lớn ngày nay được lắp thêm bộ phận tự động điều khiển để có thể xoay theo hướng ánh sáng, giống như cây xanh hướng về ánh sáng Mặt Trời

Hình 2.3: Một tế bào quang điện

 GND: Chân GND của nguồn

 DO: Đầu ra tín hiệu số(mức 1 hoặc mức 0)

 AO: Đầu ra tín hiệu tương tự (Analog)

20

Hình 2 8: Sơ đồ nguyên lý của cảm biến

Khi module cảm biến độ ẩm phát hiện, khi đó sẽ có sự thay đổi điện áp ngay tại đầu vào của ic LM393 Ic này nhận biết có sự thay đổi nó sẽ đưa ra một tín hiệu 0V để báo hiệu và thay đổi như thế nào sẽ được tính toán để đọc độ ẩm đất Cảm biến độ ẩm đất rất nhạy với độ ẩm môi trường xung quanh, thường được sử dụng để phát hiện độ ẩm của đất Khi độ ẩm đất vượt quá giá trị được thiết lập, ngõ ra của module D0 ở mức giá trị là 0V Ngõ ra D0 có thể được kết nối trực tiếp với vi điều khiển như (Arduino, PIC, AVR, STM), để phát hiện cao

và thấp, và do đó để phát hiện độ ẩm của đất Đầu ra Analog AO có thể được kết nối với bộ chuyển đổi ADC, bạn có thể nhận được các giá trị chính xác hơn độ

ẩm của đất.[3]

 Khối xử lý trung tâm(Server) gồm các bộ phận sau:

 Mạch Arduino UNO dùng để điều khiển toàn bộ khối này

 Màng hình LCD để hiển thi thông thời tiết và giá trị độ ẩm của đất

 Moduel I2C LCD giúp tiết kiệm chân cho Arduino và giao tiếp LCD đơn giản hơn

 Module ESP8266 giúp việc giao tiếp với khối Server qua mạng WIFI

 Khối cảm biến bao gồm các thành phần chính sau:

 Mạch Arduino Pro Mini 5V nhận tín hiệu từ cảm biến và gửi tới Server

 Mạch điều khiển nguồn: gồm chức năng tạo nguồn cung cấp và sạc pin lithium dùng IC TP4056

 Cảm biến độ ẩm đất với 2 ngõ ra digital và analog dùng để xác định

độ ẩm của đất

 Module ESP8266 giúp việc giao tiếp với khối Server qua mạng WIFI Khối này được thiết kế nhỏ gọn, đơn giản để dễ dàng lắp đặt ở hầu hết các địa điểm ngoài trời

 Khối máy tính có nhiệm vụ kêt nối internet để tải thông tin thời tiết về và gửi tới khối Server đồng thời hiển thị giá trị độ ẩm bằng biểu đồ được Server gửi lên Khối này không ảnh hưởng tới hoạt động của mạch khi không có kết nối mạch còn hoạt động

Nhằm giảm điện năng tiêu thụ đồng thời tăng tính linh hoạt của hệ thống thì nguồn của khối cảm biến độ ẩm đƣợc sử dụng là nguồn pin đƣợc sạc từ pin năng lƣợng mặt trời

Khối Sever (Arduino)

Khối Cảm biến độ ẩm

Động cơ (Máy bơm)

Pin dự phòng

Tấm năng lƣợng mặt trời Điều khiển Nguồn

Máy tính

WIFI

Mạch điều khiển sạc

Internet

Cảm biến độ ẩm

Hình 3 1 Sơ đồ khối của hệ thống

23

3.2.2 Thiết kế phần cứng

3.2.2.1 Thiết kế khối Server

Khối Server là khối xử lý trung tâm nó có nhiệm vụ nhận dữ liệu từ các Client(khối cảm biến và khối máy tính) gửi tới đồng thời xử lý các dữ liệu, hiển thị thông tin và phát lệnh thực thi cho máy bom hoạt động Các khối giao tiếp bằng module wifi, khối này gồm có:

o Xử lý trung tâm là board Arduino UNO

o màng hình LCD có nhiệm vụ hiển thi thông tin

o Module I2C LCD có nhiệm vụ tiết kiệm chân cho vi điều khiển và giao tiếp đơn giản hơn

o Module wifi (ESP826) có nhiệm vụ giao tiếp qua mạng wifi

o Module relay có nhiệm vụ đóng ngắt động cơ (máy bom)

Bảng 3 1: Kết nối các chân của module wifi với Arduino Uno