Xây dựng hệ thống thu thập thông số môi trường nước trong nuôi trồng thủy sản qua internet

LỜI CẢM ƠN Trên thực tế khơng có thành công mà không gắn liền với hỗ trợ, giúp đỡ dù hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp người khác Trong suốt thời gian từ bắt đầu học tập giảng đường đại học đến nay, em nhận nhiều quan tâm, giúp đỡ q thầy cơ, gia đình bạn bè Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý thầy cô Khoa Công nghệ tự động hóa dành hết tâm huyết để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em suốt thời gian học tập trường Vốn kiến thức khơng tảng cho q trình nghiên cứu đồ án mà hành trang quý báu để em tự tin vững bước trường đời Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến ThS Đặng Văn Ngọc người hướng dẫn tận tình bảo cho em suốt q trình hồn thiện đồ án Em gửi lời cảm ơn tới gia đình bạn bè ln quan tâm, động viên, giúp đỡ tạo điều kiện cho em để em có điều kiện tốt để hoàn thành đề tài Em xin chân thành cảm ơn Thái Nguyên, ngày 05 tháng 05 năm 2017 Sinh viên thực Dương Thị Tâm i LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan toàn nội dung báo cáo em tự tìm hiểu nghiên cứu định hướng thầy giáo hướng dẫn: ThS Đặng Văn Ngọc Nội dung báo cáo không chép vi phạm quyền từ cơng trình nghiên cứu Nếu lời cam đoan không đúng, em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm trước pháp luật Thái Nguyên, ngày 05 tháng 05 năm 2017 Sinh viên thực Dương Thị Tâm ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CHỮ CÁI VIẾT TẮT v DANH MỤC HÌNH ẢNH vi DANH MỤC BẢNG viii LỜI MỞ ĐẦU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Các yếu tố ảnh hưởng môi trường nước đến sức khỏe động vật thủy sản 1.1.1 Độ PH 1.1.2 Nhiệt độ nước 1.1.3 Hàm lượng oxy hòa tan nước 1.1.4 Hàm lượng khí cacbonic (CO2) 1.1.5 Hàm lượng khí Hydro sulfua (H2S) 1.1.7 Động vật phù du 1.1.8 Độ 1.2 Nồng độ pH 1.2.1 Khái niệm nồng độ PH ảnh hưởng đến đời sống thủy sinh vật 1.2.2 Kiểm soát độ PH 1.3 Độ suốt độ vẩn đục nước 1.3.1 Khái niệm 1.3.2 Kiểm soát độ đục nước 10 1.4 Độ dẫn điện EC 10 1.5 Tổng quan HTML, PHP MYSQL 11 1.5.1 Tìm hiểu HTML 11 1.5.2 Tìm hiểu PHP 15 1.5.3 Hệ quản trị CSDL MySQL 19 iii CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH BÀI TỐN 21 2.1 Mô tả hệ thống 21 2.2 Thiết kế phần cứng 22 2.2.1 Sơ đồ khối 22 2.2.2 Một số linh kiện sử dụng 23 2.2.3 Sơ đồ nguyên lý 38 2.2.4 Sơ đồ mạch in 38 2.3 Giao diện giám sát WebServer 40 2.4 Lưu đồ thuật toán 43 2.4.1 Sơ đồ thuật tốn hệ thống 43 2.4.2 Lưu đồ thuật toán thu thập giá trị nhiệt độ 44 2.4.3 Lưu đồ thuật toán thu thập giá trị EC 45 2.4.4 Lưu đồ thuật toán thu thập giá trị PH 46 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 48 3.1 Hình ảnh sản phầm sau hoàn thành 48 3.2 Thực nghiệm 49 3.2.1 Triển khai thực nghiệm hồ nước trường Đại học Công nghệ thông tin 49 3.2.2 Triển khai thực nghiệm hồ cá nhà dân 50 KẾT LUẬN 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 PHỤ LỤC 55 iv DANH MỤC CHỮ CÁI VIẾT TẮT NTTS : Nuôi trồng thủy sản CPU : Central Processing Unit (Bộ xử lý trung tâm) HTML : HyperText Markup Language (Ngôn ngữ đánh dấu siêu văn bản) PHP : Personal Home Page CSDL : Cơ sở liệu TDS :Total Dissolved Solids (Chỉ số đo tổng lượng chất rắn hòa tan) EC : Electrical Conductivity GPRS : General Packet Radio Service (Dịch vụ vô tuyến gói chung) UART : Universal Asynchronous Receiver – Transmitter MVC : Model – View – Controller URL : Uniform Resource Locator ADC : Analog-to-digital converter v DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Biểu đồ tỷ lệ người dùng ngơn ngữ lập trình 16 Hình 1.2: Sơ đồ hoạt động PHP 18 Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống 22 Hình 2.2: Hình ảnh pin cell 23 Hình 2.3: IC LM2596 23 Hình 2.4: Sơ đồ kết nối IC LM2596 23 Hình 2.5: Hình ảnh Arduino Nano 24 Hình 2.6: E201C – thiết bị đo độ PH 26 Hình 2.7: Cấu tạo điện cực PH 26 Hình 2.8: Cấu trúc PH sensor 27 Hình 2.9: Các mức điện khác nhúng điện cực vào dung dịch 28 Hình 2.10: Đường biểu thị phụ thuộc điện áp đo theo PH 29 Hình 2.11: Cảm biến EC 30 Hình 2.12: Đầu đo cảm biến EC mẫu dung dịch hiệu chuẩn 30 Hình 2.13: Mối quan hệ EC TDS 31 Hình 2.14: Cảm biến đo độ đục nước 33 Hình 2.15: Hiệu ứng kích thước hạt bước sóng (hạt nhỏ) 35 Hình 2.16: Hiệu ứng kích thước hạt bước sóng (hạt lớn) 35 Hình 2.17: Hiệu ứng kích thước hạt bước sóng (hạt lớn hơn) 36 Hình 2.18: Hình ảnh cảm biến nhiệt độ DS18B20 36 Hình 2.19: Hình ảnh mặt trước mặt sau module sim800L 37 Hình 2.20: Sơ đồ nguyên lý 38 Hình 2.21: Sơ đồ mạch in 39 Hình 2.22: Màn hình giao diện Web Server 40 Hình 2.23: Hiển thị nồng độ PH WebSite 40 Hình 2.24: Hiển thị nhiệt độ WebSite 41 Hình 2.25: Hiển thị giá trị độ dẫn điện EC WebSite 41 Hình 2.26: Hiển thị giá trị độ đục WebSite 41 Hình 2.27: Bảng lưu liệu theo thời gian 41 vi Hình 2.28: Khu vực cảnh báo 42 Hình 2.29: Biểu đồ thời gian thực WebSite 42 Hình 2.30: Sơ đồ thuật toán hệ thống 43 Hình 2.31: Lưu đồ thuật toán thu thập giá trị nhiệt độ 44 Hình 2.32: Lưu đồ thuật tốn thu thập giá trị EC 45 Hình 2.33: Lưu đồ thuật tốn thu thập giá trị PH 46 Hình 2.34: Lưu đồ thuật tốn thu thập giá trị độ đục 47 Hình 3.1: Hình ảnh sản phầm sau hồn thành 48 Hình 3.2: Giao diện giám sát môi trường nước 48 Hình 3.4: Hình ảnh thực nghiệm đo thông số môi trường nước hồ nước Công nghệ thông tin 49 Hình 3.5: Kết thông số PH, EC, độ đục, nhiệt độ đo hồ Công nghệ thông tin………………………………………………………………………………… 49 Hình 3.6: Thử nghiệm thiết bị 50 Hình 3.7: Thử nghiệm cảm biến ao cá 50 Hình 3.8: Thơng số đo ao cá Smart phone 51 vii DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Một số loại thẻ sử dụng HTML 13 Bảng 2: Bảng thông số kỹ thuật Arduino Nano 25 viii LỜI MỞ ĐẦU Trong trình cơng nghiệp hóa – đại hóa đất nước, tự động hóa yếu tố khơng thể thiếu cơng nghiệp đại Nói đến tự động hóa máy tính cơng cụ hỗ trợ đắc lực thiếu nhiều lĩnh vực, đặc biệt đo lường, điều khiển giám sát Việc ứng dụng máy tính vào kỹ thuật đo lường, điều khiển giám sát đem lại nhiều kết đầy tính ưu việt Các thiết bị, hệ thống đo lường, điều khiển giám sát ghép nối với máy tính có độ xác cao, thời gian thu thập liệu ngắn Nhận thấy tầm quan trọng việc tự động hóa vào hệ thống giám sát môi trường nước nuôi trồng thủy sản em chọn đề tài: “Xây dựng hệ thống thu thập thông số môi trường nước nuôi trồng thủy sản qua Internet” Để hoàn thành đề tài này, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Th.S Đặng Văn Ngọc người hướng dẫn tận tình bảo cho em suốt q trình hồn thiện đồ án Em gửi lời cảm ơn tới gia đình bạn bè ln quan tâm, động viên, giúp đỡ tạo điều kiện cho em để em có điều kiện tốt để hồn thành đề tài Em xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 15 tháng 04 năm 2017 Sinh viên thực Dương Thị Tâm TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI Tính cấp thiết Thủy sản Việt Nam 10 năm qua có bước phát triển vượt bậc, trở thành nước có tốc độ phát triển thủy sản nhanh giới Trong đó, ngành ni trồng thủy sản Việt Nam coi tiến nhanh nhất, bất chấp khởi đầu muộn chiếm 1/3 tổng sản lượng thủy sản nước [1], góp phần quan trọng việc nâng cao sản lượng giá trị xuất khẩu, tạo công ăn việc làm cho nhiều người dân, đặc biệt vùng dân nghèo ven biển, vùng sâu vùng xa, hải đảo… từ tiến tới ổn định mặt xã hội NTTS ngày chiếm vị trí quan trọng hoạt động kinh tế giới, thể vai trò quan trọng kinh tế - xã hội số nước nghèo lên từ sản xuất nông nghiệp Việt Nam Việc phát triển mạnh mẽ NTTS thay cho khai thác hải sản phần giảm áp lực khai thác mức miền biển Việt Nam, tiến tới bảo tồn nguồn tài nguyên biển đất nước Hiệu kinh tế việc sản xuất hộ gia đình gặp khó khăn đáng kể, cần phải giải quyết, khắc phục, chuyển đổi cấu từ nông sang cấu kết hợp với nuôi trồng giống cá, tôm cao, số hộ gia đình nghèo giảm đáng kể, hộ gia đình ni trồng giống cá, tơm có tỷ lệ thu nhập kinh tế khá, giàu chiếm 60% [1] Tuy q trình sản xuất giống cá, tơm, sở cụ thể sau: - Khi nhiệt độ môi trường hạ thấp, đặc biệt đợt rét đậm, rét hại, sở sản xuất cá, tôm giống gặp tổn thất kinh tế nặng nề cá, tôm bị chết hàng loạt Nguyên nhân thông số môi trường theo dõi thủ cơng, khơng thường xun khơng có hệ thống, từ biện pháp đối phó với điều kiện thời tiết khắc nghiệt chưa đưa ra, đưa muộn, không hiệu - Một số thông số chất lượng nước quan trọng nuôi trồng giống cá, tôm như: Nhiệt độ nước, độ đục, độ sâu rủi ro ô nhiễm từ nông nghiệp (thuốc trừ sâu) chưa kiểm soát nên sản lượng chất lượng cá, tôm giống chưa cao 3.2.2 Triển khai thực nghiệm hồ cá nhà dân Hình 3.6: Thử nghiệm thiết bị Hình 3.7: Thử nghiệm cảm biến ao cá 50 Hình 3.8: Thơng số đo ao cá Smart phone Kết thông số môi trường nước đo ao cá lúc 11 54 phút ngày 04/05/2017 là: PH: 6.0, nhiệt độ: 30, độ dẫn điện: 100, độ đục: 2.8 Qua kết ta đưa kết luận: Với điều kiện mơi trường cá sinh sống được, nhiên độ PH thấp, cần phải tăng độ PH lên Có thể tăng độ PH cách thường xuyên hút chất thải, không để rơi xuống ao, tạt vào hồ bột đá Cacbonat CaCO3 51 KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu q trình hồn thành đồ án giúp em có thêm kiến thức, hiểu biết linh kiện điện tử, module cảm biến, có thêm kiến thức Web Server, ngơn ngữ lập trình Web HTML, PHP, Nâng cao khả lập trình Arduino ứng dụng Arduino mạch điện tử hay chế tạo nút cảm biến Thiết kế chế tạo thành công module đo lường thông số môi trường nước nhiệt độ, nồng độ PH, EC, độ đục nước Xây dựng thành công hệ thống giám sát môi trường nước nuôi trồng thủy sản qua Internet Hệ thống điều khiển tương đối ổn định, đáp ứng yêu cầu đề tài, Cảm biến đọc thông số chất lượng nước tương đối xác vi điều khiển xử lý kịp thời, phần cứng thiết kế tương đối đẹp mắt, test giao tiếp UART modlue sim 800L PC thực dễ dàng Mức chi phí dành cho thiết bị phụ thuộc vào đầu cảm biến, ứng dụng nhiều lĩnh vực đo đạc sống 52 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Bằng nỗ lực thân, đề tài đạt số kết đáng khích lệ Bên cạnh hạn chế vấn đề thời gian kinh phí phát triển, hệ thống giám sát chưa khai thác hết tính module sim 800L nên đạt số yêu cầu đề định Để nâng cao chất lượng đưa hệ thống lên tầm cao em đề định hướng phát triển sau: - Tích hợp thêm số sensor chất lượng khác cho thiết bị - Ứng dụng cảnh báo giọng nói thông số vượt ngưỡng cho phép - Phát triển sử dụng nguồn nuôi cho hệ thống pin lượng mặt trời 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Th.S Nguyễn Thanh Hải, 2015, Thời thách thức nuôi trồng thủy sản Việt Nam, Viện kinh tế quy hoạch thủy sản, tham khảo link: http://www.rrbo.org.vn/default.aspx?tabid=379&ItemID=1799 [2] Nongthonmoi.quangtri.gov.vn, 2013, Kỹ thuật nuôi cá nước ngọt, tham khảo link: nongthonmoi.quangtri.gov.vn/uploads/co-so-du /13ky-thuat-nuoi-ca-nuoc-ngot [3] Nghenong.com, 2015, Kỹ thuật nuôi cá ao đất, tham khảo link: http://nghenong.com/ky-thuat-nuoi-ca-trong-ao-dat [4] Hứa Thị Phượng Liên, (2015), Thủy sinh đại cương, Đại học An Giang [5] Lê Cảnh Trung Phạm Quang Huy, (2014), Lập trình điều khiển với Arduino, NXB Khoa học Kỹ thuật [6] Hshop.vn, (2015), Cảm biến đo độ pH, tham khảo link: http://hshop.vn/products/cam-bien-do-do-ph-giao-tiep-uart [7] Arduino.com, (2016), Cảm biến đo độ đục nước, tham khảo link: http://arduino360.com/cam-bien-do-duc-cua-nuoc [8] Tae.vn, 2015, Cảm biến nhiệt độ DS18B20, tham khảo link: http://tae.vn/cam-bien-nhiet-do-ds18b20-chong-nuoc [9] Thietbilocnuoc.com, 2012, Độ dẫn điện nước, tham khảo link: http://thietbilocnuoc.com/tin-tuc/do-dan-dien-cua-nuoc.html 54 PHỤ LỤC Cơ sở xây dựng Website quản trị liệu Code xử lý hiển thị giao diện webserver xây dựng ngơn ngữ lập trình php Trong có hai thư mục thư mục Controller Views Thư mục VIEWS - Thư mục Backend -> dashboard.php có chức sửa nội dung bảng quản trị Tại hiển thị giao diện trang chủ quản trị bao gồm khối hiển thị PH, EC, nhiệt độ, độ đục Bên cạnh hiển thị ngày, giờ, biểu đồ thời gian thực thống kê độ PH, EC, nhiệt độ, độ đục bảng thống kê kết đo sau lần đẩy liệu lên Server Các khối hiển thị quy định màu sắc, kích thước, vị trí tương ứng với ý định lập trình viên Giao diện trang quản trị Thư mục CONTROLLER Thư mục có file.php có chức điều khiển trang web File Add.php có chức nhận phương thức truyền: Ở thư mục này, sau load tất thư viện hỗ trợ đến bước xử lý việc lấy liệu (PH, EC, nhiệt độ, độ đục), cuối thêm liệu vừa lấy từ phần cứng vào database File Dashboard.php có chức xử lý hiển thị trang bảng quản trị: Taị thư mục xử lý liệu database đưa liệu trang quản trị 55 Hoạt động thực nghiệm Website Server có địa http://nextx-iot.com/ tích hợp hệ quản trị cở dữu liệu SQL Tại đây, liệu lưu trữ hiển thị, tương tác với người dùng thông thiết bị thông minh Laptop, PC, hay điện thoại thơng minh Chương trình chính: #define ArrayLenth 40 //So lan lay mau cho cac cam bien dang analog(pH, EC) #define ECSensorPin A3 #define pHSensorPin A5 #define Offset -3.25 #include char xL[8]; int DS18S20_Pin = 6; OneWire ds(DS18S20_Pin); int index = 0; //chi so mang - dung cho pH, EC float pHValue; float ecValue=0.0; float Voltage; float TemperatureSum; char arr_EC[10]; char arr_Temp[10]; char arr_pH[10]; char arr_Tur[10]; int8_t answer; int onModulePin= 3;//chan bat nguon cho Sim 800L int ledPin = 12; //led bao sim 908: neu no nhay qua nhanh, chop lien tuc la khong khoi dong dc, rut nguon luon, neu no nhay nhay xong chop cham cham thi ok roi day char data[100]; int data_size; char aux_str[40]; char aux; int x = 0; char N_S,W_E; //nextx-iot.com/ 56 char url[] = "nextx-iot.com"; //dia chi cua trang web/ du lieu duoc tu cam bien gui len day, thay url url trang web cần đẩy lên char frame[300]; char time[7]; long getcurtime=0; bool usStatus = true; void setup(){ Serial.begin(9600); pinMode(onModulePin, OUTPUT); pinMode(ledPin, OUTPUT); digitalWrite(ledPin, LOW); power_on(); sendATcommand("AT+CGPSPWR=1", "OK", 2000); sendATcommand("AT+CGPSRST=0", "OK", 2000); while (sendATcommand("AT+CREG?", "+CREG: 0,1", 2000) == 0); // sets APN , user name and password sendATcommand("AT+SAPBR=3,1,\"Contype\",\"GPRS\"", "OK", 2000); sendATcommand("AT+SAPBR=3,1,\"APN\",\"m3-world\"", "OK", 2000); sendATcommand("AT+SAPBR=3,1,\"USER\",\"mms\"", "OK", 2000); sendATcommand("AT+SAPBR=3,1,\"PWD\",\"mms\"", "OK", 2000); while (sendATcommand("AT+SAPBR=1,1", "OK", 20000) == 0) { delay(3000); } delay(500); } void loop(){ int countErr=0; getTemp(); PHVL(); doduc(); ec(); 57 getcurtime = millis(); while(usStatus&&(millis()-getcurtime) 0) Serial.read(); // Clean the input buffer Serial.println(ATcommand); // Send the AT command x = 0; previous = millis(); // this loop waits for the answer do{ if(Serial.available() != 0){ response[x] = Serial.read(); x++; // check if the desired answer is in the response of the module if (strstr(response, expected_answer1) != NULL) { answer = 1; } } // Waits for the asnwer with time out } while((answer == 0) && ((millis() - previous) < timeout)); // Serial.print(response); return answer; } void ec(){ const float resistorValue = 10000.0; float VoltageEC=0.0; float Resistance=0.0; double Siemens; float Value =analogRead(ECSensorPin); VoltageEC = Value *5.0/1024; Resistance = ((5.00 * resistorValue) / VoltageEC) - resistorValue; Siemens = 1.0/(Resistance/1000000); ecValue = 500 * (Siemens/1000); return ecValue; 61 } void doduc(){ int sensorValue = analogRead(A0);// read the input on analog pin 0: Voltage = sensorValue * (5.0 / 1024.0); return Voltage; } void PHVL(){ float voltagePH=0.0; float Value=analogRead(A5); voltagePH = Value *5.0/1024; pHValue = 3.5*voltagePH+Offset; return pHValue; } float getTemp(){ //returns the temperature from one DS18S20 in DEG Celsius byte data[12]; byte addr[8]; if ( !ds.search(addr)) { //no more sensors on chain, reset search 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); ds.write(0x44,1); // start conversion, with parasite power on at the end 62 byte present = ds.reset(); ds.select(addr); ds.write(0xBE); // Read Scratchpad 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