Ngày nay với sự phát triển của Internet và công nghệ mạng cảm biến, vì vậy IoT là một lĩnh vực được nước ta quan tâm và có nhiều đầu tư để ứng dụng vào thực tiễn. Chính vì vậy, đề tài này sẽ có một ý nghĩa khoa học rất lớn, kết quả của đề tài sẽ góp phần xây dựng các hệ thống nuôi trồng thủy sản thông minh, mang lại nhiều lợi ích kinh tế.Nghiên cứu về Internet of ThingsNghiên cứu lập trình trên các thiết bị cảm biến, mạch điều khiển thu nhận và phát tín hiệu về trung tâm xử lý, điều khiển tự động hóaXây dựng ứng dụng quản lý thông tin về các thông số kỹ thuật của hồ nuôi thủy sản trên môi trường internet
……………………………………… CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc ẠI HỌC ĐÀ NẴNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phúc KHOA ……………………………………… TÓM TẮT Mục tiêu đề tài xây dựng hệ thống cảm biến để: Giám sát nhiệt độ hồ nuôi Giám sát độ pH hồ nuôi Đưa cảnh báo hướng xử lý điều kiện môi trường vượt mức cảnh báo Hệ thống cảm biến gửi liệu web server để người dùng giám sát trạng thái hồ nuôi nơi có internet LỜI NĨI ĐẦU Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến Th.S Nguyễn Văn Nguyên người tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em thời gian thực đề tài Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy cô, bạn khoa Công Nghệ Thông Tin - ĐH Bách Khoa Đà Nẵng tận tình giúp đỡ, động viên tạo điều kiện để em thực tốt đề tài Mặc dù cố gắng xong chắn không tránh khỏi thiếu sót Chúng em mong nhận thơng cảm bảo tận tình q thầy cơ, anh chị tất bạn Đà Nẵng, ngày tháng năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Những nội dung Khóa Luận Tốt Nghiệp thực hướng dẫn trực tiếp thầy giáo Th.S Nguyễn Văn Nguyên Mọi tham khảo dùng khóa luận tốt nghiệp trích dẫn rõ ràng trung thực tên tác giả, tên cơng trình, thời gian, địa điểm cơng bố Mọi chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm Đà Nẵng, ngày tháng năm 2018 Sinh viên thực Nguyễn Cơng Được MỤC LỤC Tóm tắt i Nhiệm vụ đồ án ii Lời nói đầu cảm ơn iii Lời cam đoan iv Mục lục .v Danh sách bảng biểu, hình vẽ sơ đồ vi Danh sách cụm từ viết tắt vii PHẦN MỞ ĐẦU 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Mục tiêu 1.3 Đối tượng nghiên cứu 1.4 Phạm vi nghiên cứu 1.5 Ý nghĩa khoa học thực tiễn 1.6 Bố cục báo cáo CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IOT 1.1 IoT (Internet of Things) gì? 1.1.1 Định nghĩa 1.1.2 Khái niệm 1.2 Lịch sử phát triển IoT 1.2.1 Lịch sử phát triển IoT qua giai đoạn 1.2.2 IoT tương lai 1.3 Kiến trúc IoT 1.3.1 Hệ thống 1.3.2 Công nghệ không dây 1.3.3 Hệ thống điều khiển 1.3.4 Cổng Internet 1.3.5 Cảm biến thông minh 1.4 Vấn đề bảo mật IoT 1.4.1 Giao diện web bảo mật 1.4.2 Cơ chế xác thực chưa đảm bảo an toàn 1.4.3 Các dịch vụ mạng khơng an tồn 1.4.4 Thiếu chế mã hoá truyền tin 1.4.5 Nếu cấu hình an ninh không đủ 1.4.6 Bảo mật vật lý 1.4.7 Phần mềm khơng an tồn 1.5 Các lĩnh vực ứng dụng IoT 10 1.5.1 Quản lý hạ tầng 10 1.5.2 Y tế 10 1.5.3 Xây dựng tự động hóa nhà 10 1.5.4 Giao thông 10 1.5.5 Nông nghiệp 11 CHƯƠNG 2: LẬP TRÌNH VỚI BOARD MẠCH ARDUINO ĐỂ XÂY DỰNG HỆ THỐNG IOT 12 2.1 Giới thiệu Arduino 12 2.1.1 Giới thiệu 12 2.1.2 Các loại board mạch Arduino 12 2.1.3 Mơi trường lập trình board mạch Arduino 12 2.1.4 Các ứng dụng board mạch Arduino 13 2.2 Kiến trúc Arduino 13 2.2.1 Phần cứng Arduino Uno R3 14 2.4 Lập trình với mạch Arduino cho dự án IoT 18 2.4.1 Cấu trúc chương trình Arduino 19 2.4.2 Lập trình với mạch Arduino 20 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG VÀ TRIỂN KHAI HỆ THỐNG GIÁM SÁT CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT TRONG HỒ NUÔI THỦY SẢN DỰA TRÊN IOT 31 3.1 Phân tích thiết kế hệ thống 31 3.1.1 Yêu cầu đề tài 31 3.1.2 Phân tích đề tài 31 3.2 Triển khai hệ thống 32 3.2.1 Thiết kế hệ thống 32 3.2.2 Thông số kỹ thuật cảm biến mạch 34 3.3 Thử nghiệm đánh giá kết hệ thống 38 3.3.1 Thử nghiệm hệ thống 38 3.3.2 Đánh giá kết hệ thống 42 KẾT LUẬN 43 Những vấn đề đạt qua đề tài: 43 Hạn chế đề tài 43 Hướng phát triển 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH V Hình 1.1 Khái niệm IoT Hình 1.2 Kevin Ashton Hình 1.3 Kiến trúc IoT .7 Hình 1.4 IoT nơng nghiệp 11 Hình 2.1 Kiến trúc mạch Arduino 14 Hình 2.2 Mạch Arduino Uno 14 Hình 2.3 Các chân vào Arduino Uno 17 Bảng 1.1 Một số thông số Arduino Uno R3 17 Hình 2.4 Ví dụ void setup .19 Hình 2.5 Ví dụ void loop 19 Hình 2.6 Sơ đồ minh họa cấu trúc chương trình arduino 20 Hình 2.7 Trang chủ Arduino 22 Hình 2.8 Màn hình phần download 22 Hình 2.9 File chạy phần mềm sau download .23 Hình 2.10 Thơng báo điều khoản phần mềm 23 Hình 2.11 Các lựa chọn cài đặt .24 Hình 2.12 Chọn đường dẫn cho phần mềm 24 Hình 2.13 Quá trình cài đặt thực 25 Hình 2.14 Cài đặt driver USB cho IDE 25 Hình 2.15 Phần mềm cài đặt xong 26 Hình 2.16 Kết nối arduino uno r3 với máy tính 26 Hình 2.17 Tìm cổng COM kết nối với arduino uno r3 27 Hình 2.18 Arduino uno r3 kết nối với COM3 .27 Hình 2.19 Chọn board ardunio sử dụng .28 Hình 2.20 Chọn cổng COM cho arduino IDE 28 Hình 2.21 Xác nhận cổng COM 28 Hình 2.22 Lưu ý bạn phải chọn AVR ISP .29 Hình 2.23 Mở chương trình mẫu arduino IDE .29 Hình 2.24 Cửa sổ chương trình "Blink" 30 Hình 2.25 Đúp chuột vào chổ dấu mũi tên .30 Hình 3.1 Sơ đồ thiết kế hệ thống IoT .33 Hình 3.2 Cấu tạo cảm biến nhiệt độ nước DS18B20 .34 Hình 3.3 Bộ cảm biến đo pH nước 35 Hình 3.4 Cảm biến độ hòa tan oxy nước .36 Hình 3.5 Cảm biến độ đục nước 36 Hình 3.6 Giao diện đăng nhập 38 Hình 3.7 Trang chủ .39 Hình 3.8 Giao diện xem nhật ký theo dõi .39 Hình 3.9 Bản đồ thể thay đổi nhiệt độ .40 Hình 3.10 Bản đồ thể thay đổi trạng thái thiết bị 40 Hình 3.11 Điều khiển bật/tắt đèn led 411 Y Bảng 1.1 Một số thông số Arduino Uno R3 17 DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt IoT Tiếng anh Tiếng việt Internet of Things Kết nối vạn vật CSDL SNMP IP IDE MEMS PWM Cơ sở liệu Simple Network tập hợp giao Management Protocol thức International Protocol Giao thức IP Integrated Development Môi trường phát Environment triển tích hợp Micro Electro Mechanical Systems Pulse Width Modulation Hệ vi điện Xây dựng hệ thống hỗ trợ ni trồng thủy sản dựa mơ hình IoT PHẦN MỞ ĐẦU 1.1 Lý chọn đề tài Trước khoa học kỹ thuật chưa phát triển, chưa ứng dụng vào nuôi trồng thủy sản, người nuôi phải giám sát điều kiện nhiệt độ, độ PH, hòa tan oxy hồ thủ công dùng nhiệt kế, bút đo PH làm thời gian, sức lực kinh phí người ni Cùng với diện tích ni trồng thủy sản ta ngày lớn phát triển kèm với cơng nghệ kĩ thuật cần phát triển theo để đáp ứng nhu cầu người nơng dân, người nơng dân thường tiếp xúc với công nghệ Là sinh viên năm cuối với kiến thức học em mong muốn tạo hệ thống tự động áp dụng nuôi trồng thủy sản nên em chọn đề tài “Xây dựng hệ thống hỗ trợ nuôi trồng thủy sản theo mơ hình IoT” để người nơng dân dễ dàng quản lí khu vực ni thủy sản cách dễ dàng nhất, đạt hiệu đáng kể, giúp cho người nuôi biết trạng thái môi trường ao hồ nuôi để kịp thời xử lý, giảm thiểu rủi ro tăng suất nuôi thủy sản 1.2 Mục tiêu Mục tiêu đề tài xây dựng hệ thống IoT để: - Giám sát nhiệt độ hồ nuôi - Giám sát độ PH hồ ni - Giám sát độ Oxy hòa tan hồ - Giám sát độ đục nước hồ - Đưa cảnh báo hướng xử lý điều kiện môi trường vượt mức cảnh báo - Thiết lập chế độ điều khiển tùy chọn để người dùng dễ dàng thiết lập Sinh viên thực hiện: Nguyễn Công Được GV Hướng dẫn: Th.S Nguyễn Văn Nguyên Xây dựng hệ thống hỗ trợ ni trồng thủy sản dựa mơ hình IoT 3.2.2 Thông số kỹ thuật cảm biến mạch 3.2.2.1 Cảm biến nhiệt độ nước DS18B20 DS18B20 Cảm Biến Nhiệt Độ dùng để đo nơi cách xa board điều khiển hơn, môi trường ẩm ướt Cảm biến nhiệt độ DS18b20 chống nước đo lên đến 125 độ C, dây dẫn làm từ nhựa PVC nên có khả đo từ 100 độ C trở xuống Tín hiệu cảm biến dạng tín hiệu số, cảm biến khơng bị suy hao tín hiệu dây dẫn, cảm biến DS18b20 có độ phân giải từ 9-12 bit, liệu truyền qua chẩn 1-wire, cần chân vi điều khiển để lấy liệu từ cảm biến Điện áp sử dụng từ 3.0V - 5.0V Hình 3.2: Cấu tạo cảm biến nhiệt độ nước DS18B20 Thông số bản: - Điện áp cấp: 3~5v - Dải đo từ - 55 độ đến 125 Độ - Độ phân dải tùy chỉnh từ - 12 bit - Chuẩn giao tiếp Wire - ID 64 bit ghi trực tiếp vào cảm biến - Có thể sử dụng nhiều cảm biến chân Sinh viên thực hiện: Nguyễn Công Được GV Hướng dẫn: Th.S Nguyễn Văn Nguyên 35 Xây dựng hệ thống hỗ trợ nuôi trồng thủy sản dựa mô hình IoT - Thời gian phản hồi < 750ms - Cách kết nối chân: dây đỏ- VCC dây đen- GND dây vàng- DATA - Kích thước 90cm - đường kính đầu cảm biến 4mm Sinh viên thực hiện: Nguyễn Công Được GV Hướng dẫn: Th.S Nguyễn Văn Nguyên 36 Xây dựng hệ thống hỗ trợ nuôi trồng thủy sản dựa mơ hình IoT 3.2.2.2 Bộ cảm biến đo độ pH nước Cảm biến pH dùng để đo độ pH thiết kế đặc biệt cho Arduino có chức cổng kết nối nên việc sử dụng đơn giản tiện lợi với chi phí thấp hiệu cao Để sử dụng cần kết nối cảm biến pH với đầu nối BNC cắm cổng giao tiếp PH2.0 vào cổng analog điều khiển Arduino Nếu lập trình nhận kết pH Hình 3.3: Bộ cảm biến đo pH nước Thơng số kỹ thuật: Nguồn: 5VDC Tín hiệu trả về: Analog Khoảng đo PH: 0- 14 PH Khoảng nhiệt độ: 0- 60 độ C Độ chuẩn xác: 0,1PH (25 độ C) 3.2.2.3 Cảm biến độ hòa tan oxy nước Việc đo lường oxy hòa tan (DO) quy trình cơng nghiệp nhằm kiểm sốt nồng độ oxy, tối ưu hóa quy trình sản lượng Bên cạnh việc đo lường dây chuyền, hệ thống đo lường gần dây chuyền thường sử dụng để kiểm soát khu vực khác với hệ thống hiển thị/dẫn truyền/ cảm biến di động với nhật ký liệu, thiết bị lấy mẫu giao diện để tải giá trị đo lường lưu trữ Sinh viên thực hiện: Nguyễn Công Được GV Hướng dẫn: Th.S Nguyễn Văn Nguyên 37 Xây dựng hệ thống hỗ trợ nuôi trồng thủy sản dựa mơ hình IoT Sinh viên thực hiện: Nguyễn Công Được GV Hướng dẫn: Th.S Nguyễn Văn Nguyên 38 Xây dựng hệ thống hỗ trợ nuôi trồng thủy sản dựa mơ hình IoT Hình 3.4: Cảm biến độ hòa tan oxy nước Thơng số kỹ thuật: Thang đo: 0~20 mg / L Chất liệu điện cực: Epoxy Noryl Nhiệt độ: 50 độ C Đầu bão hòa: HDPE = 47mV +/- 9mV, PTFE = 33mV +/- 9mV Áp suất: 0-100 psig (7,5 Bar) 3.2.2.4 Cảm biến đo độ đục nước Cảm biến độ đục sử dụng nguyên tắc quang học, cách đo truyền ánh sáng giải pháp tán xạ tỷ lệ tổng thể điều kiện độ đục, để đạt mục đích việc phát chất lượng nước Hình 3.5: Cảm biến độ đục nước Sinh viên thực hiện: Nguyễn Công Được GV Hướng dẫn: Th.S Nguyễn Văn Nguyên 39 Xây dựng hệ thống hỗ trợ nuôi trồng thủy sản dựa mơ hình IoT Thơng số kỹ thuật : Điện áp hoạt động: +5V-40mA (MAX) Thời gian đáp ứng: