Hệ thống trồng rau sach tưới tiêu tự động

I Lời nói đầu: Giới thiệu chung Với tốc độ thị hóa việc thiếu đất canh tác vấn đề đặt cho nhiều ngành nh quan chức Đi kem với nó, sống người dân n đô th ị phải đối mặt với nhiều thực trạng, có vấn đ ề sử dụng rau cho sinh hoạt hàng ngày gia đình Vấn đề rau vấn đề cấp thiết xã hội Cùng với tăng trưởng xã hội, người khơng ch ỉ thích “ăn ngon mặc đẹp” mà phải bả đảm vệ sinh, tốt cho s ức kh ỏe Tuy nhiên, nguồn cung thực phẩm chủ yếu từ trồng trọt truyền thống phu thuộc nhiều vào điều kiên th ời tiết khí h ậu việc đáp ứng nhu cầu ngày cao dường nh toán nan giải Từ thực tế nhóm xin đưa giải pháp áp dụng công nghệ vào trồng rau: Công nghệ trồng rau Hiện Đảng Nhà nước có sách đ ộng viên m ọi thành phần kinh tế nước đầu tư cho hoạt động sản xu ất kinh doanh, tạo mơi trường cạnh tranh bình đẳng lành m ạnh gi ữa thành phần kinh tế Nước ta nước nông nghiệp lạc h ậu phấn đấu để trở thành nước cơng nghiệp năm 2010 Trong tình hình , phát triển nông nghiệp nh ững m ối quan tâm hàng đầu đất nước, hàng năm hàng nông nghi ệp xuất đem lại cho đất nước khoản thu ngoại tệ không nh ỏ nên sách Nhà nước ln khuy ến khích phát triển nơng nghiệp tạo điều kiện thuận lợi để phát tri ển dự án nơng nghiệp Tình trạng nay: Hiện tổng diện tích trồng rau thành phố Hà Nội gần 11650 có 2105 trồng rau an toàn M ỗi năm thành phố tự sản xuất khoảng 570000 rau,đáp ứng 60% nhu cầu rau xanh địa bàn, 40% phải nhập từ đ ịa phương khác Riêng sản xuất rau an toàn Hà Nội m ới đáp ứng 14% nhu cầu Bởi nhu cầu rau Hà Nội lớn Với điều ki ện kinh tế -xã hội Hà Nội, thu nhập người dân ngày tăng lên, đ ời sống ngày ổn định nhu cầu rau lớn Th ực tr ạng rau nhiều chợ rau không đáp ứng chất lượng v ệ sinh an toàn thực phẩm khiến người tiêu dùng hoang mang lo lắng sản phẩm rau trở thành lựa chọn nhiều bà n ội tr ợ muốn đảm bảo sức khỏe cho gia đình người thân Họ sẵn sàng bỏ khoản tiền lớn để có mớ rau có nguồn gốc rõ ràng hệ thống siêu thị cửa hàng rau Tình hình nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ m ới: Điểm qua việc nghiên cứu trồng rau, thấy, từ năm 1966 đến có 500 sáng chế kỹ thuật trồng Nh ật B ản nước vượt lên dẫn đầu với khoảng 260 sáng chế, chiếm 47% Theo sau Hàn Quốc với 103 sáng chế chiếm 19%, Mỹ v ới 46 sáng ch ế chiếm 9%… Tình hình nghiên cứu cơng nghệ Thủy canh th ế giới (Tinh theo sô lương băng sang chế tư năm 1966 đến nay) Tại Việt Nam, năm 1997 Trường Đại học Nông nghiệp I Hà N ội nghiên cứu ứng dụng công nghệ trồng “Việt hóa” cho phù h ợp với điều kiện nước ta Trung tâm Đào tạo, Tư vấn Chuyển giao công nghệ, Viện KHCNVN phối hợp với Cơng ty SàiGòn Thủy canh có nh ững nghiên cứu hồn thiện ứng dụng cơng nghệ vào thị tr ường vài năm gần Tại kỳ hội chợ Techmart Hải Phòng, TP.HCM, Techmart Hà Nội 2012 thành công bước đầu Cà chua, Dưa leo, Xà lách… trồng theo cơng nghệ Th ủy canh hồn tồn “xanh, sạch” giới thiệu nhận chào đón, ch ấp nhận nhiều người dân nước II Giới thiệu công nghệ: Các vấn đề đặt ra: Với nhu cầu xây dựng trang trại rau lớn việc s dụng sức người vơ tốn nhiều thời gian - Việc xây dựng phương án tổng thể với thi ết bị thơng minh tích hợp khơng đảm bảo an tồn, tiết kiệm chi phí nâng cao chất lượng dịch vụ tới cho người nông dân cần thiết  Hướng giải quyết: - Xây dưng hệ thống điều khiển tưới tiêu tự động, ki ểm soát độ ẩm ánh sáng giúp giảm sức lao động tay chân, tiết kiệm th ời gian, tăng suất trồng  Mục tiêu đạt được: - Thiết bị có thời gian sử dụng lâu dài - Hoạt động vơi cong suất nhỏ đảm bảo độ xác đ ể tăng suất trồng - Thân thiên dễ sử dụng với người nông dân Xây dựng hệ thống tưới tiêu tự động kết hợp đo độ ẩm nhiệt độ: Tổng quan hệ thống: Hệ thống tự động hệ thống bao gồm q trình thu thập thơng tin, xử lý thông tin tác động lên hệ thống để điều ển trình xảy thiên nhiên, sống mà khơng có s ự tham gia trực tiếp người - III Mặc dù tự động hóa ứng dụng từ lâu cho việc tưới tiêu, song phát triển số nước phát triển, nước chậm phát triển nông nghiệp chiếm tỉ lệ lớn nh ưng việc ứng dụng tự động hóa cho việc tưới chậm Hiện nay, trợ giúp nước nước phát triển đưa dần tự động hóa vào đời sống vào sản xuất, đặc biệt nước Đông Nam Á có Việt Nam Ngày với s ự phát triển mạnh mẽ công nghệ chế tạo thiết bị tự động hóa, kết hợp với thành tựu công nghệ vi điện tử công nghệ thông tin, cho phép tạo nên giải pháp tự động hóa lĩnh vực Ở nước ta có nhiều nghiên cứu ứng dụng hệ thống tự động vào sống Người dân sáng tạo hệ th ống tưới bán tự động giúp tiết kiệm sức lao động, hiệu cao so với tưới thủ công Tuy nhiên hệ thống nhiều nhược điểm cần khắc phục để mang lại hiểu cao Các phần tử mạch điều khiển: 2.1 Vi điều khiển AT89C55: Hình 2.1 : Sơ đồ chân VĐK AT89C55 Chip AT89C55 có đặc điểm sau: - 20K Byte nhớ chương trình chip Dao động với thạch anh bên khoảng t 0Hz đ ến - 33Mhz Bộ nhớ RAM dùng cho liệu 8x256 32 đường dẫn vào/ra lập trình Timer/ Counter 16 bit Timer 0,1,2 Timer có ch ức - Capture/Compare nguồn ngắt Có thể giao tiếp với nhớ bên 2.2 Cấu trúc vi điều khiển AT89C55: - AT89C55 có tất 40 chân Chức chân vi điều khiển: - P1.0 đến P1.7 (Chân đến chân 8): Đây chân vào/ra hai hướng cổng với điện trở kéo lên dương nguồn đặt sẵn - chip Chân RST (Chân 9) : lối vào Reset Lối vào thường sử dụng - xóa vi điều khiển trạng thái ban đầu khởi động lại P3.0 (Chân 10): Đây chân vào/ra hai hướng với điện trở kéo lên dương nguồn đặt sẵn chip Chân hoạt động lối vào nhận liệu (RxD) vi điều khiển đ ược sử dụng truyền nhận không đồng (UART) để - nhận liệu nối tiếp P3.1 (Chân 11): Đây chân vào/ra hai hướng với điện trở kéo lên dương nguồn đặt sẵn chip Chân hoạt động lối truyền liệu (TxD) vi điều khiển đ ược sử dụng truyền nhận không đồng (UART) để - truyền liệu nối tiếp P3.2 (Chân 12): Đây chân vào/ra hai hướng với điện trở kéo lên dương nguồn đặt sẵn chip Chân chân - ngắt ngồi có số hiệu (INT0) P3.3 (Chân 13): Đây chân vào/ra hai hướng với điện trở kéo lên dương nguồn đặt sẵn chip Chân chân - ngắt có số hiệu (INT1) P3.4 (Chân 14): Đây chân vào/ra hai hướng với điện trở kéo lên dương nguồn đặt sẵn chip Chân chân l ối - vào đếm T0 P3.5 (Chân 15): Đây chân vào/ra hai hướng với điện trở kéo lên dương nguồn đặt sẵn chip Chân chân l ối - vào đếm T1 P3.6 (Chân 16): Đây chân vào/ra hai hướng Đây chân ghi vào nhớ (WR) - P3.7 (Chân 17): Đây chân vào/ra hai hướng dùng cho bit - cổng Chân chân đọc nhớ liệu bên (RD) XTAL1 XTAL2 (Chân 18 19): Hai chân dùng để nối với cộng hưởng thạch anh bên để tạo nên - dao động bên vi mạch GND (Chân 20): Chân nối đất P2.0 đến P2.7 (Chân 21 đến chân 28): Đây chân vào/ra cổng vi điều khiển Các chân có điện tr nối lên nguồn - dương PSEN ( Chân 29): Đây chân cho phép lưu trữ chương trình vi điều khiển 8051 chuẩn Chân kích hoạt vi - điều khiển thực thi mã lệnh từ nhớ bên ALE/PROG (Chân 30): Đây chân cho phép chốt địa vi điều khiển 8051 chuẩn Chân sử dụng để chốt th ấp - (LOW) địa truy cập đến nhớ EA/VPP (Chân 31): Đây chân cho phép truy cập bên Chân EA phải nối với nguồn VCC thực thi chương trình bên - ngồi P0.0 đến P0.7 (Chân 39 đến chân 32): Đây chân vào/ra cổng vi điều khiển Các chân khơng có điện tr n ối - - lên dương nguồn VCC (chân 40) : Nguồn nuôi vi điều khiển, nối với nguồn dương 2.3 Các timer AT89C55: Bộ vi điều khiển AT89C55 có Timer 16 bit là: Timer0, Timer1, Timer2 Người ta sử dụng timer để: • Định khoảng thời gian • Đếm kiện • Tạo tốc độ baud cho port nối tiếp 89C55 Trong ứng dụng định khoảng thời gian, người ta lập trình timer khoảng đặn đặt cờ tràn timer Cờ dùng để đồng hóa chương trình để thực tác động kiểm tra trạng thái ngõ vào gửi kiện ngõ Các ứng dụng khác sử dụng việc tạo xung nhịp đ ều đặn timer để đo thời gian trôi qua hai kiện (ví dụ đo độ rộng xung) Điều khiển ngắt (INTERRUPT) AT89C55: Các ngắt đóng vai trò quan trọng thiết kế cài đặt ứng dụng vi điều khiển Chúng cho phép hệ thống đáp ứng bất đồng với kiện giải kiện chương trình khác thực thi Vi điều khiển AT89C55 chuẩn có nguồn ngắt, cụ th ể là: • Hai ngắt ngồi (INT1 INT0) • Hai ngắt định thời • Một ngắt nhận cổng nối tiếp • Một ngắt truyền cổng nối tiếp Đồng hồ đo thời gian thực DS1307: “DS1307 chip đồng hồ thời gian thực (RTC : Real-time clock), khái niệm thời gian thực dùng với ý nghĩa th ời gian tuyệt đối mà người sử dụng, tình giây, phút, gi ờ… DS1307 sản phẩm Dallas Semiconductor (một công ty thuộc Maxim Integrated Products) Chip có ghi 8-bit chứa th ời gian là: giây, phút, gi ờ, th ứ (trong tuần), ngày, tháng, năm Ngồi DS1307 có ghi điều khiển ngõ phụ 56 ghi trống có th ể dùng nh RAM DS1307 đọc ghi thông qua giao diện nối tiếp I2C (TWI AVR) nên cấu tạo bên đơn giản DS1307 xuất gói SOIC DIP có chân nh hình 2.2 2.4 - - - - - - Hình 2.2: Hai gói cấu tạo chip DS1307 Các chân mơ tả sau: X1 X2: ngõ kết nối với thạch anh 32.768KHz làm nguồn tạo dao động cho chip VBAT: cực dương nguồn pin 3V nuôi chip GND: chân mass chung cho pin 3V Vcc Vcc: nguồn cho giao diện I2C, th ường 5V dùng chung v ới vi điều khiển Chú ý Vcc không cấp nguồn nh ưng VBAT cấp DS1307 hoạt động (nhưng không ghi đọc được) - - - SQW/OUT: ngõ phụ tạo xung vuông (Square Wave / Output Driver), tần số xung tạo lập trình Nh chân không liên quan đến chức DS1307 đồng hồ thời gian thực, bỏ trống chân nối mạch SCL SDA đường giao xung nhịp liệu giao diện I2C mà tìm hiểu TWI AVR.”( AVR tutorial 2015)  Ghép nối DS1307 với vi điều khiển Việc ghép nối DS1307 với vi điều khiển mạch điện đ ơn giản hình sau: Hình 2.3: Ghép nơi DS1307 với VĐK Cảm biến nhiệt độ độ ẩm: DHT11 cảm biến nhiệt độ độ ẩm Nó sử dụng giao tiếp số theo chuẩn dây Hình 2.4: Cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11 • Nó có cấu tạo gồm chân hình : - Chân 1: Chân nối nguồn VCC 5VDC - Chân 2: Chân liệu để giao tiếp với vi điều ển theo chu ẩn dây - Chân 3: Chân NC (No connect) - Chân 4: Chân GND nối đất • Sơ đồ kết nối vi xử lý: Hình 2.5: Sơ đồ kết nơi vi điều khiển • - Nguyên lý hoạt động: Để giao tiếp với DHT11 theo chuẩn chân vi xử lý thực theo bước: Gửi tin hiệu muốn đo (Start) tới DHT11, sau DHT11 xác nh ận l ại Khi giao tiếp với DHT11, cảm biến gửi lại byte d ữ li ệu nhiệt độ đo Bước 1: Gửi tín hiệu Start - MCU thiết lập chân DATA Output, kéo chân DATA xuống khoảng thời gian >18ms Khi DHT11 hiểu MCU muốn đo giá tr ị - nhiệt độ độ ẩm MCU đưa chân DATA lên 1, sau thiết lập lại chân đầu vào Sau khoảng 20-40us, DHT11 kéo chân DATA xuống thấp Nếu >40us mà chân DATA ko kéo xuống thấp nghĩa ko giao ti ếp với DHT11 - Chân DATA mức thấp 80us sau DHT11 kéo nên cao 80us Bước 2: đọc giá trị DHT11 DHT11 trả giá trị nhiệt độ độ ẩm dạng byte Trong đó: ⇒ Byte : giá trị phần nguyên độ ẩm (RH%) Byte : giá trị phần thập phân độ ẩm (RH%) Byte : giá trị phần nguyên nhiệt độ (TC) Byte : giá trị phần thập phân nhiệt độ (TC) Byte : kiểm tra tổng Nếu Byte = (8 bit) (Byte1 +Byte2 +Byte3 + Byte4) giá tr ị đ ộ ẩm nhiệt độ xác, sai kết đo khơng có nghĩa Đọc liệu: Sau giao tiếp với DHT11, DHT11 gửi liên tiếp 40 bit MCU, tương ứng chia thành byte kết qu ả c nhi ệt đ ộ độ ẩm • Bit 0: N E XT O K - BO M 10 VAN 11 VAN 12 MEN U 13 P p (S C K ) P R ST P P P P 3 14 15 16 18 19 20 - E A /V P P A L E /P R O G PSEN P P P P P P P XTA L1 P 2 XTA L2 P G N D P 89s52 - P P P 17 89S52 p (M IS O ) LC D LC D 34 33 32 5V 31 LCD 30 29 28 D 27 D 26 D 25 D R 14 10k 24 23 EN 22 R W 21 R S 5V 5V G IA M - D D D D R S R W EN TA N G SS D D EE S W N B Sau tín hiệu đưa 0, ta đợi chân DATA MCU đ ược DHT11 kéo lên Nếu5 V chân DATA khoảng 26-28 us 0, U tồn 70us Màn hình LCD: 40 p (T ) VC C dòng 16 cột có hình r ộng, hi ển th ị Sử dụng LCD 16x4 p 1 (T E X ) P 0 38 p đ ược nhiều thông P số, thuận tiện cho việc tùy chỉnh cài đặt t ự động 37 p Màn hình LCD P phổ biến thị tr ường Sử dụng nguồn 36 p P nuôi thấp (từP 42,5 đ ến 5V) LCD ho ạt đ ộng ch ế đ ộ bít bít p ( M O S I) V V V R R E D D D D D D D D A K - Bit 1: 10 11 12 13 14 15 16 • R 13 10k Hình 2.6: Sơ đồ chân kết nơi LCD với VĐK LCD16x4 ghép nối thông qua Port P2 (từ P2.0 đến P2.7 không sử dụng P2.3) P2.0 nối với chân RS, P2.1 nối chân R/W, P2.2 n ối chân E chân P2.4 đến P2.7 chân liệu vào Trong đó: • VSS : Chân nối đất VDD: Chân nối nguồn 5VDC • VEE: Chân chọn độ tương phản , chân đ ược n ối v ới bi ến trở 10k đầu nối VCC, đầu nối mass để tùy ch ỉnh độ tương phản cho hình LCD Chân chọn ghi RS, có chế độ chọn ghi • RS=0 chế độ ghi lệnh vào LCD xóa hình, bật tắt trỏ, vv • RS=1 chế độ ghi liệu hiển thị kí tự, ch ữ, số lên hình Chân chọn chế độ đọc/ghi R/W: cho phép người dùng ghi thông tin lên LCD R/W=0 đọc thông tin LCD R/W=1 Chân cho phép E (Enable): Khi có tín hiệu đưa lên chân d ữ liệu, có xung từ mức cao đến mức thấp (xung cho phép) chân E lệnh chấp nhận Chân D0-D7: Đây chân liệu bít, dùng đ ể g ửi thông tin lên LCD đọc nội dung ghi LCD Thiết kế điều khiển: Xây dựng toán: Việc tưới tự động làm tăng hiệu canh tác nh ư: gi ảm thời gian lao động, tiết kiệm nước, tăng suất cho trồng Tuy nhiên để đạt hiệu cao cần tính tốn đến đặc tính loại trồng đặc tính đất đai t ừng vùng - Như thiết kế hệ thống tưới tự động bao gồm: • Nguồn cấp nước cho hệ thống • Bộ phận lọc nước • Máy bơm nước van điện từ • Hệ thống đường ống dẫn nước • Các đầu phun nước (phun sương, phun m ưa, vv ) • Một điều khiển đóng/ngắt hệ thống tự động • - - IV - Phương án tưới tự động: - Chế độ làm mát theo nhiệt độ độ ẩm • Chế độ tự động: Nhiệt độ > 35oC (nhiệt độ tối đa), độ ẩm 35oC( Nhiệt độ tối đa), chọn chu kỳ tưới mong muốn (thời gian lặp lại trình làm mát nhiệt độ cao, nhiệt độ thấp nhiệt độ tối đa hệ thống dừng lại) thời gian tưới theo khoảng độ ẩm • Độ ẩm < 65% : phun sương 10 phút • Độ ẩm < 75% : phun sương phút • Độ ẩm < 85% : phun sương phút • Độ ẩm >90% : ngừng tưới Tất thơng số tùy chỉnh người sử dụng tùy theo cách sử dụng người, tùng vùng th ời tiết khác Thiết kế hẹn tưới: Đến cài đặt, bơm tự bật lên, tùy chọn van để mở, chọn mở van theo khu v ực tùy thuộc vào khoảng độ ẩm định thời gian đóng - bơm Chế độ tưới theo ngày: Do có nhiều loại có khơng ưa n ước, mà ưa hạn, nên em thiết kế thêm chế độ tưới theo ngày, ta tùy chọn ngày cần tưới tuần ngày hệ thống ngừng hoạt động  ... Hoạt động vơi cong suất nhỏ đảm bảo độ xác đ ể tăng suất trồng - Thân thiên dễ sử dụng với người nông dân Xây dựng hệ thống tưới tiêu tự động kết hợp đo độ ẩm nhiệt độ: Tổng quan hệ thống: Hệ thống. .. đóng/ngắt hệ thống tự động • - - IV - Phương án tưới tự động: - Chế độ làm mát theo nhiệt độ độ ẩm • Chế độ tự động: Nhiệt độ > 35oC (nhiệt độ tối đa), độ ẩm