Điều khiển thiết bị bằng raspberry

Để tiết kiệm thời gian và công sức, đề tài tập trung nghiên cứu ứng dụng “Điều khiển thiết bị hỗ trợ việc trồng nấm bằng điện thoại di động qua Raspberry Pi ” với các chức năng có thể đi

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 2

_

BÁO CÁO MÔN THAY THẾ TỐT NGHIỆP

NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

HỆ ĐẠI HỌC CHÍNH QUI NIÊN KHÓA: 2014-2019

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 2

_

BÁO CÁO MÔN THAY THẾ TỐT NGHIỆP

NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

HỆ ĐẠI HỌC CHÍNH QUI NIÊN KHÓA: 2014-2019

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN BỘ MÔN

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

Chương 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 2

1.1 Lý do chọn đề tài 2

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 3

1.3 Đối tượng nghiên cứu 3

Chương 2: TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ 4

2.1 Một số giải pháp công nghệ điều khiển thiết bị từ xa 4

2.1.1 Công nghệ không dây X10 4

2.1.2 Công nghệ Wifi với Bo mạch Raspberry Pi 5

2.2 Trình bày cơ sở hạ tầng và kỹ thuật tổng quát 8

2.2.1 Bố trí hệ thống tưới tự động cho nhà nấm 8

2.2.2 Bố trí quạt hút, quạt thổi, máy phun nước trên mái nhà để hạ nhiệt độ 9

2.2.3 Bố trí lắp đặt máy phun sương để tăng độ ẩm không khí trong nhà nấm 9

2.3 Đề xuất công nghệ 10

2.4 Phần mềm cho hệ thống điều khiển 11

2.4.1 Web IOPI 11

2.4.2 Web giao diện người dùng 11

2.4.3 Ứng dụng giao diện người dùng trên điện thoại di động 13

Chương 3 THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG 15

3.1 Mô hình hệ thống 15

3.1.1 Mô hình mô tả hoạt động hệ thống : 15

3.1.2 Mô hình điều khiển thiết bị nhà nấm từ xa cơ bản 16

3.1.3 Mô hình điều khiển thiết bị nhà nấm từ xa bán tự động 17

3.2 Thiết lập các mức độ điều khiển của hệ thống 19

3.2.1 Cấp độ 1 - Hệ thống điều khiển bật/tắt các thiết bị điện cơ bản 19

3.2.2 Cấp độ 2 - Hệ thống điều khiển hẹn giờ 21

3.3 Xây dựng và thiết lập hệ thống 22

3.3.1 Cài đặt hệ điều hành cho Raspberry Pi 22

3.3.2 Cập nhật Raspberry Pi config: 24

3.3.3 Cài đặt Web Iopi 26

3.3.4 Sử dụng WebIopi 27

3.3.5 Nguyên lý giao tiếp của WebIopi và các thiết bị truy cập 28

Chương 4 TÓM TẮT, KẾT LUẬN 32

4.1 Những kết quả nghiên cứu đạt được 32

4.2 Những hạn chế của đề tài 32

4.3 Hướng phát triển của đề tài 32

LỜI NÓI ĐẦU

Ở nước Việt Nam chúng ta, với thế mạnh về điều kiện tự nhiên như nhiệt độ quanh năm không thay đổi nhiều, độ ẩm thích hợp cho sự phát triển của cây nấm (độ ẩm cao do lượng mưa hàng năm khá lớn), nguồn nguyên liệu sản xuất nấm sẵn có tại địa phương (nhiều chất thải nông nghiệp như: rơm rạ, trấu, mùn cưa,…) nên trồng nấm đang từng bước trở thành nghề phổ biến cho người nông dân Để tiết kiệm thời gian và công sức, đề

tài tập trung nghiên cứu ứng dụng “Điều khiển thiết bị hỗ trợ việc trồng nấm bằng điện thoại di động qua Raspberry Pi ” với các chức năng có thể điều khiển các thiết bị như:

bật/tắt đèn chiếu sáng (yếu tố nhiệt độ), bật/tắt quạt hút, quạt thổi, phun sương (yếu tố độ ẩm),… nhằm hỗ trợ bà con nông dân giảm thiểu các thao tác chăm sóc nấm thủ công, giúp quản lý, theo dõi kịp thời tình trạng nhà nấm với mục đích chung là đạt được năng suất cao

Đề tài sử dụng thiết bị Raspberry Pi để điều khiển các thiết bị thông qua mạng không dây Wifi Thiết bị này đang được phổ biến, được hỗ trợ trên các diễn đàn, đặc biệt là giá thành rẻ

Chương 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1.1 Lý do chọn đề tài

Nước Việt Nam chúng ta, với thế mạnh về điều kiện tự nhiên như nhiệt độ quan năm không thay đổi nhiều, độ ẩm thích hợp cho sự phát triển của cây nấm (độ ẩm cao do lượng mưa hàng năm khá lớn), nguồn nguyên liệu sản xuất nấm sẵn có tại địa phương (nhiều chất thải nông nghiệp như: rơm rạ, trấu, mùn cưa,…) nên trồng nấm đang từng bước trở thành nghề phổ biến cho người nông dân Tuy nhiên, việc theo dõi việc trồng nấm bằng thủ công sẽ tốn nhiều thời gian, công sức của người nông dân

Thứ hai, không phải chủ nhà nấm lúc nào cũng trúc trực bên nhà nấm để theo dõi thình trạng phát triển của nấm, do đó sẽ bất tiện cho việc quan sát theo dõi nhà nấm từ xa như xem thông tin về nhiệt độ, độ ẩm hiện tại của nhà nấm để đưa ra hướng xử lý kịp thời

Hình 1 Giải pháp điều khiển thiết bị từ xa qua thiết bị di động

Thứ ba, công nghệ điều khiển từ xa bây giờ được tăng cường bởi sự chuyên dụng của thiết bị di động như là điện thoại thông minh và máy tính bảng Chủ nhà có thể kiểm soát hầu như tất cả các thiết bị Điện gia dụng của mình thông qua điện thoại thông minh IOS / Android và máy tính bảng với kết nối internet, WiFi hoặc 3G

Với tất cả những lý do đã trình bày ở trên, việc nghiên cứu, ứng dụng thiết bị công nghệ vào việc trồng nấm là nhu cầu rất cần thiết thiết vì sẽ cho tỷ lệ thành công cao do kiểm soát theo dõi được môi trường thực tế, tiết kiệm được nhiều thời gian đi lại, công sức quản lý, cuối cùng là tiết kiệm năng lượng điện, nước vì các thiết bị tưới tiêu sẽ tự

động ngắt khi không cần dùng đến Xuất phát từ thực tế đó, tác giả đã chọn đề tài “Xây dựng hệ thống điều khiển thiết bị và quản lý tự động hỗ trợ việc trồng nấm” để làm

đề tài với những ưu điểm như:

- Điều khiển tự động bật tắt đèn chiếu sáng, tưới nước (yếu tố nhiệt độ), điều khiển bật tắt tự động quạt hút, quạt thổi, máy phun sương (yếu tố độ ẩm) một theo một tiêu chuẩn xác định tùy theo độ tuổi của tai nấm

- Tiết kiệm năng lượng điện, nước,…

- Tiết kiệm thời gian, chi phí đi lại

- Đáp ứng những nhu cầu cần thiết trong việc chăm sóc nấm tự động

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Đề tài này được nghiên cứu nhằm đạt được các mục đích sau:

- Giúp chúng ta hiểu môi trường thuận lợi để phát triển cây nấm và các công nghệ điều khiển không dây đang được sử dụng và phát triển hiện nay

- Xây dựng được hệ thống điều khiển thiết bị điện trong nhà trồng nấm từ xa bằng thiết

bị di động phù hợp với điều kiện môi trường thực tế

- Cung cấp các giải pháp thông minh trong việc trồng nấm một cách tự động

1.3 Đối tượng nghiên cứu

Điều khiển thiết bị điện trong gia đình từ xa, sử dụng công nghệ wifi với bo mạch Raspberry Pi làm bộ phận điều khiển trung tâm và các nhóm thiết bị:

- Nhóm thiết bị nhiệt độ: Máy bơm nước, quạt hút, quạt thổi, đèn chiếu sang, cảm biến

đo nhiệt độ

Chương 2: TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ

2.1 Một số giải pháp công nghệ điều khiển thiết bị từ xa

2.1.1 Công nghệ không dây X10

X10 là công nghệ điều khiển thiết bị điện kỹ thuật số Khi mới ra mắt, X10 dựa vào giao thức truyền tín hiệu trong đường điện Các module X10 giao tiếp với nhau qua mạng điện trong nhà Nhà thông minh X10 được điều khiển hoàn toàn bằng mã lệnh truyền trên cáp cấp nguồn điện đến từng thiết bị, theo nguyên tắc đặt mã là một chữ cái từ A đến Z

và chữ số từ 1 đến 16 Người dùng có thể thiết lập 256 mã lệnh dựa vào lượng ký tự và chữ số Mỗi mã mã lệnh có thể gán cho một hoặc nhiều thiết bị với các lệnh điều khiển khác nhau (như bật, tắt…)

Hệ thống thiết bị của X10 bao gồm 1 bộ điều khiển từ xa nối với máy tính và 1 bộ nhận sóng radio để truyền và nhận tín hiệu X10 từ tất cả các module Các module lại có 1 module điều khiển đèn dây tóc (để chỉnh độ sáng), 1 module ngầm điều khiển 2 đèn neon;

1 module điều khiển các thiết bị khác như bình nước nóng, điều hoà, máy giặt… Hệ thống còn có các bộ cảm ứng chuyển động để bật đèn ở những chỗ thích hợp như cầu thang, nhà kho và module chuông chỉ hoạt động khi cảm biến chuyển động phát hiện có người

Có tuổi đời được hơn 40 năm, công nghệ này đã có bước chuyển biến lớn từ điều khiển

có dây sang không dây X10 thường không được sử dụng cho các hệ thống đòi hỏi tốc độ cao hoặc giao tiếp cực mạnh giữa các thiết bị trong hệ thống tự động gia đình

Ưu điểm:

đỏ: Bạn có thể có một hệ thống tự động hóa hoàn chỉnh cho nhà mình với chi phí chỉ trên dưới 1000 USD Tuy nhiên, tính bảo mật và an ninh của công nghệ này không cao, chủ yếu phù hợp với yêu cầu điều khiển các thiết bị gia dụng

Nhược điểm:

- Nhiễu tín hiệu: Vì tín hiệu được truyền trên mạng lưới điện dùng chung nên rất khó kiểm soát nếu các nhà gần nhau đều dùng thiết bị X10 Ngoài ra bản thân tín hiệu điện cũng gây nhiễu cho tín hiệu điều khiển Do đó, nhà bạn có thể bị điều khiển bởi một cậu bé hàng xóm hoặc bạn muốn đóng cửa nhưng đèn lại tắt mà cửa vẫn cứ mở… Các nhà sản xuất đã cho ra đời thiết bị lọc nhiễu nhưng kết quả là không hoàn hảo

phù hợp triển khai cho một biệt thự cỡ nhỏ

- Không có tín hiệu phản hồi: Bản thân thiết bị X10 không có tín hiệu báo trạng thái Bạn sẽ không thể kiểm tra tình trạng của các thiết bị trong nhà một cách chính xác: Đèn hành lang đang bật hay tắt, cửa đóng hay mở, TV nhà trên đã tắt hay chưa… Có tồn tại những thiết bị X10 có khả năng báo trạng thái nhưng chi phí cao

Hình 2 Sơ đồ tự động nhà thông minh với công nghệ X10

2.1.2 Công nghệ Wifi với Bo mạch Raspberry Pi

Wifi, đây chính là giao thức mạng chúng ta thường hay sử dụng hiện nay cho chia sẻ kết nối giữa các máy laptop, game console và nhiều thứ khác Wi-Fi có tốc độ nhanh và

phổ biến Đó cũng là lý do tại sao nhiều nhà sản xuất thiết bị tự động hay ưu tiên cho công nghệ này Tuy nhiên, Wi-Fi lại dùng nhiều năng lượng và băng thông hơn các giao thức khác

Raspberry Pi là một máy tính giá rẻ, có kích thước cực kì nhỏ gọn, chỉ bằng một thẻ tín dụng Khi cắm màn hình (màn hình máy tính, tivi), chuột và bàn phím vào Raspberry

Pi để sử dụng như một chiếc máy tính thực thụ Nó mở ra cho mọi người ở tất cả lứa tuổi

cơ hội để khám phá máy tính, tìm hiểu và lập trình bằng nhiều ngôn ngữ khác nhau, chẳng hạn như Scratch, Python, PHP, … Nó có khả năng làm được mọi thứ như một máy tính

để bàn, từ trình duyệt web, xem video độ nét cao, xử lý bảng tính (spreadsheets), xử lý văn bản (word processing) và thậm chí là chơi game

Raspberry Pi không thay thế hoàn toàn hệ thống để bàn hoặc máy xách tay Raspberry

Pi không hỗ trợ chạy hệ điều hành Windows vì BCM2835 dựa trên cấu trúc ARM nên không hỗ trợ mã x86/x64, nhưng vẫn có thể chạy bằng Linux với các tiện ích như lướt web, môi trường Desktop và các nhiệm vụ khác Tuy nhiên Raspberry Pi là một thiết bị

đa năng đáng ngạc nhiên với nhiều phần cứng có giá thành rẻ nhưng rất hoàn hảo cho những hệ thống điện tử, thiết lập hệ thống tính toán rẻ tiền cho những bài học trải nghiệm lập trình …

Ngoài ra, Raspberry Pi còn có khả năng tương tác với nhiều thứ, nó được sử dụng trong hàng loạt các dự án kỹ thuật số, chẳng hạn như thiết bị nghe nhạc, trạm thời tiết,… Đặc biệt có thể lập trình dễ dàng điều khiển công tắt đóng mở thiết bị thông qua các chân tính hiệu và thiết lập kết nối wifi

Raspberry Pi lấy nguồn cấp từ cổng micro USB vì thế bộ nguồn cung cấp cho Raspberry

Pi phải có đầu ra với điện áp 5V, công suất từ 700mAh

Nếu ta định hướng tới những dự án cao cấp hơn như điều khiển máy chủ file hoặc những thiết bị theo dõi khác, cần phải lắp thêm những thiết bị vào để thiết lập Raspberry

Pi và chạy nó

Hình 3 Hình ảnh thật của Raspberry Pi Model B+

Raspberry Pi được sử dụng trong đề tài là Model B+:

- Cổng USB 2.0: 4 cổng

hơn: năng lượng điện tiêu thụ chỉ dao động trong mức từ 0,5 - 1 W - Chất lượng âm thanh: bằng cách bổ sung nguồn điện riêng với độ ồn thấp

- CPU cấu hình thấp

- Yêu cầu phải có kiến thức cơ bản về Linux, điện tử

2.2 Trình bày cơ sở hạ tầng và kỹ thuật tổng quát

Để vận hành hệ thống ta cần phải tìm hiểu và bố trí các thiết bị hỗ trợ chăm sóc nấm bên trong nhà nấm một cách thích hợp

2.2.1 Bố trí hệ thống tưới tự động cho nhà nấm

Trong quá trình chăm sóc nấm giai đoạn ươm mầm đến giai đoạn cuối thu hoạch, cần phải tưới nước thường xuyên và kịp thời Hệ thống tưới tự động giúp giảm thiểu được nhân viên xịt tưới nước thường xuyên

Theo như một nông dân trồng nấm cho biết: Trước đây khi chưa có hệ thống tưới tự động, cơ sở phải có 5 nhân viên thay phiên nhau dùng bịt xịt phun nước tưới các nhà ươm trồng nấm Từ khi sử dụng hệ thống tưới nước tự động, cơ sở chỉ cần có 1 nhân viên phụ trách điều khiển hệ thống tưới Ngoài ra sau một thời gian đưa vào sử dụng hệ thống tưới

tự động, năng suất nấm tăng hơn so với trước, lượng nước sử dụng được tiết kiệm hơn

Hình 4: Lắp đặt hệ thống tưới tự động cho nhà nấm

2.2.2 Bố trí quạt hút, quạt thổi, máy phun nước trên mái nhà để hạ nhiệt độ

Cần duy trì nhiệt độ trong nhà nấm luôn ở mức 26 - 29 độ C, đây là môi trường nhiệt

độ tốt nhất cho sự phát triển phôi nấm Cần trang bị máy bơm nước lên mái nhà để hạ nhiệt độ

Hình 5 Sơ đồ bố trí vòi phun nước tự động

2.2.3 Bố trí lắp đặt máy phun sương để tăng độ ẩm không khí trong nhà nấm

Nấm rất ưa ẩm (độ ẩm tốt nhất khoảng 80%), do vậy người trồng nấm quan tâm đầu tiên là làm sao khống chế được lượng nước tưới, tạo ra độ ẩm cần thiết, phù hợp với từng

giai đoạn phát triển của nấm nếu gặp thời tiết hanh khô, nắng nóng thì phải sử dụng vòi

phun sương bơm từ 2-3 lần và phun trực tiếp vào các giá thể nấm

thực tế tại một nhà trồng nấm và hy vọng sẽ đưa vào ứng dụng rộng rãi trong tương lai gần

Thông thường, các hệ thống điện được đi dây và được thiết kế trong giai đoạn chuẩn

bị xây dựng căn nhà Với công nghệ wifi cho phép lắp đặt hệ thống mà không cần phải khoan tường đi lại dây điện

Hơn nữa chi phí giá thành cho hệ thống với công nghệ wifi kết hợp bo mạch điều khiểm Raspberry Pi thực tế rất rẻ so với các công nghệ khác

2.4 Phần mềm cho hệ thống điều khiển

2.4.1 Web IOPI

Là một ứng dụng web để tương tác với bo mạch Raspberry Pi đều khiển các thiết bị điện từ xa có tên là Web IOPI Nó cho phép chúng ta điều kiển các chân của bo mạch Raspberry Pi thông qua mạng bằng cách sử dụng trình duyệt web

Ngôn ngữ lập trình cho Web Ipoi tương tác với bo mạch Raspberry Pi là python

2.4.2 Web giao diện người dùng

Được viết bằng ngôn ngữ asp.net, có nhiệm vụ giao tiếp với người dùng để quyền chuyển điều khiển của các thiết bị từ chế độ tự động sang chế độ thủ công

Trang chủ thể hiện các hình nấm mẫu tương ứng với các tình trạng của nhà nấm Với mỗi nhà nấm, tình tạng nhà nấm được thể hiện thông qua màu sắc để chủ nhà nấm dễ dàng quan sát

• Nhà nấm màu xanh: Nhà nấm đang trong tình trạng bình thường nghĩa là các thông

số về nhiệt độ, độ ẩm được cập nhật về hệ thống đều tốt

khớp với yêu cầu Việc này khiến người quản lý dễ dàng quan sát nhiều nhà nấm cùng lúc

nhà nấm vẫn không đáp ứng được nhu cầu của nấm Khi nhà nấm hiển thị tình trạng

màu đỏ thì người quản lý phải kiểm tra nhà nấm đó xem có vấn đề gì với hệ thống hay không, để tìm hướng giải quyết

Hình 6: Giao diện web điều khiển và hiển thị tình trạng với các màu khác nhau

Những nút Auto/Manual thể hiện trạng thái của các thiết bị trong nhà nấm Ngay khi nhân viên bấm vào nút “Manual” thì trạng thái sẽ được cập nhật vào CSDL, hệ thống sẽ báo rằng nhà nấm này đang được điều khiển bằng tay

Sau khi đã điều khiển thành công người quản lý sẽ trả lại quyền tự điều khiển bằng cách nhân vào nút “Auto”

2.4.3 Ứng dụng giao diện người dùng trên điện thoại di động

- Ứng dụng được viết chạy trên các thiết bị di động cài hệ điều hành Android

Hệ thống chạy ở chế độ tự động: Khi nhấn nút AUTO, chế độ tự động được thực hiện theo nguyên tắc sau:

+ Quạt thổi để giảm nhiệt độ: Khi nhiệt độ tăng quá nóng đến 1 ngưỡng nào đó, hệ thống tự động bật quạt thổi để giảm nhiện độ nhà nấm (Hệ thống kích hoạt bật Rờ

le 4) Khi nhiệt độ giảm xuống dưới ngưỡng này thì hệ thống tự động tắt quạt thổi (Tắt rờ le 4)

+ Đèn chiếu sáng để tăng nhiệt độ: Khi nhiệt độ giảm đi quá lạnh đến 1 ngưỡng nào

đó, hệ thống tự động bật đèn chiếu sáng để làm tăng nhiệt độ nhà nấm (Bật Rờ le 1) Khi nhiệt độ tăng trở lại trên ngưỡng này thì tắt đèn chiếu sáng (Tắt Rờ le1)

+ Quạt hút để giảm độ ẩm: Khi độ ẩm quá nhiều lớn hơn mức cho phép hệ thống tự

Hình 7 Giao di ện chính tr ên đi ện thoại di động