ĐỒ ÁN THIẾT KẾ VƯỜN THÔNG MINH DỰA TRÊN OPENHAB

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN VIỄN THÔNG -o0o - ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ VƯỜN THÔNG MINH DỰA TRÊN OPENHAB GVHD: TS Lê Đăng Quang SVTH: Lê Hồ Bảo Anh 1410070 Nguyễn Trần Quốc Thái 1413528 TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG NĂM 2017 Lời cảm ơn GVHD: TS Lê Đăng Quang LỜI MỞ ĐẦU Ngày giới với phát triển mạnh mẽ khoa học – công nghệ góp phần giúp chất lượng sống người khơng ngừng nâng cao Thêm vào xâm nhập trực tiếp internet vào sống ngày nhiều Nhu cầu người ngày cao đưa đến thách thức liên quan đến việc quan sát, nhận biết, xử lí tự động liệu online cách hiệu Từ thực tiễn đó, kích thích tò mò, tìm hiểu người, nguồn cảm hứng cho ứng dụng thông minh đời Là sinh viên khoa điện trường đại học Bách Khoa Hồ Chí Minh, với kiến thức học với mong muốn tìm hiểu thử sức thiết kế đề tài hay thú vị việc thực thi nhu cầu người thông qua mạng Internet Đề tài “Vườn thông minh” mà em chọn cho đồ án môn học giúp ích cho người việc quan sát, kiểm tra từ đưa cảnh báo thực thi nhu cầu người sử dụng cụ thể áp dụng nông nghiệp có tính qui mơ lớn Trong q trình thực báo cáo mình, em cố gắng để hoàn thành cách tốt Nhưng với kiến thức non nớt thực nên khó tránh khỏi sai sót mong thầy đóng góp để đề tài em hồn thiện Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Lê Đăng Quang nhiệt tình quan sát, giúp đỡ hướng dẫn em qua yêu cầu đề tài Em xin chân thành cảm ơn! Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng năm 2017 Sinh viên Lê Hồ Bảo Anh Nguyễn Trần Quốc Thái Đồ án môn học Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái SVTH: Lê Hồ Bảo TĨM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án trình bày cách thức thực ứng dụng quản lý "vườn thông minh" sử dụng OpenHAB Trong đồ án chúng em chi tiết phần cài đặt, thiết kế thực phần cứng, thiết kế thực phần mềm cách thiết lập sử dụng đề tài Cụ thể phần cài đặt nêu phần mềm cần download cài đặt, phần cứng nêu phần lý thuyết cách kết nối chúng, thiết kế thực phần mềm gồm sơ đồ khối code (được liệt kê đầy đủ phần phụ lục) Đề tài cho phép người sử dùng theo dõi yếu tố thời tiết hệ thống tự điều chỉnh người dùng tự điều chỉnh theo ý muốn, kèm theo khả tưới nước theo cách: tay, hẹn đặt lịch tưới cụ thể Đồ án môn học Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái SVTH: Lê Hồ Bảo MỤC LỤC Đồ án môn học Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái SVTH: Lê Hồ Bảo DANH SÁCH HÌNH MINH HỌA Đồ án mơn học Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái SVTH: Lê Hồ Bảo DANH SÁCH BẢNG SỐ LIỆU Đồ án môn học Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái SVTH: Lê Hồ Bảo GIỚI THIỆU 1.1 Tổng quan Trong năm qua, việc trồng thực phẩm khu vực thành thị trở thành xu hướng tồn cầu, tiếp tục phát triển Nó trở nên đại, tạo thành xu thế, khẳng định tương lai thực phẩm, thương hiệu làm vườn thông minh xuất nhanh hết Những lợi ích mà vườn thơng minh mang lại phủ nhận:  Hoạt động hiệu - Với giúp đỡ nông nghiệp thông minh, người ta sản xuất chí nhiều gấp 100 lần thực phẩm so với canh tác truyền thống (mỗi mét vng) Làm có thể? Hầu hết trang trại đô thị thiết kế theo chiều dọc, cho phép để phát triển sản phẩm nhiều cấp độ - Thời tiết có tác động nhiều làm giảm suất năm định Nhưng hệ thống nông nghiệp thông minh, thời tiết yếu tố thực nhỏ đối Hình 1.1: Tăng suất cách trồng với sản xuất lương thực thường diễn nông trại thẳng đứng nhà dựa vào hệ thống nước lắp đặt bao gồm ánh sáng nhân tạo chất dinh dưỡng có sẵn đất thông qua hệ thống đo dưỡng chất, độ PH, độ ẩm  Tình hình tài bền vững - Hầu hết hệ thống làm vườn thông minh tiết kiệm nước, lượng khơng gian đáng kể Nếu nói hệ thống canh tác đô thị Click & Grow, họ sử dụng khoảng Đồ án môn học Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái SVTH: Lê Hồ Bảo 90% nước lần khơng gian hơn, so sánh với canh tác truyền thống Nhiều người đầu tư trang trại đô thị tốn Trên thực tế, trang trại đô thị với $ 500 tiền đầu tư "hồn vốn" năm - Bên cạnh đó, tiền đầu tư khơng lãng phí, mang lại nhiều hiệu mặt tài chính, giúp tài bền vững Điều chứng minh việc tiết kiệm nước, điện khơng gian Ngồi góp phần bảo vệ mơi tường sống chẳng hạn làm giảm phát triển hạn hán, xói mòn đất vấn đề tương tự  Hạn chế sử dụng chất hóa học thực phẩm - Nông nghiệp thông minh buộc nông dân phải trồng trồng cách có kiểm sốt có ý thức hơn, dẫn đến việc trồng đơn mà không cần đầu tư thêm Làm có thể? Lý nơng dân buộc phải sử dụng thuốc trừ sâu hóa học để đảm bảo sản lượng tốt yếu tố môi trường tác động xấu Hình 1.2: Hệ thống canh tác truyền trồng Như đề cập trên, thời thống sử dụng nhiều chất hóa học tiết, yếu tố môi trường giảm xuống tối thiểu nơng nghiệp thơng minh, khơng có nhu cầu thực sử dụng chất điều chỉnh tăng trưởng hóa học  Cải thiện khơng gian sống, cung cấp lương thực quanh năm có cấu hình đơn giản - Nơng nghiệp thơng minh áp dụng nhiều nơi, kể nơi có diện tích hạn chế, sử dụng nhà Việc áp dụng nông nghiệp thông minh nhà cho phép bạn tự quản lý “Vườn thơng minh” mình, điều chỉnh hợp lý cho loại trồng mà chủ nhà áp dụng… Từ đó, việc sử dụng lương thực cụ thể rau, củ… khơng điều khó khan “vườn thơng minh” bạn cung cấp lượng rau củ quanh Đồ án môn học Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái SVTH: Lê Hồ Bảo năm Bên cạnh đó, việc đầu tư lắp đặt vô đơn giản đem lại hiệu vơ to lớn a Tình hình nghiên cứu ngồi nước: Có thể nói Israel, Singapore Nhật Bản quốc gia tiên phong phát triển nông nghiệp cao với cơng nghệ chăm sóc trồng vô độc đáo hệ thống tưới nhỏ giọt, hệ thống tưới phun sương, hệ thống tưới phun mưa, hệ thống tưới cảnh quan hệ thống thủy Hình 1.3: Canh tác thực phẩm nhà canh trồng không dùng đất Và gần hướng đến nhu cầu trồng diện tích nhỏ hẹp nên có thêm giải pháp trồng rau xanh nông trại thẳng đứng " Verical farm " xu hướng quan tâm nhiều nơi vừa tận dụng tối đa diện tích canh tác, vừa cho rau với sản lượng lớn, phục vụ nhu cầu cho nhiều hộ gia đình Tóm lại, nước ngồi áp dụng hình thức "Vườn thông minh" từ lâu cho nhiều nơi ứng dụng chí sử dụng hộ gia đình nhỏ Chính tiện lợi mà đem lại nên dần trở thành ứng dụng phổ biến toàn giới Hình 1.4: Trang trại thẳng đứng Nhật Bản Đồ án môn học Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái SVTH: Lê Hồ Bảo b Tình hình nghiên cứu nước: Nước ta thuật ngữ nông nghiệp đại khơng xa lạ với nhiều người chi phí đầu tư hệ thống chăm sóc tự động cao phải nhập chu yếu từ nước ngồi, dẫn đến việc nhân rộng mơ hình chưa phơ biến, hạn chế hệ thống chăm sóc tự động chủ yếu hướng tới đối tượng người dùng phải có diện tích trồng rộng lớn, chưa trọng đến thị trường người dùng có diện tích trồng eo hẹp Trong nước có nhiều nghiên cứu hệ thống tưới tự động kỹ sư Vi Tồn Nghĩa 2013, sau hàng loạt cơng trình nghiên cứu hệ thống trồng điều khiển từ xa, hệ thống trồng tự động hướng đến phân khúc người sử dụng có quỹ tích eo hẹp Nhưng hạn chế nghiên cứu chưa tận dụng hạ tầng internet có để mở rộng người dùng với hệ thống trồng có giám sát tự động từ xa, hướng đến người dùng có diện tích trồng eo Hình 1.5: Hệ thống tưới tự động hẹp, khơng có thời gian chăm sóc có kỹ sư Vi Tồn Nghĩa vườn au an tồn cho riêng Từ đánh giá trên, chúng em định làm hệ thống quản lý “Vườn thơng minh” với tính đáp ứng nhu cầu người sử dụng 1.2Nhiệm vụ đề tài  Yêu cầu: Đề tài cần có yêu cầu sau:  Xây dựng hệ thống nhỏ gọn hoạt động ổn định 10 Đồ án môn học Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái SVTH: Lê Hồ Bảo THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN CỨNG 3.1 Các linh kiện sử dụng: - Arduino Uno R3 Ehernet Shield - Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 - Quang trở - Các điện trở - LED 3.2 Sơ đồ khối kết nối phần cứng Bơm tưới nước Cảm biến DHT11 Ethernet Đèn Arduino Cảnh báo Máy chủ Pulish MQTT Subcribe Pulish MQTT USER Subcribe Hình 3.1: Sơ đồ kết nối phần cứng 26 Đồ án môn học Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái SVTH: Lê Hồ Bảo 3.3 Sơ đồ thiết kế phần cứng Hình 3.2: Schematic  Cảm biến DHT11 dùng để xác định giá trị nhiệt độ, độ ẩm, hoạt động nguồn 5V, chân liệu nối vào chân digital số Arduino  Quang trở LDR1 dùng để xác định giá trị điện trở theo ánh sáng, hoạt động nguồn 5V, tín hiệu nối vào chân analog A5  Các đèn led tượng trưng cho công tắc, switch: - D3 nối vào chân digital số Arduino dùng để kiểm tra, thực thi hoạt động bật tắt - D2 nối vào chân digital số Arduino dùng để kiểm tra, thực thi hoạt động bật tắt - D1 nối vào chân digital số Arduino, thực thi bật tắt theo giá trị quang trở 27 Đồ án môn học Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái SVTH: Lê Hồ Bảo 3.3 Layout 28 Đồ án môn học Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái SVTH: Lê Hồ Bảo THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN MỀM 4.1 Các vấn đề thiết kế: • • Yêu cầu đặt cho phần mềm (ghi rõ cụ thể độ tin cậy cao, thời gian đáp ứng nhanh, giao diện dễ sử dụng…) o Phần mềm phải đáp ứng nhu cầu người sử dụng o Những ứng dụng phải phù hợp với thực tế o Viết ứng dụng giao diện phải hợp lí dễ dàng thao tác cho người sử dụng Phân tích: Muốn đạt yêu cầu cần thiết lập số o Muo 29 Đồ án môn học Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái • SVTH: Lê Hồ Bảo Lưu đồ giải thuật tổng quát (ghi rõ thông điệp truyền máy tính ar ) Phía Arduino: Start Kết nối MQTT Kết nối Nhận tín hiệu Gửi trạng thái Đọc gửi giá trị điều khiển thực thi LED, Bơm, đèn nhiệt độ, độ ẩm, chng báo động quang trở Hình 4.1: Lưu đồ giải thuật bên phía Arduino Phía OpenHab: Start Kết nối MQTT 30 Đồ án môn học Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái SVTH: Lê Hồ Bảo Nhận giá trị nhiệt độ, Nhận giá trị Switch độ ẩm, quang trở Cập nhật giá trị, Xử lí tính tốn để Xuất giao diện cập nhật biểu đồ đưa tín hiệu hỗ trợ tính tốn xuất giao diện điều khiển Truyền tín hiệu điều khiển Arduino Hình 4.2: Lưu đồ giải thuật bên phía OpenHAB 31 Đồ án mơn học Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái • SVTH: Lê Hồ Bảo Lưu đồ giải thuật chi tiết Bật đèn theo cảm biến ánh sáng Bật cảnh báo dựa vào cảm biến nhiệt độ Tưới nước set tay tự động hẹn tắt Tưới nước theo lịch trình đặt sẵn theo tuần KẾT QUẢ THỰC HIỆN - Người dùng chạy ứng dụng nhiều thiết bị từ smartphone, máy tính bảng máy tính cá nhân Theo đó, người dùng quản lý hệ thống vườn từ xa thơng qua kết nối Internet đâu Trong phần báo cáo chúng em xin trình bày thơng qua máy tính cá nhân ( chạy - OpenHAB windows) Những tính Smart Garden vận hành tự động bán tự động, bao gồm: Điều khiển hệ thống trực tiếp từ thiết bị di động máy tính, 32 Đồ án mơn học Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái SVTH: Lê Hồ Bảo theo dõi điều kiện trồng (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng,…) thông qua biểu đồ ( theo giờ, ngày, tháng ), cảnh báo có cố gây nguy hại cho vườn khả tưới nước bán tự động (điều khiển tay bật tắt ), hẹn tưới - tưới theo điều kiện môi trường ( có thẻ độ ẩm nhiệt độ) Mơ hình sản phẩm bao gồm arduino kết nối với ethernet shield kết nối với máy tính cá nhân, cảm biến Từ dễ dàng thao tác tính KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1Kết luận 6.2Hướng phát triển TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu số trang web tham khảo: [1] https://community.openhab.org/ trang web mã nguồn mở để chia đoạn code thực thi cho tính OpenHAB 33 Đồ án môn học Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái SVTH: Lê Hồ Bảo PHỤ LỤC CÁC BƯỚC CÀI ĐẶT PHẦN MỀM ĐỂ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI I CÀI ĐẶT MOSQUITO Mosquito MQTT broker nguồn mở, đóng vai trò trung gian giúp cho chương trình thiết bị dễ dàng trao đổi data với Data truyền nhận thơng qua channel (hay gọi topic) Với channel ta gửi data tới kí nhận liệu gửi tới - CHUẨN BỊ File cài đặt mosquito: Tải theo đường link https://mosquitto.org/download/ Sau tải win32.exe - Tải thư viện để cài đặt 34 Đồ án môn học Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái • SVTH: Lê Hồ Bảo Tải OpenSSL địa chỉ: • Tải pThreads địa chỉ: ftp://sources.redhat.com/pub/pthreads-win32/dlllatest/dll/x86/ - CÀI ĐẶT Cài đặt file mosquito vừa download bên Copy thư viện pthreadVC2.dll vừa tải, thư viện libeay32.dll đường link http://www.dlldownloader.com/libeay32-dll/ (chọn win phù hợp tải) thư viện ssleay32.dll đường link https://www.dll-files.com/ssleay32.dll.html sau copy hết vào thư mục vừa cài đặt OpenSSL - Cài đặt lại mosquito (vẫn sử dụng file tải về) KIỂM TRA HOẠT ĐỘNG CỦA MOSQUITO Mở cửa sở command window: gõ vào dòng lệnh netstat –an 35 Đồ án môn học Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái - SVTH: Lê Hồ Bảo Kiểm tra kết quả, kết hình thành cơng Có thể tham khảo video từ Youtube để cài đặt theo đường link: https://www.youtube.com/watch?v=daDuAZBgSDc II DOWNLOAD VÀ CÀI ĐẶT MỘT SỐ PHẦN MỀM HỖ TRỢ KHÁC JAVA Java ngơn ngữ lập trình Platform Xét ngơn ngữ lập trình, Java ngơn ngữ lập trình có tính bảo mật cao, hướng đối tượng, bậc cao mạnh mẽ Bất môi trường phần cứng phần mềm mà chương trình chạy biết đến Platform Java gọi Platform Đối với OpenHAB cần có cài đặt java 1.7 cao để làm việc Tiến hành download Java từ địa https://java.com/en/ tiến hành cài - đặt OPENHAB CORE RUNTIME Đây chương trình để chạy openhab, hiển thị trạng thái,… OPENHAB DESIGNER Đây phần mềm dùng để thiết kế giao diện người dùng, cách thức truyền nhận data, quản lý phần tử truyền nhận, rule chạy cho hệ thống mà người dùng muốn thiết kế CÁC RÀNG BUỘC III THIẾT LẬP OPENHAB BẰNG OPENHAB DESIGNER Tạo file openhab.cfg có định dạng tương tự openhab_default.cfg thư mục configurations Openhab 36 Đồ án môn học Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái SVTH: Lê Hồ Bảo Tiến hành khởi động openHAB-Designer  tìm mở mục configuration openhab - CẤU HÌNH MQTT BINDING Tạo file config cho OpenHab từ file config_default.cfg sửa lại: sudo cp /opt/openhab/configurations/openhab_default.cfg/opt/openhab/configurations/openhab.cfg sudo nano /opt/openhab/configurations/openhab.cfg - Trong cửa sổ editor, scroll xuống phần MQTT Transport section (trong mục Transport Configurations), bỏ qua phần MQTT Persistence Tìm đến dòng .url .retain, bỏ dấu # đầu dòng sửa thành: mqtt:mymosquitto.url=tcp://localhost:1883 mqtt:mymosquitto.retain=true - Thoát lưu lại CẤU HÌNH CÁC THIẾT BỊ (ITEMS) VÀ GIAO DIỆN (SITEMAP) CHO OPENHAB a Demo.items  Items file chứa danh sách thiết bị mà OpenHAB điều khiển theo dõi, bao gồm đèn báo hiệu cảm biến nhiệt độ độ ẩm  Ta cần phải tạo file demo.items thư mục OpenHAB 37 Đồ án môn học Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái SVTH: Lê Hồ Bảo  Tiếp đó, sửa dòng lệnh thiết lập item file demo.items b Default.sitemap • File dùng để thiết lập cấu hình dành cho giao diện OpenHAB, nói thứ tương tác người sử dụng sản phẩm, cần phải thiết kế hợp lý c Demo.rules  Thiết lập rule để thực chức sản phẩm ví dụ cảnh báo, tưới… tương tác thông qua giao diện Các bước thiết lập MQTT để demo sản phẩm: 1) Kết nối phần cứng: theo lý thuyết gắn cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 vào chân arduino, dùng cáp RJ45 để kết nối ethernet shield laptop 2) Mở phần mềm viết code cho arduino, kiểm tra code, verify sau upload lên board Kiểm tra kết nối serial cách vào tools->port Sau mở “Serial Moniter” 3) Mở MQTTlens, ứng dụng cài chorme 4) Trong thư mục Openhab chạy start.bat, bên cạnh mở http://192.168.100.17:8080/openhab.app xem kết hiển thị “Serial Moniter” Điều chỉnh chế độ hoạt động giao diện openhab IP xem gói tin chuyển MQTTlens *Nếu sau kết nối hết mà “Serial Moniter” Failed to connect tắt Windows Firewall controlpanel 38 Đồ án môn học Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái SVTH: Lê Hồ Bảo IV ĐĂNG KÍ CÁC MẪU TIN TỪ BROKER  Sử dụng MQTTlens làm công cụ để quan sát giá trị gửi từ websever     xuống arduino hay từ arduino lên websever Tiến hành cài đặt MQTTlens trình duyệt Chrom Sau cài đặt tiến hành chạy MQTTlens Chọn add a connection cài đặt hình với Connection name client ID tùy ý Địa địa IP máy tính Sau lưu lại Ta thiết lập  Thành cơng nhận biểu tượng hình  Bắt đầu đăng kí mẫu Topic sử dụng thiết kế này: - localnet/openHAB/devices/# ( Để đăng kí nhận giá trị điểu khiển Led từ trang openHAB) openhab/himitsu/humidity (Để đăng kí nhận giá trị độ ẩm từ arduino gửi lên) - openhab/himitsu/tempe rature (Để đăng kí nhận giá trị nhiệt độ từ arduino gửi lên) 39 Đồ án môn học Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái SVTH: Lê Hồ Bảo 40 ... cách thức thực ứng dụng quản lý "vườn thông minh" sử dụng OpenHAB Trong đồ án chúng em chi tiết phần cài đặt, thiết kế thực phần cứng, thiết kế thực phần mềm cách thiết lập sử dụng đề tài Cụ thể... nhận liên kết thiết lập, quan sát trình truyền nhận liệu 2.3 Ngôn ngữ - Sử dụng ngôn ngữ C++ để thiết kế phần code cho Arduino ngôn ngữ Java để thiết kế giao diện web openhab 24 Đồ án môn học... lai thực phẩm, thương hiệu làm vườn thông minh xuất nhanh hết Những lợi ích mà vườn thông minh mang lại phủ nhận:  Hoạt động hiệu - Với giúp đỡ nông nghiệp thông minh, người ta sản xuất chí nhiều