ỨNG DỤNG IOT TRONG VIỆC TĂNG TRƯỞNG của cây TRỒNG (có code)

ỨNG DỤNG IOT TRONG VIỆC TĂNG TRƯỞNG của cây TRỒNG (có code)

ỨNG DỤNG IOT TRONG VIỆC TĂNG

TRƯỞNG CỦA CÂY TRỒNG

I2C Inter-Integrated Circuit

UART Universal Asynchronous Receiver

LCD Liquid Crystal Display

LED Light Emitting Diode

IoT Internet of Things

CHƯƠNG 1.GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu chung

Thật rõ ràng để thấy trong những chỉ số phát triển các ứng dụng điều khiển vàcảm biến nông nghiệp, một bước thay đổi từ kết nối dữ liệu thông qua dây cáp bằngkết nối không dây đang ngày càng xuất hiện rõ nét Mạng không dây giảm chi phílắp đặt, thêm nhiều tính linh hoạt, dễ triển khai và ít khó khăn trong bảo trì

1.2 IoT trong nông nghiệp tại Việt Nam

Trong khi đó, trước những thách thức về biến đổi khí hậu, gia tăng dân số nhanhchóng, vấn đề đảm bảo đủ lương thực là một trong những thách thức mang tính toàncầu Ngành nông nghiệp phải tìm kiếm những phương thức tốt hơn để gia tăng hiệuquả sản xuất Cách duy nhất chính là áp dụng công nghệ mới vào hoạt động sảnxuất, canh tác

Chính vì vậy, việc đưa các ứng dụng IoT vào ngành nông nghiệp sẽ giúp minhchứng rõ nhất cho việc IoT đem lại hiệu quả to lớn như thế nào Đó chính là lý do

mà nông nghiệp là lĩnh vực đang được quan tâm đầu tư và được nhiều startup lựachọn để gọi vốn

Những hệ thống thiết bị cảm biến, đo đạc sẽ được kết nối với nhau, tích hợp GPS vàcác công nghệ theo dõi để thu thập dữ liệu, kết nối với hạ tầng đám mây để truyxuất dữ liệu, phân tích đưa ra quyết định tối ưu hóa lượng nước, lượng phân bón, tựđộng hóa các hoạt động nông nghiệp hàng ngày và cung cấp giải pháp theo dõi thờigian thực Nhờ đó, các điều kiện dinh dưỡng đối với cây trồng sẽ được tối ưu, chomức sinh trưởng tốt nhất

Giảm thiểu dịch bệnh cũng là một yếu tố quan trọng trong việc nâng cao hiệu suấtcanh tác Thêm vào đó, hiện người dùng đang có xu hướng chuộng các sản phẩm

hữu cơ nên ngành nông nghiệp phải bắt đầu chú trọng tìm kiếm các giải pháp giảmthiểu dịch bệnh cho cây trồng mà không sử dụng thuốc trừ sâu

Hiện đã có không ít giải pháp ứng dụng IoT giúp giám sát số lượng sâu bệnh, khiphát hiện số lượng sâu bệnh trở nên quá cao, hệ thống tự động kích hoạt và ngăncản quá trình kết đôi của sâu bệnh để giảm thiểu sự gia tăng, kèm theo đó sẽ cảnhbáo để nông dân lựa chọn phương thức xử lý nhân công, sinh học hay thuốc trừ sâu.Ngày nay, ngành nông nghiệp vốn được mọi người biết đến với việc phải phụ thuộcvào kinh nghiệm và quan sát của người nông dân, họ phải đối mặt với những tháchthức trong việc tìm kiếm những cách thức tốt nhất để tăng gia sản xuất, tăng hiệuquả cũng như chất lượng nông sản Cách duy nhất đó chính là việc áp dụng côngnghệ mới vào nông nghiệp IoT sẽ biến một nền nông nghiệp lạc hậu trở thành mộtlĩnh vực sản xuất mang tính định hình, một lĩnh vực sản xuất chính xác dựa trênnhững số liệu thu thập được từ đó tổng hợp, phân tích và thống kê

IoT sẽ biến nông nghiệp từ một lĩnh vực sản xuất định tính thành một lĩnh vực sảnxuất chính xác dựa vào những số liệu thu thập, tổng hợp và phân tích thống kê Từviệc phụ thuộc vào thời tiết, khí hậu , người nông dân có thể tự chủ, điều chỉnhmọi thứ để đạt được hiệu quả như mong muốn

1.3 Truyền nhận không dây điều khiển thiết bị

Cùng với sự phát triển của khoa học, công nghệ trong nhiều lĩnh vực thìnông nghiệp ngày càng được công nghệ hóa

Công nghệ không dây cũng được ứng dụng nhằm thu nhận dữ liệu, bật tắtcác thiết bị, động cơ, tự động hóa nông nghiệp

1.4 Lý thuyết về tưới tiêu tự động và mục đích của đề tài

Sử dụng các cảm biến kết hợp với vi điều khiển sẽ cho ta biết được các thông sốcủa đất cũng như môi người xung quanh như nhiệt độ, độ ẩm không khí Mọi thứ

ỨNG DỤNG IOT TRONG VIỆC TĂNG TRƯỞNG CÂY TRỒNG

phát triển lý tưởng nhất cho cây trồng Với những tiện ích và sự thuận tiện cũng nhưkhoa học trong việc điều khiển, giám sát cũng như theo dõi mà đề tài được thựchiện.

Tưới tiêu tự động là hệ thống dựa trên các thông số thu thập được mà điều khiểnđộng cơ máy bơm, bật đèn Người dùng đơn giản chỉ cần khởi động hệ thống làmọi thứ sẽ được tự động và họ luôn theo dõi được khu vườn của mình

1.5 Lý thuyết về độ ẩm đất

1.5.1 Khái niệm

Độ ẩm đất là lượng nước trong mẫu đất đã bị mất đi khi mẫu đất đó bị đốt nónglên đến nhiệt độ 105°C Độ ẩm đất thường được biểu diễn theo % của khối lượngđất khô

1.5.2 Công thức tính

W =

w

m d

m

× 100Trong đó:

W: độ ẩm đất (%)

mw: khối lượng nước trong đất (g)

md: khối lượng đất khô trong đất (g)

Khối lượng nước có trong mẫu đất xác định bằng độ chênh lệch của khối lượngmẫu đất trước và sau khi được sấy khô ở nhiệt độ 105°C

1.6 Lý thuyết và khái niệm về ánh sáng

1.6.1 Lý thuyết

Ánh sáng được phát ra từ vật thể là do những hiện tượng sau:

• Thiết bị điện: Chiếu sáng

• Nóng sáng: Các chất rắn và chất lỏng phát ra bức xạ có thể nhìn thấy đượckhi chúng được nung nóng đến nhiệt độ khoảng 1000K Cường độ ánh sángtăng lên và màu sắcbề ngoài trở nên sáng hơn khi nhiệt độ tăng

• Phóng điện: Khi một dòng điện chạy qua chất khí, các nguyên tử và phân tử

phát ra bức xạ với quang phổ mang đặc tính của các nguyên tố có mặt

• Phát quang điện: Ánh sáng được tạo ra khi dòng điện chạy qua những chất

rắn nhất định như chất bán dẫn hoặc photpho

• Phát sáng quang điện: Thông thường chất rắn hấp thụ bức xạ tại một bước

sóng và phát ra trở lại tại một bước sóng khác Khi bức xạ được phát ra đó cóthể nhìn thấy được, hiện tượng được gọi là sự phát lân quang hay sự pháthuỳnh quang

1.6.2 Khái niệm

• Lumen: Đơn vị của quang thông; thông lượng được phát ra trong phạm vimột đơn vị góc chất rắn bởi một nguồn điểm với cường độ sáng đều nhau làmột Candela

• Hiệu suất tải lắp đặt: Đây là độ chiếu sáng duy trì trung bình được cung cấptrên một mặt phẳng làm việc ngang trên mỗi Oát công suất với độ chiếu sángnội thất chung được thể hiện bằng lux/W/m²

• Lux: Đây là đơn vị đo theo hệ mét cho độ chiếu sáng của một bề mặt Độ chiếu sáng duy trì trung bình là các mức lux trung bình đo được tại các điểm khác nhau của một khu vực xác định

• Hiệu suất tải mục tiêu: Giá trị của hiệu suất tải lắp đặt được xem là có thể đạtđược với hiệu suất cao nhất, được thể hiện bằng lux/W/m²

• Hệ số sử dụng (UF): Đây là tỷ lệ của quang thông do đèn phát ra tới mặtphẳng làm việc Đây là đơn vị đo thể hiện tính hiệu quả của sự phối hợpchiếu sáng

ỨNG DỤNG IOT TRONG VIỆC TĂNG TRƯỞNG CÂY TRỒNG

CHƯƠNG 2.SƠ ĐỒ KHỐI VÀ MẠCH NGUYÊN LY2.1 Sơ đồ của hệ thống

Hình 2-1: Sơ đồ toàn mạch

- Khối cloud, app bao gồm gửi dữ liệu lên điện thoại

2.1.1 Sơ đồ khối cảm biến

ỨNG DỤNG IOT TRONG VIỆC TĂNG TRƯỞNG CÂY TRỒNG

Cloud, App Cảm biến nhiệt

độ và độ ẩm

không khí

Điều khiển Cảm biến lưu

Hình 2-2: Sơ đồ khối mạch cảm biến

Giải thích sơ đồ:

- Khối cảm biến ở đây sử dụng cảm biến độ ẩm đất và cảm biến đo nhiệt

độ, độ ẩm của môi trường

- Khối nguồn đơn giản cấp nguồn cho toàn hệ thống

2.1.2 Sơ đồ khối trung tâm xử lý

Xử lý tín hiệu

Hiển thị, điều khiển Nguồn

Hình 2-3: Sơ đồ khối mạch trung tâm xử lý

Giải thích sơ đồ:

− Khối cloud giúp hiển thị, thống kê và theo dõi hệ thống

− Khối nguồn cung cấp nguồn cho toàn hệ thống

− Khối xử lí dùng Arduino và WiFi ESP8266 xử lý dữ liệu, gửi lên internet, điện thoại, đảm nhận nhiệm vụ nhận dữ liệu, so sánh, điều khiển động cơ

2.2 Sơ đồ nguyên lý

Sơ đồ khối nguồn và cảm biến:

ỨNG DỤNG IOT TRONG VIỆC TĂNG TRƯỞNG CÂY TRỒNG

Cloud, App

Xử lý

Hình 2-4: Sơ đồ nguyên lý mạch nguyên lý

Sơ đồ nguyên lý:

Sơ đồ nguyên lý kết nối cảm biến độ ẩm đất, cảm biến DHT11, cảm biến ánhsáng BH1750 và cảm biến siêu âm với vi điều khiển Arduino , giao tiếp I2C đẻ hiểnthị lên LCD 20x4

Module cảm biến độ ẩm đất thu thập dữ liệu độ ẩm đất, kết nối với chân A0 củaẢrduino để đọc dữ liệu cảm biến

Module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 sẽ đọc nhiệt độ và độ ẩm của môitrường xung quanh , được kết nối với chân số 5 của vi điều khiển Arduino

Module cảm biến lưu lương nước thu thập dữ liệu lượng nước trong bình, kếtnối với 2 chân 7,8 của Ảrduino để đọc dữ liệu cảm biến.

2.3 Sơ đồ giải thuật

Dữ liệu nhận được là đúng thì các thông số sẽ được gửi đi

ỨNG DỤNG IOT TRONG VIỆC TĂNG TRƯỞNG CÂY TRỒNG

điều khiển sẽ tự động reset lại quá trình và thực hiện lại.

2.3.2 Khối trung tâm xử lý

CHƯƠNG 3.GIỚI THIỆU LINH KIỆN CHÍNH SỬ DỤNG TRONG

MẠCH

3.1 Một số linh kiện chính được sử dụng trong mạch

3.1.1 Giới thiệu về Arduino

Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác vớinhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn

Hình 2-7: Arduino Mega [nguồn internet]

Arduino Mega 2560 là board mạch vi điều khiển, xây dựng dựa trên Atmega 2560

Nó có 54 chân I/O (trong đó có 15 chân có thể sử dụng làm chân ouput với chứcnăng PWM), 16 chân đầu vào Analog, 4 UART, 1 thạch anh 16Mhz, 1 cổng USB, 1jack nguồn, 1 header, 1 nút nhấn reset

Arduino Mega 2560 là sản phẩm tiêu biểu cho dòng mạch Mega là dòng bo mạch có nhiều cải tiến so với Arduino Uno (54 chân digital IO và 16 chân analog IO) Đặc biệt bộ nhớ flash của MEGA được tăng lên một cách đáng kể, gấp 4 lần

so với những phiên bản cũ của UNO Điều này cùng với việc trang bị 3 timer và 6 cổng interrupt khiến bo mạch Mega hoàn toàn có thể giải quyết được nhiều bài toán hóc búa, cần điều khiển nhiều loại động cơ và xử lý song song nhiều luồng dữ liệu số cũng như tương tự. Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết

kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit

ỨNG DỤNG IOT TRONG VIỆC TĂNG TRƯỞNG CÂY TRỒNG

Do vậy chúng ta dễ dàng phát triển nghiên cứu theo kiểu gắp ghép module

từ Arduino UNO bê sang Arduino mega Ngoài ra, ở phiên bản này, các nhà thiết

kế đã mạnh dạn thay đổi thiết kế Để có thêm được nhiều vùng nhớ và nhiều chân

IO hơn, một con chip khác đã thay thế cho Atmega1280

Khi làm việc với Arduino board, một số thuật ngữ sau cần được lưu ý:

• EEPROM: Để đọc / ghi dữ liệu ta có thể dùng thư viện EEPROM củaArduino

• RAM: tương tự như RAM của máy tính, sẽ bị mất dữ liệu khi ngắt điệnnhưng bù lại tốc độ đọc ghi xoá rất nhanh

• Flash Memory: bộ nhớ có thể ghi được, dữ liệu không bị mất ngay cả khi tắt điện Về vai trò, ta có thể hình dung bộ nhớ này như ổ cứng để chứa dữ liệu trên board Kích thước của vùng nhớ này thông thường dựa vào vi điều khiểnđược sử dụng, ví dụ như ATmega8 có 8KB flash memoryThông số kỹ thuật của Arduino board :

• Vi điều khiển : ATmega2560

• Điện áp hoạt động: 5V

• Điện áp vào khuyên dùng: 7-12V

• Điện áp vào giới hạn: 6-20V

• Digital I/O pin: 54

• PWM Digital I/O Pins: 15

• Analog Input Pins: 16

• Cường độ dòng điện trên mỗi I/O pin: 20 mA

• Cường độ dòng điện trên mỗi 3.3V pin: 50mA

• Flash Memory: 256 KB (ATmega2560), 8 KB được sử dụng bởi bootloader

Hình 2-8: Sơ đồ khối tổng quát về Arduino Mega [nguồn internet]

3.1.2 Cảm biến độ ẩm đất

Module cảm biến độ ẩm của đất cho phép đo độ ẩm của đất và điều khiển động

cơ khi đất quá khô hoặc quá ẩm Mạch cảm biến độ ẩm đất với các trạng thái nhưngõ ra mức thấp (0V), khi đất khô ngõ ra sẽ lên mức cao (5V), có độ nhạy cao và cóthể điều chỉnh độ nhạy

Hình 2-9: Module cảm biến độ ẩm đất [nguồn internet]

3.1.3 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm

ỨNG DỤNG IOT TRONG VIỆC TĂNG TRƯỞNG CÂY TRỒNG

biến tích hợp bộ tiền xử lý tín hiệu cho phép dữ liệu nhận về được chính xác màkhông cần phải qua bất kỳ tính toán nào.

Hình 2-10: Module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm [nguồn internet]

3.1.4 Module cảm biến cường độ ánh sáng BH1750

Cảm Biến Cường Độ Ánh Sáng BH1750 là cảm biến ánh sáng với bộ chuyển đổi

AD 16 bit tích hợp trong chip và có thể xuất ra trực tiếp dữ liệu theo dạng digital.cảm biến không cần bộ tính toán cường độ ánh sáng khác

Hình 2-11: Module BH1750 [nguồn internet]

Cường độ được tính như sau:

• Ban đêm: 0.001 - 0.02 lx

• Trời sáng trăng: 0.02 - 0.3 lx

• Trời mây trong nhà: 5 - 50 lx

• Trời mây ngoài trời: 50 - 500 lx

• Trời nắng trong nhà: 100- 1000 lx

Thông số kỹ thuật:

• Chuẩn kết nối i2C

• Độ phân giải cao(1 - 65535 lx )

• Tiêu hao nguồn ít

3.1.5 Module Wifi ESP 8266

Module wifi ESP8266 v1 cung cấp khả năng kết nối mạng wifi đầy đủ và khép kín,bạn có thể sử dụng nó để tạo một web server đơn giản hoặc sử dụng như một accesspoint

ESP8266 là một chip tích hợp cao - System on Chip (SoC), có khả năng xử lý vàlưu trữ tốt, cung cấp khả năng vượt trội để trang bị thêm tính năng wifi cho các hệthống khác

ỨNG DỤNG IOT TRONG VIỆC TĂNG TRƯỞNG CÂY TRỒNG

Hình 2-12: Moule Wifi 8266 [www.robitshop.com]

Một số thông số kĩ thuật:

• Wifi 802.11 b/g/n

• Wifi 2.4 GHz, hỗ trợ WPA/WPA2

• Chuẩn điện áp hoạt động 3.3V

• Chuẩn giao tiếp nối tiếp UART với tốc độ Baud lên đến 115200

• Hỗ trợ các chuẩn bảo mật như: OPEN, WEP, WPA_PSK, WPA2_PSK, WPA_WPA2_PSK

• Hỗ trợ cả 2 giao tiếp TCP và UDP

• Làm việc như các máy chủ có thể kết nối với 5 máy con

Hình 2-13: Sơ đồ chức năng chân Module Wifi 8266 [www.tdhshop.com.vn]

• GND — nối với mass

• UTXD (TX) — dùng để truyền tín hiệu trong giao tiếp UART với vi điều khiển

• URXD(RX) — dùng để nhận tín hiệu trong giao tiếp UART với vi điều khiển

• VCC — đầu vào 3.3V

• GND — nối với mass

• UTXD (TX) — dùng để truyền tín hiệu trong giao tiếp UART với vi điều khiển

• GPIO 0 — kéo xuống thấp cho chế độ upload bootloader

• RST — chân reset cứng của module, kéo xuống mass để reset

• GPIO 2 — thường được dùng như một cổng TX trong giao tiếp UART để debug lỗi

• CH_PD — kích hoạt chip, sử dụng cho Flash Boot và updating lại module, nối với mức cao

Hình 2-14: Sơ đồ kết nối.[ nguồn internet]

3.1.7 Cảm biến lưu lượng nước S401

Chất liệu bằng nhựa bên trong có cánh quạt nước và cảm biến hall

Khi nước chảy qua van cảm biến làm động cơ quay dẫn đến sự thay đổi trạng thái đầu ra của cảm biến Hall, đâu ra tín hiệu xung

Hình 2-15 Cảm biến lưu lượng nước S401 [ nguồn internet]

Các thông số chính

• Điện áp hoạt động từ : 3,5-12VDC

• Dòng điện tiêu thụ: 15mA

• Tín hiệu đầu ra: sử dụng hiệu ứng hall, tín hiệu đầu ra dạng xung

- Yellow (Vàng): Tín hiệu ra của hall sensor

Tần số tín hiệu đầu ra: F=7.5xQ ( L/Phút)

Trong đó:

Q: Lưu lượng nước

F: Tần số tín hiệu đầu ra (Hz)

7.5: Hằng số

3.2 Lý thuyết về truyền nhận dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ (UART)

ỨNG DỤNG IOT TRONG VIỆC TĂNG TRƯỞNG CÂY TRỒNG

Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART) là bộ truyền nhận nốitiếp bất đồng bộ với định dạng khung truyền và tốc độ có thể thiết lập được.

Hình 2-16: Cấu trúc khung truyền [nguồn internet]

CHƯƠNG 4.THI CÔNG ĐỀ TÀI

1 Yêu cầu

- Đưa dữ liệu lên điện thoại để dễ dàng theo dõi, lưu trữ và thống kê dữ liệuthu thập được như : cảm biến để đo nhiệt độ, độ ẩm của đất, cường độ ánhsáng và độ ẩm không khí

- Điều khiển bật tắt máy bơm dựa trên các thông số thu nhận được

- Thiết kế và thi công phần cứng

4.1 Hiển thị dữ liệu lên điện thoại

1 Tìm hiểu về Blynk

Blynk là một nền tảng với các ứng dụng như iOS , Android để giúp kiểm soátArduino, Raspberry Pi và các tiẹc ích khác

Đó là một bảng điều khiển kỹ thuật số, ở đó ta có thể xây dựng một giao diện

đồ họa cho dự án bằng cách kéo và thả các ứng dụng cần thiết

Hình 4-1: Giao diện Blynk [nguồn internet]

ỨNG DỤNG IOT TRONG VIỆC TĂNG TRƯỞNG CÂY TRỒNG

- Thông số về độ ẩm đất được hiển thị rõ ràng, người dùng dễ dàng nhận diện vànắm được tình hình của môi trường Các thông số được hiển thị thành dạngbiểu đồ giúp tiện lợi và trực giao trong việc theo dõi, nhận xét cũng như truyxuất dữ liệu

Hình 4-2: Giao diện trên điện thoại [nguồn internet]

2 Kết quả thi công

Mạch điều khiển bao gồm: