NGHIÊN cứu, xây DỰNG mô HÌNH GIÁM sát vườn THÔNG MINH (có code)

Rõ ràng ta có thấy trong những chỉ số phát triển các ứng dụng điều khiển và cảmbiến trong nông nghiệp, bước ngoặc thay đổi từ kết nối dữ liệu thông qua dây bằngkết nối khô

NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG MÔ HÌNH GIÁM SÁT VƯỜN THÔNG MINH

UART Universal Asynchronous Receiver

LCD Liquid Crystal Display

LED Light Emitting Diode

IoT Internet of Things

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1.1Giới thiệu chung

Trong thời đại công nghệ 4.0, sự tự động hóa được ưu tiên và hơn nữa con ngườiđang làm mọi thứ trở nên đơn giản nhất thì mọi ngành nghề đều sẽ bị ảnh hưởng.Nông nghiệp cũng không ngoại lệ, được thừa hưởng sự phát triển của công nghệ màbức phá Người nông dân sẽ tăng được năng xuất, giảm công chăm sóc, tưới tiêu

Rõ ràng ta có thấy trong những chỉ số phát triển các ứng dụng điều khiển và cảmbiến trong nông nghiệp, bước ngoặc thay đổi từ kết nối dữ liệu thông qua dây bằngkết nối không dây đang ngày càng xuất hiện nhiều Mạng không dây giảm chi phílắp đặt, tính linh hoạt cao, dễ triển khai và dễ bảo trì

1.2Nông nghiệp trong xu thế công nghệ mới

Như chúng ta đã biết, ngành nông nghiệp vốn được mọi người biết đến với việcphải phụ thuộc vào kinh nghiệm và quan sát của người nông dân, họ phải đối mặtvới những thách thức trong việc tìm kiếm những cách thức tốt nhất để tăng gia sảnxuất, tăng hiệu quả cũng như chất lượng nông sản Cách duy nhất đó chính là việcáp dụng công nghệ mới vào nông nghiệp IoT sẽ biến một nền nông nghiệp lạc hậutrở thành một lĩnh vực sản xuất mang tính hiện đại, một lĩnh vực sản xuất chính xácdựa trên những số liệu thu thập được từ đó tổng hợp, phân tích và thống kê

Từ xưa đến nay nông nghiệp là một trong những lĩnh vực ít được áp dụng công

Trong khi đó, trước những thách thức về biến đổi khí hậu, gia tăng dân số nhanhchóng, vấn đề đảm bảo đủ thực phẩm là một trong những thách thức mà chúng tacần quan tâm Vì vậy, ngành nông nghiệp phải tìm kiếm những phương thức tốt hơnđể gia tăng hiệu quả sản xuất Cách duy nhất chính là áp dụng công nghệ mới vàohoạt động sản xuất, canh tác. 

Hơn nữa, việc đưa các ứng dụng công nghệ mới vào ngành nông nghiệp sẽ giúpminh chứng rõ nhất cho việc đem lại hiệu quả to lớn Đó chính là lý do mà nôngnghiệp là lĩnh vực đang được quan tâm đầu tư và được nhiều người khởi nghiệp lựachọn để gọi vốn. 

Công nghệ mới sẽ biến nông nghiệp từ một lĩnh vực sản xuất định tính thành mộtlĩnh vực sản xuất chính xác dựa vào những số liệu thu thập, tổng hợp và phân tíchthống kê Từ việc phụ thuộc vào thời tiết, khí hậu , người nông dân có thể tự chủ,điều chỉnh mọi thứ để đạt được hiệu quả như mong muốn

Những hệ thống thiết bị cảm biến, đo đạc sẽ được kết nối với nhau và các côngnghệ theo dõi để thu thập dữ liệu, kết nối với hạ tầng đám mây để truy xuất dữ liệu,phân tích đưa ra quyết định tối ưu hóa lượng nước, lượng phân bón, tự động hóa cáchoạt động nông nghiệp hàng ngày và cung cấp giải pháp theo dõi thời gian thực.Nhờ đó, các điều kiện dinh dưỡng đối với cây trồng sẽ được tối ưu, cho mức sinhtrưởng 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 phẩmhữu 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 nhiều giải pháp ứng dụng công nghệ mới giúp giám sát số lượng sâubệnh, khi phát hiện số lượng sâu bệnh trở nên quá cao, hệ thống tự động kích hoạtvà ngăn cản quá trình kết đôi của sâu bệnh để giảm thiểu sự gia tăng, kèm theo đósẽ cảnh báo để nông dân lựa chọn phương thức xử lý nhân công, sinh học hay thuốctrừ sâu.

1.3Mục đích của đề tài

Sử dụng các cảm biến kết hợp với vi điều khiển sẽ cho ta biết được các thông số củađất cũng như môi người xung quanh như nhiệt độ, độ ẩm không khí Mọi thứ đượcthu thập và dựa trên đó để đưa ra phương án thích hợp để mang lại môi trường pháttriển lý tưởng nhất cho cây trồng

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 là mọithứ sẽ được tự động và họ luôn theo dõi được khu vườn của mình

Với những tiện ích và sự thuận tiện cũng như khoa học trong việc điều khiển, giámsát cũng như theo dõi mà đề tài được thực hiện

1.4Những yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến sự phát triển của cây trồng

1.4.1 Ánh sáng

Là yếu tố quan trọng nhất cho sự sinh trưởng và sự phát triển của cây trồng Ánhsáng mặt trời là nguồn năng lượng duy nhất, vô tận để cây xanh quang hợp, biến cácchất vô cơ, nước và khí cacbonic thành hợp chất hữu cơ tích lũy trong lá, hoa, quả,

Rau trồng vào mùa đông yêu cầu cưòng độ ánh sáng yếu và thời gian chiếu sáng từ

8 đến 12 giờ/ngày

Do đó, người trồng rau có nắm vững điều này thì mới bố trí được cây trồng hợp lý,tạo được ánh sáng phù hợp để rau phát triển tốt nhất Ngoài ra, thời gian chiếu sángcòn ảnh hưởng đến giới tính của một số loài như dưa chuột trong điều kiện ánh sángđầy đủ số lượng hoa cái tăng, thời gian chiếu sáng giảm sẽ tăng số lượng hoa đực.Cường độ ánh sáng cũng có ảnh hưỏng lớn đến sinh trưởng và phát triển của rau.Dựa vào cường độ ánh sáng, ngưòi ta phân rau ra các nhóm:

Nhóm yêu cầu cường độ ánh sáng mạnh là bí ngô, cà, cà chua, ốt, đậu

Nhóm yêu cầu cường độ ánh sáng trung bình như cải bắp, cải trắng, cải củ, hành,tỏi

Nhóm yêu cầu cưòng độ ánh sáng yếu: xà lách, rau diếp

Dựa vào cách phân loại này mà có chế độ xen canh gối vụ phù hợp để tận dụng hếtchất dinh dưỡng trong đất vừa tăng sản lượng rau trồng

Ngày nay, ngoài ánh sáng Mặt trời, người ta còn dùng hệ thống đèn huỳnh quang để

bổ sung ánh sáng cho rau trồng trong nhà có mái che

Một số đơn vị đo ánh sáng:

Lumen: Đơn vị của quang thông, thông lượng được phát ra trong phạm vi một đơnvị góc chất rắn bởi một nguồn điểm với cường độ sáng đều nhau là một Candela.Một lux là một lumen trên mỗi mét vuông Lumen (lm) là đương lượng trắc quangcủa Watt, được tăng lên để phù hợp với phản ứng mắt của “người quan sát chuẩn”1W=683 lumen tại bước song 555 nm

Hiệu suất tải lắp đặt: Đây là độ chiếu sáng duy trì trung bình được cung cấp trênmột mặt phẳng làm việc ngang trên mỗi Watt công suất với độ chiếu sáng nội thấtchung 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 sángduy trì trung bình là các mức lux trung bình đo được tại các điểm khác nhau của một khu vực xác định Một lux bằng một lumen trên mỗi mét vuông

Hiệu suất tải mục tiêu: Giá trị của hiệu suất tải lắp đặt được xem là có thể đạt đượcvới 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 mặt phẳng làmviệc Đây là đơn vị đo thể hiện tính hiệu quả của sự phối hợp chiếu sáng

1.4.2 Nhiệt độ

Là yếu tố quan trọng nhất trong sinh trưởng và sự phát triển của cây rau Nhiệt độchính là yếu tố tạo nên các vùng khí hậu khác nhau trên trái đất và từ đó có các loạirau riêng biệt cho từng vùng Mỗi loài rau sẽ có nhiệt độ thích hợp để sinh trưởngvà phát triển

Một số loài rau sinh trưởng tốt ở nhiệt độ 5ºC, đem trồng vào mùa nóng sẽ ngừngsinh trưởng hoặc chết đi Các loại rau bắp cải, su hào, cải trắng, củ cải phát triển tốtở 13 – 15°C cao nhất lên đến 27°C, nếu nhiệt cao hơn cây sẽ chết Các loại xà láchcuốn, rau diếp, ngò tây, cải canh phát triển tốt ở 16°C có thể chịu được khi nhiệt độxuống 7°C Các loại đậu đỗ, bầu bí, cà chua, ớt phát triển ở 15 – 30°C

Nhiệt độ ảnh hưởng đến độ nảy mầm của hạt, ví dụ hành có thể nảy mầm ở 2°C, càrốt và các loại cải thì ở 5°C, bầu bí nảy mầm ở nhiệt độ ấm khoảng 35°C

1.4.3 Độ ẩm

Độ ẩm trong không khí, trong đất có tác động đến các giai đoạn sinh trưởng của câynhư sự nảy mầm của hạt, sự ra hoa, kết hạt, thòi gian chín của quả, chất lượng rau,sản lượng, sinh trưởng sinh dưỡng, phát sinh sâu bệnh và bảo quản hạt giông

Nhiệt độ và độ ẩm có quan hệ mật thiết với nhau và có tác động lớn đến sinhtrưỏng, tái sinh của nhiều loài rau, đặc biệt là trong sản xuất hạt giống

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

Công thức tính độ ẩm đất như sau

W = × 100 (1.1)

Trong đó:

W: độ ẩm đất (%)

mw: khối lượng nước có trong đất (g)

md: khối lượng đất khô (g)

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

1.4.4 Nước

Thành phần hóa học trong rau chủ yếu là nước, chiếm đến 90%, do đó lượng nướccây cần lấy vào trong tự nhiên là rất lớn Nước còn là môi trường sống của một sốloại rau (rau muống…) Nước nơi chất khoáng hoà tan được rễ hút vào nuôi cây.Nước cũng là môi trường để pha các loại thuốc trừ sâu bệnh Nên muốn có năngsuất rau cao, cần đảm bảo lượng nước đủ theo nhu cầu của từng loại rau

Nơi trồng rau phải gần nguồn nước sạch, nước được lấy từ giếng khoan, ao hồ cónước lưu thông Không được dùng nước thải sinh hoạt, nưóc từ các bệnh viện, cáckhu công nghiệp thải ra chưa được qua hệ thống xử lý Nước tưới bẩn không làmrau bị chết mà chính các yếu tố độc hại ấy tích lại trong rau, gây ngộ độc cho ngườitiêu dùng

Ngoài các yếu tố chính kể trên, còn nhiều yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến năngsuất rau như bụi, không khí, đất trồng, chất khoáng… cũng không kém phần quantrọng

Bụi làm bịt kín các lỗ thở trên lá cây ảnh hưởng đến việc thoát hơi nước, đến quanghợp Không khí bị ô nhiễm làm rau không phát triển bình thường, lá héo rũ Khôngkhí còn mang bào tử nấm, mầm bệnh xâm nhập vào cây… Gió bão, mưa làm ngã,gẫy, giập nát lá… Để hạn chế thiệt hại do các yếu tố trên gây ra, người trồng rauphải che chắn, tránh xa nơi thải chất độc hại, xa đường giao thông

1.5Một số cây trồng điển hình

1.5.1 Bắp cải

Lượng nước cần cho bắp cải phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: giống, nhiệt độ, độ

ẩm không khí, lượng mưa

Đối với bắp cải, trồng đầu vụ trong thời tiết khô hanh, độ ẩm đất cần đảm bảokhông thấp hơn 80% và duy trì như vậy cho tới lúc thu hoạch Độ ẩm thấp hơn 60%làm giảm 50% năng suất và độ ẩm 70% tuy không làm giảm khối lượng của câynhưng làm giảm khối lượng của phần bắp cuộn dẫn đến làm giảm năng suất kinh tế

1.5.2 Khoai lang

Khoai lang có nhiệt độ sinh trưởng tương đối cao Nhiệt độ tối thích là khoảng giữa21-23oC Ở nhiệt độ 10oC lá chuyển màu vàng và cây sẽ chết

Ở nhiệt độ 15oC phần lớn lá vẫn giữ được màu xanh, nhưng cây không lớn được

Ở nhiệt độ từ 20 đến 25oC cây sinh trưởng nhanh hơn, tỷ lệ thuận với nhiệt độ.Nhiệt độ từ 45oC cây sinh trưởng không tốt bằng ở nhiệt độ 25oC

Mặc dù độ ẩm thích hợp cho khoai lang nói chung là khoảng 70-80% độ ẩm tối đađồng ruộng, nhưng nhu cầu về nước đối với khoai lang qua từng thời kỳ sinh trưởngphát triển cũng có khác nhau Nhu cầu nước của khoai lang có thể chia ra làm 3 giaiđoạn

Giai đoạn đầu (từ trồng đến kết thúc thời kỳ phân cành kết củ) nhu cầu nước củakhoai lang còn thấp nên độ ẩm đất chỉ cần đảm bảo 65-75% độ ẩm tối đa đồng.Giai đoạn thứ hai: Để tạo nên được lượng sinh khối lớn cây khoai lang cần rất nhiềunước Lượng nước cần tăng dần từ đầu cho đến khi thân lá đạt đến trị số tối đa.Lượng nước cần cho giai đoạn này chiếm cao nhất Khoảng 50-60% tổng lượngnước cần trong suốt thời kỳ sinh trưởng Tuy nhiên để cho luống khoai có đủ độthoáng khí, độ ẩm đất cũng chỉ cần đảm bảo 70-80% độ ẩm tối đa đồng ruộng

Giai đoạn thứ ba: Lượng nước cần vào giai đoạn này đã bắt đầu giảm xuống, chỉkhoảng trên dưới 20% tổng lượng nước cần trong suốt thời kỳ sinh trưởng phát triểncủa cây khoai lang Tuy nhiên để củ phát triển thuận lợi cũng cần đảm bảo độ ẩmđất 70-80% độ ẩm tối đa đồng ruộng Trong sản xuất thường người ta ít tưới vàogiai đoạn này bởi giai đoạn này nếu độ ẩm trong đất quá cao hoặc gặp trời mưa củkhoai lang rất dễ bị thối.

CHƯƠNG 2 SƠ ĐỒ KHỐI VÀ MẠCH NGUYÊN LÝ

Cảm biến nhiệt

độ và độ ẩm

không khí

Cảm biến cường

độ ánh sáng

 Khối điều khiển ở đây là các mạch điều khiển bao gồm relay để bật tắt bơmvà các đèn báo hiệu.

 Khối cloud, app bao gồm gửi dữ liệu lên internet và điện thoại

2.1.1 Sơ đồ khối cảm biến

Hình 2-2: Sơ đồ khối mạch cảm biến

Giải thích sơ đồ:

 Khối nguồn đơn giản cấp nguồn cho toàn hệ thống hoạt động

 Khối cảm biến ở đây sử dụng cảm biến độ ẩm đất và cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm của môi trường

2.1.2 Sơ đồ khối trung tâm xử lý

Nguồn

Cảm biến

Xử lý tín hiệu

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

Giải thích sơ đồ:

 Khối nguồn cung cấp nguồn cho toàn mạch

 Khối cảm hiển thị, điều khiển dùng màn hình hiển thị để cho phép người dùng dễ dàng theo dõi và điều khiển

 Khối xử lí dùng WiFi ESP8266 xử lý dữ liệu, gửi lên internet, điện thoại, đảm nhận nhiệm vụ nhận dữ liệu, so sánh, điều khiển động cơ, gửi lên server để theo dõi, thống kê, quan sát

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

 Khối mobile hiển thị các thông số, điều khiển thiết bị

Nguồn

Hiển thị, điều khiển

Xử lý

Cloud, App

2.2Sơ đồ nguyên lý

Hình 2-4: Sơ đồ nguyên lý mạch

Dựa theo sơ đồ khối ở trên ta xây dựng được sơ đồ nguyên lý

Sơ đồ nguyên lý kết nối cảm biến độ ẩm đất, cảm biến DHT22 với vi điều khiểnesp8266

Module cảm biến độ ẩm đất thu thập dữ liệu độ ẩm đất, kết nối esp8266 để đọc dữliệu cảm biến

Module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT22 sẽ đọc nhiệt độ và độ ẩm của môi trườngxung quanh nó

2.3Sơ đồ giải thuật

2.3.2 Khối trung tâm xử lý

CHƯƠNG 3 MỘT SỐ LINH KIỆN CHÍNH SỬ DỤNG TRONG

MẠCH

3.1Một số linh kiện chính được sử dụng trong mạch

3.1.1 Giới thiệu về esp8266

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 hoặc đóng vai trò như một giải pháp độc lập

Kít ESP8266 là kít phát triển dựa trên nền chíp Wifi SoC ESP8266 với thiết kế dễdàng sửa dụng vì tích hợp sẵn mạch nạp sử dụng chíp CP2102 trên borad Bên trongESP8266 có sẵn một lõi vi sử lý vì thế bạn có thể trực tiếp lập trình cho ESP8266mà không cần thêm bất kì con vi sử lý nào nữa Hiện tại có hai ngôn ngữ có thể lậptrình cho ESP8266, sử dụng trực tiếp phần mềm IDE của Arduino để lập trình vớibộ thư viện riêng hoặc sử dụng phần mềm node MCU

Hình 3-1: esp8266 v12 [nguồn internet]

Hình 3-2: Sơ đồ chức năng về esp8266 [nguồn internet]

Thông số kỹ thuật:

Ic chính ESP8266 Wifi SoC

Chip nạp CP2102

Tiêu chuẩn wifi: 802.11b/g/n, với tần số 2.4GHz và hổ trợ bảo mật WPA/WPA2Khoảng cách giữa các chân 2mm

Hình 3-3: Module cảm biến độ ẩm đất [nguồn internet]

3.1.3 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm

DHT22 là cảm biến nhiệt độ và độ ẩm dễ sử dụng và tiện nhất hiện nay Với chi phí

rẻ, dễ lấy dữ liệu thông qua giao tiếp 1-wire Cảm biến tích hợp bộ tiền xử lý tínhiệu cho phép dữ liệu nhận về được chính xác mà không cần phải qua bất kỳ tínhtoán nào

Hình 3-4: 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

BH1750 sử dụng đơn giản và chính xác hơn nhiều lần so với dùng cảm biến quangtrở để đo cường độ ánh sáng với dữ liệu thay đổi trên điện áp dẫn đến việc sai sốcao.Với cảm biến BH1750 cho dữ liệu đo ra trực tiếp với dạng đơn vị là LUX không cần phải tính toán chuyển đổi thông qua chuẩn truyền I2C

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

Khả năng chống nhiễu sáng ở tần số 50 Hz/60 Hz

Sự biến đổi ánh sáng nhỏ  (+/- 20%)

Độ ảnh hưởng bởi ánh sáng hồng ngoại rất nhỏ

Nguồn cung cấp : 3.3V-5V

Kích thước board : 0.85*0.63*0.13"(21*16*3.3mm)