Thiết kế và thi công hệ thống iots chăm sóc vườn cây ăn quả sử dụng pin năng lượng mặt trời

Vì vậy, nhóm thực hiện đồ án với mong muốn chế tạo ra mô hình hệ thống vườn cây ăn quả IoTs sử dụng kit Arduino được điều khiển, giám sát bằng máy tính thông qua Internet trong đó bao gồ

Trang 1

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Họ tên sinh viên: Ngô Thành Đạt MSSV: 14141060

Chuyên ngành: Điện tử công nghiệp Mã ngành: 141

I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG IOTS CHĂM SÓC

VƯỜN CÂY ĂN QUẢ SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

II NHIỆM VỤ

1 Các số liệu ban đầu:

 Chọn cây cà chua là đối tượng nghiên cứu

 Thiết kế mô hình nhà kính có kích thước dài, rộng, cao là 100 x 50 x 65 cm bằng khung nhôm và bọc nhựa nilong, có mái che

 Màn hình cảm ứng để thao tác có kích thước 3.2 inch

 Sử dụng 2 tấm pin năng lượng mặt trời 12V-10W và bộ lưu điện 12V 9Ah để cấp nguồn hoạt động cho toàn bộ hệ thống

2 Nội dung thực hiện:

 NỘI DUNG 1: Tìm hiểu và nghiên cứu về cấu tạo phần cứng, nguyên lý hoạt động, tính năng của các module Arduino, module NODEMCU ESP8266,

module L293, động cơ Servo, động cơ DC, DHT11, BH1750, cảm biến mưa, cảm biến độ ẩm đất

 NỘI DUNG 2: Tìm hiểu và nghiên cứu về lập trình Web Server, tìm hiểu về ngôn ngữ HTML, CSS, PHP, cơ sở dữ liệu MySQL

 NỘI DUNG 3: Các giải pháp thiết kế hệ thống, thi công mô hình

 NỘI DUNG 4: Thiết kế hệ thống điều khiển, lưu đồ giải thuật và chương trình điều khiển mô hình

 NỘI DUNG 5: Thiết kế hoàn chỉnh mô hình thực tế

 NỘI DUNG 6: Chạy thử nghiệm hệ thống, cân chỉnh hệ thống

 NỘI DUNG 7: Viết sách luận văn

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/03/2018

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 16/07/2018

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS Võ Đức Dũng

Trang 2

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG IoTs CHĂM SÓC VƯỜN

CÂY ĂN QUẢ SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

- Tìm hiểu về Pin năng lượng mặt trời

- Tìm hiểu các cảm biến sử dụng trong đề tài

- Tìm hiểu về cách thức lập trình ứng dụng trên điện thoại và thiết kế Web Server

3

(2/4-8/4)

- Thiết kế sơ đồ khối, giải thích chức năng

- Tính toán lựa chọn linh kiện cho từng khối

Trang 3

- Lập trình ứng dụng trên điện thoại

- Thiết kế Web Server

6

(23/4-29/4)

- Thi công mạch cấp nguồn sử dụng pin năng

lượng mặt trời

- Thi công mạch, xây dựng mô hình

- Thiết kế Web Server

7

(30/4-6/5)

- Thi công mạch cấp nguồn sử dụng pin năng

8

(7/5-13/5)

- Thi công mạch nguồn sử dụng pin năng

- Hoàn thiện mô hình, chạy thử và sửa lỗi

- Viết báo cáo

Trang 4

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Họ và tên sinh viên: Ngô Thành Đạt MSSV: 14141060

Lê Hải Nguyên MSSV: 14141216

Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thông

Tên đề tài THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG IoTs CHĂM SÓC VƯỜN CÂY ĂN QUẢ SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: ThS Võ Đức Dũng

NHẬN XÉT

1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

5 Đánh giá loại:

6 Điểm:……….(Bằng chữ: )

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2018

Giáo viên hướng dẫn

Trang 5

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Họ và tên sinh viên: Ngô Thành Đạt MSSV: 14141060

Lê Hải Nguyên MSSV: 14141216 Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thông

Tên đề tài THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG IoTs CHĂM SÓC VƯỜN CÂY ĂN QUẢ SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Họ và tên Giáo viên phản biện:

NHẬN XÉT 1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

5 Đánh giá loại:

6 Điểm:……….(Bằng chữ: )

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2018

Giáo viên phản biện

Trang 6

i

LỜI CAM ĐOAN

Chúng tôi – Ngô Thành Đạt và Lê Hải Nguyên cam đoan Đồ án tốt nghiệp này

là công trình nghiên cứu của bản thân chúng tôi dưới sự hướng dẫn của Thạc Sỹ Võ Đức Dũng Các kết quả công bố trong Đồ án tốt nghiệp là trung thực và không sao chép từ bất kỳ công trình nào khác

Người thực hiện đề tài Ngô Thành Đạt Lê Hải Nguyên

Trang 7

ii

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian thực hiện đề tài, những người thực hiện được sự giúp đỡ của gia đình, quý thầy cô và bạn bè nên đề tài đã được hoàn thành Những người thực hiện xin chân thành gửi lời cảm ơn đến:

Thầy Võ Đức Dũng, giảng viên trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM đã trực tiếp hướng dẫn và tận tình giúp đỡ tạo điều kiện để nhóm có thể hoàn thành tốt đề tài

Những người thực hiện cũng xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô trong khoa Điện - Điện tử của trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM đã tận tình dạy dỗ, chỉ bảo, cung cấp cho những người thực hiện những kiến thức nền, chuyên môn làm cơ sở

để hoàn thành đề tài này

Cảm ơn gia đình đã động viên và luôn luôn bên cạnh trong những lúc khó khăn nhất

Xin gửi lời cảm ơn đến những người bạn sinh viên khoa Điện-Điện tử đã giúp đỡ những người thực hiện đề tài để có thể hoàn thành tốt đề tài này

Xin chân thành cảm ơn!

Người thực hiện đề tài:

Ngô Thành Đạt Lê Hải Nguyên

Trang 8

iii

TÓM TẮT

Hiện nay cùng với sự phát triển của xã hội, cuộc sống ngày càng được nâng cao thì việc áp dụng công nghệ khoa học kỹ thuật vào đời sống công việc ngày càng cần thiết Cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, công nghệ kỹ thuật điện

tử mà trong đó đặc biệt là kỹ thuật điều khiển tự động đóng vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lý, công nghiêp, nông nghiệp, đời sống, quản lý thông

tin,

Nước ta là một đất nước nông nghiệp, tuy nhiên trong nhiều năm quy mô cũng như chất lượng và sản lượng nông nghiệp của nước ta luôn thấp hơn so với các nước khác mà nguyên nhân chính là việc công nghệ sản xuất của nước ta quá lạc hậu, chủ yếu dựa vào tay chân Do đó, IoTs đã và đang dẫn đầu trong việc cải thiện chất lượng cũng như năng suất nuôi trồng nông nghiệp nước ta hiện nay Tất cả được điều chỉnh và điều khiển hoàn toàn tự động và áp dụng công nghệ khoa học kỹ thuật vào quy trình giám sát

và sản xuất Việc sử dụng nhà kính tự động giúp chúng ta có thể tiết kiệm nhân lực, tăng

độ chính xác trong giám sát và điều khiển môi trường nhầm nâng cao chất lượng sản phẩm

Với mục đích muốn tiếp cận với các công nghệ đang phát triển trên Vì vậy, nhóm thực hiện đồ án với mong muốn chế tạo ra mô hình hệ thống vườn cây ăn quả IoTs sử dụng kit Arduino được điều khiển, giám sát bằng máy tính thông qua Internet trong đó

bao gồm:

Hệ thống có các chức năng như sau:

 Hệ thống chính là điều khiển vườn cây ăn quả bằng màn hình cảm ứng HMI Sau đó, dữ liệu cảm biến, trạng thái hoạt động của các thiết bị sẽ được gửi lên Internet Hệ thống có 2 chế độ hoạt động là MANUAL và AUTO Ở chế độ MANUAL người dùng có thể điều khiển các thiết bị một cách chủ động, bật tắt các thiết bị tùy ý mà không cần phụ thuộc vào các điều kiện của môi trường Còn ở chế độ AUTO, cho phép người dùng cài đặt các thông giới hạn của môi trường, từ đó các thiết bị sẽ hoạt động theo các thông số mà môi trường đo đạc được

 Hệ thống mở rộng bao gồm:

Trang 9

Mô hình sử dụng kit Arduino Mega2560 làm vi điều khiển trung tâm để điều khiển các module mở rộng như màn hình cảm ứng HMI, NODEMCU ESP8266, L293, DHT11, BH1750,…

Đóng mái cho khu vườn bằng cách sử dụng động cơ Servo khi có mưa, đóng mở rèm bằng động cơ DC khi cường độ ánh sáng tăng quá cao Ngoài ra, còn có một số cơ cấu chấp hành khác như bơm nước, quạt, đèn LED, đèn sưởi,…

Trang 10

v

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT iii

DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG viii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 MỤC TIÊU 2

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2

1.4 GIỚI HẠN 3

1.5 BỐ CỤC 3

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 GIỚI THIỆU VỀ MÔ HÌNH TRỒNG RAU TRONG NHÀ KÍNH NGOÀI THỰC TẾ 5

2.2 TỔNG QUAN VỀ ARDUINO 8

2.3 TỔNG QUAN VỀ IOT 10

2.4 TỔNG QUAN VỀ WEB 11

2.5 CÁC CHUẨN GIAO TIẾP 12

2.5.1 CHUẨN GIAO TIẾP UART 12

2.5.2 CHUẨN GIAO TIẾP I2C 13

2.5.3 CHUẨN GIAO TIẾP ONE-WIRE 14

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 16

3.1 GIỚI THIỆU 16

3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 17

3.2.1 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG 17

3.2.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH 19

A Khối xử lý trung tâm 19

B Khối giao tiếp wifi 21

C Khối webserver 23

D Khối điều khiển trực tiếp và hiển thị 24

E Khối cảm biến 27

F Khối relay 34

G Khối cơ cấu chấp hành 36

H Khối nguồn 44

3.2.3 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CỦA TOÀN MẠCH 50

Trang 11

vi

A Mạch cấp nguồn 50

B Mạch điều khiển 52

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG 54

4.1 GIỚI THIỆU 54

4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG 54

4.2.1 THI CÔNG MẠCH SẠC PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 54

4.2.2 THI CÔNG KẾT NỐI MẠCH GIẢM ÁP CUNG CẤP NGUỒN 56

4.2.3 THI CÔNG KẾT NỐI MODULE RELAY ĐIỀU KHIỂN NGÕ RA 57

4.2.4 THI CÔNG KẾT NỐI NGUỒN VÀ DÂY CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM 58

4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH 59

4.3.1 ĐÓNG GÓI TỦ ĐIỀU KHIỂN 59

4.3.2 THI CÔNG MÔ HÌNH 60

4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 62

4.4.1 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT 62

A Lưu đồ điều khiển chế độ hoạt động 63

B Lưu đồ điều khiển chế độ MANU 65

C Lưu đồ điều khiển chế độ AUTO 67

D Lưu đồ truyền nhận dữ liệu trong chế độ MANU 69

E Lưu đồ truyền nhận dữ liệu trong chế độ AUTO 71

F Lưu đồ điều khiển web 73

4.4.2 PHẦN MỀM LẬP TRÌNH CHO VI ĐIỀU KHIỂN 74

A GIỚI THIỆU PHẦN MỀM LẬP TRÌNH ARDUINO IDE 74

B Công cụ lập trình Webserver 79

C Công cụ lập trình và thiết kế giao diện cho màn hình HMI UART 86

4.5 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC 91

4.5.1 HỆ THỐNG CẤP NGUỒN CHO HỆ THỐNG 91

4.5.2 HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP 91

4.5.3 HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÔNG QUA MẠNG INTERNET 92

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 93

5.1 KẾT QUẢ 93

5.2 NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ 105

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 106

6.1 KẾT LUẬN 106

Trang 12

vii

6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 106

TÀI LIỆU THAM KHẢO 107 PHỤ LỤC 108

Trang 13

viii

DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG TRANG

Hình 2.1 Mô hình vườn lưới kín ngoài thực tế 5

Hình 2.2 Mô hình vườn lưới hở ngoài thực tế 6

Hình 2.3 Các hình thức trồng tại hộ gia đình 6

Hình 2.4 Các loại Board Arduino 8

Hình 2.5 Tổng quan về hệ thống IoT 10

Hình 2.6 Giao tiếp UART 12

Hình 2.7 Giao tiếp I2C 13

Hình 2.8 Giao tiếp One - Wire 14

Hình 2.9 Giao tiếp One - Wire 15

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 17

Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống thiết bị thực tế 18

Hình 3.3 Khối xử lý trung tâm sử dụng board Arduino Mega 2560 20

Hình 3.4 ESP Node MCU 8266 21

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý NODEMCU kết nối Arduino Mega 22

Hình 3.6 Công cụ để tạo máy chủ của Webserver và Database 24

Hình 3.7 Hình ảnh thực tế của màn hình HMI UART LCD 25

Hình 3.8 Kết nối màn hình với Arduino 26

Hình 3.9 Hình ảnh thực tế cảm biến DHT11 27

Hình 3.10 Kết nối cảm biến DHT 11 với Arduino 28

Hình 3.11 Hình ảnh thực tế cảm biến BH1750 29

Hình 3.12 Kết nối cảm biến BH1750 với Arduino 30

Hình 3.13 Hình ảnh thực tế cảm biến độ ẩm đất 31

Hình 3.14 Kết nối cảm biến độ ẩm đất với Arduino 32

Hình 3.15 Hình ảnh thực tế cảm biến mưa 33

Hình 3.16 Kết nối cảm biến mưa với Arduino 33

Hình 3.17 Hình ảnh thực tế Relay và cấu tạo bên trong của Relay 34

Hình 3.18 Cơ cấu tác động của Relay 35

Hình 3.19 Mạch nguyên lý của Module Relay 35

Hình 3.20 Hình ảnh thực tế của bơm 36

Hình 3.21 Kết nối của bơm với Relay và Arduino 37

Hình 3.22 Hình ảnh thực tế Led dây 37

Hình 3.23 Kết nối của led dây với Relay và Arduino 38

Hình 3.24 Hình ảnh thực tế quạt 38

Trang 14

ix

Hình 3.25 Kết nối của quạt hút và quạt thổi với Relay và Arduino 39

Hình 3.26 Hình ảnh thực tế động cơ Servo MG996 40

Hình 3.27 Kết nối của 2 động cơ Servo với Arduino 40

Hình 3.28 Hình ảnh thực tế đèn sưởi 41

Hình 3.29 Kết nối của đèn sưởi với Relay và Arduino 41

Hình 3.30 Hình ảnh thực tế Module L293 42

Hình 3.31 Hình ảnh thực tế động cơ DC 43

Hình 3.32 Kết nối động cơ DC với Module L293 và Arduino 43

Hình 3.33 Hình ảnh toàn bộ cơ cấu tác động thông qua Relay 44

Hình 3.34 Hình ảnh thực tế Pin năng lượng mặt trời 12V-10W 45

Hình 3.35 Hình ảnh thực tế Acquy 12V-9Ah 46

Hình 3.36 Hình ảnh thực tế bộ hỗ trợ sạc năng lượng mặt trời 47

Hình 3.37 Hình ảnh thực tế mạch hạ áp 48

Hình 3.38 Hình ảnh nguyên lý mạch hạ áp LM2596 49

Hình 3.39 Hình ảnh nguyên lý mạch nạp điện cho acquy 50

Hình 3.40 Hình ảnh nguyên lý mạch giảm áp cấp điện cho hệ thống 50

Hình 3.41 Hình ảnh nguyên lý mạch giảm áp cấp điện cho hệ thống 51

Hình 3.42 Sơ đồ nguyên lý toàn bộ hệ thống 52

Hình 4.1 Kết nối mạch sạc với pin năng lượng mặt trời và acquy 54

Hình 4.2 Mặt trước hệ thống pin năng lượng mặt trời 55

Hình 4.3 Hệ thống giảm áp và domino cấp nguồn 56

Hình 4.4 Hệ thống giảm áp cấp nguồn cho arduino 57

Hình 4.5 Hệ thống cấp nguồn và nối dây cho mạch relay 58

Hình 4.6 Hệ thống cấp nguồn và nối dây cho bộ điều khiển trung tâm 58

Hình 4.7 Tủ điều khiển chính của hệ thống 59

Hình 4.8 Mặt trước tủ điều khiển với màn hình LCD HMI 60

Hình 4.9 Tủ điều khiển với màn hình LCD HMI 60

Hình 4.10 Mô hình nhìn từ mặt trước 61

Hình 4.11 Mô hình nhìn từ mặt hông 61

Hình 4.12 Mô hình nhìn từ phía trên 62

Hình 4.13 Lưu đồ chọn chế độ hoạt động 64

Hình 4.14 Lưu đồ chọn chế độ Manual 66

Hình 4.15 Lưu đồ chọn chế độ hoạt động auto 68

Hình 4.16 Lưu đồ truyền nhận trong chế độ manu 70

Hình 4.17 Lưu đồ truyền nhận trong chế độ AUTO 72

Trang 15

x

Hình 4.18 Lưu đồ điều khiển web 73

Hình 4.19 Quy trình làm việc của Arduino 74

Hình 4.20 Giao diện lập trình arduino 75

Hình 4.21 Giao diện menu arduino IDE 75

Hình 4.22 Giao diện file menu arduino IDE 75

Hình 4.23 Giao diện Examples menu arduino IDE 76

Hình 4.24 Giao diện edit menu arduino IDE 76

Hình 4.25 Giao diện Tool Menu Arduino IDE 77

Hình 4.26 Chọn board arduino 77

Hình 4.27 Hiển thị Board và Serial Port đã kết nối 78

Hình 4.28 Arduino Toolbar 78

Hình 4.29 Logo của 000webhost 79

Hình 4.30 Đăng ký tài khoản 80

Hình 4.31 Giao diện nơi đăng ký tài khoản 81

Hình 4.32 Giao diện nơi email xác nhận đăng ký tài khoản 81

Hình 4.33 Xác nhận thành công 82

Hình 4.34 Tạo database 83

Hình 4.35 Nhập tên database muốn tạo 83

Hình 4.36 Quản lý, chỉnh sửa database 84

Hình 4.37 Kết quả tạo thành công database 84

Hình 4.38 Nơi upfile code lên 85

Hình 4.39 Các file code được up lên thành công 85

Hình 4.40 Màn hình khởi động phần mềm lập trình cho màn hình 86

Hình 4.41 Các thành phần chính của phần mềm 87

Hình 4.42 Chọn loại màn hình 87

Hình 4.43 Những thành phần chính của màn hình thiết kế 88

Hình 4.44 Kết quả sau khi thiết kế, lập trình 88

Hình 4.45 Biên dịch chương trình 89

Hình 4.46 Xuất file code ra ngoài máy tình 89

Hình 4.47 File đã xuất ra dưới dạng tft 90

Hình 5.1 Mặt trước của hệ thống mạch cấp nguồn 94

Hình 5.2 Đèn báo sạc khi nhận nhận được acquy 94

Hình 5.3 Đèn báo chế độ sạc 95

Hình 5.4 Màn hình chờ của hệ thống 95

Hình 5.5 Màn hình chính của hệ thống 96

Trang 16

xi

Hình 5.6 Màn hình chọn chế độ của hệ thống 96

Hình 5.7 Màn hình chọn chế độ manual 97

Hình 5.8 Màn hình chọn chế độ auto 97

Hình 5.9 Màn hình chọn chế độ auto trong môi trường bình thường 98

Hình 5.10 Màn hình chọn chế độ auto trong môi trường có mưa 98

Hình 5.11 Màn hình chọn chế độ auto trong môi trường có nắng 99

Hình 5.12 Màn hình khi hệ thống bơm hoạt động 99

Hình 5.13 Màn hình trang chủ của website 100

Hình 5.14 Màn hình đăng ký tài khoản 100

Hình 5.15 Màn hình đăng nhập tài khoản 101

Hình 5.16 Các database đã tạo 101

Hình 5.17 Màn hình tab liên hệ 102

Hình 5.18 Màn hình chế độ auto 102

Hình 5.19 Màn hình chế độ manual 103

Hình 5.20 Mặt trước mô hình 103

Hình 5.21 Mô hình từ trên cao 104

Hình 5.22 Mô hình từ bên hông 104

Bảng 3.1 Bảng tính toán thông số tiêu thụ dòng điện của hệ thống …47

Trang 17

BỘ MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Hiện nay cùng với sự phát triển của xã hội, cuộc sống ngày càng được nâng cao thì việc áp dụng công nghệ khoa học kỹ thuật vào đời sống công việc ngày càng cần thiết Cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, công nghệ kỹ thuật điện

tử mà trong đó đặc biệt là kỹ thuật điều khiển tự động đóng vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lý, công nghiêp, nông nghiệp, đời sống, quản lý thông tin,

Nước ta là một đất nước nông nghiệp, tuy nhiên trong nhiều năm quy mô cũng như chất lượng và sản lượng nông nghiệp của nước ta luôn thấp hơn so với các nước khác mà nguyên nhân chính là việc công nghệ sản xuất của nước ta quá lạc hậu, chủ yếu dựa vào tay chân Mô hình nhà kính là nền tảng cho tiêu chuẩn về chất lượng, công năng

và giá trị của sản phẩm trong việc sản xuất nông nghiệp theo hướng nông nghiệp công nghệ cao Tính linh hoạt của nhà kính giúp cho người trồng trọt có thể trồng trọt trên bất

cứ môi trường nào, diện tích trồng trọt có thể từ vài trăm mét vuông đến hàng chục

héc-ta Nhà kính có khả năng loại bỏ các điều kiện môi trường bất lợi, cung cấp một môi trường phát triển tối ưu, tạo ra mùa sinh trưởng dài hơn, có thể trồng các loại cây trái mùa và các giống cây khác nhau, bảo vệ cây trồng khỏi thời tiết lạnh, mưa đá, gió, mưa gây thiệt hại, loại bỏ dịch bệnh, sâu bệnh hại, tăng tốc độ sinh trưởng nhanh hơn và năng suất cao hơn, chất lượng tốt hơn Tất cả được điều chỉnh và điều khiển hoàn toàn tự động và áp dụng công nghệ khoa học kỹ thuật vào quy trình giám sát và sản xuất Việc

sử dụng nhà kính tự động giúp chúng ta có thể tiết kiệm nhân lực, tăng độ chính xác trong giám sát và điều khiển môi trường

Trên cơ sở và yêu cầu từ thực tế, những đòi hỏi ngày càng cao của phát triển nông nghiệp công nghệ cao, cộng với sự phát triển mạnh của khoa học công nghệ, đặc biệt là công nghệ thông tin, kỹ thuật điện-điện tử Phát triển kỹ thuật điều khiển tự động từ khoảng cách xa trong nông nghiệp đang là xu thế phát triển nông nghiệp cao nói chung

và nhà kính tự động nói riêng Chúng tôi đề xuất đề tài “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

Trang 18

HỆ THỐNG IoTs CHĂM SÓC CÂY ĂN QUẢ SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI”

1.2 MỤC TIÊU

 Tìm hiểu được về sự sinh trưởng của cây ăn quả mong muốn để từ đó nắm bắt được những điều kiện nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng thích hợp với sự phát của loại cây đó

 Tìm hiểu được cơ sở lý thuyết của việc thiết kế và thi công một vườn cây ăn quả

 Tìm hiểu được về Pin năng lượng mặt trời và cách chuyển đổi năng lượng mặt trời thành nguồn điện cung cấp cho hệ thống

 Thiết kế được hệ thống chăm sóc cây ăn quả

 Thiết kế được hệ thống tự động chăm sóc thông qua việc giám sát các thông

 Thi công được mô hình khu vườn

 Cân chỉnh, hoàn thiện được mô hình khu vườn

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

 NỘI DUNG 1: Tìm hiểu và nghiên cứu về cấu tạo phần cứng, nguyên lý hoạt

động, tính năng của các module Arduino, module NODEMCU ESP8266, module L293, động cơ Servo, động cơ DC, DHT11, BH1750, cảm biến mưa, cảm biến độ ẩm đất

 NỘI DUNG 2: Tìm hiểu và nghiên cứu về lập trình Web Server, tìm hiểu về

ngôn ngữ HTML, CSS, PHP, cơ sở dữ liệu MySQL

 NỘI DUNG 3: Các giải pháp thiết kế hệ thống, thi công mô hình

Trang 19

 NỘI DUNG 4: Thiết kế hệ thống điều khiển, lưu đồ giải thuật và chương

trình điều khiển mô hình

 NỘI DUNG 5: Thiết kế hoàn chỉnh mô hình thực tế

 NỘI DUNG 6: Chạy thử nghiệm hệ thống

 NỘI DUNG 7: Cân chỉnh hệ thống

 NỘI DUNG 8: Viết sách luận văn

 NỘI DUNG 9: Bảo vệ đề tài tốt nghiệp

1.4 GIỚI HẠN

 Chọn cây cà chua là đối tượng nghiên cứu

 Thiết kế mô hình nhà kính có kích thước dài, rộng, cao là 100 x 50 x 65 cm bằng khung nhôm và bọc nhựa nilong, có mái che

 Màn hình cảm ứng để thao tác có kích thước 3.2 inch

 Sử dụng 2 tấm pin năng lượng mặt trời 12V-10W và bộ lưu điện 12V 9Ah để cấp nguồn hoạt động cho toàn bộ hệ thống

 Sử dụng 2 module hạ áp để giảm áp từ bộ lưu điện 12V

 Hệ thống chỉ sử dụng điện từ bộ lưu điện, hoàn toàn không dùng nguồn điện ngoài

 Dừng lại ở mức độ mô hình học tập chứ chưa đưa vào thực tế để sử dụng

1.5 BỐ CỤC

 Chương 1: Tổng Quan

Chương này trình bày về đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án

 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Trong chương này trình bày về các lý thuyết có liên quan đến các vấn đề mà đề tài sẽ dùng để thực hiện thiết kế, thi công cho đề tài

 Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế

Trang 20

Chương này giới thiệu tổng quan về các yêu cầu của đề tài mà mình thiết kế và các tính toán, thiết kế gồm những phần nào Như: thiết kế sơ đồ khối hệ thống, sơ đồ nguyên lý toàn mạch, tính toán thiết kế mạch

 Chương 4: Thi Công Hệ Thống

Chương này trình bày về quá trình vẽ mạch in lắp ráp các thiết bị, đo kiểm tra mạch, lắp ráp mô hình Thiết kế lưu đồ giải thuật cho chương trình và viết chương trình cho hệ thống Hướng dẫn quy trình sử dụng hệ thống

 Chương 5: Kết Quả_Nhận Xét_Đánh Giá

Trình bày về những kết quả đã được mục tiêu đề ra sau quá trình nghiên cứu thi công Từ những kết quả đạt được để đánh giá quá trình hoàn thành được bao nhiêu phần

trăm

 Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển

Chương này trình bày về những kết quả mà đồ án đạt được, những hạn chế, từ đó rút ra kết luận và hướng phát triển để giải quyết các vấn đề tồn đọng để đồ án hoàn thiện hơn

Trang 21

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 GIỚI THIỆU VỀ MÔ HÌNH TRỒNG RAU TRONG NHÀ KÍNH NGOÀI THỰC TẾ

Trong thực tế hiện nay, ở nước ta cũng đã đang áp dụng, triển khai nhiều loại hệ thống trồng rau trong nhà kính cũng như hệ thống trồng rau tại hộ gia đình trong đó nổi bật là 2 loại hình chính sau:

Trong quy mô công nghiệp, diện tích lớn:

 Loại nhà lưới kín: Là loại nhà lưới được phủ hoàn toàn bằng lưới cả trên mái

cũng như xung quanh, có cửa ra vào cũng được phủ kín bằng lưới Được sử dụng để che chắn ngăn ngừa côn trùng thâm Về thiết kế với kiểu mái bằng

và mái nghiêng hai bên Khung nhà được làm bằng cột bê tông hoặc bằng khung sắt hàn hoặc bắt ốc vít Vật liệu lưới che sản xuất bằng vật liệu trong nước bằng kỹ thuật dệt lưới đơn giản lưới hoàn toàn không được xử lý để tăng khả năng chống chịu tia tử ngoại, nắng, gió… nên độ bền không cao, chỉ

sử dụng tốt từ 6 - 8 tháng là rách, hư hỏng

Hình 2.1 Mô hình vườn lưới kín ngoài thực tế

 Loại nhà lưới hở: Là loại nhà lưới chỉ được che chủ yếu trên mái hoặc một

phần bao xung quanh chủ yếu để giảm bớt tác hại của mưa và gió giúp cho cây rau trồng được cả vào mùa mưa Không có tác dụng ngăn ngừa côn trùng

Trang 22

Thiết kế rất đơn giản với kiểu mái bằng và mái nghiêng hai bên Về khung nhà: được làm bằng cột bê tông hoặc bằng khung sắt hàn hoặc bắt ốc vít

Hình 2.2 Mô hình vườn lưới hở ngoài thực tế

Trong quy mô hộ gia đình nhỏ lẻ:

Do đặc điểm hộ gia đình, đặc điểm riêng của mỗi ngôi nhà, khoảng không nên

mô hình ứng dụng cho quy mô này có rất nhiều hình dạng thiết kế, lắp đặt từ đơn giản đến phức tạp để đáp ứng tối đa cho nhu cầu của người dân Một số loại phổ biến như: trồng rau từ ống nhựa, trồng rau bằng thùng phuy, trồng rau trong túi vải, trồng rau bằng chai lọ treo, trồng rau bằng thùng xốp,…

Hình 2.3 Các hình thức trồng tại hộ gia đình

Trang 23

Tuy rằng có những ưu điểm không thể phủ nhận nhưng các mô hình ở trên vẫn còn nhiều điểm hạn chế như:

 Trong loại nhà lưới kín sẽ tạo ra môi trường có nhiệt độ và độ ẩm cao hơn so với bên ngoài từ đó nếu không có biện pháp giám sát chặt chẽ sẽ rất dễ bị nấm mốc,…

 Trong loại hình nhà lưới hở thì do không được che chắn kỹ sẽ rất dễ côn trùng tấn công

 Phương pháp trồng tại gia đình thì có quy mô và diện tích nhỏ, khó lắp đặt hiệu quả

 Giá thành lắp đặt và đầu tư lớn thường gấp 5 đến 10 lần giá thành của phương pháp canh tác truyền thống

 Năng lượng sử dũng vẫn là bằng điện lưới nên phải tiêu tốn một số tiền nhất định mỗi tháng

 Hệ thống theo dõi, giám sát vẫn là bằng tay người, bằng kinh nghiệm thực tế nên sẽ gây khó khăn cho những người không có kinh nghiệm về trồng trọt Với những khuyết điểm kể trên, trong đồ án này, nhóm thực hiện sẽ giữ lại những điểm ưu việt của các phương pháp trên và khắc phục phần nào những khuyết điểm đang tồn tại như:

 Năng lượng sử dụng sẽ là năng lượng sạch từ năng lượng mặt trời

 Giá thành sẽ rẻ hơn

 Có cơ chế giám sát, theo dõi thông qua mạng Internet, từ đó sẽ dễ dàng hơn cho người sử dụng khi ở xa khu vườn

Trang 24

2.2 TỔNG QUAN VỀ ARDUINO

Hình 2.4 Các loại Board Arduino

Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn 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 Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau Các ứng dụng nổi bật của board mạch Arduino: robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ, phát hiện chuyển động, game tương tác…

Được giới thiệu vào năm 2005, Những nhà thiết kế của Arduino cố gắng mang đến một phương thức dễ dàng, không tốn kém cho những người yêu thích, sinh viên và giới chuyên nghiệp để tạo ra những thiết bị có khả năng tương tác với môi trường thông qua các cảm biến và các cơ cấu chấp hành Những ví dụ phổ biến cho những người yêu thích mới bắt đầu bao gồm các robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ và phát hiện chuyển

Trang 25

động Đi cùng với nó là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) chạy trên các máy tính

cá nhân thông thường và cho phép người dùng viết các chương trình cho Aduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++

Một mạch Arduino bao gồm một vi điều khiển AVR với nhiều linh kiện bổ sung giúp dễ dàng lập trình và có thể mở rộng với các mạch khác Một khía cạnh quan trọng của Arduino là các kết nối tiêu chuẩn của nó, cho phép người dùng kết nối với CPU của board với các module thêm vào có thể dễ dàng chuyển đổi, được gọi là shield Vài shield truyền thông với board Arduino trực tiếp thông qua các chân khách nhau, nhưng nhiều shield được định địa chỉ thông qua serial bus I²C nhiều shield có thể được xếp chồng và

sử dụng dưới dạng song song Arduino chính thức thường sử dụng các dòng chip megaAVR, đặc biệt là ATmega8, ATmega168, ATmega328, ATmega1280, và ATmega2560 Một vài các bộ vi xử lý khác cũng được sử dụng bởi các mạch Aquino tương thích Hầu hết các mạch gồm một bộ điều chỉnh tuyến tính 5V và một thạch anh dao động 16 MHz (hoặc bộ cộng hưởng ceramic trong một vài biến thể), mặc dù một vài thiết kế như LilyPad chạy tại 8 MHz và bỏ qua bộ điều chỉnh điện áp onboard do hạn chế về kích cỡ thiết bị Một vi điều khiển Arduino cũng có thể được lập trình sẵn với một boot loader cho phép đơn giản là upload chương trình vào bộ nhớ flash on-chip,

so với các thiết bị khác thường phải cần một bộ nạp bên ngoài Điều này giúp cho việc

sử dụng Arduino được trực tiếp hơn bằng cách cho phép sử dụng 1 máy tính gốc như là một bộ nạp chương trình

Một số loại arduino phổ biến trên thị trường có thể kể đến là: Arduino Nano, Arduino Uno R3, Arduino Mega 2560 R3, Arduino Due, …Ngoài ra còn có một số dòng arduino hỗ trợ Internet như Arduino Ethernet, NODEMCU ESP8266,…

Trang 26

2.3 TỔNG QUAN VỀ IOT

Hình 2.5 Tổng quan về hệ thống IoT

IoT (Internet of Things) là thuật ngữ dùng để chỉ các đối tượng có thể được nhận biết cũng như chỉ sự tồn tại của chúng trong một kiến trúc mang tính kết nối Cụm từ này được đưa ra bởi Kevin Ashton vào năm 1999 Ông là một nhà khoa học đã sáng lập

ra Trung tâm Auto-ID ở đại học MIT, nơi thiết lập các quy chuẩn toàn cầu cho RFID (một phương thức giao tiếp không dây dùng sóng radio) cũng như một số loại cảm biến khác IoT sau đó cũng được dùng nhiều trong các ấn phẩm đến từ các hãng và nhà phân tích

Điểm quan trọng của IoT đó là các đối tượng phải có thể được nhận biết và định dạng Nếu mọi đối tượng, kể cả con người, được "đánh dấu" để phân biệt bản thân đối tượng đó với những thứ xung quanh thì chúng ta có thể hoàn toàn quản lí được nó thông qua máy tính Việc đánh dấu có thể được thực hiện thông qua nhiều công nghệ, chẳng hạn như RFID, NFC, mã vạch, mã QR, watermark kĩ thuật số Việc kết nối thì có thể thực hiện qua Wi-Fi, mạng viễn thông băng rộng (3G, 4G), Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại

Ngoài những kĩ thuật nói trên, nếu nhìn từ thế giới web, chúng ta có thể sử dụng các địa chỉ độc nhất để xác định từng vật, chẳng hạn như địa chỉ IP Mỗi thiết bị sẽ có

Trang 27

một IP riêng biệt không nhầm lẫn Sự xuất hiện của IPv6 với không gian địa chỉ cực kì rộng lớn sẽ giúp mọi thứ có thể dễ dàng kết nối vào Internet cũng như kết nối với nhau

Một trong những vấn đề với IoT đó là khả năng tạo ra một ứng dụng IoT nhanh chóng Để khắc phục, hiện nay nhiều hãng, công ty, tổ chức trên thế giới đang nghiên cứu các nền tảng giúp xây dựng nhanh ứng dụng dành cho IoT Đại học British Columbia

ở Canada hiện đang tập trung vào một bộ toolkit cho phép phát triển phần mềm IoT chỉ bằng các công nghệ/tiêu chuẩn Web cũng như giao thức phổ biến Công ty như ioBridge thì cung cấp giải pháp kết nối và điều khiển hầu như bất kì thiết bị nào có khả năng kết nối Internet

2.4 TỔNG QUAN VỀ WEB

World Wide Web (www), gọi tắt là web, là một không gian thông tin toàn cầu

mà mọi người có thể truy nhập qua các máy tính nối với mạng Internet Các tài liệu trên web được lưu trữ trong một hệ thống siêu văn bản đặt tại các máy Webserver nối mạng Internet Người dùng phải sử dụng một chương trình được gọi là trình duyệt web để xem các siêu văn bản này Chương trình này sẽ nhận thông tin tại ô địa chỉ URL do người sử dụng yêu cầu, sau đó trình duyệt sẽ tự động gửi thông tin đến máy webserver

và hiển thị trên màn hình máy tính của người xem

Người dùng có thể theo các liên kết siêu văn bản trên mỗi trang web để nối với các tài liệu khác hoặc gửi thông tin phản hồi lên máy chủ trong một quá trình tương tác Hoạt động truy tìm thông tin theo các siêu liên kết thường được gọi là duyệt web Quá trình này cho phép người dùng có thể lướt các trang web để lấy thông tin Tuy nhiên độ chính xác và chứng thực của thông tin tùy thuộc vào uy tín của các website đưa ra thông tin đó

Đặc điểm tiện lợi của web: Thông tin dễ dàng cập nhật, thay đổi, khách hàng có thể xem thông tin ngay tức khắc, ở bất kỳ nơi nào, tiết kiệm chi phí in ấn, gửi bưu điện, fax, thông tin không giới hạn và không giới hạn phạm vi khu vực sử

Về cơ bản thì các website được vận hành nhờ 3 thành phần là: tên miền, website

và web server Trong đó tên miền đóng vai trò là địa chỉ website Website là hệ thống file nguồn chứa file khởi chạy cho website, các file chứa nội dung của website như hình

Trang 28

ảnh, văn bản, âm thanh Ngoài ra còn là những file điều khiển lưu trữ - trích xuất dữ liệu

từ CSDL, điều khiển web server nhận và phản hồi yêu cầu của người dùng thông qua trình duyệt.… Còn thành phần thứ 3 web server chính là nơi lưu trữ cho CSDL và hệ

thống file nguồn nêu trên

2.5 CÁC CHUẨN GIAO TIẾP

2.5.1 CHUẨN GIAO TIẾP UART

UART là viết tắt của Universal Asynchronous Receiver – Transmitter có nghĩa

là truyền dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ UART chuyển đổi giữa dữ liệu nối tiếp và song song Một chiều, UART chuyển đổi dữ liệu song song bus hệ thống ra dữ liệu nối tiếp

để truyền đi Một chiều khác, UART chuyển đổi dữ liệu nhận được dạng dữ liệu nối tiếp thành dạng dữ liệu song song cho CPU có thể đọc vào bus hệ thống Để truyền được dữ liệu thì cả bên phát và bên nhận phải tự tạo xung clock có cùng tần số và thường được gọi là tốc độ baud, ví dụ như 2400 baud, 4800 baud, 9600 baud

UART của PC hỗ trợ cả hai kiểu giao tiếp là giao tiếp đồng thời và không giao tiếp đồng thời Giao tiếp đồng thời tức là UART có thể gửi và nhận dữ liệu vào cùng một thời điểm Còn giao tiếp không đồng thời (không kép) là chỉ có một thiết bị có thể chuyển dữ liệu vào một thời điểm, với tín hiệu điều khiển hoặc mã sẽ quyết định bên nào có thể truyền dữ liệu Giao tiếp không đồng thời được thực hiện khi mà cả 2 chiều chia sẻ một đường dẫn hoặc nếu có 2 đường nhưng cả 2 thiết bị chỉ giao tiếp qua một đường ở cùng một thời điểm

Thêm vào đường dữ liệu, UART hỗ trợ bắt tay chuẩn RS232 và tín hiêu điều khiển như RTS, CTS, DTR, DCR, RT và CD

Hình 2.6 Giao tiếp UART

Trang 29

Để giao tiếp giữa 2 thiết bị thông qua chuẩn giao tiếp UART, ta tiền hành nối dây

Tx (chân gửi tín hiệu) của bên phát với chân Rx (chân nhận tín hiệu) của bên thu và ngược lại nối chân Rx (chân nhận tín hiệu) của bên phát với chân Tx (chân gửi tín hiệu) của bên thu Cách nối dây này được gọi là nối chéo dây Bên cạnh đó, cần phải nối chung GND cho cả 2 bên nhận và phát với nhau và muốn truyền nhận được, 2 bên phải có cùng tốc độ baud

2.5.2 CHUẨN GIAO TIẾP I2C

I2C là một chuẩn truyền nối tiếp theo mô hình chủ – tớ Một thiết bị chủ có thể giao tiếp với nhiều thiết bị tớ Muốn giao tiếp với thiết bị nào, thiết bị chủ phải gửi đúng địa chỉ để kích hoạt thiết bị đó rồi mới được phép ghi hoặc đọc dữ liệu

Hình 2.7 Giao tiếp I 2 C

Một giao tiếp I2C gồm có 2 dây: Serial Data (SDA) và Serial Clock (SCL) SDA

là đường truyền dữ liệu 2 hướng, còn SCL là đường truyền xung đồng hồ và chỉ theo một hướng Như hình vẽ trên, khi một thiết bị ngoại vi kết nối vào đường I2C thì chân SDA của nó sẽ nối với dây SDA của bus, chân SCL sẽ nối với dây SCL

Mỗi dây SDA hãy SCL đều được nối với điện áp dương của nguồn cấp thông qua một điện trở kéo lên Sự cần thiết của các điện trở kéo này là vì chân giao tiếp I2C của các thiết bị ngoại vi thường là dạng cực máng hở Giá trị của các điện trở này khác nhau tùy vào từng thiết bị và chuẩn giao tiếp, thường dao động trong khoảng 1K đến 4.7k

Như hình trên, ta thấy có rất nhiều thiết bị cùng được kết nối vào một bus I2C, tuy nhiên sẽ không xảy ra chuyện nhầm lẫn giữa các thiết bị, bởi mỗi thiết bị sẽ được

Trang 30

nhận ra bởỉ một địa chỉ duy nhất với một quan hệ chủ/tớ tồn tại trong suốt thời gian kết nối Mỗi thiết bị có thể hoạt động như là thiết bị nhận hoặc truyền dữ liệu hay có thể vừa truyền vừa nhận Hoạt động truyền hay nhận còn tùy thuộc vào việc thiết bị đó là chủ (master) hãy tớ (slave) Một thiết bị hay một IC khi kết nối với bus I2C, ngoài một địa chỉ (duy nhất) để phân biệt, nó còn được cấu hình là thiết bị chủ hay tớ

2.5.3 CHUẨN GIAO TIẾP ONE-WIRE

Chuẩn giao tiếp 1 dây (1 wire) do hãng Dallas giới thiệu Trong chuẩn giao tiếp này chỉ cần 1 dây để truyền tín hiệu và làm nguồn nuôi (nếu không tín dây mass) Là chuẩn giao tiếp không đồng bộ và bán song công (half-duplex) Trong giao tiếp này tuân theo mối liên hệ chủ tớ một cách chặt chẽ Trên một bus có thể gắn 1 hoặc nhiều thiết

bị slave nhưng chỉ có một master có thể kết nối đến bus này Bus dữ liệu khi ở trạng thái rãnh (khi không có dữ liệu trên đường truyền) phải ở mức cao do vậy bus dữ liệu phải được kéo lên nguồn thông qua một điện trở Giá trị điện trở này có thể tham khảo trong datasheet của thiết bị/các thiết bị slave

Hình 2.8 Giao tiếp One - Wire

Để giao tiếp được với vi điều khiển, tín hiệu trên bus 1 wire chia thành các khe thời gian 60 µs Một bit dữ liệu được truyền trên bus dựa trên khe thời gian (time slots) Các thiết bị slave khác nhau cho phép có thời gian quy định khác nhau Nhưng quan trọng nhất trong chuẩn giao tiếp này là cần chính xác về thởi gian Vì vậy để tối ưu đường truyền thì cần một bộ định thời để delay chính xác nhất

Trang 31

Hình 2.9 Giao tiếp One - Wire

Bốn thao tác hoạt động cơ bản của bus 1 wire là Reset/Presence, gửi bit 1, gửi bit

0, và đọc bit cụ thể là:

 Write 1 (gửi bit 1): Master kéo xuống 0 một khoảng A (us) rồi về mức 1 khoảng B (us)

 Write 0 (gửi bit 0): Master kéo xuống 0 khoảng C (us) rồi trả về 1 khoảng D

 Read (Đọc một Bit) : Master kéo xuống 0 khoảng A rồi trả về 1 delay khoảng

E rồi đọc giá trị slave gửi về delay F (us)

 Restart : Master kéo xuống 0 một khoảng H rồi nhả lên mức 1 sau đó cấu hình Master là chân In delay I (us) rồi đọc giá trị slave trả về Nếu bằng 0 thì cho phép giao tiếp, nếu bằng 1 đường truyền lỗi hoặc slave đang bận

Trang 32

BỘ MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y 16

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

3.1 GIỚI THIỆU

Đề tài “Thiết kế và thi công hệ thống IoTs chăm sóc vườn cây ăn quả sử dụng

pin năng lượng mặt trời” bao gồm:

 Hệ thống chính là điều khiển vườn cây ăn quả bằng màn hình cảm ứng HMI

Sau đó, dữ liệu cảm biến, trạng thái hoạt động của các thiết bị sẽ được gửi lên

Internet Hệ thống có 2 chế độ hoạt động là MANUAL và AUTO Ở chế độ

MANUAL người dùng có thể điều khiển các thiết bị một cách chủ động, bật

tắt các thiết bị tùy ý mà không cần phụ thuộc vào các điều kiện của môi

trường Còn ở chế độ AUTO, cho phép người dùng cài đặt các thông giới hạn

của môi trường, từ đó các thiết bị sẽ hoạt động theo các thông số mà môi

trường đo đạc được

 Hệ thống mở rộng bao gồm: Hệ thống điều khiển thiết bị từ xa thông qua

Internet, hiển thị trạng thái hoạt động của các thiết bị, điều khiển bật tắt các

thiết tùy trong chế độ MANUAL, và cho phép người dùng thiết lập các giá trị

môi trường giới hạn trong chế độ AUTO Khi chuyển chế độ hoạt động trên

web thông qua Internet thì phần cứng sẽ chuyển đổi chế độ hoạt động theo

Trang 33

3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

3.2.1 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG

Hệ thống gồm 8 khối ghép lại với nhau theo nhiều hướng tạo nên một hệ thống hoạt động ổn định được trình bày trong sơ đồ khối hình 3.1 như sau:

KHỐI WEBSERVER

KHỐI NGUỒN

KHỐI RELAY

KHỐI XỬ LÝ

CƠ CẤU CHẤP HÀNH

Trang 34

Đối với hình 3.2 là hình ảnh thực tế của các khối trong sơ đồ hệ thống được kết nối với nhau

Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống thiết bị thực tế

Trang 35

Chức năng từng khối:

 Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho toàn bộ hoạt động của hệ thống bao gồm:

khối xử lý trung tâm, khối giao tiếp wifi, khối webserver, khối điều khiển trực tiếp và hiển thị, khối cảm biến, khối relay và khối cơ cấu chấp hành

 Khối xử lý trung tâm: Thu thập dữ liệu từ các thiết bị sau đó xử lý và điều

khiển khối chấp hành và khối hiển thị

 Khối giao tiếp wifi: Để giao tiếp giữa khối điều khiển trung tâm và server, là

cầu nối trung gian để nhận và gửi dữ liệu điều khiển các thiết bị điện trong khu vườn

 Khối webserver: Xây dựng giao diện web để hiển thị, lưu trữ dữ liệu, đồng

thời cho phép người dùng thao tác, điều khiển gián tiếp hệ thống thông qua Wifi

 Khối điều khiển trực tiếp và hiển thị: Cho phép người dùng theo dõi các

thông số môi trường, thao tác điều khiển trực tiếp ngay trên màn hình

 Khối cảm biến: bao gồm các cảm biến có nhiệm vụ thu thập các thông số của

môi trường để dựa vào các thông số đó điều khiển, giám sát khu vườn

 Khối module Relay: Đóng ngắt các tiếp điểm theo sự điều khiển của ngõ ra

Arduino để điều khiển thiết bị Cách ly giữa mạch công suất và mạch điều khiển

 Khối chấp hành: sẽ gồm các thiết bị mà sẽ giúp điều chỉnh các thông số, các

cơ cấu của khu vườn để giữ cho khu vườn luôn ở điều kiện thích hợp nhất

3.2.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH

Yêu cầu khối xử lý trung tâm: Đây được xem như là trái tim của toàn bộ hệ thống, khối có chức năng tiếp nhận, xử lý mọi tín hiệu ngõ vào thu được từ các cảm biến, các

cơ cấu tác động, các tín hiệu điều khiển từ web, truyền nhận dữ liệu giữa web và phần cứng để xử lý rồi đem những thông số đo được, xử lý được hiển thị lên cho người dùng theo dõi, toàn bộ hoạt động điều khiển của hệ thống được được thông qua khối xử lý trung tâm này

Trang 36

Với các yêu cầu ở trên, hiện nay có rất nhiều các sự lựa chọn ở rất nhiều phân khúc khác nhau như các dòng PLC của Siemens, Panasonic, hay các dòng vi điều khiển

họ Pic, các dòng vi điều khiển ARM, các dòng kit Arduino,… Tuy nhiên với yêu cầu tiện dụng, dễ sử dụng, sức mạnh vừa đủ cho các tác vụ xử lý cơ bản và quan trọng nhất

là giá cả phải phù hợp nhóm quyết định sử dụng Arduino Mega 2560 cho khối xử lý trung tâm

Vì Arduino Mega 2560 sử dụng chip ATmega2560 Nó có 54 chân digital I/O

16 chân đầu vào tương tự (Analog Inputs), 4 UARTs (cổng nối tiếp phần cứng), một thạch anh dao động 16 MHz, kết nối USB, một jack cắm điện, một đầu ICSP và một nút reset Bộ nhớ flash 128KB, SRAM 8KB và EEPROM 4 KB Nó chứa tất cả mọi thứ cần thiết để tạo thành khối xử lý trung tâm với đầy đủ các port

Hình 3.3 Khối xử lý trung tâm sử dụng board Arduino Mega 2560

Các thông số kỹ thuật của Arduino 2560:

 Điện áp hoạt động: 5V

 Điện áp vào (giới hạn): 6-20V

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

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

Trang 37

B Khối giao tiếp wifi

Yêu cầu khối giao tiếp Wifi: Với sự lựa chọn Arduino Mega 2560 làm bộ xử lý trung tâm ở trên thì việc giao tiếp với mạng là điều không thể vì bản thân Arduino Mega

2560 không được hỗ trợ kết nối mạng cũng như giao tiếp mạng Vì thế yêu cầu đặt ra là phải có một khối trung gian để giúp Arduino có thể giao tiếp được với Internet, làm cầu nối để nhận dữ liệu từ khối xử lý trung tâm đưa lên website và ngược lại từ website đưa ngược về Arduino

Với các yêu cầu kể trên, hiện nay dòng vi mạch wifi ESP 8266 rất phổ biến và được ứng dụng rộng lớn, bản thân dòng này có rất nhiều phiên bản trừ ESP 8266 V1 đến ESP 8266 V12, các dòng ESP 8266 kết tích hợp hẳn vào board Arduino, ESP 8266 NODE MCU Ở đây nhóm sử dụng ESP 8266 NODE MCU vì đây là dòng sản phẩm có kích thước nhỏ gọn, dễ dàng sử dụng, giá rẻ, có cổng micro USB để nạp chương trình

và cấp nguồn nên không cần mạch nạp trung gian

Hình 3.4 ESP Node MCU 8266

ESP8266 là dạng vi điều khiển tích hợp Wifi (Wifi SoC) được phát triển bởi Espressif Systems, một nhà sản xuất Trung Quốc Với vi điều khiển và Wifi tích hợp, ESP8266 cho phép lập trình viên có thể thực hiện vô số các tác vụ TCP/IP đơn giản

để thực hiện vô số các ứng dụng khác nhau, đặc biệt là các ứng dụng IoT Tuy nhiên, vào thời điểm ra mắt năm 2014, hầu như chỉ có tài liệu bằng tiếng Trung Quốc nên ESP8266 chưa được phổ biến như hiện nay

Module ESP-12 kết hợp với firmware ESP8266 trên Arduino và thiết kế phần cứng giao tiếp tiêu chuẩn đã tạo nên NodeMCU, loại Kit phát triển ESP8266 phổ biến

Trang 38

nhất trong thời điểm hiện tại Với cách sử dụng, kết nối dễ dàng, có thể lập trình, nạp chương trình trực tiếp trên phần mềm Arduino, đồng thời tương tích với các bộ thư viện Arduino sẵn có, NodeMCU là sự lựa chọn hàng đầu cho các bạn muốn tìm hiểu về ESP8266 hiện nay

NODEMCU có khả năng như một modem wifi:

 Có thể quét và kết nối đến một mạng wifi bất kỳ (Wifi Client) để thực hiện các tác vụ như lưu trữ, truy cập dữ liệu từ server

 Tạo điểm truy cập wifi (Wifi Access Point) cho phép các thiết bị khác kết nối, giao tiếp và điều khiển

 Là một server để xử lý dữ liệu từ các thiết bị sử dụng internet khác

Các thông số kỹ thuật của NODEMCU ESP8266:

 IC chính: ESP8266 Wifi SoC, phiên bản firmware: NodeMCU Lua

 Chip nạp và giao tiếp UART: CP2102

 GPIO tương thích hoàn toàn với firmware Node MCU

 Cấp nguồn: 5VDC MicroUSB hoặc Vin

 GIPO giao tiếp mức 3.3VDC, tích hợp Led báo trạng thái, nút Reset, Flash

 Tương thích hoàn toàn với trình biên dịch Arduino

Dưới đây là cách nối dây vào Arduino Mega 2560 với NODEMCU, được thể hiện trong hình 3.5:

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý NODEMCU kết nối Arduino Mega

Trang 39

Cách nối dây cho NODEMCU vào Arduino Mega 2560 như sau:

 Dây Vcc NODEMCU nối vào nguồn 5V của arduino và dây GND NODEMCU nối vào chân GND của arduino

 Dây TX của NODEMCU nối vào chân số RX0 của Arduino và dây RX của NODEMCU nối chân TX0 của Arduino

 Nối GND chung giữa Arduino và NODEMCU, thiết lập cả 2 có cùng tốc độ Buad

Cách thức giao tiếp của NODEMCU và Arduino:

Khi có tín hiệu được gửi đi từ Arduino thông qua chân TX0 trên Aruino, dữ liệu này sẽ được đưa vào chân RX của NODEMCU để lưu trữ và xử lý, ngược lại khi có tín tín hiệu gửi đi từ chân TX cho NODEMCU thì dữ liệu gửi đi này sẽ được đưa vào chân RX0 của Arduino để lưu trữ và xử lý, quá trình truyền nhận này sẽ diễn ra liên tục

Yêu cầu khối Webserver: Đây là một khối hoạt động song song, độc lập với khối

xử lý trung tâm Nó có nhiệm vụ theo dõi hoạt động của khu vườn và điều khiển khu vườn

Để lập trình được một Webserver thì có rất nhiều sự lựa chọn như làm một Webserver cục bộ sử dụng mạng LAN, Webserver trực tuyến sử dụng mạng Internet Ở

đề tài này, nhóm sử dụng 000webhost là một công ty cung cấp web hosting miễn phí với 10 năm dẫn đầu trong ngành

000webhost.com với ý nghĩa là chúng ta chỉ mất $0.00 cho nhu cầu muốn có một webhost miễn phí, đáng để sử dụng Trong 10 năm qua 000webhost luôn dẫn đầu trong lĩnh vực web host miễn phí là nhà cung cấp hàng đầu thế giới cung cấp dịch vụ web hosting cao cấp miễn phí không chèn quảng cáo & và không có phụ phí Hàng triệu người dùng 000Webhost chính là minh chứng cho điều đó Chỉ cần đăng ký và chúng ta

sẽ có thể bắt đầu ngay với webhost để thực hiện dự án của mình

Đây công ty web hosting miễn phí duy nhất cam kết đảm bảo uptime lên tới 99%, với hầu hết các servers đạt tỉ lệ uptime tới 99.9%

Trang 40

Một ưu điểm vượt trội khác nữa khi tạo host với 000Webhost là trong đây đã có

hỗ trợ luôn cho bạn các dịch vụ khác như myPHPadmin, MySQL để chúng ta có thể tạo

và quản lý Database

Hình 3.6 Công cụ để tạo máy chủ của Webserver và Database

Mỗi tài khoản nhận được không gian lưu trữ và băng thông gần như không giới hạn cùng với các kết nối không giới hạn tới các máy chủ Chúng ta cũng sẽ được truy cập các phiên bản PHP và MySQL mới nhất

Hỗ trợ công cụ cài đặt tự động này được thiết kế để cài đặt các mã nguồn thông dụng chỉ bằng một cú click chuột Chỉ với vài cú click, website đã sẵn sàng để trở thành một kho tài nguyên tuyệt vời Bạn có thể cài đặt hơn 50 mã nguồn thông dụng như WordPress, Joomla và còn nhiều hơn thế nữa

D Khối điều khiển trực tiếp và hiển thị

Yêu cầu khối điều khiển trực tiếp và hiển thị: Khối này sẽ là công cụ để giúp người dùng có thể giao tiếp, nắm bắt, giám sát hoạt động của toàn bộ hệ thống để từ đó

có được những tùy chỉnh, cài đặt thích hợp cho toàn bộ hoạt động của hệ thống

Với các yêu cầu kể trên, sự lựa chọn chủ yếu của các đề tài trước là bàn phím số

ma trận và LCD Text, ưu điểm của chúng là mức giá rẻ, dễ sử dụng vì đã được nghiên cứu, sử dụng trong rất nhiều để tài từ trước nên có nhiều tài liệu tham khảo nhưng điều

đó cũng làm cho nó trở nên nhàm chán Ngoài ra việc kết nối cũng rất phức tạp và tốn chân kết nối với khối xử lý trung tâm Do đó nhóm thực hiện muốn tiếp cận đến một

Định dạng
Số trang	155
Dung lượng	7,46 MB