Nghiên cứu thiết kế thiết bị giám sát môi trường ứng dụng trong nông nghiệp

Nghiên cứu thiết kế thiết bị giám sát môi trường ứng dụng trong nông nghiệp

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG  - NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THIẾT BỊ GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG ỨNG DỤNG TRONG NÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Huế - 2018 ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG  - NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THIẾT BỊ GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG ỨNG DỤNG TRONG NÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện tử, Truyền thông GIÁO VIÊNHƯỚNG DẪN: LÊ VĂN THANH VŨ Huế - 2018 LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn tất Thầy Cô Giáo nhà trường, Thầy Cô Giáo khoa Điện Tử Viễn Thông trường Đại học Khoa Học Huế tận tình dạy dỗ chúng em suốt thời gian qua Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy LÊ VĂN THANH VŨ Người nhiệt tình hướng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành đồ án Xin cảm ơn tất bạn bè đóng góp ý kiến giúp đỡ lúc thực đồ án Mặc dù cố gắng hoàn thiện đề tài với tất nỗ lực, không tránh khỏi sai sót Kính mong nhận góp ý tận tình thầy để em rút kinh nghiệm hồn thiện sản phẩm Cuối em xin chúc quý thầy cô lời chúc sức khỏe lời cảm ơn chân thành nhất! MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ iii DANH SÁCH CÁC BẢNG iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: CỞ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1.1 Hệ thống nông nghiệp .2 1.1.2 Hệ thống nông nghiệp công nghệ cao .3 1.2 NHU CẦU GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG TRONG NÔNG NGHIỆP 1.3 CÁC HỆ THỐNG GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG .6 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 2.1 PHÂN TÍCH CHỨC NĂNG VÀ HOẠT ĐỘNG 2.1.1 Chức hệ thống 2.1.2 Hoạt động hệ thống .9 2.1.3 Sơ đồ khối chức khối hệ thống 10 2.2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG 11 2.2.1 Giới thiệu linh kiện sử dụng 11 2.2.2 Sơ đồ mạch nguyên lý .19 2.2.3 Sơ đồ mạch in 20 2.3 LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HOẠT ĐỘNG 22 2.3.1 Giải thuật điều khiển mạch wifi ESP8266 .22 2.3.2 Giao diện điều khiển phần mềm Blynk 23 2.3.3 Chương trình điều khiển wifi ESP8266 24 CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 28 3.1 CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 28 3.1.1 Kết 28 3.1.2 Hình ảnh đề tài 29 3.2 ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 30 KẾT LUẬN 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO 32 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sản xuất nông nghiệp truyền thống Hình 1.2: Đặc điểm sản xuất nông nghiệp truyền thống Hình 1.3: Nơng nghiệp đại Hình 1.4: Thử nghiệm IoT vào nông nghiệp Hình 1.5: Ứng dụng IoT vào nông nghiệp Hình 1.6: Hệ thống quản lý nơng nghiệp đại IoT Hình 1.7: Quản lý giám sát điều khiển sản xuất IoT Hình 1.8: Hệ thống quản lý giám sát điều khiển GPIs4.1E Hình 1.9: Hệ thống GPIs4.1E giám sát thông số Web Hình 2.1: Chức thiết bị giám sát môi trường Hình 2.2: Hoạt động thiết bị giám sát mơi trường Hình 2.3: Sơ đồ khối hệ thống 10 Hình 2.4: Module Wifi ESP8266 .11 Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý ESP8266 12 Hình 2.6: Module ESP8266-01 13 Hình 2.7: Module ESP8266-07 14 Hình 2.8: Module ESP8266-12F .14 Hình 2.9: Module cảm biến độ ẩm đất .15 Hình 2.10: Module cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT22 .16 Hình 2.11: Sơ đồ chân module cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT22 .17 Hình 2.12: Module cảm biến cường độ sáng BH1750 18 Hình 2.13: Mạch điện nguyên lý 19 Hình 2.14: Mạch in phần mềm 20 Hình 2.15: Mạch điện thực tế 21 Hình 2.16: Lưu đồ giải thuật điều khiển 22 Hình 2.17: Giao diện điều khiển Blynk điện thoại 23 Hình 3.1: Hệ thống hồn thiện 28 Hình 3.2: Một số hình ảnh đề tài 30 Hình 3.3: Hướng phát triển đề tài 30 DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 2.1: Bảng bố trí chân cảm biến độ ẩm đất 16 Bảng 2.2: Bảng bố trí chân cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT22 17 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Diễn giải Dịch nghĩa IoT Internet of Things Internet vạn vật MỞ ĐẦU Đất nước ta xuất phát điểm đất nước nông, lấy nông nghiệp kinh tế chủ đạo Qua nhiều năm tháng xây dựng phát triển, đất nước phát triển mạnh tất lĩnh vực nói chung nơng nghiệp nói riêng Hiện nay, khoa học kỹ thuật phát triển lĩnh vực điện tử tự động hóa, lấn sâu vào ứng dụng tất lĩnh vực khác, từ công nghiệp nơng nghiệp Trong lĩnh vực nơng nghiệp ưu tiên phát triển theo hướng nông nghiệp theo hướng đại Đúng nhận định hãng công nghệ, xu hướng kết nối vạn vận (Internet of Things - IoT) có mặt gần tất lĩnh vực sống Thật bất ngờ nông nghiệp lại lĩnh vực tiên phong việc ứng dụng IoT IoT giúp giám sát môi trường nông nghiệp điều khiển cấu chấp hành thơng qua mạng internet Nó giúp cho cơng việc ni trồng trở nên dễ dàng hơn, kiểm soát cân chỉnh thông số môi trường phù hợp, đem lại suất hiệu cho người làm nông nghiệp Từ nhu cầu thực tế với kiến thức học tập ghế nhà trường, em mạnh dạn đăng ký thực đề tài “Nghiên cứu thiết kế thiết bị giám sát môi trường ứng dụng nông nghiệp” Đề tài nghiên cứu giúp em tiếp cận với cơng nghệ IoT để sau giúp ích cho công việc em trường làm CHƯƠNG 1: 1.1 CỞ SỞ LÝ THUYẾT GIỚI THIỆU CHUNG 1.1.1 Hệ thống nông nghiệp Nông nghiệp truyền thống có tính chất đặc trưng nó: Sản xuất nhỏ, sản xuất tự cấp, tự túc Cùng với đạt trình độ thâm canh định dựa kinh nghiệm tích lũy nhiều đời, dựa vào lao động thủ công truyền nghề theo kiểu cha truyền nối Nông nghiệp truyền thống tạo dựng nên tảng kinh tế xã hội nước ta trước cách mạng công nghiệp đến với Việt Nam Bởi vậy, mà trải qua nhiều triều đại phong kiến, sách trọng nơng ln khẳng định Hình 1.1: Sản xuất nơng nghiệp truyền thống Đặc điểm nông nghiệp truyền thống: Phân bố: Các vùng sản xuất nơng nghiệp khó khăn vốn, giao thơng vận tải Quy mô: Nhỏ manh mún Công cụ sản xuất: Thô sơ, thủ công Sử dụng nhiều sức người sức kéo gia súc Ít sử dụng phân bón Phụ thuộc vào thời tiết tự nhiên côn trùng Hình thức sản xuất: Chun mơn hóa thấp Chưa gắn sản xuất nông nghiệp với công nghiệp chế biến dịch vụ nơng nghiệp Mục đích: Sản xuất nhiều loại nông sản phục vụ nhu cầu tiêu dùng chỗ Hiệu quả: Năng suất, sản lượng thấp, chất lượng chưa cao Khơng thu lợi nhuận Hình 1.2: Đặc điểm sản xuất nơng nghiệp truyền thống 1.1.2 Hệ thống nông nghiệp công nghệ cao Đúng nhận định hãng công nghệ, xu hướng kết nối vạn vận (Internet of Things - IoT) có mặt gần tất lĩnh vực sống Thật bất ngờ nông nghiệp lại lĩnh vực tiên phong việc ứng dụng IoT Hình 1.3: Nông nghiệp đại  Nông nghiệp: mảnh đất màu mỡ để thử nghiệm IoT Từ trước tới nơng nghiệp lĩnh vực áp dụng công nghệ Đặc biệt quốc gia phát triển chậm phát triển, nông nghiệp gần phụ thuộc vào kinh nghiệm người nơng dân đặc tính trồng, thời tiết Chính vậy, suất hiệu suất canh tác gần để ngỏ, mang tính “may, rủi” Trong đó, trước thách thức biến đổi khí hậu, gia tăng dân số nhanh chóng, vấn đề đảm bảo đủ lương thực thách thức mang tính tồn cầu Ngành nơng nghiệp phải tìm kiếm phương thức tốt để gia tăng hiệu 18 Hình 2.21: Module cảm biến cường độ sáng BH1750 Thông số kỹ thuật Nguồn: 3~5VDC Giao tiếp: I2C Khoảng đo: -> 65535 lux Kích cỡ: 21*16*3.3mm Vào buổi tối : 0.001 - 0.02 Lux Ánh trăng : 0.02 - 0.3 lux Trời nhiều mây nhà : - 50 lux Trời nhiều mây trời : 50 - 500 lux Trời nắng nhà : 100 - 1000 lux Ánh sáng cần thiết để đọc sách: 50 - 60 lux 19 2.2.2 Sơ đồ mạch nguyên lý Hình 2.22: Mạch điện nguyên lý 19 20 2.2.3 Sơ đồ mạch in Mạch thiết kế phần mềm Hình 2.23: Mạch in phần mềm 21 Mạch điện thi công thực tế Hình 2.24: Mạch điện thực tế 21 22 2.3 LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HOẠT ĐỘNG 2.3.1 Giải thuật điều khiển mạch wifi ESP8266 Dựa vào chức hoạt động, sơ đồ khối, mạch điều khiển ta có giải thuật chương trình điều khiển thiết bị giám sát mơi trường sau: Hình 2.25: Lưu đồ giải thuật điều khiển 23 2.3.2 Giao diện điều khiển phần mềm Blynk Blynk tảng có ứng dụng iOS, Android cho phép điều khiển Arduino, Raspberry Pi, ESP8266 Bạn xây dựng ứng dụng điều khiển cách kéo, thả Widget Blynk thiết kế cho IoT, điều khiển phần cứng từ xa, hiển thị liệu cảm biến, lưu trữ liệu làm vài điều khác thú vị Dưới giao diện điều khiển đồ án viết phần mềm Blynk sử dụng Iphone chạy hệ điều hành iOS Hình 2.26: Giao diện điều khiển Blynk điện thoại 23 24 2.3.3 Chương trình điều khiển wifi ESP8266 #include #define BLYNK_PRINT Serial #include #include #include #include BH1750 lightMeter; #include LiquidCrystal_I2C lcd(0x3f, 16, 2); #include "DHTesp.h" DHTesp dht; char auth[] = "c893d5da1f254271af9ace9a49318f73"; char ssid[] = "iPhone"; char pass[] = "00000000"; float do_am_kk, nhiet_do_kk; int anh_sang; int do_am_dat; #define DEN D5 //GPIO14 #define QUAT D6 //GPI012 #define BOM D7 //GPIO13 void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(QUAT, OUTPUT); pinMode(DEN, OUTPUT); 25 pinMode(BOM, OUTPUT); digitalWrite(QUAT, LOW); digitalWrite(DEN, LOW); digitalWrite(BOM, LOW); Blynk.begin(auth, ssid, pass); Wire.begin(); dht.setup(D0); lightMeter.begin(); lcd.begin(); lcd.backlight(); lcd.setCursor(0, 0); lcd.print("Hello, world!"); lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("Hello, world!"); } void hien_thi() { lcd.setCursor(0, 0); lcd.print("H= T= "); lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("Hd= L= "); lcd.setCursor(3, 0); lcd.print(do_am_kk,1); lcd.setCursor(11, 0); lcd.print(nhiet_do_kk,1); lcd.setCursor(3, 1); lcd.print(do_am_dat); lcd.setCursor(11, 1); 25 26 lcd.print(anh_sang); } void doc_DHT22() { do_am_kk = dht.getHumidity(); nhiet_do_kk = dht.getTemperature(); } void doc_BH1750() { anh_sang = lightMeter.readLightLevel(); } void doc_am_dat() { int value = analogRead(A0); value = map(value, 0, 1023, 100, 0); do_am_dat = value; delay(100); } void loop() { doc_DHT22(); doc_BH1750(); doc_am_dat(); hien_thi(); Blynk.virtualWrite(V0,do_am_dat); Blynk.virtualWrite(V1,do_am_kk); Blynk.virtualWrite(V2,nhiet_do_kk); 27 Blynk.virtualWrite(V3,anh_sang); Blynk.run(); } 27 28 CHƯƠNG 3: 3.1 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 3.1.1 Kết Sau thời gian tìm hiểu, nghiên cứu thực đề tài với hướng dẫn tận tình thầy giáo hướng dẫn nhận nhiều góp ý bạn Em hồn thành đề tài, thiết bị chạy thử nghiệm ổn định, truyền thơng số lên wifi xác, đảm bảo độ tin tưởng sử dụng Hình 3.27: Hệ thống hồn thiện 3.1.2 Hình ảnh đề tài Với cố gắng nổ lực thực đề tài, em hồn thành sản phẩm sau: 29 Hình 3.28: Một số hình ảnh đề tài 29 30 3.2 ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Hệ thống “Nghiên cứu thiết kế thiết bị giám sát môi trường ứng dụng nơng nghiệp”được thực mơ hình nhỏ, tỷ lệ với thực tế hoạt động ổn định có khả áp dụng vào thực tế cao Do cần phát triển thêm số kỹ thuật để hồn thiện mơ hình để áp dụng thực tế: Cài đặt thông số từ phần mềm Blynk Cài đặt thêm chế độ tay mạch điều khiển phần mềm Blynk Lưu trữ số liệu thu thập được, vẽ đồ thị để đưa đánh giá thơng số mơi trường nhà kính để từ chọn thơng số tốt cho dưa lưới phát triển Gửi thông số qua Email Hình 3.29: Hướng phát triển đề tài 31 KẾT LUẬN Với thời gian tháng tìm hiểu, nghiên cứu thực đề tài với hướng dẫn tận tình thầy giáo hướng dẫn nhận nhiều góp ý bạn Nhóm chúng em hoàn thành đề tài dự kiến theo kế hoạch phân chia thời gian rõ ràng (02 tháng nghiên cứu chuẩn bị, 03 tháng thi công thực hiện, 01 tháng chạy thử nghiệm cân chỉnh) Thiết bị chế tạo chạy ổn định, xác, đảm bảo độ tin tưởng sử dụng, với chế độ tự động sau: Đo độ ẩm đất để tiến hành bơm tưới nước đảm bảo độ ẩm đất cho phát triển Đo nhiệt độ độ ẩm khơng khí để tiến hành bật tắt quạt làm mát hợp lý tạo khơng khí mát mẻ bên nhà kính Đo cường độ ánh sáng theo chuẩn để tiến hành điều khiển bật tắt đèn trời tối nhằm tăng độ quang hợp Truyền thông số (nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất, ánh sáng) qua wifi lên phần mềm Blynk để giám sát ổn định 31 32 TÀI LIỆU THAM KHẢO Trong trình thực đề tài, nhóm chúng em sử dụng tài liệu tham khảo sau : www.arduino.vn : Cộng đồng Arduino Việt Nam www.arduino360.com www.banlinhkien.vn www.dientu4u.com ... Chức thiết bị giám sát môi trường Từ nhu cầu thực tế trên, cộng với kiến thức học tập nghiên cứu ghế nhà trường, em chọn thực đề tài Nghiên cứu thiết kế thiết bị giám sát môi trường ứng dụng nông. ..2 ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG  - NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THIẾT BỊ GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG ỨNG DỤNG TRONG NÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngành: Công... nông nghiệp Với mô hình thiết bị bước nghiên cứu ứng dụng nhỏ IoT để sau em phát triển ứng dụng vào thực tế rộng lớn cho việc trồng nông nghiệp theo hướng nông nghiệp đại  Hệ thống thiết bị giám