NGHIÊN cứu, xây DỰNG hệ THỐNG GIÁM sát và điều KHIỂN QUA MẠNG môi TRƯỜNG NUÔI TRỒNG cây CẢNH TRONG vườn

PHẠM NHẬT QUANG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN QUA MẠNG MÔI TRƯỜNG NUÔI TRỒNG CÂY CẢNH TRONG VƯỜN PHẠM NHẬT QUANG 2016 - 2018 HÀ NỘI – 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SỸ NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN QUA MẠNG MÔI TRƯỜNG NUÔI TRỒNG CÂY CẢNH TRONG VƯỜN PHẠM NHẬT QUANG CHUYÊN NGÀNH : CÔNG NGHỆ THÔNG TIN MÃ SỐ: 8.48.02.018 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS VŨ CHẤN HƯNG HÀ NỘI – 2019 LỜI CAM ĐOAN Những nội dung trình bày luận văn kiến thức nhân tơi tích lũy q trình học tập, nghiên cứu, khơng chép lại cơng trình nghiên cứu hay luận văn tác giả khác Các số liệu, hình ảnh, thơng tin luận văn trung thực, tơi tìm hiểu, tham khảo từ nhiều nguồn tƣ liệu, nơi dung trích dẫn đƣợc nêu phần tài liệu tham khảo, có nguồn gốc xuất xứ, tên tác giả, nhà xuất rõ rang Những điều tơi cam đoan hồn tồn thật, sai, tơi xin chịu hình thức kỷ luật theo quy định Tác giả luận văn Phạm Nhật Quang i LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc đến PGS.TS Vũ Chấn Hƣng, thầy dành nhiều thời gian tận tình truyền đạt kiến thức nhƣ giúp đỡ hƣớng dẫn em suốt trình tìm hiểu nghiên cứu đề tài Thầy ngƣời định hƣớng đƣa nhiều góp ý q báu suốt q trình em thực luận văn Em xin chân thành cảm ơn tới tồn thể thầy, giảng viên khoa Sau Đại học – Trƣờng Đại học Mở Hà Nội dạy bảo tận tình, trang bị cho em kiến thức quý báu, bổ ích tạo điều kiện thuận lợi suốt trình em học tập trƣờng Do có nhiều hạn chế thời gian kiến thức nên luận văn không tránh khỏi thiếu sót, mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp q báu thầy, giảng viên bạn quan tâm Cuối cùng, em xin gửi lời chúc sức khỏe hạnh phúc tới tất q thầy cơ, q đồng nghiệp tồn thể gia đình, bạn bè Xin chân thành cảm ơn! ii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN .ii DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1.HỆ THỐNG NHÚNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN QUA MẠNG 1.1 Tổng quan hệ thống nhúng 1.1.1 Lịch sử phát triển hệ thống nhúng 1.1.2 Đặc điểm hệ thống nhúng 1.1.3 Các kiến trúc phần mềm hệ thống nhúng 1.2 Phân tích hệ thống giám sát điều khiển qua mạng 10 1.2.1 Hệ thống giám sát điều khiển 10 1.2.2 Cấu trúc hệ thống giám sát điều khiển qua mạng 11 1.3 Giới thiệu công nghệ Arduino 13 1.3.1 Lịch sử đời 13 1.3.2 Phần cứng 15 1.3.3 Bo mạch in mở rộng (Shield) 17 1.3.4 Phần mềm 17 1.4 Giới thiệu Blynk – hệ thống điều khiển qua mạng 19 1.4.1 Thành phần tảng Blynk 19 1.4.2 Tính năng, đặc điểm Blynk 20 1.4.3 Blynk Server 21 1.5 Lý lựa chọn giải pháp công nghệ Arduino Blynk 24 1.6 Kết luận chƣơng 27 CHƢƠNG 2.THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN QUA MẠNG MÔI TRƢỜNG NUÔI TRỒNG CÂY CẢNH TRONG VƢỜN 29 2.1 Khảo sát phân tích u cầu tốn giám sát điều khiển qua mạng 29 2.1.1 Khảo sát trạng vƣờn 29 iii 2.1.2 Yêu cầu toán 32 2.2 Thiết kế hệ thống tổng quát 32 2.3 Tính Module thiết bị hệ thống 34 2.3.1 Board Arduino - UNO 34 2.3.2 Module ESP8266-01 36 2.3.3 Cảm biến độ ẩm đất 37 2.3.4 Quang trở 39 2.3.5 Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11 40 2.3.6 Màn hình hiển thị LCD 42 2.3.7 Relay 43 2.3.8 Module điều khiển động DC điều khiển mái che 45 2.3.9 Máy bơm 46 2.4 Thiết kế thuật toán giám sát điều khiển tự động 48 2.4.1 Nguyên lý hoạt động hệ thống tƣới tự động 48 2.4.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống mái che tự động 49 2.5 Thiết kế hệ thống truyền liệu qua mạng 50 2.6 Kết luận chƣơng 51 CHƢƠNG 3.XÂY DỰNG, CÀI ĐẶT VÀ HOÀN THIỆN HỆ THỐNG 52 3.1 Xây dựng hệ thống phần cứng 52 3.1.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống 52 3.1.2 Lƣu đồ hệ thống tƣới tự động 53 3.1.3 Lƣu đồ hệ thống mái che tự động 54 3.2 Xây dựng hệ thống phần mềm 55 3.2.1 Chƣơng trình hệ thống điều khiển – Arduino UNO 55 3.2.2 Giao diện ngƣời sử dụng 55 3.3 Chạy thử hoàn thiện 58 3.4 Mạch hoàn thiện 60 3.5 Kết luận chƣơng 61 KẾT LUẬN 63 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 iv PHỤ LỤC Chƣơng trình hệ thống giám sát điều khiển qua mạng 66 PHỤ LỤC Chƣơng trình hệ thống điều khiển – Arduino UNO 69 v DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT STT Từ viết tắt API Tiếng Anh Tiếng Việt Application P Giao diện lập trình ứng dụng ARM rogramming Interface Advanced RISC Machine Một loại cấu trúc vi xử lý kiểu CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm dƣ chu trình DIY Do it yourself Tự tay làm lấy EEPROM Chip nhớ không bay GPS Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory Global Positioning System I/O Input/Output Vào/ra IDE Integrated Development Mơi trƣờng phát triển tích hợp 10 IoT Internet of Things 11 ISP Internet Service Provide 12 LCD Liquid crystal display Màn hình tinh thể lỏng 13 LED Light Emitting Diode Điốt phát quang 14 MIPS Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages Kiến trúc tập lệnh RISC 15 PC Personal Computer Máy tính cá nhân 16 PDA Personal Digital Assistant Thiết bị kỹ thuật số cá nhân Environment vi RISC Hệ thống Định vị Toàn cầu Mạng lƣới vạn vật kết nối Internet Nhà cung cấp dịch vụ nối mạng STT Từ viết tắt Tiếng Anh 17 RISC Reduced Instructions Set Computer Máy tính với tập lệnh đơn giản hóa 18 ROM Read-Only Memory Bộ nhớ đọc 19 SRAM Static Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên tĩnh vii Tiếng Việt DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Hệ thống giám sát điều khiển qua mạng 12 Hình 1.2 Những thành viên khởi xƣớng Arduino 13 Hình 1.3 Các board Arduino mẫu 16 Hình 1.4 Các shield Arduino điển hình 17 Hình 1.5 Arduino software IDE 17 Hình 1.6 Phần mềm Blynk thiết bị di động 20 Hình 1.7 Mơ hình Blynk 21 Hình 1.8 Sử dụng Blynk 23 Hình 1.9 Virtual Pins 24 Hình 2.1 Khung cảnh tổng quan khu vƣờn 29 Hình 2.2 Sơ đồ tổng quát hệ thống giám sát điều khiển qua mạng môi trƣờng nuôi trồng cảnh vƣờn 33 Hình 2.3 Board Arduino UNO 34 Hình 2.4 Module ESP8266-01 36 Hình 2.5 Module cảm biến độ ẩm đất 38 Hình 2.6 Quang trở 39 Hình 2.7 Mạch đọc quang trở Arduino UNO 40 Hình 2.8 Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11 41 Hình 2.9 LCD 42 Hình 2.10 Relay 12V 44 Hình 2.11 Relay 5V 44 Hình 2.12 Modul L9110 45 Hình 2.13 Động bƣớc DC 12V 46 Hình 2.14 Máy bơm phun sƣơng Fog – 2106 phụ kiện 47 Hình 2.15 Máy bơm HF-8379 24V DC 48 Hình 3.1 Sơ đồ tổng quát 52 Hình 3.2 Blynk App 55 Hình 3.3 Mạch Arduino UNO hoàn thiện 60 Hình 3.4 Hệ thống phần cứng hồn thiện 61 viii - Thông tin cảm biến ánh sáng hiển thị phần mềm Blynk điện thoại Chỉnh lần 3: - Lắp thêm mạch điều khiển động L911 để điều khiển động quay phải quay trái (đóng – mở mái che) cường độ sáng vượt ngưỡng cho phép - Chỉnh sửa code ESP8266-01 Arduino UNO 3.3.4 Chạy thử lần Kết - nhận xét: Hệ thống chạy ổn định - Hệ thống tưới tự động chạy tốt - Hệ thống điều khiển mái che tự động chạy tốt - Điều khiển máy bơm phụ qua Blynk App chạy tốt - Chức hẹn tắt – mở hệ thống chiếu sáng chưa tốt, đôi lúc chưa điều khiển - Các thông số cảm biến hiển thị tốt Blynk App 3.4 Mạch hoàn thiện Do q trình tinh chỉnh có thay đổi cảm biến thay đổi loại cảm biến nên mạch hàn khơng đẹp mắt Hình 3.3 Mạch Arduino UNO hồn thiện 60 Hình 3.4 Hệ thống phần cứng hoàn thiện 3.5 Kết luận chƣơng Từ việc khảo sát đưa đánh giá phân tích thiết kế hệ thống, tác giả xây dựng sơ đồ tổng quát hệ thống giám sát điều khiển môi trường nuôi trồng cảnh vườn Với lưu đồ hệ thống, chúng tâ có cai nhìn cụ thể hệ thống, sở để xây dựng hệ thống phần mềm, cài đặt chạy thử hệ thống Trong trinh chạy thử tùy chỉnh hệ thống, tác giả có tùy chỉnh tương đối phù hợp với yêu cầu thực tế như: tăng hệ thống cảm biến độ ẩm đất lên thành hai cảm biến, cảm biển để vận hành hệ thống tưới tự động cảm biến vùng ven vịng ngồi để có thêm liệu độ ẩm đất, làm sở tham khảo để tiến hành tưới tăng cường điều chỉnh lại góc, hướng hệ thống vịi tưới phun sương Một hạn chế mà tác giả chưa làm dự án chưa thể triển khai hệ thống mái che thực tế, khó khăn vườn có số cau cao mà chủ vườn chưa có ý định chặt bỏ, nên khu mái bị chia mảnh thành nhiều vùng gây khó khăn cho việc triển khai hệ thống mái che tổng thể, động DC 12V tác giả lựa chọn yếu, chưa phù hợp cho việc kéo đóng - mở hệ thống mai che rộng nặng Toàn hệ thống phần cứng (trừ hệ thống máy bơm vịi tưới phun sương) có tổng chi phí 0) { String inputString=""; while (Serial.available()) { char inChar = (char)Serial.read(); inputString += inChar; delay(10); } int temp; int val=inputString.indexOf("S0="); if(val != -1) { temp=(inputString[3]-48)*10 + (inputString[4]-48); 67 Blynk.virtualWrite(V5, temp); } val=inputString.indexOf("S1="); if(val != -1) { temp=(inputString[3]-48)*10 + (inputString[4]-48); Blynk.virtualWrite(V6, temp); } val=inputString.indexOf("S2="); if(val != -1) { temp=(inputString[3]-48)*10 + (inputString[4]-48); Blynk.virtualWrite(V7, temp); } val=inputString.indexOf("S3="); if(val != -1) { temp=(inputString[3]-48)*10 + (inputString[4]-48); Blynk.virtualWrite(V8, temp); } val=inputString.indexOf("S4="); if(val != -1) { temp=(inputString[3]-48)*10 + (inputString[4]-48); Blynk.virtualWrite(V9, temp); } } } 68 PHỤ LỤC Chƣơng trình hệ thống điều khiển - Arduino UNO #include #include #define DHTPIN // what pin we're connected to #define DHTTYPE DHT11 // DHT 11 #define rw #define moto1 A1 #define moto2 A2 #define CTHT1 #define CTHT2 A0 #define role1 #define role2 #define role3 #define doamdat A3 #define doamdatp1 A4 #define doamdatp2 A5 //anh sang int HT1,HT2; int dem; LiquidCrystal lcd(13,8,9,10,11,12); DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE); void setup() { dht.begin(); pinMode(rw, OUTPUT); pinMode(role1, OUTPUT); pinMode(role2, OUTPUT); pinMode(role3, OUTPUT); 69 pinMode(moto1, OUTPUT); pinMode(moto2, OUTPUT); pinMode(CTHT1, INPUT_PULLUP); pinMode(CTHT2, INPUT_PULLUP); digitalWrite(role1,1); digitalWrite(role2,1); digitalWrite(role3,1); dung(); digitalWrite(rw,0); lcd.begin(16,2); Serial.begin(9600);//Mở cổng Serial mức 9600 pinMode(6, OUTPUT); pinMode(5, OUTPUT); digitalWrite(5, HIGH); digitalWrite(6, HIGH); lcd.print(" WELCOME"); lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("Xin cho"); delay(100); lcd.print("."); delay(200); lcd.print("."); delay(200); lcd.print("."); delay(200); lcd.print("."); delay(200); lcd.print("."); delay(200); lcd.print("."); 70 delay(200); lcd.print("."); delay(200); lcd.print("."); delay(200); lcd.setCursor(0, 1); lcd.print(" "); lcd.setCursor(0,0); lcd.clear(); lcd.setCursor(0,0); lcd.print("Temp:"); lcd.setCursor(0,1); lcd.print("Humi:"); } void ra() { //Serial.print("RA"); digitalWrite(moto1,0); digitalWrite(moto2,1); } void vao() { //Serial.print("VAO"); digitalWrite(moto1,1); digitalWrite(moto2,0); } void dung() { digitalWrite(moto1,1); digitalWrite(moto2,1); } void loop() 71 { int a; int h = dht.readHumidity(); int t = dht.readTemperature(); int h2,hp1,as; h2=map(analogRead(doamdat),0,1023,0,99); if(h265)digitalWrite(role2,1); hp1=map(analogRead(doamdatp1),0,1023,0,99); as=map(analogRead(doamdatp2),0,1023,0,99); if(dem==5) { dem=0; lcd.setCursor(5,0); lcd.print(t); lcd.write(0xDF); lcd.print("C"); Serial.print("S0="); Serial.print(t); delay(200); lcd.setCursor(5,1); lcd.print(h); lcd.print("%"); Serial.print("S1="); Serial.print(h); delay(200); lcd.setCursor(9,1); lcd.print("DAD:"); lcd.print(h2); lcd.print("% "); delay(200); Serial.print("S2="); 72 if(h2>9)Serial.print(h2); else {Serial.print("0");Serial.print(h2);} delay(200); Serial.print("S3="); if(hp1>9)Serial.print(hp1); else {Serial.print("0");Serial.print(hp1);} delay(200); Serial.print("S4="); if(as>9)Serial.print(as); else {Serial.print("0");Serial.print(as);} } if(Serial.available()>0) { String inputString=""; while (Serial.available()) { char inChar = (char)Serial.read(); if(inChar==3)digitalWrite(role1,1); else if(inChar==4)digitalWrite(role1,0); if(inChar==5)digitalWrite(role3,1); else if(inChar==6)digitalWrite(role3,0); } } if(digitalRead(CTHT1)==0) HT1=0; if(digitalRead(CTHT1)==1) HT1=1; if(digitalRead(CTHT2)==0) HT2=0; if(digitalRead(CTHT2)==1) HT2=1; if(as>40&&HT1==1)ra(); if(as>40&&HT1==0)dung(); if(as