Hệ Thống Điều Khiển tưới Tự Động Cho Vườn Rau Thông Minh

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG TƯỚI NƯỚC VÀ GIÁM SÁT VƯỜN RAU TẠI NHÀ QUA ĐIỆN THOẠI GVHD: Ths Lê Công Thành SVTH: Nguyễn Minh Quân 12142209 Nguyễn Phúc Tâm 12142225 TPHCM, 07/2016 Hệ thống tưới nước giám sát vườn rau nhà qua điện thoại GVHD: Ths Lê Công Thành Lời cảm ơn Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Khoa Điện - điện tử - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh nói chung, giảng viên hướng dẫn nói riêng tận tình hướng dẫn, hỗ trợ kiến thức chuyên môn tạo điều kiện cho nhóm em hồn thành đề tài tốt nghiệp Do bước đầu vào thực tế, tìm hiểu lĩnh vực sáng tạo nghiên cứu khoa học, kiến thức chúng em nhiều hạn chế bỡ ngỡ Do vậy, không tránh khỏi thiếu sót, nhóm em mong nhận ý kiến đóng góp q báu q thầy bạn bè để đề tài tốt nghiệp nhóm em hoàn thiện Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình bạn bè, ln tạo điều kiện, quan tâm suốt trình học tập hồn thành khố luận tốt nghiệp Nhóm sinh viên thực Nguyễn Minh Quân – Nguyễn Phúc Tâm i Hệ thống tưới nước giám sát vườn rau nhà qua điện thoại GVHD: Ths Lê Công Thành Mục lục Chương GIỚI THIỆU CHUNG Chương THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.1 Sơ đồ khối 2.2 Nguyên lý hoạt động 2.3 Tính tốn chọn thiết bị Chương ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG 35 3.1 Vận hành hệ thống tự động 35 3.2 Các phương pháp điều khiển .35 3.2.1 Điều khiển switch chỗ .35 3.2.2 Điều khiển qua điện thoại tin nhắn điện thoại di động 38 3.2.3 Điều khiển qua phần mềm Blynk 38 Chương KẾT QUẢ THI CƠNG MƠ HÌNH 44 Chương KẾT LUẬN VÀ PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 46 5.1 Kết luận 46 5.2 Hướng phát triển đề tài 46 Tài liệu tham khảo 48 Phụ lục 49 Nguyễn Minh Quân – Nguyễn Phúc Tâm ii Hệ thống tưới nước giám sát vườn rau nhà qua điện thoại GVHD: Ths Lê Cơng Thành Liệt kê hình Hình 2.1: Sơ đồ khối điều khiển hệ thống Hình 2.2: Đầu tưới phun sương [7] Hình 2.3: Đầu tưới nhỏ giọt [6] Hình 2.4: Máy bơm mini [4] Hình 2.5: Vi điều khiển Arduino Hình 2.6: Module Ethernet Shield 11 Hình 2.7: Module Sim900A 13 Hình 2.8: Sơ đồ chân kết nối module Sim900A 14 Hình 2.9: Đầu dị cảm biến độ ẩm đất 15 Hình 2.10: Mạch xử lý tín hiệu cảm biến độ ẩm đất 15 Hình 2.11: Kết nối hồn chỉnh đầu dị với cảm biến độ ẩm đất 16 Hình 2.12: Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý tín hiệu cảm biến độ ẩm đất 18 Hình 2.13: Cảm biến nhiệt độ Pt100 19 Hình 2.14: Van nước điện tử chụp theo chiều đứng 20 Hình 2.15: Van nước điện tử theo chiều ngang 20 Hình 2.16: Khung mơ hình 21 Hình 2.17: Module LCD 23 Hình 2.18: Kết nối thiết bị với bus I2C chế độ chuẩn 24 Hình 2.19: Truyền nhận liệu chủ tớ 25 Hình 2.20: Quá trình truyền liệu I2C 26 Hình 2.21: Dữ liệu truyền bus I2C 27 Hình 2.22: Bit ACK bus I2C 27 Hình 2.23: Hai gói cấu tạo chip DS1307 28 Hình 2.24: Tổ chức nhớ DS1307 29 Nguyễn Minh Quân – Nguyễn Phúc Tâm iii Hệ thống tưới nước giám sát vườn rau nhà qua điện thoại GVHD: Ths Lê Cơng Thành Hình 2.25: Tổ chức ghi thời gian DS1307 30 Hình 2.26: Cấu trúc DS1307 30 Hình 2.27: Sơ đồ kết nối phần cứng 31 Hình 2.28: Chi tiết phần cứng module điều khiển 32 Hình 2.29: Chi tiết phần cứng module hiển thị điều khiển tay 33 Hình 2.30: Chi tiết phần cứng adapter module chuyển đổi 33 Hình 2.31: Mạch kích 12Vdc sử dụng relay 5Vdc 34 Hình 2.32: Sơ đồ nguyên lý mạch kích 12Vdc sử dụng relay 5Vdc 34 Hình 3.1: Switch LCD 35 Hình 3.2: Lưu đồ điều khiển hệ thống chỗ công tắc 36 Hình 3,3: Chương trình đọc giá trị cảm biến 37 Hình 4.1: Mơ hình hệ thống tưới rau tự động 44 Hình 4.2: Khối điều khiển trung tâm 45 Nguyễn Minh Quân – Nguyễn Phúc Tâm iv Hệ thống tưới nước giám sát vườn rau nhà qua điện thoại GVHD: Ths Lê Công Thành Danh mục thuật ngữ viết tắt EEPROM : Electrically Eraseble Programmable Read Only Memmory SRAM : Static Random Access Memory PWM : Pulse Width Modulation SD card : Secure Digital card SPI : Serial Peripheral Interface GMS/GPRS : Groupe Spécial Mobile/General Packet Radio Service ADC : Analog to Digital Converter DAC : Digital to analog converter RTD : Resistance Temperature Device LCD : Liquid-Crystal Display PIC : Programmable Intelligent Computer I2C : Inter-Integrated Circuit MSB : Most Significant Bit Nguyễn Minh Quân – Nguyễn Phúc Tâm v Hệ thống tưới nước giám sát vườn rau nhà qua điện thoại GVHD: Ths Lê Công Thành Chương GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Lý chọn đề tài Hiện với tình trạng vệ sinh an tồn thực phẩm cụ thể tình trạng rau bẩn xuất tràn lan thị trường thành phố lớn Điều dẫn đến nhu cầu tự trồng sử dụng rau nhà với qui mô vừa nhỏ ngày tăng Với trạng người dân thành phố có thời gian chăm sóc cho vườn rau nhà nên từ đời hệ thống tự động chăm sóc vườn rau giám sát từ xa cần thiết Vì nhìn vào thực trạng nay, nhóm em thực đề tài nghiên cứu cho đồ án tốt nghiệp hệ thống tưới nước giám sát vườn rau nhà qua điện thoại di động 1.2 Phương pháp nghiên cứu Sử dụng nguồn tài nguyên có sẵn internet để nghiên cứu yêu cầu hệ thống tưới nước Tìm hiểu thiết bị điều khiển mặt nguyên lý hoạt động, cách thức vận hành, giá thành thấp tiện dụng cho người sử dụng Tìm hiểu cách thức lập trình cho module vi điều khiển cách thức kết nối với module vận hành, giám sát phù hợp với nhu cầu cho người sử dụng 1.3 Đối tượng nghiên cứu  Hệ thống tưới nước giám sát điều khiển từ xa qua điện thoại di động sử dụng module vi điều khiển Arduino module sim900A  Giao tiếp Arduino phần mềm ứng dụng Blynk điện thoại di động sử dụng hệ điều hành Android iOS Nguyễn Minh Quân – Nguyễn Phúc Tâm Hệ thống tưới nước giám sát vườn rau nhà qua điện thoại GVHD: Ths Lê Công Thành  Lập trình điều khiển Arduino thơng qua phần mềm lập trình Arduino 1.4 Tính hệ thống Với hệ thống này, người dùng gieo hạt tay khay đất trồng, sau đặt vị trí, hệ thống tự động tưới nước hình thức phun sương, nhỏ giọt theo thời kì phát triển rau Hệ thống cịn có chức giám sát qua điện thoại thông số độ ẩm, nhiệt độ, lượng nước bồn Ngoài ra, người dùng cịn điều khiển chức tưới phun sương nhỏ giọt tin nhắn điện thoại di động, phần mềm ứng dụng Blynk hệ điều hành Android hay iOS điều khiển chỗ bảng điều khiển mơ hình cách tác động công tắc 1.5 Nội dung đề tài Chương 1: Giới thiệu chung Giới thiệu tổng quát đề tài Chương 2: Thiết kế hệ thống Trình bày sở lý thuyết, sơ đồ khối hệ thống, nguyên lý hoạt động cách kết nối thiết bị sử dụng, tính tốn lựa chọn thiết bị Chương 3: Điều khiển hệ thống Trình bày chi tiết cách kết nối thiết bị phương pháp điều khiển, giám sát như: điều khiển chỗ; điều khiển từ xa giám sát qua tin nhắn điện thoại; điều khiển từ xa giám sát mạng internet (có dây wifi) thơng qua phần mềm Blynk hệ điều hành Android iOS Nguyễn Minh Quân – Nguyễn Phúc Tâm Hệ thống tưới nước giám sát vườn rau nhà qua điện thoại GVHD: Ths Lê Công Thành Chương 4: Kết thi công mô hình Trình bày kết đạt sau trình thi cơng mơ hình điều khiển tưới nước giám sát vườn rau qua điện thoại Chương 5: Kết luận hướng phát triển đề tài Trình bày kết vận hành mơ hình, ứng dụng thực tiễn hướng phát triển đề tài tương lai Nguyễn Minh Quân – Nguyễn Phúc Tâm Hệ thống tưới nước giám sát vườn rau nhà qua điện thoại GVHD: Ths Lê Công Thành Chương THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.1 Sơ đồ khối Hình 2.1: Sơ đồ khối điều khiển hệ thống 2.2 Nguyên lý hoạt động  Hệ thống dựa vào thời gian người dùng cài đặt thời gian mặc định cài đặt sẵn tự động kích hoạt van đóng mở tưới nước theo thời gian cài đặt  Hệ thống tự động tưới phun sương nhỏ giọi tùy theo giai đoạn phát triển rau cài đặt sẵn thông qua module realtime  Trong trình phát triển rau cảm biến độ ẩm, nhiệt độ thu thập liệu báo qua điện thoại, phần mềm điện thoại Nếu sau năm phút, người dùng khơng có tín hiệu phản hồi để điều khiển tưới đột xuất hệ thống tự kích hoạt hoạt động tưới khơng cần lệnh, đảm bảo cho phát triển tốt Nếu người dùng có gửi tin nhắn trở kích hoạt hệ thống tưới đột xuất hệ thống hoạt động theo lệnh người dùng Nguyễn Minh Quân – Nguyễn Phúc Tâm Hệ thống tưới nước giám sát vườn rau nhà qua điện thoại GVHD: Ths Lê Công Thành int l; char auth[] = "8d2bd49abbaa457c8917538682b7cd34"; void setup() { Serial.begin(9600); Blynk.begin(auth); lcd.init(); lcd.backlight(); Wire.begin(); pinMode(nut1,INPUT); pinMode(nut2,INPUT); pinMode(led1,OUTPUT); pinMode(led2,OUTPUT); pinMode(led3,OUTPUT); pinMode(led4,OUTPUT); BoardsAndShields/Arduino_Ethernet_Manual example } void loop() { Blynk.run(); readDS1307(); DOCGIATRICAMBIEN (); hengio(); } void DOCGIATRICAMBIEN () { nutnhan(); lcd.clear(); giatriA0=analogRead(chanA0); giatridoam= map(giatriA0,1023,0,0,100); sensorValue = analogRead(AnalogInput); Nguyễn Minh Quân – Nguyễn Phúc Tâm 53 Hệ thống tưới nước giám sát vườn rau nhà qua điện thoại GVHD: Ths Lê Công Thành temperature1 = map(sensorValue,230,1023,-50,150); lcd.setCursor(0,0); lcd.print(giatridoam); lcd.print("%"); // hien thi cot hang lcd.setCursor(0,1); lcd.print(temperature1); lcd.print("oC"); digitalClockDisplay(); nutnhan(); } void readDS1307() { Wire.beginTransmission(DS1307); Wire.write((byte)0x00); Wire.endTransmission(); Wire.requestFrom(DS1307, NumberOfFields); second = bcd2dec(Wire.read() & 0x7f); minute = bcd2dec(Wire.read() ); hour = bcd2dec(Wire.read() & 0x3f); wday = bcd2dec(Wire.read() ); day = bcd2dec(Wire.read() ); month = bcd2dec(Wire.read() ); year = bcd2dec(Wire.read() ); year += 2000; } int bcd2dec(byte num) { return ((num/16 * 10) + (num % 16)); } int dec2bcd(byte num) Nguyễn Minh Quân – Nguyễn Phúc Tâm 54 Hệ thống tưới nước giám sát vườn rau nhà qua điện thoại GVHD: Ths Lê Công Thành { return ((num/10 * 16) + (num % 10)); } void digitalClockDisplay(){ lcd.setCursor(7,1); lcd.print(hour); lcd.print(":"); lcd.print(minute); } void printDigits(int digits){ Serial.print(":"); if(digits < 10) Serial.print('0'); Serial.print(digits); } void setTime(byte hr, byte min, byte sec, byte wd, byte d, byte mth, byte yr) { Wire.beginTransmission(DS1307); Wire.write(byte(0x00)); Wire.write(dec2bcd(sec)); Wire.write(dec2bcd(min)); Wire.write(dec2bcd(hr)); Wire.write(dec2bcd(wd)); // day of week: Sunday = 1, Saturday =7 Wire.write(dec2bcd(d)); Wire.write(dec2bcd(mth)); Wire.write(dec2bcd(yr)); Wire.endTransmission(); } void phunsuong() { Nguyễn Minh Quân – Nguyễn Phúc Tâm 55 Hệ thống tưới nước giám sát vườn rau nhà qua điện thoại GVHD: Ths Lê Công Thành digitalWrite(led1,HIGH); delay(1000); digitalWrite(led3,HIGH); delay(5000); digitalWrite(led3,LOW); delay(1000); digitalWrite(led1,LOW); lcd.setCursor(8,0); lcd.print("DTPS"); delay(1000); lcd.clear(); DOCGIATRICAMBIEN (); sms.SendSMS("01687126004", "DA TUOI PHUN SUONG"); u=0; a=a+1; } void nhogiot(){ digitalWrite(led2,HIGH); delay(1000); digitalWrite(led3,HIGH); delay(5000); digitalWrite(led3,LOW); delay(1000); digitalWrite(led2,LOW); //sms.SendSMS("01664692310", "DA TUOI NHO GIOT"); lcd.setCursor(8,0); lcd.print("DTNG"); delay(1000); lcd.clear(); DOCGIATRICAMBIEN (); Nguyễn Minh Quân – Nguyễn Phúc Tâm 56 Hệ thống tưới nước giám sát vườn rau nhà qua điện thoại GVHD: Ths Lê Công Thành u=0; a=a+1; } void hengio() { if(a==0) { if (((hour==6)&&(minute==00))||((hour==18)&&(minute==00))) { a=3; } } if (((hour==6)&&(minute==00))||((hour==18)&&(minute==05))) { a=0; } } void nutnhan() { if (digitalRead(nut1)==HIGH) { nhogiot(); } else if (digitalRead(nut2)==HIGH) { phunsuong(); } else if ((digitalRead(nut1)==LOW)&&(digitalRead(nut2)==LOW)) { digitalWrite(led1,LOW); digitalWrite(led2,LOW); Nguyễn Minh Quân – Nguyễn Phúc Tâm 57 Hệ thống tưới nước giám sát vườn rau nhà qua điện thoại GVHD: Ths Lê Công Thành digitalWrite(led3,LOW); } } Nguyễn Minh Quân – Nguyễn Phúc Tâm 58 Hệ thống tưới nước giám sát vườn rau nhà qua điện thoại GVHD: Ths Lê Công Thành Phụ lục 4: Code nạp cho arduino điều khiển toàn hệ thống sim900A: #include "SIM900.h" #include #include "sms.h" #include #include //khai bao bien #define chanA0 float giatriA0; float giatridoam; const int AnalogInput = A1; int sensorValue = 0; int temperature1 = 0; int a = 0; int c = 0; // khai bao dia chi LCD LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,16,2); int second, minute, hour, day, wday, month, year; const byte NumberOfFields = 7; const byte DS1307 = 0x68; SMSGSM sms; #define nut1 #define nut2 #define led1 #define led2 #define led3 10 #define led4 12 int i=0; int numdata; Nguyễn Minh Quân – Nguyễn Phúc Tâm 59 Hệ thống tưới nước giám sát vườn rau nhà qua điện thoại GVHD: Ths Lê Công Thành boolean started=false; char smstext[160]; char number[20]; int m; int u=0; int l; char message[180]; void setup(){ lcd.init(); lcd.backlight(); Wire.begin(); setTime(8, 44, 45, 5, 14,7, 16); // 12:30:45 CN 08-02-2015 pinMode(nut1,INPUT); pinMode(nut2,INPUT); pinMode(led1,OUTPUT); pinMode(led2,OUTPUT); pinMode(led3,OUTPUT); pinMode(led4,OUTPUT); Serial.begin(9600); Serial.println("Gui va nhan tin nhan"); if (gsm.begin(2400)){ Serial.println("\nstatus=READY"); started=true; } else Serial.println("\nstatus=IDLE"); } void loop() { readDS1307(); if(started){ digitalWrite(led4,HIGH); Nguyễn Minh Quân – Nguyễn Phúc Tâm 60 Hệ thống tưới nước giám sát vườn rau nhà qua điện thoại GVHD: Ths Lê Công Thành DOCGIATRICAMBIEN (); readDS1307(); hengio(); kiemtra (); int pos; pos = sms.IsSMSPresent(SMS_UNREAD); // ki?m tra tin nh?n chýa ð?c b? nh? if(pos){ sms.GetSMS(pos, number, smstext, 160); if (((String)number == "+841687126004") && ((String)smstext == "PS")) { c=1; sms.SendSMS("01687126004", "DA TUOI PHUN SUONG"); sms.DeleteSMS(int(pos)); u=0; } if (((String)number == "+841687126004") && ((String)smstext == "NG")) { c=2; sms.SendSMS("01687126004", "DA TUOI NHO GIOT"); sms.DeleteSMS(int(pos)); } } if (c==1) { phunsuong(); } else if (c==2) { nhogiot(); } else if ((a==3)) { Nguyễn Minh Quân – Nguyễn Phúc Tâm 61 Hệ thống tưới nước giám sát vườn rau nhà qua điện thoại GVHD: Ths Lê Công Thành phunsuong(); } for(m=1;m