Thiết kế mô hình giám sát và điều khiển tưới tự động cho vườn cây thông qua mạng

ĐỒN THANH NIÊN CỘNG SẢN HỒ CHÍ MINH BAN CHẤP HÀNH TP HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH DỰ THI GIẢI THƯỞNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC EURÉKA LẦN THỨ XX NĂM 2018 TÊN CƠNG TRÌNH: THIẾT KẾ MƠ HÌNH GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TƯỚI TỰ ĐỘNG CHO VƯỜN CÂY THÔNG QUA MẠNG LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU: Kỹ thuật Công nghệ CHUYÊN NGÀNH: Điện-Điện tử Mã số cơng trình: …………………………… i MỤC LỤC Tóm tắt Đặt vấn đề Phần Tổng quan tài liệu 1.1 Board Arduino mega 2560: 1.2 AT Mega 2560 1.3 Module cảm biến độ ẩm đất LM393 1.4 Module chuyển đổi 1.5 IC cảm biến dòng ASC712 1.6 Module Sim 800L 1.7 Module nguồn LM2596 1.8 Module điều khiển động L298N 10 1.9 Module giao tiếp I2C 11 1.10 Màn hình LCD 16x21 11 1.11 Web server ngôn ngữ HTML 12 1.12 Module ESP8266 15 1.13 Arduino IDE 17 Phần 2: Mục tiêu – phương pháp 19 2.1 Sơ đồ khối 19 2.2 Mơ hình ngun lý chi tiết 19 2.3 Lưu đồ giải thuật phần mềm điều khiển 24 Phần 3: Kết 25 Phần 4: Kết luận – Đề nghị 26 ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT GSM: Global System for Mobile Communications 3GPP: 3rd Generation Partnership Project LPC: Linear Predictive Coding EFR: Enhanced Full Rate UMTS: Universal Mobile Telecommunications Systems PSPDN: Packet Switch Public Data Netword PSTN: Public Switched TeLephone Netword GPRS: Generation Packet Radio Service CSPDN: Circuit Switched Public Data Netword EEPROM: Electrically Erasecle Programmable Read Only Memory SRAM: Static Random Access Memory PWM: Pulse Width Modulation LED: Light Emitting Diode iii DANH MỤC HÌNH Hình Board Arduino Mega 2560 Hình Thơng số kỹ thuật board Arduino Mega 2560 Hình AT Mega 2560 Hình Cảm biến độ ẩm Hình Module chuyển đổi Hình Module IC cảm biến dịng ASC712 Hình Module Sim 800L Hình Module nguồn LM2596 10 Hình Module L298N 10 Hình 10 Module I2C 11 Hình 11 Sơ đồ chân LCD 12 Hình 12 Web server 12 Hình 13 Nguyên lý hoạt động Web server 14 Hình 14 Sơ đồ chân ESP8266 17 Hình 15 Giao diện phần mềm Arduino IDE 18 Hình 16 Sơ đồ khối 19 Hình 17 Sơ đồ nguyên lý chi tiết mạch 20 Hình 18 Kết nối khối nguồn 21 Hình 19 Module sim 800L 21 Hình 20 Module ESP 8266 22 Hình 21 Board Arduino mega 2560 23 Hình 22 Cảm biến độ ẩm đất LM 393 23 Hình 23 I2C 23 Hình 24 LCD 24 Hình 25 Lưu đồ giải thuật 25 Hình 26 Mơ hình thực tế 26 TÓM TẮT Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ ngành khoa học kỹ thuật, công nghệ kỹ thuật điện tử mà kỹ thuật tự động điều khiển đóng vai trị quan trọng lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lí, cơng nghiệp, cung cấp thông tin… làm cho đời sống người ngày hoàn thiện Các thiết bị tự động hóa ngày phổ biến vào sản xuất sống sinh hoạt ngày người Do vấn đề sản xuất, trồng trọt vườn mà không cần nhiều cơng chăm sóc vấn đề nhiều nhà nơng quan tâm đến Qua báo chí, phương tiện truyền thơng, internet thấy nhiều mơ hình tưới tự động đời Là sinh viên theo học ngành kỹ thuật, với kiến thức học với mong muốn thiết kế mô hình tưới tự động đáp ứng nhu cầu cho ngành nông nghiệp nước ta, định chọn thực đề tài “Thiết kế mô hình giám sát điều khiển tưới tự động cho vườn thơng qua mạng” Trên thực tế có số sản phẩm tương tự mơ hình này, sản phẩm cịn số hạn chế như: Tính linh động sản phẩm chưa cao, điều khiển giám sát từ xa thiết bị vườn, bơm tưới theo cài đặt sẳn, trời mưa tự động bơm nước tưới làm úng nước chết, khơng thể biết bơm có hoạt động hay khơng, Với “mơ hình giám sát điều khiển tưới tự động cho vườn thông qua mạng” thường phải đạt yêu cầu: đo độ ẩm đất, đo nhiệt độ, độ ẩm khơng khí, tự bơm nước để tưới cho độ ẩm đất thấp tự tắt bơm độ ẩm đất cao, điều khiển từ xa thông qua mạng internet, đồng thời truyền liệu lên WEB SERVER để cập nhật thông tin Người nơng dân điều khiển động bơm nước tưới từ xa, đồng thời mơ hình cịn giám sát động bơm nước có hoạt động hay không gửi tin nhắn báo điện thoại người sử dụng Đây sản phẩm hoạt động dựa kết hợp hoàn hảo kĩ thuật khí, kĩ thuật điện - điện tử, đảm bảo thực yêu cầu mà mong muốn ĐẶT VẤN ĐỀ Lý chọn đề tài Khoa học kỹ thuật công nghệ ngày phát triển ảnh hưởng đến hầu hết ngành nghề sống Đối với ngành nông nghiệp, việc áp dụng công nghệ tự động vào sản xuất, trồng trọt nhằm giảm bớt nhân công nhiệm vụ cần thiết Chính lý nhóm chúng tơi định chọn thực đề tài “Thiết kế mơ hình giám sát điều khiển tưới tự động cho vườn thông qua mạng” Mục tiêu nghiên cứu - Mơ hình thiết kế để đo độ ẩm đất điều khiển tưới tự động - Hệ thống điều khiển tưới thông qua WEB SERVER tin nhắn SMS - Giám sát động bơm nước có hoạt động hay khơng Đối tượng nghiên cứu - Nghiên cứu đo độ ẩm đất điều khiển tưới cho loại cảnh trồng biệt thự, khu vườn Phạm vi nghiên cứu - Đo độ ẩm truyền WEB SERVER điều khiển động bơm nước thông qua mạng internet gửi tin nhắn SMS để điều khiển hệ thống Kiểm tra động có hoạt động hay không đồng thời gửi tin nhắn báo điện thoại Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn, quy mô phạm vi áp dụng: - Đề tài nghiên cứu giúp cho cảm thấy yên tâm khu vườn chăm sóc tốt, tiết kiệm sức lao động, dễ dàng tưới cho vườn từ nơi cần nơi có sóng điện thoại mạng internet - Kiểm tra độ ẩm đất, nhiệt độ, độ ẩm không khí thường xun Kiểm tra tình trạng hoạt động động từ xa PHẦN 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 ⁃ Board Arduino mega 2560: Giới thiệu chung: Hình 1: Board Arduino mega2560 Arduino Mega 2560 phiên nâng cấp Arduino Mega hay gọi Arduino Mega 1280 Sự khác biệt lớn với Arduino Mega 1280 chip nhân Ở Arduino Mega 1280 sử dụng chip ATmega1280 với flash memory 128KB, SRAM 8KB EEPROM KB Arduino Mega 2560 phiên sử dụng rộng rãi ứng dụng nhiều Với chip ATmega2560 có nhớ flash memory 256 KB, 8KB cho nhớ SRAM, KB cho nhớ EEPROM Giúp cho người dùng thêm khả viết chương trình phức tạp điều khiển thiết bị lớn máy in 3D, điều khiển robot Arduino Mega2560 vi điều khiển cách sử dụng ATmega2560 Bao gồm:  54 chân digital (trong có 15 chân sử dụng chân PWM từ chân số → 13 chân 44 45 46)  ngắt ngoài: chân (interrupt 0), chân (interrupt 1), chân 18 (interrupt 5), chân 19 (interrupt 4), chân 20 (interrupt 3), and chân 21 (interrupt 2)  16 chân vào analog (từ A0 đến A15)  cổng Serial giao tiếp với phần cứng Cổng Serial Chân RX Chân TX Cổng 0 Cổng 19 18 Cổng 17 16 Cổng 15 14  thạch anh với tần số dao động 16 MHz  cổng kết nối USB  jack cắm điện  đầu ICSP  nút reset ⁃ Phần cứng Arduino Mega 2560 phiên sử dụng rộng rãi ứng dụng nhiều Với chip ATmega2560 có nhớ flash memory 256 KB, 8KB cho nhớ SRAM, KB cho nhớ EEPROM Giúp cho người dùng thêm khả viết chương trình phức tạp điều khiển thiết bị lớn máy in 3D, điều khiển robot ⁃ Các chân lượng:  GND: cực âm nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi ta dùng thiết bị sử dụng nguồn điện riêng biệt chân phải nối với  5V: cấp điện áp 5V đầu Dòng tối đa cho phép chân 500mA  3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu Dòng tối đa cho phép chân 50mA  Vin: để cấp nguồn cho Arduino UNO, ta nối cực dương nguồn với chân cực âm nguồn với chân GND  IOREF: điện áp hoạt động vi điều khiển Arduino UNO đo chân Và dĩ nhiên ln 5V Mặc dù ta không lấy nguồn 5V từ chân để sử dụng chức khơng phải cấp nguồn  RESET: việc nhấn nút Reset board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET nối với GND qua điện trở 10KΩ ⁃ Thông số kỹ thuật: Chip xử lý ATmega2560 Điện áp hoạt động 5V Điện áp đầu vào 7V – 15V Điện áp đầu vào giới hạn 6V – 20V Cường độ dòng điện 3.3V pin 50 mA Cường độ dòng điện I/O pin 20 mA Flash Memory 256 KB SRAM KB EEPROM KB Clock Speed 16 MHz Hình 2: Thông số kỹ thuật board Arduino mega 2560 1.2 AT Mega2560 Hình 3: Vi điều khiển AT Mega256 Bộ nhớ Các ATmega2560 có 256 KB nhớ flash để lưu trữ mã (trong có KB sử dụng cho nạp khởi động), KB SRAM KB EEPROM (mà đọc ghi với thư viện EEPROM) 14 chạy file *.htm *.html, nhiên Web Server lại phục vụ số kiểu file chuyên biệt chẳng hạn IIS Microsoft dành cho *.asp, *.aspx…; Apache dành cho *.php…; Sun Java System Web Server SUN dành cho *p… Máy chủ Web Server máy chủ có dung lượng lớn, tốc độ cao, dùng để lưu trữ thông tin ngân hàng liệu, chứa website thiết kế với thông tin liên quan khác (các mã Script, chương trình, file Multimedia) Web Server có khả gửi đến máy khách trang Web thông qua môi trường Internet (hoặc Intranet) qua giao thức HTTP – giao thức thiết kế để gửi file đến trình duyệt Web (Web Browser), giao thức khác Tất Web Server có địa IP (IP Address) có Domain Name Bất kỳ máy tính – máy chủ trở thành Web Server việc cài đặt lên chương trình phần mềm Server Software sau kết nối vào Internet Khi máy tính bạn kết nối đến Web Server gửi đến yêu cầu truy cập thông tin từ trang Web đó, Web Server Software nhận yêu cầu gửi lại cho bạn thông tin mà bạn mong muốn Giống phần mềm khác cài đặt máy tính mình, Web Server Software ứng dụng phần mềm Nó cài đặt, chạy máy tính - máy chủ dùng làm Web Server, nhờ có chương trình mà người sử dụng truy cập đến thông tin trang Web từ máy tính khác mạng (Internet, Intranet) Web Server Software cịn tích hợp với CSDL (Database), hay điều khiển việc kết nối vào CSDL để truy cập kết xuất thông tin từ CSDL lên trang Web truyền tải chúng đến người dùng Máy chủ web - Web Server phải hoạt động liên tục 24/24 giờ, ngày tuần 365 ngày năm, để phục vụ cho việc cung cấp thông tin trực tuyến Vị trí đặt 15 server đóng vai trò quan trọng chất lượng tốc độ lưu chuyển thơng tin từ server máy tính truy cập ⁃ Hoạt động máy chủ web: Hình 13: nguyên lý hoạt động Web server ⁃ Các tiến trình bản: Theo mơ hình trên, trình duyệt web (bên trái) thực kết nối tới máy chủ web (bên phải), yêu cầu trang web nhận lại Sau đây, thứ tự bước bản: Trình duyệt web tách địa website làm phần: Tên giao thức: “http” Tên miền máy chủ web: “http://maychuvietnam.com.vn” Tên tệp HTML: “web-server.htm” Trình duyệt liên hệ với máy chủ tên miền (DNS Server) để chuyển đổi tên miền “http://maychuvietnam.com.vn” địa IP tương ứng Sau đó, trình duyệt gửi tiếp kết nối tới máy chủ website có địa IP qua cổng 80 Dựa giao thức HTTP, trình duyệt gửi yêu cầu GET đến máy chủ, yêu cầu tệp HTML “web-server.htm” (Chú ý: cookies gửi kèm theo từ trình duyệt web đến máy chủ) 16 Tiếp đến, máy chủ gửi file văn có thẻ HTML đến trình duyệt web (một cookies khác gửi kèm theo từ máy chủ tới trình duyệt web, cookies ghi đầu trang trang web) Trình duyệt web đọc thẻ HTML để xác lập định dạng (hình thức trình bày) trang web kết xuất nội dung trang hình Trong giao thức HTTP nguyên bản, cần cung cấp đầy đủ đường dẫn tên tệp, ví dụ “/” “/tên tệp.htm” Sau đó, giao thức tự điều chỉnh để đưa địa URL đầy đủ Điều cho phép công ty kinh doanh dịch vụ lưu trữ lưu trữ nhiều tên miền ảo (virtual domains), có nghĩa nhiều tên miền tồn máy chủ sử dụng địa IP Ví dụ, máy chủ Máy chủ Việt Nam, địa IP 123.30.171.44, có hàng trăm tên miền khác tồn Rất nhiều máy chủ web đưa thêm chế độ bảo mật nhiều tiến trình xử lý Ví dụ, ta truy cập vào trang web trình duyệt đưa hộp hội thoại yêu cầu ta đưa vào tên truy cập mật khẩu, lúc trang web mà ta truy cập bảo vệ mật Máy chủ web hỗ trợ người quản lý trang web trì danh sách tên mật cho phép người phép truy cập vào trang web Đối với máy chủ chuyên nghiệp, yêu cầu mức độ bảo mật lớn hơn, cho phép kết nối mã hóa máy chủ trình duyệt, thơng tin nhạy cảm mã số thẻ tín dụng… truyền tải tên Internet Đó tất vấn đề mà máy chủ Web họat động để truyền tải trang web chuẩn hay gọi trang web tĩnh Các trang web tĩnh trang web không thay đổi, trừ người tạo trang web thay đổi lại 1.12 MODULE ESP 8266 ESP 8266 dịng chip tích hợp WIFI 2.4 Ghz lập trình được, rẻ tiền sản xuất công ty Espressif Systems 17 Được phát hành vào tháng năm 2014, đóng gói đưa thị trường dạng ESP-01, sản xuất bên thứ 3: AL-Thinker Có khả kết nối internet qua mạng Wifi cách nhanh chóng sử dụng linh kiện điện tử kèm ESP8266 chip tích hợp cao thiết kế cho nhu cầu giới kết nối Nó cung cấp giải pháp mạng Wi-Fi hồn chỉnh độc lập, cho phép lưu trữ ứng dụng tắt tất chức mạng wi-fi từ xử lý ứng dụng khác ESP8266 có khả lưu trữ xử lý mạnh mẽ bo mạch cho phép tích hợp với cảm biến thiết bị ứng dụng cụ thể khác thơng qua GPIO với phát triển tối thiểu tải tối thiểu thời gian chạy Mức độ tích hợp chip cao cho phép mạch bên tối thiểu, toàn giải pháp, bao gồm mô-đun front-end, thiết kế để chiếm diện tích PCB tối thiểu ⁃ Tính năng:  SDIO 2.0, SPI, UART  32-pin QFN trọn gói  Bộ chuyển đổi RF tích hợp, balun  Bộ xử lý RISC 24dBm PA, DCXO PMU tích hợp, nhớ chip giao diện nhớ  Bộ xử lý tích hợp / baseband  Quản lý chất lượng  Giao diện I2S cho độ trung thực cao ứng dụng âm  Bộ điều chỉnh tuyến tính bỏ học thấp chip cho tất nguồn cung cấp nội  Kiến trúc hệ đồng hồ giả mạo độc quyền  Tích hợp công cụ WEP, TKIP, AES WAPI ⁃ Thông số kỹ thuật  802.11 b / g / n  Wi-FiDirect(P2P)  Ngăn xếp giao thức TCP / IP tích hợp AP mềm 18  Tích hợp cơng tắc TR, balun, LNA, khuếch đại công suất mạng phù hợp PLLs, điều chỉnh, DCXO đơn vị quản lý lượng 19.5dBm công suất đầu chế độ 802.11b  Nguồn điện rò xuống