Chế tạo thiết bị tưới tự động

TRƢỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG KHOA NN-TN-TN & TRUNG TÂM TIN HỌC CHẾ TẠO THIẾT BỊ TƢỚI TỰ ĐỘNG PHẠM VĂN QUANG – PHẠM MINH TÂN AN GIANG, 05-2017 TRƢỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG KHOA NN-TN-TN & TRUNG TÂM TIN HỌC CHẾ TẠO THIẾT BỊ TƢỚI TỰ ĐỘNG PHẠM VĂN QUANG – PHẠM MINH TÂN AN GIANG, 05-2017 CHẤP THUẬN CỦA HỘI ĐỒNG Đề tài nghiên cứu khoa học “Chế tạo thiết bị tưới tự động”, tác giả Phạm Văn Quang, công tác Khoa Nông nghiệp – Tài nguyên – Thiên nhiên Phạm Minh Tân, công tác Trung tâm Tin học thực Các tác giả báo cáo kết nghiên cứu đƣợc Hội đồng Khoa học Đào tạo Trƣờng Đại học An Giang thông qua ngày ………………… Thƣ ký …………………… Phản biện Phản biện ……………………… ……………………… Chủ tịch hội đồng ……………………… i LỜI CẢM TẠ Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Ban Giám hiệu nhà trƣờng ủng hộ tạo điều kiện thuận lợi để chúng tơi tiến hành nghiên cứu hồn tất đề tài Xin chân thành cảm ơn đơn vị Phòng QLKH-HTQT, Phòng KH-TV, Ban lãnh đạo Khoa NN-TN-TN, Ban Giám đốc TTTH quý bạn đồng nghiệp ủng hộ tạo điều kiện thuận lợi để hồn thành cơng trình nghiên cứu Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè khuyến khích, động viên tinh thần, ủng hộ vật chất… để chúng tơi hồn thành tốt cơng trình nghiên cứu Trân trọng! An Giang, ngày 15 tháng 02 năm 2017 Những ngƣời thực ii TÓM TẮT Mục tiêu nghiên cứu nhằm thiết kế, xây dựng hệ thống điều khiển tưới tự động Hệ thống xác định ẩm độ đất dựa kỹ thuật đảo chiều điện áp đo hai cực cảm biến Các tín hiệu điện áp đọc từ điện cực cảm biến ẩm độ đất chuyển sang dạng số gởi xử lý trung tâm phân tích để định điều khiển mở/đóng hệ thống tưới Q trình phân tích tín hiệu xử lý trung tâm thực dựa hàm đặc tính (xác định dựa số liệu thực nghiệm) kết hợp với thuật toán điều khiển mờ Kết đề tài đáp ứng mục tiêu đề Hệ thống hoạt động tốt việc theo dõi điều khiển tự động trình tắt/mở hệ thống tưới điều kiện ngồi trời Ẩm độ đất phát khoảng từ 5% đến 50% với độ tin cậy 95%, nên phù hợp với hầu hết loại đất Đồng Bằng Sông Cửu Long Từ khóa: Cảm biến độ ẩm đất, Tƣới tự động ABSTRACT The objective of this study was to design and build an automatic irrigation controlling system that is able to connect with other sensors for monitoring of meteorology The system determines the soil moisture based flip-flop technique The voltage signals read from two electrodes of the soil moisture sensor is converted into digital form These signals are analyzed at the central processor for decision-making to open / close the irrigation system and they based on the combination of the characteristic function, which is determined by fitting the empirical data, and the fuzzy control algorithm The results of the research satisfy the formulated objectives The deployed system is testing on the field, working properly Soil moisture can be detected in the range from 5% to 50% at a 95% confidence, therefore, it should appropriate for most types of soil in the Mekong Delta Key words: Soil moisture sensor, Plant watering automation iii CAM KẾT Chúng xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng chúng tơi Các số liệu cơng trình nghiên cứu có xuất xứ rõ ràng Những kết luận khoa học công trình nghiên cứu chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khác An Giang, ngày 15 tháng 02 năm 2017 Những ngƣời thực iv MỤC LỤC CHƢƠNG GIỚI THIỆU 1.1 Tổng quan tính cấp thiết 1.2 Mục tiêu nghiên cứu CHƢƠNG PHƢƠNG PHÁP VÀ PHƢƠNG TIỆN 2.1 Thiết kế chế tạo cảm biến ẩm độ đất 2.2 Phƣơng pháp đo điện trở đất 2.3 Thiết kế phần cứng hệ thống tƣới 2.4 Thiết kế phần mềm điều khiển 2.5 Hệ thống điều khiển tƣới 14 2.6 Lƣu đồ giải thuật điều khiển 19 2.7 Phần mềm điều khiển thiết lập tham số dành cho ngƣời sử dụng 22 2.8 Phƣơng pháp xác định hàm đặc tính DD theo độ ẩm đất 23 2.9 Phƣơng pháp kiểm nghiệm tính phù hợp hàm đặc tính DD theo độ ẩm đất 25 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 27 3.1 Kết thiết kế cảm biến ẩm độ đất 27 3.2 Kết lý luận đo điện trở đất 27 3.3 Kết thiết kế phần cứng 28 3.4 Kết giao diện phần mềm tƣơng tác với ngƣời sử dụng 29 3.5 Kết hàm đặc tính DD theo độ ẩm đất 30 3.6 Kết kiểm nghiệm hàm đặc tính DD theo độ ẩm đất 32 3.7 Chạy thử hệ thống điều kiện thực tế 32 CHƢƠNG KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 36 4.1 Kết luận 36 4.2 Hạn chế 36 4.3 Khuyến nghị 36 v DANH SÁCH BẢNG Bảng 1: Hệ số góc hệ số cắt trục quan hệ tuyên tính DD theo nhiệt độ đất 30 Bảng 2: So sánh giá trị DD số liệu thực đo ƣớc lƣợng (t-test) 31 Bảng 3: Kiểm định mức độ phù hợp số liệu thực đo ƣớc lƣợng (t-test) 32 Bảng 4: Bảng giá trị tham số hàm thuộc đầu vào 34 Bảng 5: Bảng giá trị tham số hàm thuộc đầu 35 vi DANH SÁCH HÌNH Hình 1: Các chi tiết thiết kế cảm biến ẩm độ đất Hình 2: Sơ đồ mạch điện dùng để đo điện trở đất Hình 3: Sơ đồ kết nối tổng thể hệ thống điều khiển tƣới tự động Hình 4: Máy tính mini Raspberry PI (revision 2) Hình 5: Sơ đồ mơ tả giao tiếp máy tính mini Raspberry PI (revision 2) Hình 6: Sơ đồ mạch điện tập trung Hình 7: Sơ đồ thiết kế mạch điện tử module đo giá trị điện trở đất Hình 8: Ký hiệu hình dạng linh kiện TRIAC BTA16 Hình 9: Sơ đồ thiết kế mạch điện tử module công suất Hình 10: Bộ điều khiển mờ 11 Hình 11: Mơ hình hệ thống điều khiển mờ 11 Hình 12: Dạng hàm liên thuộc tổng quát 12 Hình 13: Định nghĩa tập mờ cho biến ngôn ngữ 12 Hình 14: Sơ đồ mơ hình hệ thống điều khiển 14 Hình 15: Đồ thị hàm liên thuộc đầu vào 15 Hình 16: Đồ thị hàm liên thuộc đầu 16 Hình 17: Lƣu đồ giải thuật chƣơng trình điều khiển 20 Hình 18: Biểu đồ mô tả hoạt động phần mềm giao tiếp với ngƣời sử dụng 23 Hình 19: Mẫu cảm biến ẩm độ đất hồn chỉnh 27 Hình 20: Tƣơng quan giá trị biến đổi DD1 điện trở đất 27 Hình 21: Tƣơng quan giá trị giá trị biến đổi DD2 điện trở đất 27 Hình 22: Tƣơng quan giá trị trung bình DD’ điện trở đất 28 Hình 23: Hình dạng thực tế module cảm biến ẩm độ đất 28 Hình 24: Module cơng suất 29 Hình 25: Giao diện phần mềm thiết lập cấu hình điều khiển tay 29 Hình 26: Biểu đồ phân tán quan hệ DD nhiệt độ đất 30 Hình 27: Biểu đồ quan hệ DD theo độ ẩm đất 31 Hình 28: Mơ hình ứng dụng 33 Hình 29: Vị trí bố trí module thực tế 33 Hình 30: Vị trí cảm biến ẩm độ đất béc phun nƣớc so với gốc 34 Hình 31: Diễn biến ẩm độ đất thực đo theo thời gian 40 35 Hình 32: Biểu đồ phản ảnh sai lệch ẩm độ đầu vào so với mức thiết lập 35 Hình 33: Giản đồ đáp ứng hệ thống thời điểm thời gian tƣới 35 vii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT STT Viết tắt Viết đủ ADC Analog to Digital Converter DAC Digital to Analog Converter ID PC RRD UART USB Identify Personal Computer Round-Robin Database Universal Asynchronous Receiver / Transmitter Universal Serial Bus viii Dịch nghĩa Bộ chuyển đổi tƣơng tự sang số Bộ chuyển đổi số sang tƣơng tự Định danh (thiết bị) Máy tính cá nhân Cơ sở liệu xoay vòng Truyền / nhận bất đồng Bus truyền thông nối tiếp vạn đất, đƣợc phản ánh qua thay đổi điện áp đọc điện cực cảm biến, để ƣớc lƣợng ẩm độ đất nhiệt độ yếu tố đƣợc xét đến trình làm thực nghiệm Việc ghi nhận thay đổi ẩm độ đất thông qua thay đổi điện áp đầu (đo hai điện cực đƣợc vùi vào tầng đất nơi ẩm độ cần xác định mạch flip-flop), với điện áp đầu vào đƣợc giữ mức cố định VCD Điện áp đầu đƣợc chuyển sang tín hiệu số có giá trị biến động khoảng từ đến 1023, đƣợc xem cận dƣới giá trị DD Điện áp đầu phụ thuộc vào điện trở kháng đất, theo Prasad and Sharma (2012), điện trở kháng đất hàm độ ẩm đất Giá trị trở kháng đất giảm nhanh độ ẩm đất tăng, độ ẩm đất 20% giá trị trở kháng giảm chậm hơn, độ ẩm đất lớn 40% tốc độ giảm điện trở kháng đất không đáng kể (Prasad and Sharma 2012) Trong nghiên cứu này, giá trị điện áp đọc từ mạch flip-flop đƣợc chuyển sang giá trị số công thức (1) giá trị tổng hợp DD đƣợc xác định thông qua công thức (8), kết đồ thị quan hệ DD điện trở đất RD đƣợc thể Hình 22 Dựa sở này, hàm đặc tính DD theo độ ẩm đất đƣợc đề xuất nhƣ phƣơng trình (7) (7) Trong đó: - DD giá trị tổng hợp chuyển đổi dạng số; - L, A, B C hệ số; - X độ ẩm đất (%) Hàm (7) có dạng đƣờng cong hình chữ S với đặc điểm: hàm bị chặn, có khoảng đơn điệu tăng, hàm liên tục trơn Các hệ số L, A, B, C đƣợc xác định thơng qua mơ hình hồi quy phi tuyến đƣợc đề xuất Marquardt (1963), dựa số liệu thực nghiệm đo giá trị DD tƣơng ứng với mức độ ẩm đất từ khơ đến gần bảo hịa (từ 6% đến 45% sở khối lƣợng) công cụ Solver Microsoft Excel Chuỗi số liệu thực nghiệm nằm khoảng nhiệt độ từ 15 0C đến 32 0C đƣợc sử dụng đƣa vào mơ hình tính hồi quy Các hệ số L, A, B, C tối ƣu đƣợc ƣớc lƣợng sở cực tiểu hóa tổng bình phần dƣ 2.8.2 Bố trí thực nghiệm Thực đo chuỗi giá trị DD tƣơng ứng với mức độ ẩm đất đƣợc giữ cố định bao gồm: mức ban đầu, 10, 15, 20, 25, 30, 40 45%; song song với việc theo dõi ghi nhận diễn biến nhiệt độ dao động khoảng từ 10 đến 33 oC sử dụng cảm biến DS18B20 Các giá trị DD nhiệt độ đƣợc đo tự động đƣợc ghi thành tập tin dạng Text lƣu máy tính Các bƣớc cụ thể đƣợc tiến hành nhƣ sau: - Chuẩn bị mẫu đất: đất đƣợc nghiền nhỏ cho qua rây có kích thƣớc 2mm để khơ tự nhiên; 24 - Trộn mẫu đất cho vào bình plastic đƣợc đánh số thứ từ đến 8, với khối lƣợng: 500 ± 10g bình (các bình nhựa có nắp bảo đảm kín); - Xác định độ ẩm đất ban đầu phƣơng pháp sấy mẫu đất 105 0C - Tính lƣợng nƣớc thêm vào hộp nhựa, để nâng độ ẩm đất từ độ ẩm ban đầu lên 10, 15, 20, 25, 30, 40 45 % Các lƣợng nƣớc đƣợc đổ vào hộp tƣơng ứng với số hiệu từ tới tất đƣợc đạy nắp kín, để ổn định vịng tuần - Các bình đất đƣợc cho vào tủ lạnh trì để giảm nhiệt độ đất xuống dƣới 10 0C - Lấy bình ra, cài cảm biến ẩm độ cảm biến nhiệt vào đất, kết nối với điều khiển để bắt đầu q trình đo 2.8.3 Phân tích số liệu thực nghiệm Việc phân tích số liệu, xử lý thống kê giải toán tối ƣu để xác định hệ số phƣơng trình (7) chƣơng trình Microsoft Excel Kiểm định khác biệt số liệu thực đo ƣớc lƣợng phƣơng pháp so sánh cặp t-test 2.9 Phƣơng pháp kiểm nghiệm tính phù hợp hàm đặc tính DD theo độ ẩm đất 2.9.1 Bố trí kiểm nghiệm Kiểm nghiệm tính phù hợp hàm đực tính đƣợc bố trí phịng thí nghiệm 40 cảm biến độ ẩm đất đƣợc cài đặt chậu đất Tiến trình đƣợc thực nhƣ sau: - Tạo khung sắt, bố trí 40 cảm biến khối lƣợng (load cell) module cảm biến để nối với cảm biến ẩm độ đất; - Xử lý mẫu đất: đất đƣợc nghiền nhỏ, cho qua rây 2mm; - Xác định ẩm độ ban đầu phƣơng pháp sấy; - Cho đất vào chậu, cân khối lƣợng ban đầu cho bảo hòa nƣớc; - Các chậu đất sau bảo hòa nƣớc đƣợc treo lên cảm biến khối lƣợng cài cảm biến vào đất; - Tiến hành đo theo dõi theo thời gian Việc đo đƣợc thực hồn tồn tự động thơng qua điều khiển trung tâm, số liệu đƣợc lƣu lại thẻ nhớ Các giá trị DD đƣợc thu thập thông qua tín hiệu điện áp đọc từ cảm biến ẩm độ Khối lƣợng đất giảm theo thời gian nƣớc bốc đƣợc ghi lại thông qua load cell, khối lƣợng kết hợp với độ ẩm ban đầu đƣợc sử dụng để xác định ẩm độ đất thời điểm xét Số liệu đƣợc lƣu với độ phân giải phút, tổng thời gian theo dõi thực 15 ngày 25 2.9.2 Phân tích số liệu Việc kiểm nghiệm tính phù hợp hàm đặc tính đƣợc thực việc so sánh giá trị ƣớc lƣợng thông qua phép nghịch đảo hàm đặc tính DD với với độ ẩm đất đƣợc xác định từ load cell, loạt số liệu hệ thống ghi nhận đƣợc từ 40 cảm biến số liệu khối lƣợng từ 40 load cell Số liệu đƣợc phân tích xử lý chƣơng trình Microsoft Excel, sử dụng phƣơng pháp kiểm định t-test để so sánh 26 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết thiết kế cảm biến ẩm độ đất Dựa thiết kế, chi tiết cảm biến đƣợc gia công lắp ráp Mẫu hoàn chỉnh cảm biến ẩm độ đất đƣợc thể Hình 19 Hình 19: Mẫu cảm biến ẩm độ đất hoàn chỉnh 3.2 Kết lý luận đo điện trở đất Từ phƣơng trình (3) (5) với R5 = 68KΩ Vcc = 5V (nhƣ thiết kế), kết đƣờng biểu diễn đặc tính giá trị VD1 VD2 theo điện trở đất RD đƣợc chuyển đổi thành giá trị số DD1 DD2 đƣợc thể Hình 20 Hình 21 DD1 RD ( ) Hình 20: Tương quan giá trị biến đổi DD1 điện trở đất DD2 RD ( ) Hình 21: Tương quan giá trị giá trị biến đổi DD2 điện trở đất 27 - Tổng hợp đƣờng đặc tính D1 D2 dựa cơng thức (1), kết ta thu đƣợc biểu thức (8) đƣờng biểu diễn giá trị DD đo đƣợc tƣơng ứng với giá trị điện trở đất biểu diễn thành hàm hƣớng với giá trị RD đƣợc thể Hình 22 (8) D D’ RD Hình 22: Tương quan giá trị trung bình DD’ điện trở đất Đƣờng biểu diễn cho thấy giá trị biến đổi DD’ tỉ lệ nghịch với điện trở đất RD Giá trị DD’  RD  + ∞ Điều có nghĩa độ ẩm đất tỉ lệ thuận với giá trị biến đổi DD’ tỉ lệ nghịch với điện trở đất RD 3.3 Kết thiết kế phần cứng 3.3.1 Module cảm biến ẩm độ đất Module đƣợc thiết kế để vừa hộp nhựa có kích thƣớc 85x50x20 (mm), gồm có 03 cổng giao tiếp tiêu chuẩn RJ-45: cổng kết nối với tập trung qua cáp CAT-5, cáp vừa truyền đƣợc tín hiệu theo chuẩn RS-485 vừa có khả cung cấp nguồn cho module hoạt động; 02 cổng kết nối với cảm biến ẩm độ đất, cổng kết nối đƣợc 03 cảm biến ẩm độ đất Hình 23: Hình dạng thực tế module cảm biến ẩm độ đất 3.3.2 Module cơng suất Module cơng suất gồm có hai phần: phần điều khiển giao tiếp đƣợc kết nối với tập trung qua cáp CAT-5 cổng giao tiếp tiêu chuẩn RJ-45; phần điều khiển công suất gồm có 06 linh kiện đóng/mở cơng suất sử dụng TRIAC BTA16 cho phép đóng/mở tải với dịng điện tối đa lên tới 16A 28 Hình 24: Module cơng suất 3.4 Kết giao diện phần mềm tƣơng tác với ngƣời sử dụng Giao diện phần mềm giao tiếp tƣơng tác với ngƣời dùng nhƣ Hình 25 Hình 25: Giao diện phần mềm thiết lập cấu hình điều khiển tay Phần thiết lập tham số điều khiển tự động gồm có thiết lập: - Mức ngƣỡng độ ẩm trên: mức ngƣỡng mà độ ẩm thực đo vƣợt qua giới hạn điều khiển dừng tƣới Giá trị hợp lệ nằm khoảng từ 20% tới 50% - Mức ngƣỡng độ ẩm dƣới: mức ngƣỡng mà độ ẩm thực đo dƣới giới hạn điều khiển bắt đầu mở bơm tƣới (hoặc val) Giá trị hợp lệ nằm khoảng từ 20% tới 50% Giá trị phải nhỏ giá trị mức ngƣỡng - Chọn theo mẫu: chƣơng trình cung cấp số mẫu ngƣỡng trên, ngƣỡng dƣới đƣợc đề xuất cách hợp lý theo loại đất 29 Phần điều khiển tay cung cấp chức mở bơm (val) tắt bơm (val) cách tùy ý theo điều khiển ngƣời dùng Nhấn vào nút “Mở bơm” hệ thống bật bơm (val) Nhấn vào nút “Tắt bơm” hệ thống tắt bơm (val) Để an toàn việc mở bơm, hệ thống mở bơm khoảng thời gian yêu cầu Thời gian đƣợc chọn từ giao diện Hết khoảng thời gian này, hệ thống tự động tắt bơm 3.5 Kết hàm đặc tính DD theo độ ẩm đất Kết biểu đồ phân tán giá trị DD theo nhiệt độ ứng với mức ẩm độ đất khác đƣợc thể Hình 26 Qua phân tích tƣơng quan DD nhiệt độ đất có mối tƣơng quan tuyến tính khơng chặt tƣơng quan thuận (hệ số tƣơng quan từ 0.4 đến 0.6) Hình 26: Biểu đồ phân tán quan hệ DD nhiệt độ đất Các hệ số phƣơng trình hồi quy mối quan hệ DD theo nhiệt độ đất đƣợc trình bày Bảng Kết cho thấy hệ số góc có chiều hƣớng giảm dần ẩm độ đất tăng, điều nói lên giá trị biến đổi số DD mức ẩm độ cao chịu ảnh hƣởng nhiệt độ so với mức ẩm độ thấp Bảng 1: Hệ số góc hệ số cắt trục quan hệ tuyên tính DD theo nhiệt độ đất Hệ số a b 6% 4,1035 277,71 10% 4,0381 352,82 15% 3,9247 457,57 20% 3,3474 581,55 25% 2,7455 682,41 30% 1,0777 810,69 40% 0,9531 815,19 45% 0,8251 824,05 Mặt khác qua biểu đồ phân tán (Hình 26) điểm phân bố rời rạc khoảng nhiệt độ từ 15 0C đến 33 0C đại lƣợng DD không khác biệt có ý nghĩa thống kê, thêm vào hệ số xác định R2 mức ẩm độ đất < 40% thấp (0.18 – 0.32), chứng tỏ mối tƣơng quan DD nhiệt độ rời rạc Đây lý nghiên cứu không xét tới ảnh hƣởng yếu tố nhiệt độ đến giá trị DD hàm đặc tính 30 Kết giải toán tối ƣu sở cực tiểu hóa tổng bình phƣơng phần dƣ, hệ số L, A, B C tham gia phƣơng trình (8) đƣợc xác định có giá trị tƣơng ứng 363.9258159, 0.363100591, 3.201316284 0.064861261 Thay hệ số vào (8), ta có đƣợc phƣơng trình (9) (9) Hình 27 kết biểu diễn quan hệ DD độ ẩm đất giá trị thực đo giá trị ƣớc lƣợng từ phƣơng trình (9) Kết cho thấy độ biến động giá trị DD thực đo mức ẩm độ thấp lớn, giảm dần ẩm độ đất tăng dần Giá trị DD tăng nhanh khoảng độ ẩm từ đến 20%, sau tăng chậm dần trì tƣơng đối ổn định ẩm độ ≥ 50 % Điều phản ánh điện trở kháng đất điều kiện khơ có giá trị cao, giá trị giảm ẩm độ đất tăng tƣơng đối ổn định ẩm độ đất trạng thái cao (trạng thái gần bảo hòa bảo hòa) Kết phù hợp với nghiên cứu Prasad and Sharma (2012) Hình 27: Biểu đồ quan hệ DD theo độ ẩm đất Bảng 2: So sánh giá trị DD số liệu thực đo ước lượng (t-test) Giá trị trung bình Phƣơng sai Số mẫu Hệ số tƣơng quan Pearson Độ tự (df) Giá trị t tính tốn P(T