ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNGKHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG ĐỒ ÁN CƠ SỞ 5 ĐỀ TÀI: ÁP DỤNG IOT HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG - - ĐỒ ÁN CƠ SỞ ĐỀ TÀI: ÁP DỤNG IOT HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG Sinh viên thực Lớp Giảng viên hướng dẫn: : LÊ ĐỨC HÒA NGUYỄN HỮU KHÁNH : 17CE Th.S HÀ THỊ MINH PHƯƠNG Đà nẵng, tháng 06 năm 2020 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG ĐỒ ÁN CƠ SỞ ÁP DỤNG IOT HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG Đà Nẵng, tháng 06 năm 2020 LỜI NÓI ĐẦU Ngày khoa học công nghệ ngày phát triển, vi điều khiển ngày thông dụng hơn, xuất Arduino hỗ trợ cho người nhiều lập trình thiết kế, người bắt đầu tìm tịi vi điều khiển mà khơng có q nhiều kiến thức, hiểu biết sâu sắc vật lý điện tử Phần cứng thiết bị tích hợp nhiều chức mã nguồn mở Ngơn ngữ lập trình Java lại vơ dễ sử dụng tương thích với ngôn ngữ C hệ thư viện phong phú chia sẻ miễn phí Chính lý nên arduino dần phổ biến phát triển ngày mạnh mẽ toàn giới Trên sở kiến thức học môn học: Tin học đại cương, vi điều khiển…Cùng với hiểu biết thiết bị điện tử, em định thực đề tài: Thiết kế hệ thống tưới tự động Hà Thị Minh Phương hướng dẫn Đề tài gồm nội dung sau: Phần Giới thiệu tổng quan tưới tự động Phần Thiết bị, tính Arduino Phần Thiết kế, lập trình, lắp đặt mạch Phần Kết luận hướng phát triển NHẬN XÉT (Của giảng viên hướng dẫn) LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực đề tài với nội dung nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống tưới tự động, chúng em cố gắng vận dụng kiến thức học trường, thực tệ Cùng với giúp đỡ cô Hà Thị Minh Phương, hồn thành u cầu đề tài Đó nghiên cứu, thiết kế thực thi chế tạo mạch điều khiển hệ thống tưới tự động hồn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn Hà Thị Minh Phương tận tình bảo giúp đỡ em hoàn thành đề tài nghiên cứu Do kiến thức cịn hạn chế q trình thực đề tài nghiên cứu chúng em không tránh khỏi sai xót mong q thầy hội đồng thi dẫn, bỏ qua giúp đỡ em Chúng em mong giúp đỡ quý thầy cô bạn để nội dung để tài ngày hoàn thiện Giảng viên hướng dẫn Sinh viên thực Hà Thị Minh Phương Lê Đức Hòa Nguyễn Hữu Khánh MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TƯỚI CÂY 1.1 Khái niệm hệ thống tưới 1.2 Vai trò tự dộng hóa q trình sản xuất 1.3 Ứng dụng tự động hóa q trình sản xuất 2.1 Các thiết bị 2.2 Ardunio Uno .5 2.2.1 Một vài thông số Arduino UNO R3 2.2.2 Vi điều khiển 2.2.3 Năng lượng .6 2.2.4 Các cổng vào/ra .7 2.2.5 Lập trình cho Arduino .9 2.3 Module relay kênh 5v 10 2.3.1 Định nghĩa .10 2.3.2 Phân loại Các loại rơ-le cách xác định trạng thái 10 2.3.3 Thông số module relay 11 2.3.4 Cách sử dụng Relay .11 2.4 Module ESP8266 v1 .12 2.4.1 Mô Tả 12 2.4.2 Thông tin kỹ thuật 12 Chương PHÂN TÍCH THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH, LẮP ĐẶT 15 3.1 Các bước lắp đặt .15 3.2 Nguyên lý hoạt động .16 3.3 Phần viết chương trình 16 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 19 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 18 TÀI LIỆU THAM KHẢO 19 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Nền nông nghiệp nước ta nông nghiệp lạc hậu chưa có nhiều ứng dụng khoa học kĩ thuật áp dụng vào thực tế Rất nhiều quy trình kĩ thuật trồng trọt, chăm sóc tiến hành cách chủ quan không đảm bảo yêu cầu Có thể nói nơng nghiệp ngồi kĩ thuật trồng trọt, chăm sóc tưới nước khâu quan trọng trồng trọt, để đảm bảo sinh trưởng phát triển bình thường, tưới tưới đủ theo yêu cầu nông học không sinh sâu bệnh, hạn chế thuốc trừ sâu cho sản phẩm an toàn, đạt suất cao, hiệu cao Ngoài tuyến phố khu vực trung tâm thành phố bắt gặp hình ảnh xe bồn chở nước tưới dọc đường gây ùn tắc, an toàn giao thông Mặt khác nước ta giai đoạn cơng nghiệp hóa, đại hóa thiết bị máy móc tự động đưa vào phục vụ thay sức lao động người Vì thiết bị tưới nghiên cứu, thiết kế, chế tạo đưa vào thực tiễn ngày áp dụng nhiều Thiết bị tưới đa dạng chủng loại Việc tính tốn để lựa chọn thiết kế hệ thống tưới đáp ứng nhu cầu tưới nước theo nông học trồng phù hợp với điều kiện kinh tế thời tiết nhiệt đới gió mùa nước ta Hệ thống tưới đáp ứng độ ẩm cho phát triển tốt, tiết kiệm nước tạo điều kiện cho hấp thụ dinh dưỡng không gây rửa trôi, thối hóa đất, khơng gây nhiễm mơi trường Hệ thống tưới nước tự động kết hợp với bón phân, phun thuốc Hơn nữa, với việc thiết kế hệ thống tưới tự động giúp người tưới cây, tự động tùy theo độ ẩm cao hay thấp mùa Tất điều kiện đưa vào hệ thống để phù hợp tưới xác Lý chọn đề tài Hệ thống tưới nước tự động hệ thống thiết bị tưới nước tốt đáp ứng theo yêu cầu sinh trưởng trồng ứng dụng rộng nước phát triển Hệ thống tưới nước tự động hình thức tưới nước hợp lý, tiết kiệm sức lao động chi phí nhân công Hệ thống tưới nước tự động trở nên phổ biến với nông dân nông thôn với q trình đại hóa nơng nghiệp nơng thôn người dân mạnh dạn đưa vào sử dụng Kỹ thuật điện tử phát triển nhanh chóng ứng dụng vào nhiều lĩnh vực: công nghiệp, giao thông vận tải, hàng không vũ trụ…Các thiết bị điều khiển tự động giữ vai trò quan trọng góp phần lớn cho tiến không ngừng lĩnh vực Nghành nông nghiệp nước ta phụ thuộc nhiều vào khí hậu, cần thiết bị kĩ thuật tiên tiến có khả đo đạc điều khiển thông số như: độ ẩm, chất dinh dưỡng,…Một cách hợp lý từ vấn đề thực tiễn chúng em nghiên cứu tiến hành thiết kế: “Hệ Thống Tưới Cây Tự Động Theo Độ Ẩm” Mục đích nghiên cứu Vận dụng kiến thức học để nghiên cứu thiết kế chế tạo mơ hình hệ thống tưới tự động điều khiển qua smartphone, từ đưa vào thực tiễn Giúp cho việc tưới tiêu trồng nước ta có phương pháp đạt hiệu cao Kết cấu - Tổng quan đề tài - Giới thiệu linh kiện sử dụng mạch điều khiển - Thiết kế hệ thống tưới nước tự động - Kết định hướng phát triển Phương pháp nghiên cứu Để thực nội dung đề tài nghiên cứu, em tiến hành phương pháp nghiên cứu sau: - Kế thừa cơng trình nghiên cứu hệ thống tưới sở lý thuyết phần mềm lập trình - Kế thừa cơng trình có thực tiễn Chương TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TƯỚI CÂY 1.1 Khái niệm hệ thống tưới Hệ thống điều khiển tự động bao gồm phần tử tự dộng qua điện thoại nhằm điều khiển trình xảy thiên nhiên, sống mà khơng có tham gia người Hệ thống tưới tự động : - Tưới có độ ẩm không phù hợp để phát triển qua điện thoại - Hệ thống bấm tắt/bật đủ nước - Có hiển thị độ ẩm lên app Blink 1.2 Vai trị tự dộng hóa q trình sản xuất Lịch sử hoạn thiện cơng cụ, phương tiện sản xuất phát triển sở giới hóa Khi có đột phá lĩnh vực công nghệ vật liệu điện tử tin học cơng nghệ tự động có hội phát triển mạnh mẽ, đem lại lợi ích vào thực tiễn cho xã hội Đó mẫu chốt suất, chất lượng Trong tương lai gần tự động hóa đóng vai trị vơ quan trọng khơng thể thiếu, khơng ứng dụng sản xuất mà áp dụng đời sống người Trong sản xuất thay người cơng việc nặng nhọc, nguy hiểm, hộc hại,…Nó phương tiện thiếu đời sống 1.3 Ứng dụng tự động hóa trình sản xuất Tự động hóa từ lâu ứng dụng việc tưới tiêu, song phát triển số nước phát triển, nước phát triển nên nông nghiệp chiếm tỉ lệ lớn việc ứng dụng tự động hóa cho việc tưới cịn đưa dần tự động hóa vào đời sống sản xuất, đặc biệt nước đơng nam có Việt Nam Ngày với phát triển mạnh mẽ công nghệ chế tạo thiết bị tự động hóa, kết hợp với thành tựu công nghệ vi điều khiển, công nghệ thông tin, cho phép tạo nên giải pháp tự động hóa lĩnh vực Có thể nói tự động hóa trở thành xu tất yếu cho lĩnh vực cho quốc gia 2.2.4 Các cổng vào/ra Hình 2.4 Các cổng ra/vào Arduino Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc xuất tín hiệu Chúng có mức điện áp 0V 5V với dòng vào/ra tối đa chân 40mA Ở chân có điện trở pull-up từ cài đặt vi điều khiển ATmega328 (mặc định điện trở không kết nối) Một số chân digital có chức đặc biệt sau: • chân Serial: (RX) (TX): dùng để gửi (transmit – TX) nhận (receive – RX) liệu TTL Serial Arduino Uno giao tiếp với thiết bị khác thông qua chân Kết nối bluetooth thường thấy nói nơm na kết nối Serial không dây Nếu không cần giao tiếp Serial, bạn không nên sử dụng chân không cần thiết • Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, 11: cho phép bạn xuất xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ → 8-1 tương ứng với 0V → 5V) hàm analogWrite() Nói cách đơn giản, bạn điều chỉnh điện áp chân từ mức 0V đến 5V thay cố định mức 0V 5V chân khác • Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoài chức thơng thường, chân cịn dùng để truyền phát liệu giao thức SPI với thiết bị khác • LED 13: Arduino UNO có đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) Khi bấm nút Reset, bạn thấy đèn nhấp nháy để báo hiệu Nó nối với chân số 13 Khi chân người dùng sử dụng, LED sáng • Arduino UNO có chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp khoảng 0V → 5V Với chân AREF board, bạn để đưa vào điện áp tham chiếu sử dụng chân analog Tức bạn cấp điện áp 2.5V vào chân bạn dùng chân analog để đo điện áp khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải 10bit Đặc biệt, Arduino UNO có chân A4 (SDA) A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với thiết bị khác 2.2.5 Lập trình cho Arduino Các thiết bị dựa tảng Arduino lập trình ngôn riêng Ngôn ngữ Arduino bắt nguồn từ C/C++ phổ biến dễ học, dễ hiểu Để lập trình gửi lệnh nhận tín hiệu từ mạch Arduino, nhóm phát triển dự án cấp đến cho người dùng môi trường lập trình Arduino gọi Arduino IDE (Intergrated Development Environment) hình Hình 2.5 Mã nguồn điều khiển đèn LED nhấp nháy chu kì giây Nền tảng Arduino thật hữu ích cho muốn tìm hiểu điện tử, lập trình, điều khiển, đặc biệt robot Với tảng này, nhóm chúng em lập trình cho hệ thống tưới tự động 2.3 Module relay kênh 5v 2.3.1 Định nghĩa Rơ-le công tắc (khóa K) Nhưng khác với cơng tắc chỗ bản, rơle kích hoạt điện thay dùng tay người Chính lẽ đó, rơ-le dùng làm cơng tắc điện tử! Vì rơ-le cơng tắc nên có trạng thái: đóng mở Hình 2.6 Một module relay kiểu mẫu 2.3.2 Phân loại Các loại rơ-le cách xác định trạng thái a Module rơ-le đóng mức cao (nối cực dương vào chân tín hiệu rơ-le đóng) Hình 2.7 Module rơ-le đóng mức cao 10 b Module rơ-le đóng mức thấp (nối cực âm vào chân tín hiệu rơ-le đóng) Hình 2.8 Module relay kích mức thấp 2.3.3 Thông số module relay Một module rơ-le tạo nên linh kiện thụ động rơ-le transistor 2.3.4 Cách sử dụng Relay Rơ-le bình thường gồm có chân Trong có chân để kích, chân cịn lại nối với đồ dùng điện công suất cao chân dùng để kích o +: cấp hiệu điện kích tối ưu vào chân o - : nối với cực âm o S: chân tín hiệu, tùy vào loại module rơ-le mà làm nhiệm vụ kích rơ-le  Nếu bạn dùng module rơ-le kích mức cao chân S bạn cấp điện dương vào module rơ-le bạn kích, ngược lại khơng  Tương tự với module` rơ-le kích mức thấp chân lại nối với đồ dùng điện công suất cao: o COM: chân nối với chân đồ dùng điện, khun bạn nên mắc vào chân lửa (nóng) dùng hiệu điện xoay chiều cực dương hiệu điện chiều o ON NO: chân bạn nối với chân lửa (nóng) dùng điện xoay chiều cực dương nguồn dòng điện chiều o OFF NC: chân bạn nối chân lạnh (trung hòa) dùng điện xoay chiều cực âm nguồn dùng điện chiều 11 Sản phẩm sử dụng cho ứng dụng nông nghiêp, tưới tiêu tự động cho vườn đất khô, dùng ứng dụng hệ thống nhà thông minh 2.4 Module ESP8266 v1 2.4.1 Mơ Tả Hình 2.9 Module esp8266 v1 ESP 8266 chip tích hợp cao - System on Chip (SoC), có khả xử lý lưu trữ tốt, cung cấp khả vượt trội để trang bị thêm tính wifi cho hệ thống khác đóng vai trị giải pháp độc lập Module wifi ESP8266 v1 cung cấp khả kết nối mạng wifi đầy đủ khép kín, bạn sử dụng để tạo web server đơn giản sử dụng access point 2.4.2 Thông tin kỹ thuật - Wifi 802.11 b/g/n - Wifi 2.4 Ghz, hỗ trợ WPA/WPA2 - Chuẩn điện áp hoạt động 3.3V - Chuẩn giao tiếp nối tiếp UART với tốc độ Baud lên đến 115200 - Có chế độ hoạt động: Client, Access Point, Both Client and Access Point - Hỗ trợ chuẩn bảo mật như: OPEN, WEP, WPA_PSK, WPA2_PSK, WPA_WPA2_PSK - Hỗ trợ giao tiếp TCP UDP - Tích hợp cơng suất thấp 32-bit CPU sử dụng vi xử lý ứng dụng - SDIO 1.1 / 2.0, SPI, UART - Làm việc máy chủ kết nối với máy trạm 12 2.4.3 Sơ đồ chân chức Hình 2.10 Sơ đồ chân esp8266 v1 • • • • • • • • URXD(RX) — dùng để nhận tín hiệu giao tiếp UART với vi điều khiển VCC — đầu vào 3.3V GPIO — kéo xuống thấp cho chế độ upload bootloader RST — chân reset cứng module, kéo xuống mass để reset GPIO — thường dùng cổng TX giao tiếp UART để debug lỗi CH_PD — kích hoạt chip, sử dụng cho Flash Boot updating lại module, nối với mức cao GND — nối với mass UTXD (TX) — dùng để truyền tín hiệu giao tiếp UART với vi điều khiển 2.5 Cài đặt Blink 2.5.1 Nguyên lý Blynk gồm có phần, app, server thư viện: • • • Thư viện: Thư viện chạy Raspberry Pi thực giao tiếp với chân GPIO App: Phần chạy smartphone/iPad bạn đảm trách phần giao diện với nút bấm, thông tin hiển thị Server: cầu nối biên phiên dịch Thư viện App Mặc định app chạy cloud Blynk, nhiên bạn chạy máy tính 13 2.5.2 Thiết lập app smartphone Bạn đăng kí tài khoản miễn phí Blynk: Sau tạo dự án mà thực hiện: 14 Chương PHÂN TÍCH THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH, LẮP ĐẶT 3.1 Các bước lắp đặt ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ Hình 3.1 Sơ đồ kết nối Lắp đặt mạch sơ đồ Cắm ngập cảm biến xuống đất chậu Chuẩn bị chậu nước, nối ống dẫn với bơm Nạp chương trình vào máy tính Chạy thử 15 3.2 Nguyên lý hoạt động Tín hiệu đặt việc cài đặt người lập trình đặt điều kiện điều khiển hệ thống Các giá trị thay đổi độ ẩm nhận biết qua cảm biến Các giá trị cảm biến đưa điều khiển so sánh với giá trị cài đặt qua điều khiển Bộ điều khiển xử lý đưa tín hiệu điều khiển sang biến đổi để thực việc điều khiển động hoạt động hợp lý Động hoạt động đưa nước tới để tưới đảm bảo việc chăm sóc phát triển Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động - THĐ: tín hiệu đặt - BĐK: điều khiển - ĐC: động - CB: cảm biến 3.3 Phần viết chương trình #define BLYNK_PRINT Serial #include #include #include char auth[] = "qNczNwHrY3f6Hx_lzNOCxpkmO7OlxS1v"; // Your WiFi credentials // Set password to "" for open networks char ssid[] = "ZTE-eed5be"; char pass[] = "0123456789"; // Hardware Serial on Mega, Leonardo, Micro #define EspSerial Serial // or Software Serial on Uno, Nano BlynkTimer timer; //SoftwareSerial EspSerial(2, 3); // RX, TX // Your ESP8266 baud rate: #define ESP8266_BAUD 9600 ESP8266 wifi(&EspSerial); #define cbdoamdat 16 #define relay int Readsensor=0,sensor=0; BLYNK_CONNECTED() { Blynk.syncVirtual(V0,V1,V2); } void setup() { // put your setup code here, to run once: Serial.begin(9600); delay(10); pinMode(relay, OUTPUT); digitalWrite(relay, LOW); // Set ESP8266 baud rate EspSerial.begin(ESP8266_BAUD); delay(10); Blynk.begin(auth, wifi, ssid, pass); timer.setInterval(1000L, getSoilMoist); } void loop() { // put your main code here, to run repeatedly: Blynk.run(); timer.run(); } void getSoilMoist() { Readsensor = analogRead(cbdoamdat); //Đọc giá trị cảm biến độ ẩm đất int sensor = map(Readsensor, 0, 1023, 0, 100); //Ít nước:0% ==> Nhiều nước 100% Blynk.virtualWrite(V2,sensor); } 3.4 Mơ hình hồn chỉnh 17 Hình 3.4 Mạch sau nạp code hoàn chỉnh 18 Chương Ưu điểm: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Hệ thống tưới tự động giúp nâng cao chất lượng trồng Nó cịn lựa chọn phù hợp với người bận công việc Bộ sản phẩm hệ thống tưới tự động chế tạo cách dễ dàng Hệ thống giúp bạn tiết kiệm đến 80% thời gian tưới ngày 50% lượng nước tưới so với phương pháp tưới truyền thống Lắp hệ thống tưới tự động cách tốt để giúp cho khu vườn bạn ln trì vẻ đẹp xanh tươi ngày Hạn chế: Hệ thống thành lập có nhiều chức tích cực song không tránh khỏi hạn chế định - Hiện hệ thống trình thực nghiệm, - Chỉ tưới gốc cây, khả làm mát thân - Các đầu tưới có khả bị tắt nghẽn không sử dụng lọc - Phạm vi dự án triển khai hộ gia đình nhỏ, nơi mà hệ thống thông tin tương đối phát triển Đối tượng sử dụng người khơng có thời gian Ngồi nguồn lực cịn yếu, thời gian hạn hẹp chưa có nhiều kinh nghiệm nên số tính bảo trì, thiết kế liệu tuơng tác phụ thuộc vào người dùng hạn chế Định hướng phát triển - Tối ưu hoá hệ thống báo cáo độ ẩm xác - Phát triển mở rộng quy mô vùng miền khác - Liên kết với khu nông nghiệp, hợp tác xã trung tâm nông nghiệp tồn quốc - Mở rộng mơ hình nước nước để đáp ứng nhu cầu cho người dùng 19 TÀI LIỆU THAM KHẢO Kỹ thuật điện tử (1999) Đỗ Xuân Thụ – NXB giáo dục Giáo trình cảm biến (2000) Phan Quốc Phơ, Nguyễn Đức Chiến – NXB Khoa học kĩ thuật Vi điều khiển câu trúc lập trình ứng dụng (2008) Kiều Xuân Thực, Vũ Thị Hƣơng, Vũ Trung Kiên – NXB Giáo Dục Website http://alldatasheet.com/ Website http://arduino.vn/ Website http://codientu.org/ Website http://webdien.com/ Website http://www.tailieu.vn/ Website http://wikipedia.com/ 20 .. .Đà nẵng, tháng 06 năm 2020 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG ĐỒ ÁN CƠ SỞ ÁP DỤNG IOT HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG Đà Nẵng, tháng 06 năm 2020 LỜI NÓI ĐẦU Ngày khoa học công. .. thiết kế hệ thống tưới tự động giúp người tưới cây, tự động tùy theo độ ẩm cao hay thấp mùa Tất điều kiện đưa vào hệ thống để phù hợp tưới xác Lý chọn đề tài Hệ thống tưới nước tự động hệ thống. .. bị tưới nước tốt ? ?áp ứng theo yêu cầu sinh trưởng trồng ứng dụng rộng nước phát triển Hệ thống tưới nước tự động hình thức tưới nước hợp lý, tiết kiệm sức lao động chi phí nhân cơng Hệ thống tưới