Điều khiển và giám sát trại nuôi gà

ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CƠNG NGHỆ ĐIỆN KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TRẠI NUÔI GÀ SINH VIÊN : Hồ Quang Duy Nguyễn Xuân Nguyễn LỚP : DHDKTD11B GVHD : THS NGUYỄN ĐỨC TOÀN TP HCM, NĂM 2019 PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên/ nhóm sinh viên giao đề tài (1): Hồ Quang Duy, MSSV: 15066491 (2): Nguyễn Xuân Nguyễn, MSSV: 15042211 Tên đề tài ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TRANG TRẠI NUÔI GÀ Nội dung Tìm hiểu mơ hình trang trại ni gà thực tế Tìm hiểu thiết bị ,cảm biến nhiệt độ, độ ẩm Tìm hiểu phương pháp điều khiển , xây dựng mơ hình trang trại gà Tạo giao diện hình HMI phần mềm NEXTION EDITOR Truyền nhận liệu từ Arduino lên hình HMI Nghiên cứu phương pháp điều khiển qua Internet thơng qua máy tính Kết Xây dựng phương pháp điều khiển giám sát thông qua hình cảm ứng HMI Hồn thành giao diện máy tính, giám sát điều khiển thiết bị Internet thông qua máy tính i Giảng viên hướng dẫn Tp HCM, ngày tháng năm 20 Sinh viên ii NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN iii - MỤC LỤC PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i  NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN iii  MỤC LỤC iv  DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ .vii  CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1  I.  ĐẶT VẤN ĐỀ 1  II.  MỤC TIÊU 1  III.  NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2  IV.  BỐ CỤC 3  CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU TRANG TRẠI NUÔI GÀ VÀ INTERNET OF THINGS 4  I.  Giới thiệu trang trại nuôi gà: 4  1.  Thực mơ hình ni gà Việt Nam 4  2.  Ưu điểm so với phương pháp nuôi gà truyền thống 5  II.  Nền tảng Internet of Things 5  1.  Internet of Things gì? 5  2.  IOT từ góc nhìn kỹ thuật 6  3.  Ứng dụng IoT 11  4.  Chuẩn giao tiếp UART 16  5.  Giao thức MQTT 18  6.  Công nghệ WiFi 24  7.  Lập trình Node-red 32  iv 8.  Lưu trữ đám mây 34  CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU VỀ HMI, LINH KIỆN VÀ MODULE SỮ DỤNG 37  I.  Giới thiệu HMI 37  1.  HMI gì? 37  2.  Các thiết bị HMI truyền thống 38  3.  Các thiết bị HMI đại 38  4.  Vị trí thành phần HMI hệ thống tự động hóa đại 39  5.  Màn hình HMI UART 40  II.  Module Arduino 41  1.  Giới thiệu Arduino 41  2.  Arduino Mega 2560 42  3.  Cấu trúc phần cứng 42  4.  Chuẩn giao tiếp 45  III.  Module ESP8266 ESP-12E NODEMCU 46  IV.  Cảm biến 48  1.  DHT 22 48  2.  Cảm biến Ánh sáng 49  3.  Cảm biến siêu âm HY-SRF05 50  4.  Cảm Biến nước mưa (Rain Water Sensor ) 51  V.  Module thời gian thực RTC DS1307 52  VI.  Module TB6600 53  CHƯƠNG 4: THI CÔNG 57  I.  Sơ đồ kết nối phần cứng nguyên lý hoạt động cảu hệ thống 57  1.  Sơ đồ kết nối phần cứng 57  v 2.  II.  Nguyên lý hoạt động hệ thống 60  Code chương trình 60  1.  Code chương trình Arduino 60  2.  Code chương trình ESP8266 85  III   Thiết kế giao diện hình HMI 88  1.  Cách tạo giao diện HMI phần mềm Nextion Editor 88  2.  Bảo mật hình HMI 93  3.  Chế độ điều khiển AUTO, MANUAL cài đặt thời gian 99  4.  Lưu đồ giải thuật 106  VI   Ứng dụng điều khiển qua máy tính 108  1.  Lập trình Node-red 108  2.  Thiết kế ứng dụng 109  CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 116  CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 118  I.  Kết luận 118  II.  Hướng phát triển 118  TÀI LIỆU THAM KHẢO 119  PHỤ LỤC 120  vi DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 2.1 – Các khía cạnh IoT 7  Hình 2.2 – Mơ tả tổng quan hệ thống IoT 7  Hình 2.3 – Các thiết bị khác mối quan hệ với đối tượng thực 8  Hình 2.4 – Ứng dụng SmartHome 11  Hình 2.5 – Internet cơng nghiệp 13  Hình 2.6 – IoT với nơng nghiệp 14  Hình 2.7 – Thành phố thông minh 15  Hình 2.8 – Ứng dụng IoT chăn nuôi, sản xuất nông trại 16  Hình 2.9 – Khung truyền tín hiệu UART 17  Hình 2.10 – Kiến trúc mức cao MQTT 19  Hình 2.11 – Ứng dụng MQTT 22  Hình 2.12 – Điện toán đám mây 35  Hình 3.1 – HMI gì? 37  Hình 3.2 – HMI Scada System 39  Hình 3.3 – HMI Nextion Editor 41  Hình 3.4 – Arduino Mega 2560 44  Hình 3.5 – Mở rộng cánh cửa với IoT 45  Hình 3.6 – ESP 8266 47  Hình 3.7 – Sensor DHT22 48  Hình 3.8 – Module cảm biến ánh sáng 49  Hình 3.9 – Cảm biến siêu âm HY-SRF05 51  Hình 3.10 – Cảm biến mưa 52  Hình 3.11 – Module thời gian thực RTC DS1307 53  Hình 3.12 – IC TB6600 hãng Toshiba 53  Hình 3.13 – Sơ đồ nguyên lý mạch TB6600 54  Hình 3.14 – Bên IC 74HC14 54  vii Hình 3.15 – Bên IC 6N137 (trái) IC PC817 (phải) 55  Hình 3.16 – Sơ đồ kết nối module TB6600 với Arduino động bước pha.56  Hình 4.1 – Sơ đồ kết nối phần cứng 57  Hình 4.2 – Sơ đồ chân kết nối điều khiển 58  Hình 4.3 – Sơ đồ mạch vẽ phần mềm Altium 59  Hình 4.4 – Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống 60  Hình 4.5 – Giao diện phần mềm Nextion Editor 89  Hình 4.6 – Tùy chọn độ phân giải hình HMI 90  Hình 4.7 – Thêm Fonts chữ cho ứng dụng 91  Hình 4.8 – Điều chỉnh thơng số cho đối tượng 91  Hình 4.9 – Tùy chọn thêm trang cho ứng dụng 92  Hình 4.10 – Thiệt lập kiện 92  Hình 4.11 – Lưu đồ giải thuật chế độ bảo mật HMI 93  Hình 4.12 – Thiết lập kiện cho nút 94  Hình 4.13 – Giao diện nhập mật sai 95  Hình 4.14 – Giao diện nhập mật 96  Hình 4.15 – Giao diện đổi mật 97  Hình 4.16 – Thiết lập giao diện nhập mật 98  Hình 4.17 – Giao điện chế độ điều khiển AUTO 100  Hình 4.18 – Giao diện chế độ MANUAL 102  Hình 4.19 – Giao diện chế độ cài đặt theo 104  Hình 4.20 – lưu đồ giải thuật chế độ Auto 106  Hình 4.21 – Lưu đồ giải thuật chế độ Time 107  Hình 4.22 – Lưu đồ giải thuật chế độ giám sát HMI 108  Hình 4.23 – Lưu đồ giải thuật điều khiên giám sát qua Node-red 109  Hình 4.24 – Cài đặt truy cập vào node-red 110  Hình 4.25 – Giao diện phần mềm node-red 111  Hình 4.26 – Điều chỉnh thơng số cho nút nhấn 112  Hình 4.27 – Thiết lập thông số cho khối input Firebase LIGHT 113  Hình 4.28 – Thiệt lập thơng số khối output Firebase 113  viii Hình 4.29 – Thiết lập cho khối input MQTT nhận tín hiệu 114  Hình 4.30– Thiết lập thơng số cho khối MQTT fan 114  Hình 4.31 – Giao diện điều khiển Node-red 115  Hình 4.32 – Giao diện giám sát Node-red 115  Hình 5.1 – Mơ hình điều khiển giám sát trang trại gà 116  Hình 5.2 – Giao diện điều khiển máy tính 117  Hình 6.1 – Lưu đồ giải thuật chế độ chống trộm bơm tự động 120  Hình 6.2 – Trang trại gà Texas - Mỹ 120  Hình 6.3 – Van nước thức ăn cho gà 121  Hình 6.4 – Bồn thức ăn trang trang trại gà 121  ix Khóa luận tốt nghiệp Hồ Quang Duy – Nguyễn Xuân Nguyễn Hình 4.21 – Lưu đồ giải thuật chế độ Time 107 Khóa luận tốt nghiệp Hồ Quang Duy – Nguyễn Xuân Nguyễn Hình 4.22 – Lưu đồ giải thuật chế độ giám sát HMI VI Ứng dụng điều khiển qua máy tính Lập trình Node-red Node-RED dựa Node.js, xem web server mà bạn cấu hình tùy chỉnh chức gọi “flow” từ trình duyệt máy tính Mỗi ứng dụng Node-RED bao gồm node liên kết với với dạng input, output operation 108 Khóa luận tốt nghiệp Hồ Quang Duy – Nguyễn Xuân Nguyễn Thiết kế ứng dụng Hình 4.23 – Lưu đồ giải thuật điều khiên giám sát qua Node-red Bước 1: Tải ứng dụng trang chủ node-red https://nodered.org Tại trang chủ ta chọn Documentation -> Getting Started -> Windows để cài đặt chạy máy chủ theo hướng dẫn 109 Khóa luận tốt nghiệp Hồ Quang Duy – Nguyễn Xuân Nguyễn Hình 4.24 – Cài đặt truy cập vào node-red Bước 2: Truy cập vào địa http://127.0.0.1:1880/ hình để vào ứng dụng thiết kế Tại đây, giao diện node-red cho phép ta tạo đối tượng thao tác kéo thả chuột cơng cụ u cầu tốn thực tế:  Ta tạo nút nhấn ON,OFF để điều khiển chế độ đèn, quạt, kéo rèm chế độ cho ăn  khối input firebase để nhận tín hiệu từ tài khoản firebase truyền xuống 110 Khóa luận tốt nghiệp Hồ Quang Duy – Nguyễn Xuân Nguyễn  khối output mqtt để truyền truyền liệu (ở ESP8266), khối input mqtt để nhận liệu (nhiệt độ, độ ẩm) lên giao diện node-red  khối smooth, chart, gauge để tạo biểu đồ cho node-red  khối output firebase để truyền liệu nhiệt độ độ ẩm lên tài khoản firebase Hình 4.25 – Giao diện phần mềm node-red Bước 3: cài đặt, điều chỉnh thống số  Nút nhấn FAN, LIGHT, CURTAIN, FEED: Chú ý: với nút nhấn ta đặt tên khác Payload (để arduino nhận xữ lý) Ở ta quy định:  Nút nhấn FAN, LIGHT, CURTAIN, FEED TRUE, FASE 111 Khóa luận tốt nghiệp Hồ Quang Duy – Nguyễn Xuân Nguyễn Hình 4.26 – Điều chỉnh thông số cho nút nhấn  Cài đặt khối Input Firebase: 112 Khóa luận tốt nghiệp Hồ Quang Duy – Nguyễn Xuân Nguyễn Hình 4.27 – Thiết lập thông số cho khối input Firebase LIGHT  Khối ouput Firebase cho Temperature Humidity Hình 4.28 – Thiệt lập thông số khối output Firebase  Khối input Mqtt: Cài đặt cho khối mqtt nhận liệu nhiệt độ, độ ẩm từ ESP8266 truyền lên Nodered 113 Khóa luận tốt nghiệp Hồ Quang Duy – Nguyễn Xuân Nguyễn Hình 4.29 – Thiết lập cho khối input MQTT nhận tín hiệu  Khối output mqtt: Cài đặt cho khối output mqtt Fan, Light, Curtain, Feed Hình 4.30– Thiết lập thơng số cho khối MQTT fan 114 Khóa luận tốt nghiệp Hồ Quang Duy – Nguyễn Xuân Nguyễn Ở ta sữ dụng sever miễn phí google cung cấp: “broken.hivemq.com:1883” Bước 4: Nhấn Deloy để hoàn thành, vào http://127.0.0.1:1880/ui để vào giao diện bên Hình 4.31 – Giao diện điều khiển Node-red Hình 4.32 – Giao diện giám sát Node-red 115 Khóa luận tốt nghiệp Hồ Quang Duy – Nguyễn Xuân Nguyễn CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Hình ảnh mơ hình hồn thiện gồm tủ điều kiển mơ hình: Hình 5.1 – Mơ hình điều khiển giám sát trang trại gà 116 Khóa luận tốt nghiệp Hồ Quang Duy – Nguyễn Xuân Nguyễn Hình 5.2 – Giao diện điều khiển máy tính Kết đạt được:  Điều khiển giám sát qua hình HMI: xây dựng giao diện điều khiển đơn giản dễ sữ dụng, cài đặt giám sát nhiệt độ, độ ẩm hiển thị hình HMI Điều khiển tốt thiết bị đèn, quạt, rèm, động kéo rèm, van thức ăn Cài đặt thời gian mở van thức ăn xác  Điều khiển giám sát qua máy tính thơng qua wifi: Tốt ổn định Tuy nhiên phụ thuộc nhiều vào đường truyền mạng Internet, có chậm trễ việc truyền liệu từ Web Sever xuống từ phía hệ thống lên Web Server Nhóm đánh giá hệ thống đạt yêu cầu với mục tiêu đề Mơ hình có tính thẩm mỹ, an tồn dễ sử dụng Sau thời gian test thử, mạch cho thấy ổn định Tuy nhiên số hạn chế cần khắc phục muốn đưa hệ thống vào thực tế như: tốc độ điều khiển phản hồi cịn chậm, hệ thống web bảo mật chưa cao, tượng nhiễu sai sót q trình thi cơng mạch in hàn linh kiện 117 Khóa luận tốt nghiệp Hồ Quang Duy – Nguyễn Xuân Nguyễn CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI I Kết luận Sau thời gian tìm hiểu, nghiên cứu thực mơ hình, nhiệm vụ đề tài hoàn thành Trong thời gian thực đề tài, chúng em gặp nhiều khó khăn Bằng cố gắng nhóm, học hỏi từ Thầy Cơ, bạn bè, đặc biệt nhiệt tình giúp đỡ thầy Th.S Nguyễn Đức Toàn động lực giúp nhóm hồn thành đề tài khố luận tốt nghiệp, nhóm đạt yêu cầu đặt ban đầu thiết kế thi cơng mơ hình điều khiển giám sát trang trại gà, điều kiển giám sát thơng qua hình HMI qua website ứng dụng Android Đề tài hoàn thành nhiệm vụ đặt ban đầu:  Tìm hiểu mơ hình trang trại ni gà thực tế  Tìm hiểu thiết bị ,cảm biến nhiệt độ, độ ẩm  Tìm hiểu phương pháp điều khiển , xây dựng mơ hình trang trại gà  Thiết kế giao diện cho hình HMI, đưa thông số nhiệt độ, độ ẩm đo từ cảm biến hiển thị lên hình HMI, chế độ bật tắt trực tiếp thiết bị thông qua hình cảm ứng HMI, chế độ cài đặt tự động hoạt động tốt ổn định  Thiết kế hệ thống truyền nhận liệu lên Web Server để điều khiển giám sát thiết bị thơng qua máy tính  Thi cơng hồn thiện mơ hình tủ điều khiển II Hướng phát triển Iot công nghệ tương lai Việc phát triễn hệ thống ứng dụng với IoT cần thiết đời sống sản xuất, giảm sức lao động người giảm chi phí đầu tư phát triễn chăn nuôi, đem lại chất lượng, hiệu xuất cao Để đảm bảo ổn định, độ bền tình thực tế mơ hình sản phẩm, nhóm tiếp tục phát triển hệ thống như: 118 Khóa luận tốt nghiệp Hồ Quang Duy – Nguyễn Xuân Nguyễn – Thêm cảm biến mực nước để nước bơm vào bồn chứa cách tự động – Thêm mạch cảm biến ánh sáng để bật tắt đèn trời tối, đảm bảo cho gia cầm phát triển tốt – Thêm chế độ chống trộm camera quan sát để đảm bảo an toàn TÀI LIỆU THAM KHẢO   (1) Giới thiệu ESP8266 https://iotmaker.vn/nodemcu.html (2) Hmi gì? https://hmivietnam.com/hmi-la-gi/ (3) Thơng số loại cảm biến https://iotmaker.vn/cam-bien-anh-sang-quangtro.html (4) Cộng đồng Arduino Việt Nam, “Giới thiệu Arduino Mega2560”, 28/11/2015, http://arduino.vn/bai-viet/542-gioi-thieu-arduino-mega2560 (5) Diễn Đàn Vi Điều Khiển, “Bài 8: Giao Tiếp UART”, 17/09/2012, http://mcu.banlinhkien.vn/threads/bai-8-giao-tiep-uart.28/ (6) Samuel, “Modbus-Master-Slave-for-Arduino”, 30/07/2016, https://github.com/smarmengol/Modbus-Master-Slave-for-Arduino (7) Lập trình kéo thả với Mit App Inventor https://vngiotlab.github.io/vbluno/vi/mydoc_mobile_tut3_vi.html (8) Ứng dụng IoT https://techmaster.vn/posts/34394/iot-giao-thuc-mqtt-vaung-dung-trong-iot (9) Giới thiệu Node-red https://nodered.org/ 119 Khóa luận tốt nghiệp Hồ Quang Duy – Nguyễn Xuân Nguyễn PHỤ LỤC Hình 6.1 – Lưu đồ giải thuật chế độ chống trộm bơm tự động Hình 6.2 – Trang trại gà Texas - Mỹ 120 Khóa luận tốt nghiệp Hồ Quang Duy – Nguyễn Xuân Nguyễn Hình 6.3 – Van nước thức ăn cho gà Hình 6.4 – Bồn thức ăn trang trang trại gà 121 ... pháp điều khiển giám sát, sử dụng hình điểm để điều khiển giám sát hệ thống Thiết kế hệ thống giám sát nhiệt độ, độ ẩm cho trang trại gà, điều kiển thiết bị điện thông qua hình cảm ứng HMI điều khiển. .. khóa luận ? ?Điều khiển giám sát trang trại gà? ?? thơng qua hình HMI ứng dụng IoT để điều khiển giám sát từ xa thơng qua Internet II MỤC TIÊU Tìm hiểu phương pháp điều khiển trang trại gà, xây dựng... có nhiều trang trại phát triển theo xu hướng tự động hóa việc nuôi giám sát trại gà Để bắt kịp xu hướng đó, chúng tơi tiến hành nghên cứu hệ thống điều khiển giám sát trại nuôi gà sử dụng HMI