Nghiên cứu thiết kế hệ thống tưới cây qua smartphone

GVHD: ThS.Đinh Hải Lĩnh KS.Nguyễn Thành Trung SVTH: Nguyễn Văn Chính LỜI MỞ ĐẦU Hiện với phát triển xã hội, sống ngày nâng cao việc áp dụng cơng nghệ khoa học kỹ thuật vào đời sống công việc ngày cần thiết Cùng với phát triển ngành khoa học kỹ thuật, công nghệ kỹ thuật điện tử mà đặc biệt kỹ thuật điều khiển tự động đóng vai trị quan trọng lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lý, công nghiêp, nông nghiệp, đời sống, quản lý thông tin Từ trước đến ngành nơng nghiệp lĩnh vực công nghệ Đặc biệt quốc gia phát triển chậm phát triển, nông nghiệp phụ thuộc vào kinh nghiệm người nơng dân đặc tính trồng, thời tiết… Chính vậy, suất hiệu canh tác gần mang tính “may, rủi” Trong đó, trước thách thức biến đổi khí hậu, gia tăng dân số nhanh chóng, vấn đề đảm bảo đủ lương thực thách thức mang tính tồn cầu Cộng thêm nhu cầu tự trồng, tự chăm sóc đảm bảo có thực phẩm xu hướng cư dân thành thị hay khu thị Ngành nơng nghiệp phải tìm kiếm thách thức tốt để gia tăng hiệu sản xuất Cách áp dụng cơng nghệ vào hoạt động sản xuất, canh tác Trên cở sở yêu cầu từ thực tế, cần nắm bắt phát triển không ngừng khoa học – kĩ thuật, tiến công nghệ ý tưởng lạ để ứng dụng vào sống hiệu hơn, bên cạnh sâu xa thúc đẩy phát triển nông nghiệp nước nhà nói chung nơng nghiệp tiểu canh hộ gia đình, khu thị nói riêng,nắm bắt với xu đó, em chọn đề tài: “ Nghiên cứu, thiết kế hệ thống tưới qua Smartphone”để làm đề tài cho đồ án tốt nghiệp đại học sinh viên Hà Nội, tháng năm 2018 Sinh viên thực Nguyễn Văn Chính GVHD: ThS.Đinh Hải Lĩnh KS.Nguyễn Thành Trung SVTH: Nguyễn Văn Chính LỜI CẢM ƠN Kính thưa q thầy cơ! Để hồn thành đồ án tốt nghiệp này, em xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo trường Đại Học Lâm Nghiệp Việt Nam nhiệt tình giảng dạy tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt thời gian vừa qua Em xin chân thành cảm ơn thầy, giáo khoa Cơ Điện- Cơng Trình , đặc biệt làcô giáo giảng viên ThS Đinh Hải Lĩnh thầy giảng viên hướng dẫn KS Nguyễn Thành Trung – người tận tình bảo giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt nghiệp Do kiến thức cịn thiếu xót, hạn hẹp nên khơng tránh khỏi sai sót cách xây dựng thực đồ án tốt nghiệp đại học Em mong nhận thơng cảm đóng góp ý kiến quý thầy cô để em tiếp thu thêm để làm cho đồ án tốt nghiệp đại học em đạt kết tốt Em xin chân thành cảm ơn! GVHD: ThS.Đinh Hải Lĩnh KS.Nguyễn Thành Trung SVTH: Nguyễn Văn Chính NHẬN XÉT (Của giảng viên hướng dẫn) GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN GVHD: ThS.Đinh Hải Lĩnh KS.Nguyễn Thành Trung SVTH: Nguyễn Văn Chính NHẬN XÉT (Của giảng viên phản biện) GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN GVHD: ThS.Đinh Hải Lĩnh KS.Nguyễn Thành Trung SVTH: Nguyễn Văn Chính MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU DANH MụC CÁC HÌNH Vẽ DANH MụC CÁC BảNG PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGUYÊN CỨU 1.1 Vấn đề ứng dụng tưới qua smartphone giới 1.2 Vấn đề ứng dụng tưới qua smartphone Việt Nam 1.3 Mục tiêu đề tài 1.4 Nội dung nghiên cứu 1.5 Đối tượng nghiên cứu 1.6 Phương pháp nghiên cứu PHẦN 2: NỘI DUNG KHÓA LUẬN CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG 1.1 Khái niệm hệ thống tự động 1.2 Vị trí tầm quan trọng hệ thống tự động 1.3 Ứng dụng tự động hóa tưới tiêu trồng 1.4 Một số hệ thống tưới thông minh Việt Nam CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 2.1 Thiết kế khí 2.1.1 Lựa chọn vật liệu thiết kế vỏ hộp bảo vệ 2.1.2 Thiết kế vỏ hộp bảo vệ cho điều khiển 2.2 Thiết kế điều khiển 2.2.1 Thiết kế cấu trúc hệ thống 2.2.2 Các thành phần hệ thống điều khiển 2.2.3 Khối nhập liệu 10 2.2.4 Khối xuất liệu 13 2.2.5 Khối xử lý trung tâm Module ESP8266 13 2.2.6 Khối thiết bị điện van điện từ 17 2.3 Các thành phần linh kiện khác 19 2.4 Xây dựng sơ đồ mạch nguyên lý hệ thống điều khiển tưới 21 GVHD: ThS.Đinh Hải Lĩnh KS.Nguyễn Thành Trung SVTH: Nguyễn Văn Chính 2.4.1 Lựa chọn phần mềm thiết kế 21 2.4.2 Các bước thiết kế mạch nguyên lý hệ thống điều khiển 21 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 26 3.1 Thiết kế phần mềm 26 3.1.1 Lựa chọn phần mềm 26 3.1.2 Cài đặt Arduino IDE cho ESP8266 26 3.1.3 Lưu đồ thuật toán hệ thống điều khiển 28 3.1.4 Chương trình điểu khiển 30 3.1.5 Thực nạp chương trình 32 3.2 Điều khiển qua điện thoại với Blynk 36 CHƯƠNG 4: LẮP ĐẶT VÀ VẬN HÀNH THỬ NGHIỆM 40 4.1 Lắp đặt thiết bị 40 4.2 Vận hành thử nghiệm 42 KẾT LUẬN 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 GVHD: ThS.Đinh Hải Lĩnh KS.Nguyễn Thành Trung SVTH: Nguyễn Văn Chính DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1:Minh họa ứng dụng đại nông nghiệp Hình 2.1: Giao diện làm việc Inventor Hình 2.2: Chọn mặt phẳng vẽ Hình 2.3: Thân hộp bảo vệ Hình 2.4: Nắp hộp bảo vệ Hình 2.5: Sơ đồ khối mạch điều khiển Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc hệ thống tưới qua Smartphone Hình 2.7: Sơ đồ khối biến đổi điện áp Hình 2.8:Sơ đồ chỉnh lưu điện áp hạ áp Hình 2.9: Sơ đồ cấu tạo rơle Hình 2.10:Sơ đồ kết nối relay với transistor loại NPN 10 Hình 2.11: Cảm biến độ ẩm đất 11 Hình 2.12: Bộ chuyển đổi đọc giá trị độ ẩm đất 11 Hình 2.13: Sơ đồ nối chân Cảm biến độ ẩm đất với ESP8266 12 Hình 2.14: Led dùng cho mạch điều khiển 13 Hình 2.15: Một số hình ảnh loại Module ESP8266 14 Hình 2.16: NodeMCU 0.9/ ESP8266v12 14 Hình 2.17: Sơ đồ khối ESP8266 15 Hình 2.18:Chân kết nối ESP8266 16 Hình 2.19: Van điện từ cấu tạo van điện từ 18 Hình 2.20: Hình ảnh cap nối mạch 19 Hình 2.21: Nút ấn 19 Hình 2.22: Cơng tắc bật/tắt 19 Hình 2.23: Ổ cắm nguồn 5V 20 Hình 2.24: Transistor C1815 20 Hình 2.25: Ký hiệu điện trở 20 Hình 2.26: Các loại điện trở có giá trị cố định 21 Hình 2.27: Tạo Project cho Altium 22 Hình 2.28: Tạo Schematic mơi trường vẽ mạch ngun lí mạch in 22 Hình 2.29: Mơi trường vẽ mạch ngun lí 23 GVHD: ThS.Đinh Hải Lĩnh KS.Nguyễn Thành Trung SVTH: Nguyễn Văn Chính Hình 2.30: Sơ đồ mạch ngun lí 23 Hình 2.31: Chuyển sang mơi trường thiết kế mạch in 23 Hình 2.32: Mạch in sau thiết kế 24 Hình 2.33: Mạch in chế độ 3D 24 Hình 2.34: Mạch in thực tế sau thiết kế 25 Hình 3.1:Thêm đường link 27 Hình 3.2: Chọn Board cài đặt 27 Hình 3.3:Cài đặt thư viện ESP8266 cho Arduino IDE 28 Hình 3.4: Chọn board ESP8266 lập trình cho Arduino 28 Hình 3.5: Lưu đồ thuật toán hệ thống tưới qua Smarphone 29 Hình 3.6: Kết nối ESP8266 với máy tính 32 Hình 3.7: Tìm kiếm Device Manager cửa sổ Run 33 Hình 3.8: Giao diện Device Manager 33 Hình 3.9: Kiểm tra cổng kết nối với ESP8266 34 Hình 3.10: Chọn loại mạch ESP8266 phần mềm 34 Hình 3.11: Chọn cổng làm việc cho ESP8266 34 Hình 3.12: Cách xác nhận cổng làm việc phần mềm 35 Hình 3.13: Chọn cách nạp Chip 35 Hình 3.14: Tạo Project Blynk app 36 Hình 3.15: Thêm giao diện thị độ ẩm đất 36 Hình 3.16: Điều chỉnh thơng số cảm biến đất 37 Hình 3.17: Thêm đèn led hiển thị trạng thái bật/tắt tưới 37 Hình 3.18: Thêm nút tưới 38 Hình 3.20: Phần mềm hoàn thành 39 Hình 4.1: Hàn linh kiện 40 Hình 4.2: Hồn thiện mạch điều khiển 40 Hình 4.3: Kết nối ESP8266 40 Hình 4.4: Kết nối rơ le 40 Hình 4.5: Kết nối nút ấn 41 Hình 4.6:Kết nối cảm biến 41 Hình 4.7: Hồn thiện đóng hộp sản phẩm 41 Hình 4.8: Kết sản phẩm sau lắp đặt 41 GVHD: ThS.Đinh Hải Lĩnh KS.Nguyễn Thành Trung SVTH: Nguyễn Văn Chính Hình 4.9:Độ ẩm hiển thị lên Blynk app 42 Hình 4.10: Hiển thị độ ẩm tăng lên sau bật tưới 42 GVHD: ThS.Đinh Hải Lĩnh KS.Nguyễn Thành Trung SVTH: Nguyễn Văn Chính DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Các chân kết nối cảm biến với module ESP8266 12 Bảng 2.2: Tập lệnh AT cho ESP8266 17 3.1.4 Chương trình điểu khiển  Khai báo thư viện cho Arduino:Khai báo thư viện cần có q trình lập trình #include #include #include  Khai báo chân tín hiệu #define BLYNK_PRINT Serial #define SOIL_MOIST_1_PIN A0 // Chân A1 nối với cảm biến độ ẩm #define PUMP_ON_BUTTON D0 //Nút điều khiển tay bơm #define READ_SOIL_HUM_TM 1L //Đọc cảm biến ẩm đất #define DISPLAY_DATA_TM 1L //Gửi liệu lên terminal #define SEND_UP_DATA_TM 1L //Gửi liệu lên blynk  Đặt tên khai báo biến int soilMoist; char auth[] = "0d420a7fb70b4a67af996af395ef02d2"; // Blynk token bạn char ssid[] = "iPhone"; //Tên wifi char pass[] = "03041996"; //Mật // Biến cho timer long sampleTimingSeconds = 50; // ==> Thời gian đọc cảm biến (s) long startTiming = 0; long elapsedTime = 0; // Biến cho timer SimpleTimer timer; // Su dung timer int a; WidgetLED led1(V2); // Nhan tin hieu tu led V2 cua Blynk App WidgetLED led2(V3); // Nhan tin hieu tu led V3 cua Blynk App  Kết nối với Blynk 30 void setup() { Serial.begin(115200);// Mở Serial Blynk.begin(auth, ssid, pass);// Kết nối với Blynk pinMode (D2,OUTPUT);// relay digitalWrite(D2,LOW); } void loop() { Blynk.run(); // Chạy Blynk readSensors();//đọc cảm biến sendUptime(); if(a == 1) { led1.on(); led2.off(); digitalWrite(D2,HIGH); } else {led2.on(); led1.off();digitalWrite(D2,LOW);} /*Serial.print(" %\t"); Serial.print("Do am dat: "); Serial.print(soilMoist); Serial.println(" %");*/ } BLYNK_WRITE(V0) // Điều khiển bơm { a = param.asInt(); } int getSoilMoist(void) { int i = 0; int anaValue = 0; for (i = 0; i < 10; i++) { anaValue += analogRead(SOIL_MOIST_1_PIN); //Đọc giá trị cảm biến độ ẩm đất 31 delay(50); // Đợi đọc giá trị ADC (Tương tự số) } anaValue = anaValue / (i); anaValue = map(anaValue, 1023, 0, 0, 100); //Ít nước:0% ==> Nhiều nước 100% return anaValue; } void readSensors(void) { soilMoist = getSoilMoist(); //Đọc cảm biến độ ẩm đất } void sendUptime() { soilMoist = getSoilMoist(); Blynk.virtualWrite(V1, soilMoist);// gửi giá trị độ ẩm đất lên Blynk } 3.1.5.Thực nạp chương trình Sau hồn thành chương trình giám sát độ ẩm đất phần mềm Arduino IDE thực nạp chương trình vào ESP8266 để hồn thiện Nếu có lỗi lập trình Arduino IDE thông báo cho người sử dụng cách khắc phục từ kiểm sốt cơng việc lập trình Các bước tiến hành nạp chương trình : Bước 1:Kết nối ESP8266 với máy tính dây cáp Hình 3.6:Kết nối ESP8266 với máy tính Bước 2:Tìm cổng kết nối ESP8266 với máy tính 32 Khi ESP8266 kết nối với máy tính, sử dụng cổng COM (Communication port - cổng liệu ảo) để máy tính bo mạch truyền tải liệu qua lại thông qua cổng Windows quản lí đến 256 cổng COM Để tìm cổng COM sử dụng để máy tính ESP8266 giao tiếp với nhau, bạn phải mở chức Device Manager Windows Mở cửa sổ Run gõ lệnh mmc devmgmt.msc Hình 3.7:Tìm kiếm Device Manager cửa sổ Run Sau bấm Enter, cửa sổ Device Manager lên Hình 3.8:Giao diện Device Manager Mở mục Ports (COM & LPT), ta thấy cổng COM CH340 kết nối 33 Hình 3.9:Kiểm tra cổng kết nối với ESP8266 Cổng kết nối COM3 Thông thường, lần kết nối tiếp theo, Windows sử dụng lại cổng COM3 để kết nối nên ta khơng cần thực thêm thao tác tìm cổng COM Bước 3:Cấu hình phiên làm việc cho Arduino IDE Vào menu Tools -> Board -> chọn NodeMCU 0.9 (ESP-12 Module) Hình 3.10:Chọn loại mạch ESP8266 phần mềm Vào menu Tools -> Serial Port -> chọn cổng Arduino kết nối với máy tính Hình 3.11:Chọn cổng làm việc cho ESP8266 34 Xác nhận cổng COM Arduino IDE góc bên phải cửa sổ làm việc Hình 3.12:Cách xác nhận cổng làm việc phần mềm Vào menu Tools -> Programmer -> chọn AVR ISP Hình 3.13:Chọn cách nạp Chip Bước 4: Mở nạp mã nguồn chương trình: Mở chương trình điều khiển sau bấm tổ hợp phím Ctrl + U để tải chương trình lên mạch ESP8266 Arduino IDE xác nhận nạp thành cơng có dịng chữ “Done uploading” Một số lỗi khơng nạp chương trình ta nên kiểm tra cổng COM máy tính xem cài đặt chưa không chọn tên cổng 35 3.2 Điều ều khiển qua điện thoại với Blynk Bước 1: Tạo tài khoản ản Blynk tài khoản Facebook Gmail Bước 2: Tạo project Hình 3.14:Tạo 3.14: Project Blynk app Bước 3: Thêm giao diện ện Gauge -> hiển thị thơng số cảm biến độ ẩm đất Hình 3.15:Thêm 3.15: giao diện thị độ ẩm đất 36 Bước 4: Điều chỉnh thơng số cảm biến độ ẩm đất Hình 3.16:Điều chỉnh thông số cảm biến đất Bước 5: Thêm đèn LED trạng thái bật/tắt tưới Hình 3.17:Thêm đèn led hiển thị trạng thái bật/tắt tưới 37 Bước 6: Thêm nút nhấn điều khiển Hình 3.18:Thêm nút tưới Bước 7: Thêm đồ thị hiển thị thông tin lưu trữ độ ẩm đất Hình 3.19:Thêm đồ thị hiển thị thông tin lưu trữ 38 Kết sau điều chỉnh Hình 3.20:Phần mềm hồn thành 39 Chương LẮP P ĐẶT Đ VÀ VẬN HÀNH THỬ NGHIỆM M 4.1 Lắp đặt thiết bị Sau hoàn thành nạp chương trình cho ESP8266, tác giảả tiến hhành kết nối các linh kiện vàà thiết thi bị lại với để tạo thành sản phẩm hoàn ch chỉnh Bước 1: Hàn linh kiện n vào mạch m Hình 4.1:Hàn linh kiệnHình Hình 4.2:Hồn 4.2: thiện mạch điều khiển Bước 2: Kết nối cảm biến, n, nút ấn, relay ESP8266 với mạch điều khiểển Hình 4.3:Kết 4.3: nối ESP8266Hình 4.4:Kết nối rơ le 40 Hình 4.5:Kết nối nút ấnHình 4.6:Kết nối cảm biến Hình 4.7:Hồn thiện đóng hộp sản phẩm Bước 3: Gắn cố định điều khiển vị trí xác định trước Bước 4: Kết nốibộ biến đổi điện áp 5VDCvào nguồn điện 220VACvới điều khiển Hình 4.8:Kết sản phẩm sau lắp đặt 41 4.2 Vận hành thử nghiệm Bộ sản phẩm thực tế sau chạy thử điều khiển đóng ngắt xác thiết bị điện thành công Khi độ ẩm đất thấp hiển thị lên Blynk app Hình 4.9:Độ ẩm hiển thị lên Blynk app Khi ấn nút ON blynk app bật van tưới -> Đèn xanh báo bật tưới Độ ẩm đất tăng lên Hình 4.10:Hiển thị độ ẩm tăng lên sau bật tưới 42 KẾT LUẬN Trải qua thời gian tìm hiểu nghiên cứu, xây dựng ý tưởng bắt tay thi công.Sinh viên hoàn thành đề tài “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống tưới qua Smartphone” Sản phầm chế tạo thành công chạy thử nghiệm thành công, kết sản phẩm hoạt động đo độ ẩm đất bật/tắt tưới theo tín hiệu hệ thống điều khiển Tuy nhiên điều kiện có hạn nên em thực thiết kế mạch điều khiển bật/tắt tưới theo độ ẩm đất Trên sở sản phầm này, hướng phát triển đề tàicó thể lập trình lên thêm tưới tự động Lập trình điều khiển thêm nhiều thiết bị thiết kế thêm hệ thống quạt thơng gió hay hệ thống đóng rèm tự động nhiệt độ tăng cao độ ẩm tăng cao.Phát triển đề tài giao tiếp với nhiều cảm biến để phát triển thành kit cho thông số cần thiết để nghiên cứu phát triển trồng (cảm biến độ ướt lá, cảm biến xạ mặt trời, pH, tốc độ gió, hướng gió, độ mặn đất ) 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO Internet Of Thing (IoT): cho người bắt đầu, chủ biên sách Phạm Minh Tuấn Lập trình IOT với ARDUINO, TS.Lê Mỹ Hà – KS Phạm Quang Huy, xuất 12/2017, nhà xuất Thanh Niên Lập trình điều khiển với Arduino, Phạm Quang Huy – Lê Cảnh Trung, Nhà xuất Kho học Kỹ thuật http://arduino.vn ESP8266EX Datasheet, http:www.bbs.espressif.com https://esp8266.vn/introduction/esp-module/ http://forumnongnghiep.com/baiviet/5964-He-thong-tuoi-tudong.html?s=&p=11180 http://www.hethongtuoi.vn/xem-video/34/mo-hinh-he-thong-tuoi-tu-dong-tieuchuan.html 44 ... LUẬN Chương TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG 1.1 Khái niệm hệ thống tự động Hệ thống tự động hệ thống bao gồm q trình thu thập thơng tin, xử lý thông tin tác động lên hệ thống để điều khiển... khiển - Kết luận kiến nghị 1.5 Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu hệ thống điều khiển tưới qua Smartphone khu vực trồng nhà haycác khu vườn trồng quy mô vừa nhỏ… 1.6 Phương pháp nghiên cứu  Phương... liệu thiết kế vỏ hộp bảo vệ 2.1.2 Thiết kế vỏ hộp bảo vệ cho điều khiển 2.2 Thiết kế điều khiển 2.2.1 Thiết kế cấu trúc hệ thống 2.2.2 Các thành phần hệ thống