Đồ án nghiên cứu khoa học: Ứng dụng công nghệ cảm biến IoT vào mô hình thủy canh

Mục đích trong nghiên cứu này là hệ thống cảm biến sẽ thu thập thông tin về môi trường như nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất.... từ đó có những điều chỉnh phù hợp với sự phát triển của cây trồng dựa vào chu kỳ sinh trưởng của cây. Dữ liệu thu thập được sẽ được hiển thị qua ứng dụng, giúp người dùng dễ dàng theo dõi được quá trình sinh trưởng của cây.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC TẾ SÀI GỊN NGUYỄN HUY ĐỨC HỒNG THÁI BÌNH PHẠM HOÀNG THIỆN VỸ ĐỒ ÁN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ CẢM BIẾN IOT VÀO MƠ HÌNH THỦY CANH CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÁY TÍNH TPHCM – 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC TẾ SÀI GÒN ĐỒ ÁN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ CẢM BIẾN IOT VÀO MÔ HÌNH THỦY CANH Chun ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH Mã số: 7480101 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: KS.Nguyễn Hoàng Duy SINH VIÊN THỰC HIỆN: Họ tên: Nguyễn Huy Đức - Hồng Thái Bình - Phạm Hồng Thiện Vỹ Mã số sinh viên: 91011901627 - 91012001864 - 81011901640 TPHCM – 2021 i LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đồ án nghiên cứu khoa học với đề tài "Ứng dụng công nghệ cảm biến IoT vào mơ hình thủy canh" Lời chúng em xin bày tỏ lời biết ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Hoàng Duy giúp đỡ tận tình chúng em suốt thời gian qua Hơn nữa, đồ án chúng em khơng thể hồn thành tốt khơng có hỗ trợ sở vật chất Trường Đại học Quốc tế Sài Gòn Thời gian thực ngắn, nhờ hướng dẫn thầy, tạo hội cho em áp dụng tảng môn học ngành khoa học máy tính vào cơng tác nghiên cứu Trong suốt thời gian hồn thành đồ án, em có hội rèn luyện kỹ làm việc nâng cao hiểu biết việc thực viết báo cáo xây dựng chương trình, từ nhận thức rõ tầm quan trọng kiến thức kỹ thực nghiên cứu khoa học ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ iv DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU iv CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Mục đích nghiên cứu 1.3 Đối tượng sử dụng 1.4 Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Công nghệ IoT (Internet of Things) 2.1.1 Khái niệm 2.1.2 Xu hướng tính chất IoT 2.1.3 Sự phát triển Các yếu tố ảnh hưởng đến trồng 2.2.1 Nhiệt độ 2.2.2 Ánh sáng 2.2.3 Nước 2.3 Đề xuất giải pháp 2.4 Ưu điểm giải pháp 2.5 Nhược điểm giải pháp 2.2 CHƯƠNG PHÂN TÍCH THIẾT KẾ 3.1 Sơ đồ giải thuật hệ thống 3.2 Sơ đồ khối hệ thống tưới tự động iii 3.3 Nội dung nghiên cứu 3.4 Xây dựng module thành phần hệ thống CHƯƠNG TÌM HIỂU LINH KIỆN 4.1 4.2 Node MCU ESP 8266 10 4.1.1 Mô tả 10 4.1.2 Thông số kỹ thuật 10 4.1.3 Sơ đồ chân 10 Arduino Uno R3 13 4.2.1 4.3 10 Mô tả 13 Cảm biến độ ẩm đất 14 4.3.1 Mô tả 14 4.3.2 Sơ đồ chân 15 CHƯƠNG GIAO DIỆN HIỂN THỊ CỦA BLYNK 16 5.1 Giới thiệu chung 16 5.2 Cách hoạt động 16 5.3 Cấu hình app Blynk 17 5.4 Ưu điểm Blynk 17 CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 18 6.1 Giao diện hiển thị Blynk 18 6.2 Mơ hình thực tế 19 CHƯƠNG KẾT LUẬN 21 7.1 Kết đạt 21 7.2 Nhược điểm 21 7.3 Hướng phát triển 22 TÀI LIỆU THAM KHẢO 23 iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 2.1 Sự phát triển IoT Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống tưới tự động v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 4.1 Bảng thông số kỹ thuật board Arduino Uno R3 14 Bảng 4.2 Bảng sơ đồ chân cảm biến độ ẩm đất 15 CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Lý chọn đề tài Với phát triển xã hội ngày nay, người ngày vào vịng xốy cơng việc việc chăm sóc vườn rau nhà điều dường bất khả thi Biết điều này, chúng em áp dụng công nghệ IoT giúp việc trồng rau thuận lợi góp phần tăng suất, giảm công sức tiêu tốn để chăm sóc mang lại kết đáng mong đợi, em tìm cách tự động hóa số cơng việc chiếu sáng, tưới nước để tối ưu quy trình sản xuất Việc theo dõi nhiệt độ, độ ẩm, tình trạng thời tiết vườn rau giúp người trồng chủ động định việc chăm sóc vườn cách hợp lý từ xa mà đảm bảo hiệu sản xuất Cách làm tiết kiệm công sức, thời gian lao động đồng thời tăng tính hiệu kinh tế tưới theo lưu lượng định, phù hợp với chu trình sinh trưởng tránh gây lãng phí khơng cần thiết suốt q trình chăm sóc trồng 1.2 Mục đích nghiên cứu Giảm cơng sức, thời gian chăm sóc cho suất vượt trội Hệ thống cảm biến thu thập thông tin mơi trường nhiệt độ, độ ẩm khơng khí, độ ẩm đất từ có điều chỉnh phù hợp với phát triển trồng dựa vào chu kỳ sinh trưởng Dữ liệu thu thập hiển thị qua ứng dụng, giúp người dùng dễ dàng theo dõi trình sinh trưởng 1.3 Đối tượng sử dụng Các hộ gia đình có mơ hình vườn rau quy mơ vừa nhỏ 1.4 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu tiến hành sau : Tìm hiểu cách thức hoạt động board mạch Arduino Tìm hiểu cảm biến cần thiết cách kết nối cảm biến với board mạch để thu thập liệu Xây dựng sơ đồ giải thuật, nguyên lý hoạt động hệ thống dựa vào chu kỳ sinh trưởng trồng yếu tố môi trường thu thập Xây dựng mơ hình thực tế Tiến hành chạy thử đánh giá tính hiệu mơ hình CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Công nghệ IoT (Internet of Things) 2.1.1 Khái niệm Internet Vạn Vật, hay cụ thể Mạng lưới vạn vật kết nối Internet Mạng lưới thiết bị kết nối Internet (tiếng Anh: Internet of Things, viết tắt IoT) khái niệm đưa Kenvin Ashton vào năm 1999 dùng để thiết bị nhận biết tồn chúng khối kiến trúc mang tính kết nối Trong thiết bị, phương tiện vận tải (được gọi "thiết bị kết nối" "thiết bị thơng minh"), phịng ốc trang thiết bị khác nhúng với phận điện tử, phần mềm, cảm biến, cấu chấp hành với khả kết nối mạng máy tính giúp cho thiết bị thu thập truyền tải liệu Ở môi trường này, người, thiết bị hay người gắn với mã số định danh riêng Chúng giao tiếp với qua mã số mà không cần đến tác động người Hiểu cách đơn giản, Internet of Things mơi trường mà vật kết nối với internet "giao tiếp" với Thơng qua đó, người theo dõi, giám sát điều khiển thiết bị thông qua thiết bị thông minh điện thoại di động, máy tính bảng, kết nối với internet 3.3 Nội dung nghiên cứu Nội dung thực đề tài nghiên cứu phân chia theo trật tự định xây dựng dựa tảng kiến thức từ mức độ đơn giản nâng dần phức tạp việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống Các nội dung nghiên cứu đề tài phân chia sau: - Nghiên cứu board mạch Arduino chức liên quan - Nghiên cứu phương thức truyền wifi thông qua ESP8266 - Nghiên cứu loại cảm biến cần thiết phục vụ cho nội dung đề tài - Xây dựng yêu cầu loại trồng khác - Xây dựng việc hiển thị, điều khiển hệ thống từ xa qua app - Tiến hành xây dựng mơ hình thực tế dựa vào nội dung nghiên cứu, xây dựng phát triển 3.4 Xây dựng module thành phần hệ thống Dựa loại cảm biến mục đích đề tài, đề tài chia thành module thành phần sau: - Module thông tin đầu vào thông tin từ cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, - Module thông tin đầu bật/ tắt van nước điện tử dựa vào thông số thu thập cho phù hợp với mục đích - Module điều khiển trung tâm hệ thống Node MCU ESP8266 Arduino - Ứng dụng hiển thị thông tin thu thập module đầu vào để người dùng theo dõi đưa định tương ứng 10 CHƯƠNG TÌM HIỂU LINH KIỆN 4.1 Node MCU ESP 8266 4.1.1 Mơ tả Kít ESP8266 kít phát triển dựa chíp Wifi SoC ESP8266 với thiết kế dễ dàng sửa dụng tích hợp sẵn mạch nạp sử dụng chíp CP2102 borad Bên ESP8266 có sẵn lõi vi sử lý bạn trực tiếp lập trình cho ESP8266 mà khơng cần thêm vi sử lý Hiện có hai ngơn ngữ lập trình cho ESP8266, sử dụng trực tiếp phần mềm IDE Arduino để lập trình với thư viện riêng sử dụng phần mềm node MCU 4.1.2 Thơng số kỹ thuật Ic ESP8266 Wifi SoC Chip nạp CP2102 Nguồn cấp 5vdc GPIO giao tiếp mức logic 3.3v 4.1.3 Sơ đồ chân Có hỗ trợ Flash ngồi 64 Kb RAM thực thi lệnh 96 Kb RAM liệu 64 Kb boot ROM Hỗ trợ WPA/WPA2, Open Netwwork Chuẩn IEEE 802.11 b/g/n , Wifi 2.4 Ghz 11 Tích hợp sẵn giao thức TCP/IP Hỗ trợ kết nối nhiều loại angten Hỗ trợ nhiều giao thức khác nhau: UART, SPI, I2C, PWM Dải nhiệt rộng: -40 oC 125oC 12 13 4.2 Arduino Uno R3 4.2.1 Mô tả Arduino Uno R3 dịng sản phẩm thơng dụng họ Arduino Arduino Uno R3 xây dựng với vi điều khiển trung tâm chip ATMega328 phù hợp với hầu hết ứng dụng điện tử hỗ trợ tồn thư viện lập trình Arduino 14 Bảng 4.1: Bảng thông số kỹ thuật board Arduino Uno R3 Vi điều khiển ATMega328 Điện áp hoạt động 5V DC Xung clock 16 Mhz Dòng tiêu thụ 30 mA Số chân Analog Số chân Digital 14 Bộ nhớ Flash 32KB SRAM 2KB EEPROM 1KB 4.3 Cảm biến độ ẩm đất 4.3.1 Mô tả Cảm biến độ ẩm đất dùng để đo độ ẩm trực tiếp vườn Thông qua độ ẩm thu được, người dùng giám sát, điều chỉnh việc tưới vườn để đảm bảo độ ẩm cần thiết phù hợp với nhu cầu sinh trưởng Độ nhạy cảm biến độ ẩm đất điều chỉnh cách điều chỉnh biến trở màu xanh board mạch Phần đầu dò cảm biến cắm trực tiếp vào đất để đo giá trị Cảm biến độ ẩm đất đo tính tốn phần trăm độ ẩm dựa vào khả dẫn điện đất Module cảm biến độ ẩm đất sử dụng hai chế độ Analog Digital: - Đọc giá trị Digital (đọc chân D0): Khi độ ẩm đạt ngưỡng thiết lập, đầu D0 chuyển trạng thái từ mức thấp lên mức cao - Đọc giá trị Analog (đọc chân A0): Giá trị đầu có điện áp từ – 5V DC tương ứng với độ ẩm từ - 100 15 4.3.2 Sơ đồ chân Bảng 4.2: Bảng sơ đồ chân cảm biến độ ẩm đất Chân VCC Chân cấp nguồn Chân GND Chân nối đất Chân A0 Chân lấy tín hiệu analog Chân D0 Chân lấy tín hiệu digital 16 CHƯƠNG GIAO DIỆN HIỂN THỊ CỦA BLYNK 5.1 Giới thiệu chung Blynk ứng dụng chạy tảng Android IOS thiết kế cho Internet of Things Nó hiển thị liệu cảm biến, điều khiển thiết bị phần cứng từ xa, lưu trữ liệu Hướng đến việc phổ cập IoT, Blynk giải hầu hết vấn đề liên quan đến IoT xây dựng hệ thống hỗ trợ việc kết nối thiết bị lên Internet, kết nối với smartphone thông qua App, quản lý nhiều thiết bị, chia sẻ quyền điều khiển với người, điều khiển thời gian thực, cập nhật lại trạng thái hoạt động Blynk không bị giới hạn phần cứng Thay vào đó, hỗ trợ phần cứng cho người dùng lựa chọn Arduino, ESP8266 hay Raspberry Pi Blynk giúp người dễ dàng thực dự án IoT mà không cần nhiều kiến thức việc lập trình ứng dụng 5.2 Cách hoạt động Blynk hoạt động dựa vào ba phần tảng, là: - Blynk App: Cho phép tạo giao diện App theo Widget khác mà nhà thiết kế chế tạo sẵn - Blynk Server: Chịu trách nhiệm xử lý liệu trung tâm điện thoại thiết bị phần cứng Vì mã nguồn mở, sử dụng Blynk Cloud Blynk cung cấp tự xây dựng máy chủ Blynk riêng - Library Blynk : Hỗ trợ cho hầu hết tảng phần cứng phổ biến, cho phép thiết bị giao tiếp đến máy chủ xử lý tất thông tin đến 17 5.3 Cấu hình app Blynk Việc cấu hình App Blynk thực theo bước sau: - Tạo tài khoản Blynk (có thể dùng Gmail, Facebook ) - Tạo Project - Điền tên Project chọn phần cứng Mỗi Project cung cấp mã Auth Token khác Tiến hành nhập mã Auth Token vào code board mạch điều khiển NodeMCU Sau tiến hành lựa chọn chức Blynk cung cấp sẵn để đưa vào Project tiến hành cấu hình chân, mức logic Sau cài đặt xong điện thoại, ta tiến hành lập trình cho board mạch phần cứng Thư viện Blynk Arduino IDE hỗ trợ nhiều ví dụ cho Blynk để dùng thử tìm hiểu cách thức hoạt động 5.4 Ưu điểm Blynk Khi tiến hành dự án IoT, việc sử dụng Blynk mang lại nhiều ưu điểm, người khơng có kiến thức chuyên sâu lập trình ứng dụng lý sau: - Dễ sử dụng: Việc cài đặt ứng dụng, đăng ký tài khoản Blynk tảng Android IOS hồn tồn miễn phí dễ dàng - Chức phong phú: Blynk hỗ trợ nhiều chức với giao diện đẹp, sinh động Các chức lập trình để dễ dàng cấu hình, kéo thả sử dụng - Đơn giản: Blynk thích hợp với người dùng có kiến thức lập trình ứng dụng cách hạn chế Blynk ứng dụng tuyệt vời giúp người dùng tiếp cận với giới IoT - Dễ dàng điều khiển, giám sát thiết bị: Có thể xem, điều khiển nhiều thiết bị khác cần có Internet với khả đồng hóa trạng thái 18 CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 6.1 Giao diện hiển thị Blynk Giao diện hiển thị với người sử dụng cách trực quan thông số vườn như: nhiệt độ, độ ẩm để từ giám sát đưa định chăm sóc trồng phù hợp Giao diện điều khiển Blynk gồm chế độ chăm sóc trồng thủ cơng tự động Ở chế độ thủ công, ta dùng nút nhấn để điều khiển việc chiếu sáng, tưới nước từ xa Ở chế độ tự động, việc đóng/ mở van nước điện từ để tưới nước vườn thiết lập dựa vào thông số sinh trưởng trồng Ngoài ra, độ ẩm đất vườn 60% van nước điện từ tự động mở để tưới nước cho vườn 19 6.2 Mô hình thực tế 20 21 CHƯƠNG KẾT LUẬN 7.1 Kết đạt Sau thời gian tiến hành nghiên cứu, xây dựng phát triển ý tưởng để hoàn thành nhiệm vụ đề tài, chúng em hồn thành mơ hình hệ thống chăm sóc vườn rau tự động ứng dụng cơng nghệ IoT đáp ứng yêu cầu sau: - Thực việc bật/ tắt hệ thống tưới tự động dựa vào đặc tính loại trồng khác để đảm bảo hiệu sản xuất - Thu thập thông số môi trường cần thiết như: Nhiệt độ, độ ẩm Từ đó, người dùng có điều chỉnh thủ cơng thích hợp với phát triển trồng - Xây dựng sở liệu đặc tính sinh học nhiều loại trồng khác để từ người dùng điều chỉnh cách chăm sóc tự động cho phù hợp với loại khác - Giám sát, điều khiển hệ thống từ xa thông qua apps mobile 7.2 Nhược điểm Ngoài ưu điểm trên, hệ thống tồn vấn đề cần khắc phục để hồn thiện đưa vào áp dụng với quy mô lớn áp dụng thời gian dài Các nhược điểm chủ yếu hệ thống kể đến sau: - Chi phí lắp đặt ban đầu tương đối cao phải lắp đặt thêm hệ thống cảm biến, vi điều khiển để xử lý tín hiệu - Quy trình lắp đặt, vận hành sửa chữa hệ thống có lỗi xảy tương đối phức tạp, đòi hỏi người sử dụng phải có kiến thức định kỹ thuật 22 - Hạn chế sở liệu trồng thông số kỹ thuật cơng bố cịn hạn chế, mang tính định tính nhiều định lượng 7.3 Hướng phát triển Từ kết nghiên cứu xây dựng,đề tài chăm sóc vườn rau bán tự động ứng dụng cơng nghệ IoT phát triển mở rộng ứng dụng với loại trồng lâu năm hay loài hoa màu ngắn ngày Ngoài ra, hệ thống thay loại cảm biến khác nhau, phương thức chăm sóc trồng khác tùy vào hướng đối tượng chăm sóc áp dụng điều kiện môi trường, địa hình, thổ nhưỡng Ngồi ứng dụng nơng nghiệp, cơng nghệ IoT tìm hiểu đồ án cịn ứng dụng lĩnh vực đời sống quản lý đô thị, quản lý chất thải môi trường, quản lý hệ thống giao thông thông minh 23 TÀI LIỆU THAM KHẢO http://arduino.vn/ https://www.arduino.cc/ https://arduinokit.vn/ https://mlab.vn/ https://hshop.vn/ ... DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC TẾ SÀI GÒN ĐỒ ÁN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ CẢM BIẾN IOT VÀO MÔ HÌNH THỦY CANH Chun ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH Mã số: 7480101 GIẢNG VIÊN HƯỚNG... 91012001864 - 81011901640 TPHCM – 2021 i LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đồ án nghiên cứu khoa học với đề tài "Ứng dụng công nghệ cảm biến IoT vào mơ hình thủy canh" Lời chúng em xin bày tỏ lời biết ơn... chăm sóc trồng khác tùy vào hướng đối tượng chăm sóc áp dụng điều kiện mơi trường, địa hình, thổ nhưỡng Ngồi ứng dụng nông nghiệp, công nghệ IoT tìm hiểu đồ án cịn ứng dụng lĩnh vực đời sống quản