Hệ thống nhà kính thông minh

TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: HỆ THỐNG NHÀ KÍNH THƠNG MINH Sinh viên thực : VÕ TRÍ LĨNH Lớp : 52K - ĐTTT Giảng viên hƣớng dẫn : ThS PHAN DUY TÙNG i LỜI NÓI ĐẦU Hiện kết nối thông minh xu hƣớng nghiên cứu phát triển giới nhƣ nhà thông minh, xe thông minh, thành phố thông minh, Trong năm gần đây, nông nghiệp thông minh nhận đƣợc quan tâm nghiên cứu nhà khoa học, lẽ đem lại hiệu kinh tế lớn, giảm sức lao động cho ngƣời, nâng cao suất chất lƣợng sản phẩm Trong nông nghiệp thơng minh, việc sử dụng nhà kính thơng minh để canh tác đƣợc phát triển ứng dụng nhiều nơi giới Tuy nhiên Việt Nam việc tiếp cận với hệ thống nhà kính thơng minh gặp khó khăn, hệ thống phải nhập từ cơng nghệ nƣớc ngồi với giá thành đắt đỏ, việc phát triển ứng dụng gặp khó khăn cơng nghệ, hệ thống chƣa thực phù hợp với điều kiện thực tế Việt Nam Do đồ án lựa chọn đề tài thiết kế hệ thống nhà kính thơng minh, nhằm thiết kế hệ thống nhà kính thơng minh phù hợp với điều kiện thực tế Việt Nam, làm chủ công nghệ, giá thành phù hợp với thực trạng Việt Nam Để hoàn thành đƣợc đồ án này, cần giúp đỡ nhiều đến từ thầy cô, bạn bè, nhà trƣờng Đầu tiên quan trọng nhất, xin đƣợc cảm ơn Ths Phan Duy Tùng PGS.TS Nguyễn Thị Quỳnh Hoa, ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn để đồ án đƣợc hồn thành, ý kiến đóng góp thầy kiến thức quan trọng, tảng kinh nghiệm quý báu để thực đồ án Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến phịng thí nghiệm Nano A0408 - khoa Điện Tử Viễn Thông - Trƣờng Đại học Vinh cho môi trƣờng để nghiên cứu cung cấp số thiết bị để giúp thực trơn tru thử nghiệm Cuối xin cảm ơn đến bạn tôi, ngƣời tạo niềm vui góp ý bổ ích để hồn thành đồ án ii TÓM TẮT ĐỒ ÁN Trong đồ án này, chúng tơi trình bày việc xây dựng hệ thống nhà kính thơng minh để đo đạc, giám sát điều khiển dựa tham số môi trƣờng thực nhƣ nhiệt độ, độ ẩm ánh sáng Đồng thời, tham số điều khiển khống chế phù hợp theo nhu cầu ngƣời sử dụng Việc điều khiển thực từ xa đến hệ thống dựa mơ hình client/server cơng nghệ web Giao thức truyền thông GPRS đƣợc sử dụng để truyền nhận thông tin điều khiển trung tâm với Server Hệ thống nhà kính đƣợc chế tạo thử để điều khiển giám sát tham số vùng theo thời gian thực Kết kiểm tra cho thấy chức độ tin cậy cao hệ thống nhà kính thơng minh xây dựng ABSTRACT In this thesis, we have built the system practically and assist the applicability of such wireless networks through real-side measurements such as temperature, humidity and light Morever, control parameters can be controlled according to user demand The remote controlling can be done based on client server architecture in web technology The communication protocol of GPRS is used to send and receiver data between center controller unit and Server Test setup greenhouse was done to control and monitor temperature, humidity and irradiance in one zone at real time The tested results proved the functionality and reliability of the interligent greenhouse system iii MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU i TÓM TẮT ĐỒ ÁN iii DANH SÁCH HÌNH VẼ vi DANH SÁCH BẢNG BIỂU vii DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT viii PHẦN MỞ ĐẦU .1 CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GSM VÀ GPRS 1.1 Công nghệ GSM 1.1.1 Giới thiệu mạng GSM .2 1.1.2 Cấu trúc mạng GSM 1.1.3 Các ứng dụng GSM 1.2 Mạng truyền số liệu GPRS 1.2.1 Tổng quan GPRS 1.2.2 Cấu trúc mạng GPRS 1.2.3 Các dịch vụ GPRS 1.3 Một số ứng dụng tảng GPRS 1.4 Kết luận chƣơng CHƢƠNG GIỚI THIỆU VỀ PHẦN CỨNG CỦA HỆ THỐNG 2.1 Vi điều khiển PIC18F4520 2.1.1 Tổng quan vi điều khiển PIC18F4520 2.1.2 Sơ đồ cấu trúc ghi PIC18F4520 11 2.1.3 Phần mềm lập trình CCS cho vi điều khiển PIC 12 2.2 Module sim900A 13 2.2.1 Tổng quan module sim900A 13 2.2.2 Ứng dụng module SIM900A 14 2.2.3 Truyền liệu với GPRS tập lệnh AT 15 2.3 Các loại cảm biến 15 2.3.1 Cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm DHT22 15 2.3.2 Module đo cƣờng độ sáng BH1750FVI .17 iv 2.4 Mơ hình Client-Server .19 2.4.1 Tổng quan mơ hình Client-Server 19 2.4.2 Giao thức HTTP TCP/IP 20 2.5 Kết luận chƣơng 21 CHƢƠNG THIẾT KẾ VÀ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ KÍNH THƠNG MINH 22 3.1 Thiết kế hệ thống điều khiển nhà kính thơng minh 22 3.1.1 Xây dựng sơ đồ khối 22 3.1.2 Xây dựng sơ đồ thuật toán 23 3.1.3 Thiết kế mạch nguyên lý mạch in 26 3.1.4 Thiết kế Server – Client .32 3.2 Kiểm tra làm việc hệ thống 35 3.2.1 Kiểm tra hoạt động điều khiển trung tâm .35 3.2.2 Kiểm tra hoạt động phần mềm Server 36 3.3 Phát triển hệ thống 36 3.4 Kết luận chƣơng 36 KẾT LUẬN 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO .39 PHỤ LỤC 40 v DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Hình 1.2 Cấu trúc mạng GSM Cấu trúc mạng GPRS - GSM Hình 2.1 Sơ đồ chân PIC18F4520 Hình 2.2 Hình 2.3 Sơ đồ khối PIC18F4520 11 Cấu trúc ghi PIC18F4520 12 Hình 2.4 Hình 2.5 Sim900A 13 Module SIM900A 13 Hình 2.6 Hình 2.7 Module DHT22 14 Sơ đồ kết nối DHT22 với vi điều khiển .16 Hình 2.8 Hình 2.9 Module BH1750FVI 16 Sơ đồ khối cấu trúc BH1750FVI .18 Hình 2.10 Hình 2.11 Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Sơ đồ kết nối BH1750FVI với VĐK 17 Cấu trúc URL 20 Sơ đồ khối hệ thống 22 Sơ đồ thuật toán cho PIC18F4520 .24 Sơ đồ thuật toán cho Server .25 Mạch nguồn .26 Khối điều khiển trung tâm 26 Hình 3.6 Hình 3.7 Khối đo nhiệt độ - độ ẩm 27 Khối đo cƣờng độ sáng 27 Hình 3.8 Hình 3.9 Hình 3.10 Hình 3.11 Hình 3.12 Hình 3.13 Hình 3.14 Hình 3.15 Khối giao tiếp phím bấm 25 Khối kết nối SIM900A 26 Mạch điều khiển Relay 26 Khối hiển thị LCD .27 Sơ đồ nguyên lý điều khiển trung tâm 27 Sơ đồ mạch in 28 Mạch điều khiển .28 Giao diện đăng nhập hệ thống 33 Hình 3.16 Hình 3.17 Hình 3.18 Hình 3.19 Giao diện điều khiển tay 29 Giao diện điều khiển tự động .30 Giao diện cài đặt chế độ điều khiển tự động 30 Giao diện thống kê .31 vi DANH SÁCH BẢNG BIỂU ảng 2.1 Thông số kỹ thuật PIC18F4520 .9 ảng 2.2 Tập lệnh AT Sim900A 15 ảng 2.3 Thông số kỹ thuật DHT22 .15 ảng 2.4 Thông số kỹ thuật module BH1750FVI 17 vii DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ADC Analog Digital Converter Bộ chuyển đổi tƣơng tự - số ALU Arithmetics Logic Unit Bộ số học logic CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm GPIO General Purpose Input Output Cổng xuất nhập GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ liệu di động gói GSM Global System for Mobile Communication Hệ thống thơng tin di động tồn cầu I/O Input / Output Đầu vào / Đầu IC Integrated Circuit Mạch tích hợp I2C Inter-Integrated Circuit Giao tiếp I2C LCD Liquid Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng PIC Programmable Intelligent Computer Máy tính thơng minh khả trình RAM Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên ROM Read only Memory Bộ nhớ đọc SPI Serial Peripheral Interface Giao thức ngoại vi nối tiếp SMS Short Message Service Dịch vụ tin nhắn ngắn UART Universal Asynchronous serial Reveiver and Transmitter Truyền thông nối tiếp không đồng WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây viii PHẦN MỞ ĐẦU Trong đồ án này, thực thiết kế hệ thống điều khiển giám sát nhà kính bao gồm xây dựng hệ thống cảm biến thu thập liệu, xây dựng mạch điều khiển trung tâm, xây dựng phần mềm điều khiển giám sát từ xa dựa mơ hình ClientServer sử dụng công nghệ GPRS Đầu tiên xây dựng cảm biến, với phát triển nhiều loại cảm biến, cho kết xác, kích thƣớc nhỏ gọn, có khả tích hợp thành module để dễ dàng thay đổi chức năng, giá thành ngày hạ Dựa tiêu chí đó, đồ án sử dụng module DHT22 dùng để đo nhiệt độ độ ẩm, module BH1750FVI dùng để đo cƣờng độ sáng Thứ hai xây dựng mạch điều khiển, với khả điều khiển linh hoạt, tích hợp xử lý, kích thƣớc nhỏ gọn, khả giao tiếp với nhiều loại thiết bị, lựa chọn vi điều khiển PIC18F4520 phù hợp, đồng thời dễ dàng tìm mua với giá thành rẻ Việc điều khiển thiết bị điện lƣới 220V vi điều khiển đƣợc thực thông qua điều khiển chuyển mạch sử dụng Relay Cuối xây dựng hệ thống điều khiển giám sát từ xa, thu thập thống kê liệu thông qua môi trƣờng Internet sử dụng mơ hình Client-Server Module SIM900A có khả kết nối internet thông qua công nghệ GPRS, sử dụng mạng di động GSM phổ biến Việt Nam Việc ứng dụng SIM900A cho ứng dụng ngày đƣợc quan tâm Trong phạm vi đồ án này, hệ thống đƣợc thiết kế phục vụ cho vùng nhà kính sử dụng điều khiển trung tâm Đồ án có cấu trúc gồm chƣơng:  Chƣơng Giới thiệu công nghệ GSM GPRS  Chƣơng Giới thiệu phần cứng hệ thống  Chƣơng Thiết kế phát triển hệ thống điều khiển nhà kính thơng minh CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ CƠNG NGHỆ GSM VÀ GPRS 1.1 Công nghệ GSM 1.1.1 Giới thiệu mạng GSM GSM - Global System for Mobile Communications hệ thống thơng tin di động tồn cầu Dịch vụ GSM đƣợc sử dụng tỷ ngƣời 212 quốc gia vùng lãnh thổ Các mạng thơng tin di động GSM cho phép roaming với máy điện thoại di động GSM mạng GSM khác sử dụng đƣợc nhiều nơi giới Khả phú sóng rộng khắp nơi chuẩn GSM làm cho trở nên phổ biến giới GSM khác với chuẩn tiền thân tín hiệu tốc độ, chất lƣợng gọi Nó đƣợc xem nhƣ hệ thống điện thoại di động hệ thứ hai (second generation, 2G) GSM chuẩn mở, đƣợc phát triển 3rd Generation Partnership Project (3GPP) Đứng phía quan điểm khách hàng, lợi GSM chất lƣợng gọi tốt hơn, giá thành thấp dịch vụ tin nhắn Thuận lợi nhà điều hành mạng khả triển khai thiết bị từ nhiều ngƣời cung ứng Đặc điểm công nghệ GSM:  Cho phép gửi nhận tin nhắn văn ký tự dài đến 126 ký tự  Cho phép chuyển giao nhận liệu, FAX mạng GSM với tốc độ hành lên đến 9600 bps  Tính phủ sóng cao: Cơng nghệ GSM khơng cho phép chuyển giao tồn mạng, mà cịn chuyển giao mạng GSM tồn cầu mà khơng có thay đổi, điều chỉnh Đây tính bật cơng nghệ GSM (dịch vụ roaming)  Sử dụng công nghệ phân chia theo thời gian TDM (Time Division Multiplexing) để chia kênh Full rate 16 kênh Haft rate  Công suất phát máy điện thoại đƣợc giới hạn tối đa watts với băng tần GSM 850/900 MHz tối đa watts với băng tần GSM 1800/1900 MHz  Mạng GSM sử dụng kiểu mã hóa âm để nén tín hiệu âm 3.1KHz mã hóa Kbps (Haft rate) 12 Kbps (Full rate) //=========================================== void GuiSMS() { // disable_interrupts(int_rda); printf("AT+CMGS=\"%s\"",SDT); putc(0x0D);putc(0x0A); delay_ms(3000); printf(SMS);putc(0x1A); // enable_interrupts(int_rda); } //=========================================== void XoaSMS() { char i; disable_interrupts(int_rda); for(i=1;i