THIẾT KẾ VƯỜN THÔNG MINH DỰA TRÊN OPENHAB

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN VIỄN THÔNG -o0o - ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ VƯỜN THÔNG MINH DỰA TRÊN OPENHAB GVHD: TS Lê Đăng Quang SVTH: Lê Hồ Bảo Anh Nguyễn Trần Quốc Thái TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG NĂM 2017 1410070 1413528 Lời cảm ơn GVHD: TS Lê Đăng Quang LỜI MỞ ĐẦU Ngày giới với phát triển mạnh mẽ khoa học – công nghệ góp phần giúp chất lượng sống người khơng ngừng nâng cao Thêm vào xâm nhập trực tiếp internet vào sống ngày nhiều Nhu cầu người ngày cao đưa đến thách thức liên quan đến việc quan sát, nhận biết, xử lí tự động liệu online cách hiệu Từ thực tiễn đó, kích thích tị mị, tìm hiểu người, nguồn cảm hứng cho ứng dụng thông minh đời Là sinh viên khoa điện trường đại học Bách Khoa Hồ Chí Minh, với kiến thức học với mong muốn tìm hiểu thử sức thiết kế đề tài hay thú vị việc thực thi nhu cầu người thông qua mạng Internet Đề tài “Vườn thông minh” mà em chọn cho đồ án môn học giúp ích cho người việc quan sát, kiểm tra từ đưa cảnh báo thực thi nhu cầu người sử dụng cụ thể áp dụng nông nghiệp có tính qui mơ lớn Trong q trình thực báo cáo mình, em cố gắng để hoàn thành cách tốt Nhưng với kiến thức non nớt thực nên khó tránh khỏi sai sót mong thầy đóng góp để đề tài em hồn thiện Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Lê Đăng Quang nhiệt tình quan sát, giúp đỡ hướng dẫn em qua yêu cầu đề tài Em xin chân thành cảm ơn! Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng năm 2017 Sinh viên Lê Hồ Bảo Anh Nguyễn Trần Quốc Thái i Đồ án môn học SVTH: Lê Hồ Bảo Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái TĨM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án trình bày cách thức thực ứng dụng quản lý "vườn thông minh" sử dụng OpenHAB Trong đồ án chúng em chi tiết phần cài đặt, thiết kế thực phần cứng, thiết kế thực phần mềm cách thiết lập sử dụng đề tài Cụ thể phần cài đặt nêu phần mềm cần download cài đặt, phần cứng nêu phần lý thuyết cách kết nối chúng, thiết kế thực phần mềm gồm sơ đồ khối code (được liệt kê đầy đủ phần phụ lục) Đề tài cho phép người sử dùng theo dõi yếu tố thời tiết hệ thống tự điều chỉnh người dùng tự điều chỉnh theo ý muốn, kèm theo khả tưới nước theo cách: tay, hẹn đặt lịch tưới cụ thể ii Đồ án môn học SVTH: Lê Hồ Bảo Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái MỤC LỤC GIỚI THIỆU 1.1 Tổng quan .1 1.2 Nhiệm vụ đề tài 1.3 Phân chia công việc nhóm LÝ THUYẾT THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN CỨNG 19 THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN MỀM 22 KẾT QUẢ THỰC HIỆN 25 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 26 6.1 Kết luận 26 6.2 Hướng phát triển 26 TÀI LIỆU THAM KHẢO 26 PHỤ LỤC 27 iii Đồ án môn học SVTH: Lê Hồ Bảo Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái DANH SÁCH HÌNH MINH HỌA Hình 5-1 Kết thi cơng Error! Bookmark not defined Hình 5-2 Kết mơ Error! Bookmark not defined No table of figures entries found iv Đồ án môn học SVTH: Lê Hồ Bảo Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái DANH SÁCH BẢNG SỐ LIỆU Bảng Thông số hệ thống Error! Bookmark not defined v Đồ án môn học SVTH: Lê Hồ Bảo Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái GIỚI THIỆU 1.1 Tổng quan Trong năm qua, việc trồng thực phẩm khu vực thành thị trở thành xu hướng tồn cầu, tiếp tục phát triển Nó trở nên đại, tạo thành xu thế, khẳng định tương lai thực phẩm, thương hiệu làm vườn thông minh xuất nhanh hết Những lợi ích mà vườn thơng minh mang lại khơng thể phủ nhận:  Hoạt động hiệu - Với giúp đỡ nông nghiệp thông minh, người ta sản xuất chí nhiều gấp 100 lần thực phẩm so với canh tác truyền thống (mỗi mét vng) Làm có thể? Hầu hết trang trại đô thị thiết kế theo chiều dọc, cho phép để phát triển sản phẩm nhiều cấp độ - Thời tiết có tác động nhiều làm giảm suất năm định Nhưng hệ thống nông nghiệp thông minh, thời tiết yếu tố thực nhỏ đối Hình 1.1: Tăng suất cách trồng với sản xuất lương thực thường diễn nông trại thẳng đứng nhà dựa vào hệ thống nước lắp đặt bao gồm ánh sáng nhân tạo chất dinh dưỡng có sẵn đất thông qua hệ thống đo dưỡng chất, độ PH, độ ẩm  Tình hình tài bền vững - Hầu hết hệ thống làm vườn thông minh tiết kiệm nước, lượng khơng gian đáng kể Nếu nói hệ thống canh tác đô thị Click & Grow, họ sử dụng khoảng 90% nước lần không gian hơn, so sánh với canh tác truyền thống Nhiều Đồ án môn học SVTH: Lê Hồ Bảo Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái người đầu tư trang trại thị tốn Trên thực tế, trang trại thị với $ 500 tiền đầu tư "hồn vốn" năm - Bên cạnh đó, tiền đầu tư khơng lãng phí, mang lại nhiều hiệu mặt tài chính, giúp tài bền vững Điều chứng minh việc tiết kiệm nước, điện khơng gian Ngồi cịn góp phần bảo vệ mơi tường sống chẳng hạn làm giảm phát triển hạn hán, xói mòn đất vấn đề tương tự  Hạn chế sử dụng chất hóa học thực phẩm - Nông nghiệp thông minh buộc nông dân phải trồng trồng cách có kiểm sốt có ý thức hơn, dẫn đến việc trồng đơn mà không cần đầu tư thêm Làm có thể? Lý nơng dân buộc phải sử dụng thuốc trừ sâu hóa học để đảm bảo sản lượng tốt yếu tố môi trường tác động xấu Hình 1.2: Hệ thống canh tác truyền trồng Như đề cập trên, thời thống sử dụng nhiều chất hóa học tiết, yếu tố môi trường giảm xuống tối thiểu nơng nghiệp thơng minh, khơng có nhu cầu thực sử dụng chất điều chỉnh tăng trưởng hóa học  Cải thiện khơng gian sống, cung cấp lương thực quanh năm có cấu hình đơn giản - Nơng nghiệp thơng minh áp dụng nhiều nơi, kể nơi có diện tích hạn chế, sử dụng nhà Việc áp dụng nông nghiệp thông minh nhà cho phép bạn tự quản lý “Vườn thơng minh” mình, điều chỉnh hợp lý cho loại trồng mà chủ nhà áp dụng… Từ đó, việc sử dụng lương thực cụ thể rau, củ… khơng cịn điều khó khan “vườn thơng minh” bạn có Hình 1.3: Canh tác thực phẩm nhà thể cung cấp lượng rau củ quanh năm Bên cạnh Đồ án môn học SVTH: Lê Hồ Bảo Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái đó, việc đầu tư lắp đặt vơ đơn giản đem lại hiệu vô to lớn a Tình hình nghiên cứu ngồi nước: Có thể nói Israel, Singapore Nhật Bản quốc gia tiên phong phát triển nông nghiệp cao với cơng nghệ chăm sóc trồng vơ độc đáo hệ thống tưới nhỏ giọt, hệ thống tưới phun sương, hệ thống tưới phun mưa, hệ thống tưới cảnh quan hệ thống thủy canh trồng không dùng đất Và gần hướng đến nhu cầu trồng diện tích nhỏ hẹp nên có thêm giải pháp trồng rau xanh nông trại thẳng đứng " Verical farm " xu hướng quan tâm nhiều nơi vừa tận dụng tối đa diện tích canh tác, vừa cho rau với sản lượng lớn, phục vụ nhu cầu cho nhiều hộ gia đình Tóm lại, nước ngồi áp dụng hình thức "Vườn thơng minh" từ lâu cho nhiều nơi ứng dụng chí cịn sử dụng hộ gia đình nhỏ Chính tiện lợi mà đem lại nên dần trở thành ứng dụng phổ biến toàn giới Hình 1.4: Trang trại thẳng đứng Nhật Bản Đồ án môn học SVTH: Lê Hồ Bảo Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái b Tình hình nghiên cứu nước: Nước ta thuật ngữ nông nghiệp đại khơng cịn xa lạ với nhiều người chi phí đầu tư hệ thống chăm sóc tự động cao phải nhập chu yếu từ nước ngồi, dẫn đến việc nhân rộng mơ hình chưa phô biến, hạn chế hệ thống chăm sóc tự động chủ yếu hướng tới đối tượng người dùng phải có diện tích trồng rộng lớn, chưa trọng đến thị trường người dùng có diện tích trồng eo hẹp Trong nước có nhiều nghiên cứu hệ thống tưới tự động kỹ sư Vi Tồn Nghĩa 2013, sau hàng loạt cơng trình nghiên cứu hệ thống trồng điều khiển từ xa, hệ thống trồng tự động hướng đến phân khúc người sử dụng có quỹ tích eo hẹp Nhưng hạn chế nghiên cứu chưa tận dụng hạ tầng internet có để mở rộng người dùng với hệ thống trồng có giám sát tự động từ xa, hướng đến người dùng có diện tích trồng eo Hình 1.5: Hệ thống tưới tự động hẹp, khơng có thời gian chăm sóc có kỹ sư Vi Tồn Nghĩa vườn au an tồn cho riêng Từ đánh giá trên, chúng em định làm hệ thống quản lý “Vườn thơng minh” với tính đáp ứng nhu cầu người sử dụng 1.2 Nhiệm vụ đề tài  Yêu cầu: Đề tài cần có yêu cầu sau:  Xây dựng hệ thống nhỏ gọn hoạt động ổn định  Hệ thống có giao diện hợp lý, bắt mắt dễ dàng thao tác với người sử dụng  Thích ứng với nhiều loại cảm biến sử dụng rộng rãi Đồ án môn học SVTH: Lê Hồ Bảo Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái 3.3 Sơ đồ thiết kế phần cứng Hình 3.2: Schematic  Cảm biến DHT11 dùng để xác định giá trị nhiệt độ, độ ẩm, hoạt động nguồn 5V, chân liệu nối vào chân digital số Arduino  Quang trở LDR1 dùng để xác định giá trị điện trở theo ánh sáng, hoạt động nguồn 5V, tín hiệu nối vào chân analog A5  Các đèn led tượng trưng cho công tắc, switch: - D3 nối vào chân digital số Arduino dùng để kiểm tra, thực thi hoạt động bật tắt - D2 nối vào chân digital số Arduino dùng để kiểm tra, thực thi hoạt động bật tắt - D1 nối vào chân digital số Arduino, thực thi bật tắt theo giá trị quang trở 20 Đồ án môn học SVTH: Lê Hồ Bảo Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái 3.3 Layout 21 Đồ án môn học SVTH: Lê Hồ Bảo Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN MỀM 4.1 Các vấn đề thiết kế:   Yêu cầu đặt cho phần mềm (ghi rõ cụ thể độ tin cậy cao, thời gian đáp ứng nhanh, giao diện dễ sử dụng…) o Phần mềm phải đáp ứng nhu cầu người sử dụng o Những ứng dụng phải phù hợp với thực tế o Viết ứng dụng giao diện phải hợp lí dễ dàng thao tác cho người sử dụng Phân tích: Muốn đạt yêu cầu cần thiết lập số o Muo 22 Đồ án môn học  SVTH: Lê Hồ Bảo Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái Lưu đồ giải thuật tổng quát (ghi rõ thơng điệp truyền máy tính ar ) Phía Arduino: Start Kết nối MQTT Kết nối Nhận tín hiệu điều Gửi trạng thái Đọc gửi giá trị khiển thực thi LED, Bơm, đèn nhiệt độ, độ ẩm, chuông báo động quang trở Hình 4.1: Lưu đồ giải thuật bên phía Arduino 23 Đồ án môn học SVTH: Lê Hồ Bảo Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái Phía OpenHab: Start Kết nối MQTT Nhận giá trị nhiệt độ, Nhận giá trị Switch độ ẩm, quang trở Cập nhật giá trị, Xử lí tính tốn để Xuất giao diện cập nhật biểu đồ đưa tín hiệu hỗ trợ tính tốn xuất giao diện điều khiển Truyền tín hiệu điều khiển Arduino Hình 4.2: Lưu đồ giải thuật bên phía OpenHAB 24 Đồ án môn học  SVTH: Lê Hồ Bảo Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái Lưu đồ giải thuật chi tiết Bật đèn theo cảm biến ánh sáng Bật cảnh báo dựa vào cảm biến nhiệt độ Tưới nước set tay tự động hẹn tắt Tưới nước theo lịch trình đặt sẵn theo tuần KẾT QUẢ THỰC HIỆN - Người dùng chạy ứng dụng nhiều thiết bị từ smartphone, máy tính bảng máy tính cá nhân Theo đó, người dùng quản lý hệ thống vườn từ xa thông qua kết nối Internet đâu Trong phần báo 25 Đồ án môn học SVTH: Lê Hồ Bảo Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái cáo chúng em xin trình bày thơng qua máy tính cá nhân ( chạy OpenHAB windows) - Những tính Smart Garden vận hành tự động bán tự động, bao gồm: Điều khiển hệ thống trực tiếp từ thiết bị di động máy tính, theo dõi điều kiện trồng (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng,…) thông qua biểu đồ ( theo giờ, ngày, tháng ), cảnh báo có cố gây nguy hại cho vườn khả tưới nước bán tự động (điều khiển tay bật tắt ), hẹn tưới tưới theo điều kiện mơi trường ( có thẻ độ ẩm nhiệt độ) - Mơ hình sản phẩm bao gồm arduino kết nối với ethernet shield kết nối với máy tính cá nhân, cảm biến Từ dễ dàng thao tác tính KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận 6.2 Hướng phát triển TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu số trang web tham khảo: [1] https://community.openhab.org/ trang web mã nguồn mở để chia đoạn code thực thi cho tính OpenHAB 26 Đồ án mơn học SVTH: Lê Hồ Bảo Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái PHỤ LỤC CÁC BƯỚC CÀI ĐẶT PHẦN MỀM ĐỂ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI I CÀI ĐẶT MOSQUITO Mosquito MQTT broker nguồn mở, đóng vai trị trung gian giúp cho chương trình thiết bị dễ dàng trao đổi data với Data truyền nhận thông qua channel (hay gọi topic) Với channel ta gửi data tới kí nhận liệu gửi tới CHUẨN BỊ - File cài đặt mosquito: Tải theo đường link https://mosquitto.org/download/ Sau tải win32.exe - Tải thư viện để cài đặt 27 Đồ án môn học SVTH: Lê Hồ Bảo Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái  Tải OpenSSL địa chỉ:  Tải pThreads địa chỉ: ftp://sources.redhat.com/pub/pthreads-win32/dlllatest/dll/x86/ CÀI ĐẶT - Cài đặt file mosquito vừa download bên - Copy thư viện pthreadVC2.dll vừa tải, thư viện libeay32.dll đường link http://www.dlldownloader.com/libeay32-dll/ (chọn win phù hợp tải) thư viện ssleay32.dll đường link https://www.dll-files.com/ssleay32.dll.html sau copy hết vào thư mục vừa cài đặt OpenSSL 28 Đồ án môn học - SVTH: Lê Hồ Bảo Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái Cài đặt lại mosquito (vẫn sử dụng file tải về) KIỂM TRA HOẠT ĐỘNG CỦA MOSQUITO - Mở cửa sở command window: gõ vào dòng lệnh netstat –an - Kiểm tra kết quả, kết hình thành cơng Có thể tham khảo video từ Youtube để cài đặt theo đường link: https://www.youtube.com/watch?v=daDuAZBgSDc 29 Đồ án môn học II SVTH: Lê Hồ Bảo Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái DOWNLOAD VÀ CÀI ĐẶT MỘT SỐ PHẦN MỀM HỖ TRỢ KHÁC JAVA Java ngôn ngữ lập trình Platform Xét ngơn ngữ lập trình, Java ngơn ngữ lập trình có tính bảo mật cao, hướng đối tượng, bậc cao mạnh mẽ Bất môi trường phần cứng phần mềm mà chương trình chạy biết đến Platform Java gọi Platform Đối với OpenHAB cần có cài đặt java 1.7 cao để làm việc Tiến hành download Java từ địa https://java.com/en/ tiến hành cài đặt OPENHAB CORE RUNTIME - Đây chương trình để chạy openhab, hiển thị trạng thái,… OPENHAB DESIGNER - Đây phần mềm dùng để thiết kế giao diện người dùng, cách thức truyền nhận data, quản lý phần tử truyền nhận, rule chạy cho hệ thống mà người dùng muốn thiết kế CÁC RÀNG BUỘC III THIẾT LẬP OPENHAB BẰNG OPENHAB DESIGNER Tạo file openhab.cfg có định dạng tương tự openhab_default.cfg thư mục configurations Openhab 30 Đồ án môn học SVTH: Lê Hồ Bảo Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái Tiến hành khởi động openHAB-Designer  tìm mở mục configuration openhab CẤU HÌNH MQTT BINDING - Tạo file config cho OpenHab từ file config_default.cfg sửa lại: sudo cp /opt/openhab/configurations/openhab_default.cfg/opt/openhab/configurations/openhab.cfg sudo nano /opt/openhab/configurations/openhab.cfg - Trong cửa sổ editor, scroll xuống phần MQTT Transport section (trong mục Transport Configurations), bỏ qua phần MQTT Persistence Tìm đến dịng .url .retain, bỏ dấu # đầu dòng sửa thành: mqtt:mymosquitto.url=tcp://localhost:1883 mqtt:mymosquitto.retain=true - Thốt lưu lại CẤU HÌNH CÁC THIẾT BỊ (ITEMS) VÀ GIAO DIỆN (SITEMAP) CHO OPENHAB a Demo.items  Items file chứa danh sách thiết bị mà OpenHAB điều khiển theo dõi, bao gồm đèn báo hiệu cảm biến nhiệt độ độ ẩm  Ta cần phải tạo file demo.items thư mục OpenHAB  Tiếp đó, sửa dòng lệnh thiết lập item file demo.items b Default.sitemap  File dùng để thiết lập cấu hình dành cho giao diện OpenHAB, nói thứ tương tác người sử dụng sản phẩm, cần phải thiết kế hợp lý c Demo.rules  Thiết lập rule để thực chức sản phẩm ví dụ cảnh báo, tưới… tương tác thông qua giao diện 31 Đồ án môn học SVTH: Lê Hồ Bảo Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái Các bước thiết lập MQTT để demo sản phẩm: 1) Kết nối phần cứng: theo lý thuyết gắn cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 vào chân arduino, dùng cáp RJ45 để kết nối ethernet shield laptop 2) Mở phần mềm viết code cho arduino, kiểm tra code, verify sau upload lên board Kiểm tra kết nối serial cách vào tools->port Sau mở “Serial Moniter” 3) Mở MQTTlens, ứng dụng cài chorme 4) Trong thư mục Openhab chạy start.bat, bên cạnh mở http://192.168.100.17:8080/openhab.app xem kết hiển thị “Serial Moniter” Điều chỉnh chế độ hoạt động giao diện openhab IP xem gói tin chuyển MQTTlens *Nếu sau kết nối hết mà “Serial Moniter” Failed to connect tắt Windows Firewall controlpanel IV ĐĂNG KÍ CÁC MẪU TIN TỪ BROKER  Sử dụng MQTTlens làm công cụ để quan sát giá trị gửi từ websever xuống arduino hay từ arduino lên websever 32 Đồ án môn học SVTH: Lê Hồ Bảo Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái  Tiến hành cài đặt MQTTlens trình duyệt Chrom  Sau cài đặt tiến hành chạy MQTTlens  Chọn add a connection cài đặt hình với - Connection name client ID tùy ý - Địa địa IP máy tính  Sau lưu lại T a t h i ế t l ậ p  Thành công nhận biểu tượng hình  Bắt đầu đăng kí mẫu Topic sử dụng thiết kế này: localnet/openHAB/devices/# ( Để đăng kí nhận giá trị điểu khiển Led từ trang openHAB) openhab/himitsu/humidity (Để đăng kí nhận giá trị độ ẩm từ arduino gửi lên) openhab/himitsu/temperature (Để đăng kí nhận giá trị nhiệt độ từ arduino gửi lên) 33 Đồ án môn học SVTH: Lê Hồ Bảo Anh – Nguyễn Trần Quốc Thái 34 ... trình làm việc với OpenHab dễ dàng thuận tiện 2.2.2 OpenHAB designer - Là phần mềm hỗ trợ cho việc thiết lập: - trang mạng cho openHAB với địa - Giao diện openHAB - MQTT cho openHAB - Các giao... thiết kế CÁC RÀNG BUỘC III THIẾT LẬP OPENHAB BẰNG OPENHAB DESIGNER Tạo file openhab. cfg có định dạng tương tự openhab_ default.cfg thư mục configurations Openhab 30 Đồ án môn học SVTH: Lê Hồ Bảo... khởi động openHAB- Designer  tìm mở mục configuration openhab CẤU HÌNH MQTT BINDING - Tạo file config cho OpenHab từ file config_default.cfg sửa lại: sudo cp /opt /openhab/ configurations /openhab_ default.cfg/opt /openhab/ configurations /openhab. cfg