đề tài thiết kế và thi công hệ thống giám sát vườn rau thông qua mạng internet

Mục lục LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ: 1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI: 1.3 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI: 1.4 KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ THỰC TRẠNG 1.5 NỘI DUNG CỦA ĐỒ ÁN MÔN HỌC GỒM: CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN VỀ Module Wifi Esp8266: 2.1.1 ESP8266 : 2.1.2 Sơ đồ chân kết nối: 10 2.1.3 Các chế độ hoat động: 11 2.2 Sensor DHT 11: 14 2.3 Tổng Quan Về Arduino: 17 2.3.1 Phần Cứng Của Arduino Uno R3: 18 2.3.3 Thông số kỹ thuật: 21 2.3.4 IC ATmega 328: 21 2.4 Module cảm biến dòng (ACS712): 23 2.4.1 Lý thuyết hiệu ứng Hall: 23 2.4.2Giới thiệu IC cảm biến dòng ASC712: 25 2.5 Cảm biến độ ẩm 27 đất: 2.5.1 LM 393: 30 2.6 LCD16x2 (HD44780) 36 2.6.1 Giới thiệu LCD 36 2.7 Module Relay 39 Kênh: 2.7.1 Giới Thiệu: 39 2.7.2 Sơ đồ nguyên lý mạch relay 41 kênh : 2.7.3 Transistor S8550: 42 2.8 Module BH1750: 43 2.8.1 BH1750: 45 2.9 Máy Bơm Mini 6-12V 47 MB385: CHƯƠNG TÍNH TỐN THIẾT KẾ 48 3.1 Sơ đồ khối: 48 3.2 Chức khối: 48 3.3 Sơ đồ nguyên lý : 49 3.4 Tính tốn thiết kế: 50 3.4.1 Khối nguồn: 50 3.4.2 Khối điều khiển: 50 3.4.3 Khối đóng ngắt: 51 CHƯƠNG LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 53 4.1 Lưu đồ giải thuật: 53 4.2 Lập trình vi điều khiển: 55 4.3 Cài đặt phần mềm Arduino IDE : 59 4.4 PHẦN MỀM BKYNK: 66 CHƯƠNG : KẾT LUẬN 69 5.1 Các vấn đề nghiên cứu làm được: 69 5.2 Tự đánh giá: 69 5.3 Hướng phát triển đề tài: 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 LỜI MỞ ĐẦU Cùng với phát triển ngành điện tử - tin học, công nghệ viễn thông năm qua phát triển mạnh mẽ cung cấp ngày nhiều loại hình dịch vụ đa dạng, an tồn, chất lượng cao, đáp ứng ngày tốt yêu cầu khách hàng Trong xu hướng phát triển hội tụ viễn thông tin học, với phát triển nhanh chóng nhu cầu người dùng dịch vụ đa phương tiện chất lượng cao làm cho sở hạ tầng thông tin viễn thơng có thay đổi lớn cấu trúc Cùng với thực phẩm sạch, sản phẩm mà người quan tâm hàng đầu rau Bên cạnh với gia tăng ô nhiễm đất, nước, hóa chất bảo vệ thực vật, rau xanh có nguy nhiễm độc cao Chưa kể yếu tố nấm, sâu bệnh điều kiện mơi trường bình thường gây hại cho rau gián tiếp tác động xấu đến sức khỏe người tiêu dùng Để cho tự tay trồng quan sát phát triển người bận rộn đảm bảo sức khỏe cho thân nên chúng em chọn đề tài thiết kế thi công hệ thống giám sát vườn rau thông qua mạng internet để làm đồ án tốt nghiệp Trong trình biên soạn, đồ án khơng tránh khỏi có sai sót, em mong góp ý Thầy giáo,Cơ giáo bạn đọc nói chung Em xin gửi lời cảm ơn tới Thầy ThS Trương Ngọc Bảo, em xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Cơ Khoa Cơ điện-Điện tử gia đình hỗ trợ, tạo điều kiện động viên em hoàn thành đồ án CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ: Ngày với phát triển mạnh mẽ ngành khoa học kỹ thuật, cơng nghệ kỹ thuật điện tử mà kỹ thuật tự động điều khiển đóng vai trị quan trọng lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lí, cơng nghiệp, cung cấp thơng tin Do sinh viên chuyên ngành Điện tử - Viễn thông phải biết nắm bắt vận dụng cách có hiệu nhằm góp phần vào phát triển khoa học kỹ thuật giới nói chung phát triển kỹ thuật điện tử nói riêng Bên cạnh cịn thúc đẩy phát triển kinh tế nước nhà Các hệ thống điều khiển từ xa thông qua mạng INTERNET ngày sử dụng phổ biến hệ thống giúp cho thiết bị giao tiếp với mặt liệu Từ yêu cầu thực tế, đòi hỏi ngày cao sống, xu hướng phát triển hội tụ viễn thông tin học, với quan tâm người dùng dịch vụ đa phương tiện chất lượng cao làm cho sở hạ tầng thơng tin viễn thơng có thay đổi lớn cấu trúc Cùng với thực phẩm sạch, vấn đề quan tâm hàng đầu người, vườn Dựa nhu cầu thực tế nhóm em định chọn thực đề tài “ thiết kế thi công hệ thống giám sát vườn rau thông qua mạng internet“ làm đồ án tốt nghiệp Trên thực tế có số sản phẩm tương tự đề tài này, sản phẩm cịn số hạn chế như: Tính linh động sản phẩm, khơng thể điều khiển giám sát từ xa thiết bị vườn, trời mưa tự động bơm nước vào làm úng nước chết, biết bơm có hoạt động khơng, Một mơ hình vườn thông minh thường phải đạt yêu cầu: đo độ ẩm đất, đo nhiệt độ độ ẩm khơng khí, tự bơm nước để tưới cho độ ẩm đất thấp tắt độ ẩm đất cao điều khiển từ xa thơng qua mạng internet,….Hệ thống sản phẩm hoạt động dựa kết hợp hoàn hảo kĩ thuật khí, kĩ thuật điện - điện tử Đảm bảo thực yêu cầu mà mong muốn 1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI: -Áp dụng kiến thức học lý thuyết vào thiết kế mơ hình ứng dụng thực tế +Mọi người cảm thấy yên tâm khu vườn chăm sóc tốt +Tiết kiệm sức lao động +Phát triển hệ thống tư duy, sáng tạo để nghiên cứu, triển khai hệ thống khác phức tạp 1.3 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI: Vì thời gian cho phép thực đồ án tốt nghiệp có hạn 13 tuần nên nội dung đề tài tập trung giải vấn đề sau: -Thiết kế mơ hình vườn thơng minh -Ứng dụng kiến thức học để hệ thống đảm bảo yêu cầu sau: + Đo độ ẩm đất + Đo nhiệt độ độ ẩm khơng khí + Cảm nhận suy giảm ánh sáng +Tự bơm nước để tưới cho độ ẩm đất thấp tắt độ ẩm đất cao + Tự mở đèn cho quang hợp điều kiện ánh sáng không đủ + Có thể điều khiển giám sát từ xa thơng qua internet 1.4 KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ THỰC TRẠNG Rau xanh loại thực phẩm thiếu bữa ăn hàng ngày Chúng chứa nhiều loại vitamin chất dinh dưỡng thiết yếu với sức khoẻ người Ăn nhiều rau xanh cịn giúp bạn ổn định huyết áp, phòng chống bệnh tim mạch giúp thúc đầy trình trao đổi chất thị trường cung cấp nhiều loại rau củ đa dạng, phong phú Tuy nhiên loại rau hầu hết có nguồn gốc khơng rõ ràng, không đảm bảo chất lượng vệ sinh an tồn thực phẩm, người tiêu dùng ln phải đối mặt với loại rau củ có sử dụng dư lượng thuốc bảo vệ thực vật, thuốc kích thích, vi khuẩn, hóa chất gây hại,… Chính nhóm phát triển hệ thống giám sát vườn rau thông qua mạng internet tối ưu với cách tưới nước thông thường, nước ngấm hết xuống đất bốc theo khơng khí, cối khơng thực thụ hưởng được, ta khơng thể kiểm sốt lượng nước mà họ cần tưới cho trồng, tưới q ít, lại q nhiều, đơi khoảng cách tưới đến điểm tắt nước xa, bận việc cần nghỉ ngơi, nghe điện thoại cầm tay, ta để nước chảy tự do, nguồn nước bị thất thoát nhiều Hệ thống thiết kế để đo độ ẩm đất, cảm nhận suy giảm ánh sang, tự bơm nước để tưới cho độ ẩm đất thấp tắt độ ẩm đất cao, tự mở đèn cho quang hợp điều kiện ánh sáng khơng đủ điều khiển giám sát từ xa thông qua internet Qua đó, tự tay trồng quan sát phát triển người bận rộn đảm bảo sức khỏe cho thân, việc kiểm soát lượng nước tiêu thụ rõ ràng, giúp tiết kiệm tối đa nguồn nước, chi phí 1.5 NỘI DUNG CỦA ĐỒ ÁN MÔN HỌC GỒM: - Chương 1: Tổng quan - Chương 2: Cơ sở lý thuyết - Chương 3: Tính tốn thiết kế - Chương 4: Lập trình điều khiển - Chương 5: Kết luận hướng phát triển CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN VỀ Module Wifi Esp8266: 2.1.1 ESP8266 : Module ESP8266 module wifi giá rẻ đánh giá cao cho ứng dụng liên quan đến Interner Wifi ứng dụng truyền nhận sử dụng thay cho module RF khác ESP8266 chip tích hợp cao, thiết kế cho nhu cầu giới kết nối mới, giới Internet of thing (IOT) Nó cung cấp giải pháp kết nối mạng Wi-Fi đầy đủ khép kín, cho phép lưu trữ ứng dụng để giảm tải tất chức kết nối mạng Wi-Fi từ xử lý ứng dụng ESP8266 có xử lý khả lưu trữ mạnh mẽ cho phép tích hợp với cảm biến, vi điều khiển thiết bị ứng dụng cụ thể khác thơng qua GPIOS với chi phí tối thiểu PCB tối thiểu *Các tính chính: - Hỗ trợ chuẩn 802.11b/g/n - Wifi 2.4 GHz ,hỗ trợ WPA/WPA2 - Chuẩn điện áp hoạt động: 3,3V - Có chế độ hoạt động: Client, Access Point, Both Client Access Point - Hỗ trợ chuẩn bảo mật như: OPEN, WEP, WPA_PSK, WPA2_PSK, WPA_WPA2_PSK - Hỗ trợ giao tiếp TCP UDP - Làm việc máy chủ kết nối với máy - LED báo truyền nhận TX/RX 2.1.2 Sơ đồ chân kết nối: Hình 2.2 Sơ đồ chân ESP8266 - RESET: chân reset, tích cực mức thấp [0] - ADC: chân đọc liệu analog - CH_PD: Kích hoạt chip, sử dụng cho Flash Boot updating lại module - GPIO16: Chân I/O - GPIO14: Chân I/O - GPIO12: Chân I/O - GPIO13: Chân I/O - VCC: Nguồn cấp 3.3V - TXD: Chân Tx giao thức UART - RXD: Chân Rx giao thức UART - GPIO4: Chân I/O - GPIO5: Chân I/O - GPIO0: Chân I/O - GPIO2: Chân I/O - GPIO15: Chân I/O - GND: Chân mass 2.1.3 Các chế độ hoat động: Module ESP8266 hoạt động chể độ: TCP Client, TCP server WiFi Access Point * Hoạt động chế độ TCP Client: - Kích hoạt tính đa kết nối: Lệnh: AT+CIPMUX=1 - Nêu rõ kết nối kênh mà muốn kết nối vào (0- 4), loại giao thức (TCP / UDP), địa IP (hoặc tên miền có quyền truy cập DNS) số cổng cách sử dụng CIPSTART Ví Dụ : AT+CIPSTART=4,"TCP","google.com",80 Nếu thành công module trả kết nối : OK Linked - Tiếp theo, cần phải xác định liệu muốn gửi (sau xác định kênh) Ví dụ gửi "GET / HTTP / 1.0 ¥ r ¥ n ¥ r ¥ n", 18 byte: AT+CIPSEND=4,18 Lần này, thay câu trả lời "OK" nhận “ > ” nhắc: - Điều cho thấy mô-đun chờ đợi để gửi 18 byte liệu chút lộn xộn sử dụng hình nối tiếp Arduino phải trao đổi kết thúc dịng module u cầu ("Carriage return only”) máy chủ HTTP mong đợi ("Cả hai NL & CR") Thay đổi thiết lập cho hai NL & CR gửi sau (bạn cần phải nhấn S kết thúc lần thứ hai để gửi dòng sản phẩm máy chủ HTTP dự kiến): GET / HTTP/1.0 - Các mô-đun nên gửi với: 10 BLYNK_WRITE(V3) { int pinValue3 = param.asInt(); // if(pinValue3==1 && aut==0) {digitalWrite(den, LOW);} if(pinValue3==0 && aut==0) {digitalWrite(den, HIGH);} } BLYNK_WRITE(V4) { int pinValue4 = param.asInt(); // if(pinValue4==1) aut=1; else aut=0; } void setup() { pinMode(A0, INPUT); pinMode(A1, INPUT); pinMode(den, OUTPUT); pinMode(bom1, OUTPUT); pinMode(bom2, OUTPUT); digitalWrite(den, HIGH); aut=1; Serial.begin(9600); dht.begin(); // Khởi động cảm biến lcd.begin(16, 2); // khai bao lcd 16x2 delay(10); LightSensor.begin(); LightSensor.SetAddress(Device_Address_H);//Address 0x5C LightSensor.SetMode(Continuous_H_resolution_Mode); //Blynk.begin(auth, wifi, ssid, pass); Blynk.begin(auth, wifi, ssid, pass, "blynk-cloud.com", 8442); timer.setInterval(5000L, myTimerEvent); 58 } void loop() { Blynk.run(); timer.run(); // Initiates BlynkTimer if(doamdat1=20 && aut==1) { digitalWrite(bom1, HIGH); } if(doamdat2=20 && aut==1) { digitalWrite(bom2, HIGH); } if(lx=500 && aut==1) { digitalWrite(den, HIGH); } } 59 4.3 Cài đặt phần mềm Arduino IDE : * Arduino IDE: Arduino IDE phần mềm hỗ trợ phát triển tích hợp (IDE Intergrated Development Environment) có chức dùng để soạn thảo, biên dịch code, kiểm tra lỗi nạp chương trình cho module Arduino mà phần mềm cho phép, (ví dụ: ESP 8266, Arduino Uno…) ngơn ngữ C C++ Một chương trình code viết cho Arduino gọi “sketch” * Cài đặt phần mềm Arduino IDE: Ta truy cập vào trang web http://arduino.cc/en/Main/Software tải chương trình Arduino IDE phù hợp với hệ điều hành máy bao gồm Windown, Mac OShay Linux Đối với Windown có cài đặt (.exe) Zip, Zip cần giải nén chạy chương trình khơng cần cài đặt Sau cài đặt xong giao diện chương trình sau: Hình 4.3 Giao diện phần mềm Arduino IDE - Để tiến hành cài đặt thư viện chức nạp code cho IDE bạn làm sau: Vào File→ Preferences, vào textbox Additional Board Manager 60 URLs thêm đường link sau vào http://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json OK để chấp nhận Hình 4.4 Tiến hành cài đặt Arduino - Tiếp theo vào Tool→Board→Boards Manager 61 - Click Hình 4.5 Chọn Boards Manager cho ESP 8266 Đợi lát để chương trình tìm kiếm Ta kéo xuống click vào ESP8266 by ESP8266 Community, click vào Install Chờ phần mềm tự động download cài đặt Hình 4.6 Cài đặt Board Manager Hình 4.7 Quá trình tải liệu Boards Manager Chọn Board để lập trình cho ESP8266: 62 Kết nối mudule USB-to-UART vào máy tính Vào Tool→Board→NodeMCU 1.0(ESP 12E Module), chọn cổng COM tương ứng với module USB-to-UART tương ứng Hình4.8 Chọn cổng nạp cho ESP 8266 *Chức phím phần mềm Arduino IDE Arduino Toolbar: có số button chức chúng sau: Hình 4.9 Arduino Toollbar Verify : kiểm tra code có lỗi hay khơng Upload: nạp code soạn thảo vào Arduino New, Open, Save:Tạo mới, mở Save sketch Serial Momitor : Dây hình hiển thị liệu từ Arduino gửi lên máy tính Arduino IDE Menu: 63 Hình 4.10 IDE menu File menu Hình 4.11 File menu Trong file menu quan tâm tới mục Examples nơi chứa code mẫu ví dụ như: cách sử dụng chân digital, analog, sensor 64 Hình 4.12 Click example Edit menu Hình 4.13 Edit menu Sketch menu: 65 Hình 4.14 Sketch menu Trong Sketch menu : Verify/ Compile : chức kiểm tra lỗi code Show Sketch Folder : hiển thị nơi code lưu Add File : thêm vào Tap code Import Library : thêm thư viện cho IDE Tool menu Hình 4.15 Tool menu Trong Tool menu ta quan tâm mục Board Serial Port Mục Board : bạn cần phải lựa chọn board mạch cho phù hợp với loại board mà bạn sử dụng Arduino ESP 8266 phải chọn hình: 66 Hình 4.16 Chọn Board Nếu bạn sử dụng loại board khác phải chọn loại board mà có sai code Upload vào chip bị lỗi Serial Port: nơi lựa chọn cổng Com Arduino Khi cài đặt driver máy tính thông báo tên cổng Com Arduino bao nhiêu, ta việc vào Serial Port chọn cổng Com để nạp code, chọn sai khơng thể nạp code 4.4 PHẦN MỀM BKYNK: - Phần mềm Blynk phần mềm thiết kế cho Android, iOS cho khả tự tạo ứng dụng kết nối với board Arduino, Raspberry bo mạch khác để điểu khiển chúng - Blynk giúp bạn điều khiển thiết bị từ xa qua internet, thu thập liệu cảm biến, ảo hóa việc giao tiếp thực nhiều việc khác 67 - Nguyên lý làm việc bạn nhấn nút điều khiển, lệnh truyền server Blynk, sau Blynk gửi lệnh module điều khiển, module sau chạy lệnh gửi lại kết theo quy trình ngược lại nghĩa từ thiết bị gửi server từ server gửi điện thoại bạn - Sử dụng Blynk bạn không cần phải biết viết app cho Android, với thao tác rê thả đối tượng giao diện vài thiết lập xong - Trước biết Blynk, để điều khiển thiết bị qua Internet, phải làm nhiều việc mở port modem nhà, đăng ký dịch vụ tên miền DynDNS, No-IP để tự cập nhật địa IP modem, viết code cho phần cứng, viết ứng dụng cho phần cứng biến phần cứng thành webserver để điều khiển từ trình duyệt web, viết app android hay iOS, tất điều dễ làm nản lịng giai đoạn chưa thực rốt - Bây với Blynk, bạn cần module phần cứng hỗ trợ app xong Bạn điều khiển thiết bị dựa Internet qua mạng LAN, mạng Internet chổ chí 3G, 4G Tất khơng cịn vấn đề, vấn đề lại bạn làm thiết bị để sử dụng vào việc - Blynk hỗ trợ tốt cho hệ phần cứng Arduino Raspberry - HƯỚNG DẪN CÀI ĐẶT: - BƯỚC : Tải ứng dụng BLYNK ANDROID IOS - BƯỚC : Lấy mã AUTH TOKEN - Tạo tài khoản ứng dụng Blynk máy chủ Việt Nam Phần Custom điền (IP: cloud.blynk.vn Port: 8443) - Tạo dự án Sau đó, chọn bảng kết nối mà bạn sử dụng - Sau tạo dự án thành công, bạn cần chép gửi mã xác thực Auth Token qua email tài khoản 68 - Kiểm tra email hộp thư đến tìm mã xác thực Auth Token - BƯỚC : Cài đặt thư viện BLYNK Việt Nam - Tải thư viện Blynk.zip phía - Giải nén thư viện Blynk.zip Bạn thấy thư mục chứa thư viện Blynk - Sao chép thư mục Blynk vào thư viện libraries Arduino IDE (thư mục libraries Arduino IDE Nếu không thấy xin vào phần mềm Arduino IDE: Chọn File -> Preferences (lúc thấy đường dẫn chứa thư viện libraries ) - BƯỚC : Dán mã xách thực AUTH TOKEN Hình 4.17 Giao diện Blynk 69 Hình 4.18 Đăng nhập vào Blyn CHƯƠNG : KẾT LUẬN 5.1 Các vấn đề nghiên cứu làm được: - Nghiên cứu Arduino - Tìm hiểu Bộ thư viện TCP/IP Stack Microchip - Nghiên cứu module ESP8266 - Tìm hiểu thông số thiết bị cảm biến - Lập trình điều khiển Arduino phần mềm Arduino IDE - Xây dựng thành công hệ thống vườn thông minh điều khiển từ xa thông qua internet 5.2 Tự đánh giá: Hệ thống thích hợp với mạng internet tốc độ cao có đường truyền ổn định Khả bảo mật tốt Vì khơng truy cập điều khiển hệ thống tài khoản đăng nhập mật wifi Điểm mạnh mạch truy câp nhanh chóng đường truyền internet ổn định khoảng cách truyền xa Có thể phục vụ lúc nhiều người 5.3 Hướng phát triển đề tài Điều khiển thiết bị qua mạng internet đề tài có nhiều hướng phát triển Việc dừng lại điều khiển giám sát bước khởi đầu cho phát triển lớn như: Điều khiển thiết bị điện dân dụng nhà … Tuy nhiên, với cụ thể đồ án có nhiều giới hạn Với việc sử dụng mạng internet “Lan” để truyền thơng tin qua mạng ta cần khoảng thời gian 70 dài để đóng gói lưu thơng mạng Nếu mạng có nhiều người tham gia nghẽn mạng gói tin phải qua nhiều định tuyến tới đích Do đó, thiết bị địi hỏi thời gian đáp ứng nhanh đề tài khơng đáp ứng toàn diện yêu cầu Tuy nhiên, điều khiển giám sát thiết bị cảm biến chấp nhận 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO TS Lê Tiến Thường (2011), “ Mạch Điện Tử – 2”, NXB Đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh, Trường Đại học Bách Khoa Ts.Nguyễn Hữu Trung (2010) , “ Thiết kế mạch điện tử” , NXB Giáo dục Việt Nam Phạm Quốc Phương -“Vi điều khiển” - Đại học công nghệ tp.HCM 2013 Lê Cảnh Trung - Phạm Quang Huy- “Lập trình điều khiển với Arduino”-NXB Khoa học kỹ thuật 2014 Các nguồn tham khảo internet: - http://arduino.vn - esp8266.vn - hshop.vn - athlsolutions.com - espressif.com 72 ... với thực phẩm sạch, vấn đề quan tâm hàng đầu người, vườn Dựa nhu cầu thực tế nhóm em định chọn thực đề tài “ thi? ??t kế thi công hệ thống giám sát vườn rau thông qua mạng internet? ?? làm đồ án tốt nghiệp... cao + Tự mở đèn cho quang hợp điều kiện ánh sáng không đủ + Có thể điều khiển giám sát từ xa thông qua internet 1.4 KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ THỰC TRẠNG Rau xanh loại thực phẩm thi? ??u bữa ăn hàng ngày... tích, so sánh liệu với ngưỡng thi? ??t lập độ ẩm đất nhiệt độ khơng khí thấp bật bơm, cao ngắt bơm, … + Điều khiển thi? ??t bị vườn qua mạng không dây Internet 49 3.4 Tính tốn thi? ??t kế: 3.4.1 Khối nguồn: