ĐỀ TÀI HỆ THỐNG TƯỚI NƯỚC THÔNG MINH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH *** BÁO CÁO ĐỒ ÁN ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG TƯỚI NƯỚC THÔNG MINH GVHD: PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN SVTH: LÊ THỊ CẨM THI MSSV:15141288 NGUYỄN VĂN VỸ MSSV: 15141336 TP Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2019 Mơ Hình Hệ Thống Tưới Thông Minh NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN Xác nhận giáo viên I Mơ Hình Hệ Thống Tưới Thơng Minh LỜI CẢM ƠN Nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cô Phạm Hồng Liên thầy cô Khoa Điện - Điện tử hướng dẫn tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện để nhóm hồn thành đề tài Đồng thời nhóm gửi lời đồng cảm ơn đến bạn bè chia sẻ trao đổi kiến thức kinh nghiệm quý báu thời gian thực đề tài nhóm Cảm ơn thành viên nhóm ln động viên giúp đỡ trình thực đề tài Trong q trình nghiên cứu thực đề tài, nhóm em khơng tránh khỏi sai sót Nhóm em mong bạn góp ý để nhóm hồn thiện Nhóm em xin chân thành cảm ơn! Nhóm thực đề tài II Mơ Hình Hệ Thống Tưới Thơng Minh DANH SÁCH HÌNH Hình 1-1 Vườn rau gia đình .1 Hình 3-1 Sơ đồ khối Hình 3-2 Sơ chân NodeMCU Hình 3-3 Module cảm biến độ ẩm đất Hình 3-4 Đầu dị cảm biến độ ẩm đất Hình 3-5 Module chuyển đổi cảm biến độ ẩm đất Hình 3-6 cảm biến siêu âm SRF05 Hình 3-7 LCD 16 X 10 Hình 3-8 Module I2C .11 Hình 3-9 Adaper 5V-1A 11 Hình 3-10 động mini 12V-60W 12 Hình 3- 11 Modeule Relay 5V hai kênh 13 Hình 3-12 App Blynk .15 Hình 3-13 ThingSpeak .16 Hình 3-14 Lưu đồ hệ thống 17 Hình 3-15 Sơ đồ nguyên lí mạch .22 Hình 3-16 Mơ hình thử nghiệm .23 III Mơ Hình Hệ Thống Tưới Thơng Minh MỤC LỤC NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN I LỜI CÁM ƠN II DANH SÁCH HÌNH .III MỤC LỤC IV Chương 1: GIỚI THIỆU 1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI: .1 1.2 ĐẶC TẢ VẤN ĐỀ Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .2 Chương 3: THIẾT KẾ 3.1 ĐẶT TẢ YÊU CẦU THIẾT KẾ HỆ THỐNG: 3.2 ĐẶC TẢ HỆ THỐNG 3.2.1 Sơ đồ khối: 3.2.2 Khối xử lý trung tâm .5 3.2.3 Khối cảm biến khoảng cách 3.2.4 Khối cảm biến khoảng cách 3.2.5 Khối hiển thị 10 3.2.6 Khối nguồn: 11 3.2.7 Khối động 12 3.2.8 App Blynk .14 3.2.9 ThingSpeak: 16 3.3 KIẾN TRÚC HỆ THỐNG: 17 3.4 THIẾT KẾ CHI TIẾT: 22 3.5 THỰC HIỆN MẪU THỬ NGHIỆM (Prototype): .23 IV Mơ Hình Hệ Thống Tưới Thơng Minh 3.6 KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ .23 3.7 KẾT LUẬN 23 TÀI LIỆU THAM KHẢO 24 V Mơ Hình Hệ Thống Tưới Thông Minh Chương 1: GIỚI THIỆU 1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI: Hiện nay, cách mạng công nghiệp 4.0 bước vào thời kì chuyển biến tích cực, việc ứng dụng công nghệ kĩ thuật vào nông nghiệp đưọc kéo theo phát triển mạnh Ở Việt Nam, có nhiều gia đình muốn tự tay trồng vườn rau, vườn hoa nhỏ nhà để có rau cho bữa ăn gia đình, khóm hoa trang trí cho nhà Tuy nhiên, tự chăm tưới nước thời gian hay qn Vì lý đó, hệ thống tưới nước thơng minh đời để giải vấn đề Hình 1-1 Vườn rau gia đình Chức hệ thống tưới nước thơng minh: Dùng để quản lí hệ thống tưới nước khu vườn, nông trại, trang trại từ thủ cơng sang tự động hồn tồn phần Tiết kiệm nhân cơng, tăng độ xác, cập nhật nhanh chóng tình trạng yếu tố liên quan đến thời tiết, làm tăng hiệu kinh tế so với phương pháp thủ công diện tích sản xuất Trang Mơ Hình Hệ Thống Tưới Thông Minh 1.2 ĐẶT TẢ VẤN ĐỀ: Hệ thống tưới nước thông minh thực chức theo dõi độ ẩm đất trồng, cập nhật liệu lên web ThingSpeak App Blynk cài đặt Smartphone có kết nối Wifi Hệ thống chế độ tự động tự động bật máy tưới máy bơm ngưỡng (độ ẩm thấp độ ẩm ngưỡng, mực nước thấp mực nước ngưỡng) Ở chế độ điều khiển: điều khiển từ xa thông qua Wifi App Blynk bật tắt động Hệ thống đặt trực tiếp vườn rau hay nông trại người sử dụng Các cảm biến động đặt trực tiếp đất canh tác, chịu tác động trực tiếp yếu tố thời tiết (nắng, mưa, gió), bị phá hoại lồi động vật chuột, gián Yêu cầu chức hệ thống: • Hoạt động ổn định • Bền bỉ với thời tiết, nhỏ gọn tiện lợi cho việc lắp đặt • Đọc liệu độ ẩm cảm biến phải xác so sánh liệu ngưỡng liệu đo phải diễn liên tục • Ln đảm bảo có Wifi • Chống rị điện • Tiết kiệm lượng • Giá thành thấp Đề tài nghiên cứu áp dụng cho vườn rau, vườn hoa trang trại có diện tích nhỏ Hệ thống nghiên cứu phát triển thêm hướng có thêm hệ thống Camera quan sát đối tượng để quan sát xác định thời điểm thu hoạch rau Và phát triển để phù hợp với hệ thống tưới trang trại nơng sản có quy mơ lớn Trang Mơ Hình Hệ Thống Tưới Thơng Minh Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hoạt động ổn định với thời tiết: hệ thống hoạt động tháng mưa kéo dài hạn hán kéo dài hoạt động ổn định: mức độ ẩm ngưỡng tưới, cao dừng Khi chuyển chế độ điều khiển tưới nhận tín hiệu điều khiển từ App Blynk Và không bị ảnh hưởng thời tiết Hệ thống nhỏ gọn để phù hợp với diện tích lắp đặt, thiết kế hộp chứa (bằng gỗ kim loại cách điện)để tăng khả bền bỉ với thời tiết hạn chế cơng từ lồi vật phá hoại Đọc liệu độ ẩm phải xác liên tục: để hệ thống hoạt động có hiệu việc đọc liệu từ cảm biến đo độ ẩm đất phải diễn liên tục để đảm bảo máy tưới hoạt động không dư không chậm trễ, chắn trồng cung cấp đủ nước phù hợp, đảm bảo suất trồng Wifi đủ mạnh để việc điều khiển hệ thống cập nhật liệu lên Sever điện thoại diễn liên tục xác Việc cập nhật liệu xác giúp cho người quản lý khu vườn dễ dàng theo dõi tình hình hoạt động khu vườn đưa điều chỉnh kịp thời cho khu vườn Chống rò điện: hệ thống sử dụng nguồn điện chung với máy tưới 220V môi trường hoạt động trời độ ẩm cao nên dễ xảy cố rò điện nguy hiểm Cần đặt hệ thống cần đặt hợp cách điện, có nắp đậy, vỏ hộp chứa kim loại cần nối đất để chống rò điện Trang Mơ Hình Hệ Thống Tưới Thơng Minh Chương 3: THIẾT KẾ 3.1 ĐẶT TẢ YÊU CẦU THIẾT KẾ HỆ THỐNG: Trong đề tài hệ thống sử dụng mạch vi điều khiển kết hợp cảm biến đo độ ẩm đất mực nước tưới bồn chứa, cập nhật liệu đo lên ThingSpeak để theo dõi, đồng thời sử dụng App Blynk điện thoại để cập nhật liệu từ ThingSpeak điều khiển bật tắt động máy tưới máy bơm nước vào bồn chứa thông qua Wifi Bao gồm nội dung sau: • Trung tâm điều khiển mạch để xử lý thông tin gửi từ cảm biến gửi liệu lên Server Nhận tín hiệu điều khiển từ App điện thoại thông qua Wifi tác động relay để bật/tắt động • Sử dụng cảm biến siêu âm HY-SRF05 để đo mực nước lại bồn chứa Cảm biến đo độ ẩm đất đọc giá trị độ ẩm đất trồng • Hiển thị trạng thái hệ thống lên hình LCD 16x2 • App Blynk hiển thị độ ẩm mực nước bồn chưa, điều khiển bật tắt động từ xa • Tài khoản ThingSpeak để lưu trữ liệu cập nhật • Khi độ ẩm ngưỡng thấp độ ẩm cài đặt hệ thống tự động bật máy tưới • • Sử dụng vườn rau, vườn hoa gia đình diện tích nhỏ Kích thước hệ thống nhỏ, bền bỉ với thời tiết đặt trời, hoạt động ổn định, an tồn Trang Mơ Hình Hệ Thống Tưới Thông Minh 3.1.4 Khối cảm biến khoảng cách: Cảm biến siêu âm SRF05 dùng để xác định khoảng cách phận vi nhỏ Cảm biến cung cấp phạm vi xác tuyệt vời ổn định trình sử dụng, đồng thời dễ dàng kết nối với MCU (Arduino, DSP, AVR, PIC, ARM…) Hình 3-6 cảm biến siêu âm SRF05 Thơng số kĩ thuật: • Điện áp vào: 5VDC • Dịng tiêu thụ : < 2mA • Tín hiệu đầu ra: xung HIGH(5V) LOW(0V) • Khoảng cách đo : 2cm – 450cm • Độ xác : 0.5cm • Góc cảm biến : < 15 độ Trang Mơ Hình Hệ Thống Tưới Thơng Minh 3.1.5 Khối hiển thị: Trong trình hoạt động, để hiển thị nhiệt độ, thời gian, trạng thái động Để thực cơng việc có nhiều thiết bị LCD, Led ma trận Trong báo cáo này,nhóm chọn LCD làm nhiệm vụ hiển thị LCD: Có nhiều loại LCD thị trường phổ biến với loại nhỏ: LCD20X4, LCD16X2 Ở đây,nhóm cần hiển thị khoảng 32 kí tự nên LCD16x2 đáp ứng đủ Vì nhóm khảo sát LCD16x2 LCD có 16 chân (hình 2-8) Hình 3-7 LCD 16 X • Chân cấp nguồn: VSS, VDD, Vo (điều khiển độ tương phản) • Chân RS: Chọn ghi • Chân RW: Chân chọn chế độ đọc ghi • Chân E: chân cho phép chốt xung kí tự • D0-D7: chân liệu • A, K: chân điều khiển đèn • Điều khiển tín hiệu R/S • Điều khiển tín hiệu R/W lên mức 1/0 • Điều khiển tín hiệu E lên mức cao phép đọc liệu • Điều khiển tín hiệu E mức thấp Trang 10 Mơ Hình Hệ Thống Tưới Thơng Minh Chính thơng số nhóm chọn LCD 16x2 để thực nhiệm vụ hiển thị mạch Chỉ cần LCD hiển thị thông tin cần thiết Khi hệ thống hoạt động cần phải biết trạng thái hoạt động động ta dùng led đơn để báo hiệu Để tiết kiệm chân giao tiếp với LCD, em giao tiếp LCD với Arduino theo chuẩn I2C: Hình 3-8 Module I2C 3.1.6 Khối nguồn: Khối nguồn dùng để cung cấp điện cho toàn hoạt động mạch Hệ thống sử dụng đa phần linh kiện điện tử hoạt động với mức điện áp ngõ vào 5V Nên nhóm chọn em chọn Adapter 5V-2A để cung cấp cho hệ thống Hình 3-9 Adaper 5V-2A Trang 11 Mơ Hình Hệ Thống Tưới Thơng Minh 3.1.7 Khối động cơ: Sau nhận tín hiệu điều khiển từ khối điều khiển, động tiến hành tưới xả nước theo thời gian định trước Hình động mini mà nhóm sử dụng để bơm nước Hình 3-10 Động mini 12V-60W Máy có đặc tính sau: • Điện áp 12V • Lưu lượng 1.8lit/phút • Công suất : 60W • Động chổi thay Module relay hai kênh: module relay hai kênh 5V gồm hai relay hoạt động điện áp 5VDC, chịu hiệu điện lên đến 250VAC 10A Modoule relay hai kênh 5V thiết kế chắn, khả cách điện tốt Trên module có sẵn mạch kích relay sử dụng transistor IC cách ly quang giúp cách ly hoàn toàn mạch điều khiển (vi điều khiển) với relay bảo đảm vi điều khiển hoạt động ổn định Có sẵn header tiện dụng kết nối với vi điều khiển Trang 12 Mơ Hình Hệ Thống Tưới Thông Minh Relay hai kênh sử dụng chân kịch mức thấp (0V), có tín hiệu 0V vào chân in relay nhảy qua thường hở relay Ứng dụng với relay module nhiều bao gồm điện DC hay AC Hình 3-11 Module relay 5V kênh 3.1.8 App Blynk: Blynk App điện thoại, cho phép người dùng tạo giao diện điều khiển thiết bị theo ý thích cá nhân Nhóm lựa chọn Blynk số lý sau: • Dễ sử dụng • Đẹp đầy đủ Trang 13 Mơ Hình Hệ Thống Tưới Thơng Minh • Khơng phải lập trình Android hay IOS • Thử nghiệm nhanh chóng, điều khiển giám sát nơi có internet Hình 3-12 App Blynk Cách hoạt động: Blynk thiết kế cho IoT, điều khiển phần cứng từ xa, hiển thị liệu cảm biến, lưu trữ liệu làm vài điều khác thú vị Blynk gồm phần: • Blynk App: cho phép tạo giao diện từ Widget có sẵn • Blynk Server: truyền tải thơng tin Smarthome thiết bị Blynk Server đám mây Blynk cài đặt máy cá nhân Có thể cài đặt Raspberry Pi • Blynk Libraries: thư viện cung cấp kết nối phần cứng đến server, xử lý lệnh đến Trang 14 Mơ Hình Hệ Thống Tưới Thông Minh 3.1.9 ThingSpeak ThingSpeak dịch vụ tảng phân tích IoT cho phép bạn tổng hợp, trực quan hóa phân tích luồng liệu trực tiếp đám mây ThingSpeak cung cấp trực quan hóa liệu thiết bị bạn đăng lên ThingSpeak Với khả thực thi mã MATLAB ThingSpeak, bạn thực phân tích xử lý liệu trực tuyến có ThingSpeak thường sử dụng để tạo mẫu chứng minh hệ thống IoT khái niệm cần phân tích ThingSpeak cloud service cho phép người dùng dễ dàng gửi liệu cung cấp giao diện đồ họa hiển thị liệu thơng qua giao thức HTTP Hình 3-13 ThingSpeak 3-15 3.16 ThingSpeak Trang 15 Mơ Hình Hệ Thống Tưới Thơng Minh 3.2 KIẾN TRÚC HỆ THỐNG: 3.2.1 Lưu đồ hoạt động hệ thống: Hình 3-14 Lưu đồ hệ thống Trang 16 Mơ Hình Hệ Thống Tưới Thơng Minh 3.2.2 Chương trình điều khiển: #define BLYNK_PRINT Serial #include #include #include #include LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 2, 1, 0, 4, 5, 6, 7, 3, POSITIVE); String apiKey = "YQPCB3SKA57IOE9K"; char auth[] = "94c5153820b74aa497d587ca2c299a3d"; const char* ssid = "Network !!!"; const char* password = "le@netw0rk"; int duration=2; const char* server = "api.thingspeak.com int button = 10; int tudongbom = 1; #define TRIG_PIN 16 #define ECHO_PIN #define TIME_OUT 5000 WiFiClient client; int doam,value; long distance; int ttnn = 1; // Chương trình tính khoảng cách float getDistance() { long duration, distanceCm; digitalWrite(TRIG_PIN, LOW); delayMicroseconds(2); digitalWrite(TRIG_PIN, HIGH); delayMicroseconds(10); digitalWrite(TRIG_PIN, LOW); duration = pulseIn(ECHO_PIN, HIGH, TIME_OUT); distanceCm = duration / 29.1 / 2; return distanceCm; } Trang 17 Mơ Hình Hệ Thống Tưới Thông Minh void setup() { Wire.begin(D5,D6); lcd.begin(16,2); lcd.backlight(); lcd.setCursor(0,0); lcd.print("D.AM:"); lcd.setCursor(0,1); lcd.print("M.NUOC:"); Serial.begin(9600); pinMode(A0,INPUT); pinMode(TRIG_PIN, OUTPUT); pinMode(ECHO_PIN, INPUT); pinMode(button, INPUT); Blynk.begin(auth, ssid, password); pinMode(4,OUTPUT); digitalWrite(4,HIGH); pinMode(0,OUTPUT); Blynk.virtualWrite(V5, doam); Blynk.virtualWrite(V6, distance); WiFi.begin(ssid, password); Serial.println(); Serial.println(); Serial.print("Connecting to "); Serial.println(ssid); WiFi.begin(ssid, password); while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) { delay(500); Serial.print("."); } Serial.println(""); Serial.println("WiFi connected"); } void nut_nhan() { int buttonStatus = digitalRead(button); if (buttonStatus == LOW) { Trang 18 Mơ Hình Hệ Thống Tưới Thông Minh ttnn++; if(ttnn==4) { ttnn=1; } } if(ttnn == 2) { digitalWrite(4,LOW); } else if(ttnn == 3) { digitalWrite(4,HIGH); } lcd.setCursor(12,0); lcd.print("cd:"); lcd.print(round(ttnn)); } void loop() { nut_nhan(); long distance = getDistance(); value = analogRead(A0); if (distance = 15 and tudongbom == 1) { digitalWrite(0,LOW); tudongbom = 2; } else if(distance < and tudongbom == 2) { digitalWrite(0,HIGH); } } if (client.connect(server, 80)) { String postStr = apiKey; postStr += "&field1="; postStr += String(doam); postStr += "&field2="; postStr += String(distance); postStr += "\r\n\r\n"; client.print("POST /update HTTP/1.1\n"); client.print("Host: api.thingspeak.com\n"); client.print("Connection: close\n"); client.print("X-THINGSPEAKAPIKEY: " + apiKey + "\n"); client.print("Content-Type: application/x-www-formurlencoded\n"); client.print("Content-Length: "); client.print(postStr.length()); client.print("\n\n"); client.print(postStr); Serial.print(" \n"); Serial.println("Gửi liệu lên thingspeak\n"); Serial.print("Độ ẩm đất: "); Serial.print(doam); Serial.print("%\n"); Trang 20 Mơ Hình Hệ Thống Tưới Thơng Minh Serial.print("Mực nước đo là: "); Serial.print(distance); Serial.println("cm\nĐã gửi liệu lên thingspeak"); } client.stop(); Serial.println("Waiting…"); nut_nhan(); delay(duration*1000); Blynk.run(); } 3.3 THIẾT KẾ CHI TIẾT: Hình 3-15 Sơ đồ ngun lí mạch Trang 21 Mơ Hình Hệ Thống Tưới Thông Minh 3.4 THỰC HIỆN MẪU THỬ NGHIỆM (Prototype): Hình 3-16 Mơ hình thử nghiệm 3.5 KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ • Sản phẩm hoạt động tốt, đáp ứng u cầu • Mạch sau thi cơng chưa đẹp mắt • Mạch đảm bảo u cầu an tồn điện • Tốc độ đáp ứng hệ thống cịn chậm 3.6 KẾT LUẬN: Đây đề tài thơng qua việc tìm hiểu thực hành đề tài chúng em có hội vận dụng kiến thức học vào thực tế, từ rút nhiều kinh nghiệm thực tế Qua đề tài nhóm em có thêm kiến thức bổ ích vào chun ngành học tập mình, hiểu mơn học vi điều khiển, kiến thức lý thuyết thực hành kết hợp lại để giải công việc đặt Tuy nhiên, em gặp nhiều khơng khó khăn như: tài liệu, dung cụ thực hành, kinh nghiệm thực hành, kinh tế… đề tài chưa đạt kết cao ý muốn Trang 22 Mơ Hình Hệ Thống Tưới Thơng Minh TÀI LIỆU THAM KHẢO http://www.nodemcu.com/index_en.html https://thingspeak.com/ http://mlab.vn/20736-huong-dan-su-dung-module-cam-bien-sieu-am-hysrf05.html http://arduino.vn/bai-viet/917-cam-bien-dat-va-nhung-ung-dung-hay-cua-no https://iotmaker.vn/mach-chuyen-doi-i2c-cho-lcd.html https://www.blynk.cc/ Trang 23 ... IV Mơ Hình Hệ Thống Tưới Thông Minh 3.6 KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ .23 3.7 KẾT LUẬN 23 TÀI LIỆU THAM KHẢO 24 V Mơ Hình Hệ Thống Tưới Thơng Minh Chương 1: GIỚI THIỆU 1.1... nước thời gian hay qn Vì lý đó, hệ thống tưới nước thông minh đời để giải vấn đề Hình 1-1 Vườn rau gia đình Chức hệ thống tưới nước thông minh: Dùng để quản lí hệ thống tưới nước khu vườn, nông... phương pháp thủ cơng diện tích sản xuất Trang Mơ Hình Hệ Thống Tưới Thơng Minh 1.2 ĐẶT TẢ VẤN ĐỀ: Hệ thống tưới nước thông minh thực chức theo dõi độ ẩm đất trồng, cập nhật liệu lên web ThingSpeak