Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là xây dựng được một hệ thống IoT trong nông nghiệp có khả năng giám sát nhiệt độ, độ ẩm (thông qua các cảm biến), ổn định điều kiện môi trường (thông qua bơm nước, máy quạt). Hệ thống này cho phép thực hiện các thao tác giám sát – điều khiển trên một App thông qua WiFi.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG VIỆT - HÀN KHOA KỸ THUẬT MÁY TÍNH VÀ ĐIỆN TỬ HỆ THỐNG TƯỚI CÂY THÔNG MINH DỰA TRÊN IOT SỬ DỤNG CẢM BIẾN ĐỘ ẨM CỦA ĐẤT VÀ ESP8266 TĨM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN THÔNG Sinh viên thực : Nguyễn Văn Khít Mã sinh viên : K12C08133 Giảng viên hướng dẫn : TS Phan Thị Lan Anh Khóa đào tạo : 2018 - 2021 Đà Nẵng - 01/2021 LỜI MỞ ĐẦU ĐẶT VẤN ĐỀ Nông nghiệp vấn đề trọng yếu quốc gia việc bảo đảm an ninh lương thực, hai ngành sản xuất vật chất quan trọng kinh tế Là khu vực sản xuất chủ yếu, đảm bảo đời sống cho xã hội, thị trường rộng lớn cung cấp nguyên liệu tiêu thụ sản phẩm kinh tế tích lũy cho cơng nghiệp Việt Nam cịn nước sản xuất chủ yếu nông nghiệp với 66,9% dân số nước tập trung sống vùng nông thôn, lao động nông nghiệp chiếm tới 42% lao động toàn xã hội Ngày nay, nước ta hướng tới xây dựng công nghiệp phát triển, điều mang lại nhiều lợi ích cho đất nước kèm theo nhiều hệ lụy, đặc biệt ô nhiễm môi trường, mảng chịu thiệt hại lớn từ vấn đề ngành nơng nghiệp Bên cạnh đó, nhiều năm qua, sản xuất nơng nghiệp Việt Nam gặp nhiều khó khăn tượng thời tiết cực đoan ngày diễn biến phức tạp ảnh hưởng biến đổi khí hậu tồn cầu, làm ảnh hưởng to lớn đến suất chất lượng sản phẩm từ nơng nghiệp Cùng với đó, việc chuyển dịch cấu kinh tế theo hướng công nghiệp, dịch vu, làm giảm đáng kể nhân lực nông nghiệp, theo nhiều dự báo số lượng tiếp tục gia tăng năm tới, điều đưa tới toán cho việc giải vấn đề nhân lực ngành nơng nghiệp Chính vậy, việc tìm kiếm giải pháp để ổn định nâng cao chất lượng sản phẩm, suất thu hoạch trở thành ưu tiên hàng đầu nhà nước năm qua Do đó, ứng dụng cơng nghệ đưa vào việc chăm sóc, thu hoạch nông nghiệp để khắc phục vấn đề thiên tai, môi trường, tiết kiệm nhân lực, đồng thời gia tăng suất trồng, đơn giản hóa việc quản lý Một ứng dụng công nghệ bật đưa vào nông nghiệp năm gần Internet of thing ( viết tắt IOT) đem lại nhiều kết thành công, áp dụng phổ biến nhiều diện tích canh tác nơng nghiệp, em chọn đề tài “ Hệ thống tưới thông minh dựa IOT sử dụng cảm biến độ ẩm đất esp8266” nhằm có hiểu biết thêm tác động công nghệ tới khả phát triển trồng, quản lý người điều khiển, bên cạnh nghiên cứu thêm ứng dụng công nghệ điện tử đưa vào MỤC ĐÍCH Mục tiêu đề tài xây dựng hệ thống IoT nơng nghiệp có khả giám sát nhiệt độ, độ ẩm (thông qua cảm biến), ổn định điều kiện môi trường (thông qua bơm nước, máy quạt) Hệ thống cho phép thực thao tác giám sát – điều khiển App thông qua WiFi GIỚI HẠN Đề tài: HỆ THỐNG TƯỚI CÂY THÔNG MINH DỰA TRÊN IOT SỬ DỤNG CẢM BIẾN ĐỘ ẨM CỦA ĐẤT VÀ ESP8266 gồm: Kích thước Hệ thống tưới thơng minh dựa IOT sử dụng cảm biến độ ẩm đất Esp8266 : dài 40cm, cao 18cm, rộng 25cm Sử dụng module cảm biến : Module cảm biện độ ẩm đất, module cảm biến nhiệt độ độ ẩm khơng khí để truyền liệu mơi trường đối tượng canh tác vào điều khiển trung tâm Một Esp8266 đóng vai trị làm điều khiển trung tâm Dữ liệu ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm smartphone qua ứng dụng Blynk BỐ CỤC Phần mở đầu - Trình bày, đặt vấn đề dẫn nhập lí chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, giới hạn thông số bố cục đồ án Chương 1: Cơ Sở Lý Thuyết - Trình bày lý thuyết liên quan đến vấn đề mà đề tài dùng để thực thiết kế, thi công cho đề tài Chương 2: Thiết Kế Thi Cơng - Trình bày tổng quan yêu cầu để tài thiết kế tính tốn hệ thống bao gồm sơ đồ nguyên lý toàn mạch phần hệ thống Chương 3: Kết Quả, Nhận Xét Đánh Giá - Trình bày kết thi cơng phần cứng kết hình ảnh hình hay mơ tín hiệu, kết thống kê Chương 4: Kết Luận Hướng Phát Triển - Trình bày kết trình nghiên cứu làm đề tài bao gồm thời gian nghiên cứu, kết đạt được, nhận xét, đánh giá đề tài tính ứng dụng đề tài thực tiễn - Trình bày kết đạt so với mục tiêu đề ban đầu, nhận xét đánh giá kết đạt đề tài nghiên cứu Hướng phát triển đề tài sau trình nghiên cứu CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 ỨNG DỤNG CỦA IOT TRONG NÔNG NGHIỆP 1.1.1 Giới thiệu Từ lần đầu giới thiệu cách gần 20 năm, ứng dụng IOT mảng công nghệ phát triển cách mạng cơng nghiệp 4.0, xuất tác động tích cực tới ngành, lĩnh vực có ngành nơng nghiệp.Ứng dụng IOT nơng nghiệp góp phần tạo nên mơi trường sản xuất động, khoa học giải phóng sức lao động, tăng suất, mang lại hiệu kinh tế cao, giúp nâng cao tính chuyên nghiệp cải thiện mặt cho cho nông nghiệp tương lai gần Hình 1.1 Minh họa IOT nơng nghiệp 1.1.2 Cấu trúc hệ thống ứng dụng công nghệ IOT 1.2 CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU, CHUẨN KẾT NỐI 1.2.1 Chuẩn giao tiếp UART 1.2.2 MQTT (Message Queue Telemetry Transport) 1.3 GIỚI THIỆU VỀ ỨNG DỤNG BLYNK Blynk ứng dụng chạy tảng iOS Android để điều khiển giám sát thiết bị thông qua internet Blynk không bị ràng buộc với phần cứng cụ thể cả, thay vào đó, hỗ trợ phần cứng cho bạn lựa chọn Arduino, Raspberry Pi, ESP8266 nhiều module phần cứng phổ biến khác Hình 1.6 Kết nối blynk với thiết bị 1.4 1.4.1 CẤU TRÚC PHẦN CỨNG Kít ESP8266 Kít ESP8266 kít phát triển dựa chíp Wifi SoC ESP8266 với thiết kế dễ dàng sử 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 Kit RF thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU dùng cho ứng dụng cần kết nối, thu thập liệu điều khiển qua sóng Wifi, đặc biệt ứng dụng liên quan đến IoT Hình 1.8 Sơ đồ chân kít Esp8266 1.4.2 Module relay kênh Rơ-le loại linh kiện điện tử thụ động hay gặp ứng dụng thực tế Khi bạn gặp vấn đề liên quan đến công suất cần ổn định cao, ngồi dễ dàng bảo trì Hình 1.9 Sơ đồ chân module relay kênh 1.4.3 DHT11 DHT11 Là cảm biến nhiệt độ, độ ẩm thơng dụng chi phí rẻ dễ lấy liệu thông qua giao tiếp 1-wire ( giao tiếp digital 1-wire truyền liệu nhất) Cảm biến tích hợp tiền xử lý tín hiệu giúp liệu nhận xác mà khơng cần phải qua tính tốn Hình 1.11 Dht11 1.4.4 Cảm biến độ ẩm đất Cảm biến độ ẩm đất, trạng thái đầu mức thấp (0V), đất thiếu nước đầu mức cao (5V), độ nhạy cao điều chỉnh biến trở Module Cảm biến phát độ ẩm đất sử dung tưới hoa tự động khơng có người quản lý khu vườn bạn dùng ứng dụng tương tự trồng Hình 2.13 Cảm biến độ ẩm đất 1.4.5 Quạt 12v 4mm 1.4.6 Bơm nước CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 2.1 GIỚI THIỆU 2.2 THIẾT KẾ 2.2.1 Sơ đồ khối hệ thống Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống 2.2.2 Phần mềm lập trình 2.2.3 Sơ đồ ngun lý tồn mạch Hình 2.7 Sơ đồ ngun lý tồn mạch 2.2.4 Phần mềm lập trình 2.2.5 Lưu đồ giải thuật A Lưu đồ điều khiển máy quạt B Lưu đồ điều khiển máy bơm nước 10 2.3 THI CÔNG 2.3.1 Linh kiện sử dụng mạch Bảng 3.1 Linh kiện sử dụng mạch Tên linh kiện Số lượng Esp8266 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm Cảm biến độ ẩm đất Relay kênh Bơm nước 12v Quạt 2.3.2 Thi cơng hệ thống Hình 3.3 Mơ hình hệ thống 11 CHƯƠNG KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ 3.1 KẾT QUẢ 3.1.1 Nội dung Nghiên cứu module wifi ESP8266 Node MCU Nghiên cứu cảm biến độ ẩm đất Nghiên cứu module cảm biến nhiệt độ DHT11 3.1.2 Kết nghiên cứu Qua đề tài này, em trau dồi thêm kỹ giao tiếp cảm biến thông dụng với Esp8266 Bên cạnh đó, kỹ truyền – nhận thơng tin qua WiFi nhờ module Esp8266 Node MCU em hiểu rõ Hệ thống điều khiển thông qua thiết bị thông minh ứng dụng chuyên dụng cài đặt sẵn thiết bị sử dụng hệ điều hành Android Hình 4.1 Kết nghiên cứu Ứng dụng có đầy đủ thơng tin cập nhật liên tục từ điều khiển nút nhấn hỗ trợ cho trình điều khiển thiết bị ngoại vi vườn 12 Ứng dụng giải pháp tối ưu việc sửa chữa, bảo trì thiết bị ngoại vi vườn Dữ liệu điều khiển có quy trình cụ thể sau: Hình 3.2 Quy trình truyền liệu cảm biến liệu lên app điện thoại Hình 3.3 Quy trình truyền liệu từ App đến thiết bị ngoại vi Người nuôi trồng không cần phải lắp đặt hay thao gỡ nhà kính muốn trồng xen canh loại khác nhau, với hệ thống IoT này, điều kiện canh tác thay đổi cách linh hoạt Chi phí cho lượng điện tiêu thụ cho trình canh tác giảm đáng kể, hệ thống thực điều khiển tắt – mở thiết bị ngoại vi cách tự động, nhiệt độ khơng khí đạt khoảng an tồn, quạt gió tự động tắt, độ ẩm đất đạt khoảng ổn định cho sinh trưởng phát triển cây, bơm nước tự động tắt; ngược lại, không đáp ứng điều kiện môi trường đặt trước, hệ thống tự động mở tắt thiết bị ngoại vi để đảm bảo môi trường nuôi trồng ln trạng thái tốt Chính vậy, suất canh tác sử dụng hệ thống IoT tăng cao; lẽ, điều kiện canh tác không phụ thuộc vào điều kiện môi trường, đáp ứng nhu cầu thị trường, nhu cầu khách hàng khó tính 13 3.2 NHẬN XÉT Trong q trình thiết kế thi cơng đề tài, em gặp nhiều khó khăn phát sinh việc lựa chọn linh kiện, hướng thiết kế, sau tìm hiểu vấn đề giải Khó khăn lớn đề tài việc nghiên cứu sau thu giá trị đọc từ cảm biến thông báo để thị lên app Sau thời gian nghiên cứu, thi cơng dự án hoàn thành kịp tiến độ Hệ thống hoạt động tương đối ổn định Nhưng yêu cầu đặt hệ thống đạt 85%, điểm hạn chế chưa áp dụng vào qui mơ lớn 3.3 ĐÁNH GIÁ Hệ thống có khả giúp người dùng giám sát đối tượng canh tác Hệ thống hoạt động ổn định thời gian dài, đảm bảo việc thu thập thông tin từ đối tượng canh tác truyền nhận liệu lên App 14 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu hoàn thành đề tài, em nhận thấy mơ hình hiệu 85%, thời gian nghiên cứu thực đề tài, em học hỏi tìm hiểu thêm nhiều kiến thức củng cố lại kiến thức học giúp hoàn thành đề tài Vì đề tài hướng đến việc giúp cho người nông dân giảm bớt thời gian sức lao động, q trình canh tác nơng nghiệp nên phải trọng độ ổn định xác dẫn đến nhiều khó khăn q trình lập trình Nhưng nhờ hướng dẫn giảng viên hướng dẫn tài liệu tham khảo em giải tương đối yêu cầu đề tài Trong trình thực đề tài phần cứng, em tìm hiểu chức chân IO ESP8266 Node MCU để viết lệnh nhận liệu từ module cảm biến để điều khiển thiết bị ngoại vi Việc kết hợp module lại với để làm việc ổn định nhiều thời gian học hỏi nhiều q trình làm Tuy sản phẩm hồn thành em nhận thấy sản phẩm nhiều thiếu sót, cần chỉnh sửa cải tiến Xây dựng hồn thành mơ hình Hệ thống tưới thông minh dựa IOT sử dụng cảm biến độ ẩm đất Esp8266 Mơ hình có khả cập nhật liệu từ đối tượng canh tác để xử lý theo yêu cầu mà người dùng cài đặt HƯỚNG PHÁT TRIỂN Đề tài đáp ứng yêu cầu đặt nhiên để sản phẩm hồn thiện địi hỏi cần cải tiến 15 nghiên cứu thêm Về chức năng, thiết bị nghiên cứu dừng lại chức bản: đọc nhiệt độ độ ẩm đất, độ ẩm khơng khí Một số chức nên bổ sung thêm là: Độ PH: Xử lý pH đất Phát triển mơ hình với quy mơ lớn Có lị sưởi để tăng nhiệt độ nhiệt độ xuống thấp Hồn thiện mơ hình tối ưu cách kinh tế Có thể dùng lượng từ pin mặt trời để tạo nguồn điện Cài đặt giá trị để cảm biến theo điều kiện sống loại trồng 16 ... thước Hệ thống tưới thơng minh dựa IOT sử dụng cảm biến độ ẩm đất Esp8266 : dài 40cm, cao 18cm, rộng 25cm Sử dụng module cảm biến : Module cảm biện độ ẩm đất, module cảm biến nhiệt độ độ ẩm khơng... nước, máy quạt) Hệ thống cho phép thực thao tác giám sát – điều khiển App thông qua WiFi GIỚI HẠN Đề tài: HỆ THỐNG TƯỚI CÂY THÔNG MINH DỰA TRÊN IOT SỬ DỤNG CẢM BIẾN ĐỘ ẨM CỦA ĐẤT VÀ ESP8266 gồm:... 1.4.4 Cảm biến độ ẩm đất Cảm biến độ ẩm đất, trạng thái đầu mức thấp (0V), đất thiếu nước đầu mức cao (5V), độ nhạy cao điều chỉnh biến trở Module Cảm biến phát độ ẩm đất sử dung tưới hoa tự động