(Đồ án tốt nghiệp) giải pháp IOT cho vườn rau thông minh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT MÁY TÍNH GIẢI PHÁP IOT CHO VUỜN RAU THÔNG MINH GVHD: ÐẬU TRỌNG HIỂN SVTH: BÙI TRẦN ÐỨC TRÍ MSSV: 12119149 SKL005467 Tp Hồ Chí Minh, tháng 01/2019 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GIẢI PHÁP IOT CHO VƯỜN RAU THƠNG MINH SVTH: Bùi Trần Đức Trí MSSV: 12119149 Khóa: 2012 Ngành: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT MÁY TÍNH GVHD: ThS ĐẬU TRỌNG HIỂN TP Hồ Chí Minh, tháng năm 2019 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** -Tp Hồ Chí Minh, ngày - tháng - năm 2019 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Bùi Trần Đức Trí Ngành: Cơng Nghệ Kỹ Thuật Máy Tính Giảng viên hướng dẫn: ThS Đậu Trọng Hiển Ngày nhâ ̣n đề tài: 20/9/2018 Tên đề tài: Giải pháp IOT cho vườn rau thông minh Các số liệu, tài liệu ban đầu: Ý tưởng thiết kế mơ hình vườn rau thủy canh cho gia đình Nội dung thực hiêṇ đề tài: Thiết kế hệ thống vườn rau thông minh, sử dụng cảm biến nhiệt độ, độ ẩm để theo dõi thông tin môi trường hệ thống thủy canh phun sương điều khiển qua điện thoại thông minh Sản phẩm: Hệ thống vườn rau thủy canh thông minh điều khiển giám sát qua ứng dụng di động (Android) sử dụng lượng mặt trời TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN i CHƯƠNG GIỚI THIỆU 1.1 Tình hình nghiên cứu Vài năm trở lại đây, với phát triển bậc mạng di động dịch vụ viễn thông, điều khiển thiết bị từ xa trở thành xu hướng chủ đạo hãng công nghệ cao Từ thiết bị lắp đặt phục vụ chuyên dụng đến thiết bị phục vụ mục đích dân dụng Việc điều khiển, quản lý thiết bị đời sống đặc biệt phục vụ, nâng cao chất lượng sống, thay sức lao động người quan trọng Điều hướng người tới sống đại với hệ thống IoT Hơn nữa, với việc thiết kế hệ thống vườn rau thông minh giúp cho người tưới nước, giám sát độ ẩm nhiệt độ vườn rau nơi đâu Đồ án “Giải pháp IoT cho vườn rau thông minh” xây dựng hệ thống nhúng sử dụng nguồn lượng xanh, giao tiếp với người thông qua ứng dụng điện thoại thông minh 1.2 Tính cấp thiết đề tài Đồ án “Giải pháp IoT cho vườn rau thông minh” hướng đến mục tiêu thiết kế vườn rau cho nhà ở, chung cư, văn phịng có diện tích khơng gian nhỏ hẹp ban công, sân, vườn Hệ thống hoạt động tự động theo điều kiện thời gian, nhiệt độ độ ẩm mơi trường, đồng thời hệ thống hoạt động thông qua điều khiển người sử dụng Các thông số môi trường trạng thái hoạt động hệ thống thủy canh, bơm nước thể điện thoại thông minh Bên cạnh đó, hệ thống hướng tới mục tiêu sử dụng nguồn lượng xanh, tận dụng tính chất khí hậu Việt Nam vùng nhiệt đới với thời lượng chiếu sáng cao, song song với mang đến cho người sử dụng hội tạo nguồn thực phẩm hữu tự nhiên, đảm bảo vệ sinh, tốt cho sức khỏe Vấn nạn an toàn thực phẩm quan tâm Chính đồ án mong muốn linh hoạt việc ứng dụng hệ thống thủy canh thông minh nhằm phát triển vườn rau hộ gia đình 1.3 Mục tiêu nghiên cứu Xây dựng hệ thống vườn rau thông minh: - Giao tiếp với người sử dụng qua ứng dụng điện thoại thông minh (Android) - Công suất máy bơm nước 12V/20W, hệ thống dùng máy bơm nước dùng làm hệ thống thủy canh - Công suất máy bơm phun sương 12V/24W, hệ thống dùng máy bơm phun sương - Hệ thống sử dụng cảm biến tích hợp nhiệt độ độ ẩm mơi trường - Hệ thống sử dụng module Wifi để làm giao thức truyền nhận liệu - Truyền nhận liệu điện thoại kit nhúng phụ thuộc vào hệ thống server ThingSpeak 1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu NỘI DUNG 1: Các giải pháp thiết kế hệ thống, mơ hình thủy canh NỘI DUNG 2: Thiết kế mơ hình NỘI DUNG 3: Thiết kế hệ thống điều khiển NỘI DUNG 4: Thiết kế hệ thống thu thập liệu NỘI DUNG 5: Thiết kế ứng dụng android NỘI DUNG 6: Đánh giá kết thực 1.5 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Trong trình nghiên cứu, sinh viên xác định đối tượng, phạm vi nhằm hiểu rõ nắm vững yêu cầu đặt đề tài Qua có hướng hợp lý để hoàn thành đề tài phù hợp với mục tiêu đề ra, theo kịp tiến độ yêu cầu - Đối tượng: vi điều khiển arduino uno r3, cảm biến tích hợp nhiệt độ độ ẩm, relay, động máy bơm, hệ thống lượng mặt trời - Phạm vi nghiên cứu: ngơn ngữ lập trình vi điều khiển arduino , xuất nhập port I/O vi điều khiển arduino, sử dụng cảm biến nhiệt độ - độ ẩm, động máy bơm để thiết kế hệ thống thủy canh phun sương, lập trình ứng dụng Android cho điện thoại thông minh CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG 2.1 Sơ đồ khối hệ thống Yêu cẩu hệ thống là: - Thu thập nhiệt độ - Thu thập độ ẩm Điều khiển module ESP8266 gửi nhận liệu nhằm theo dõi điều kiện thời tiết thực thi mệnh lệnh - Điều khiển hệ thống bơm thủy canh bơm phun sương thông qua relay - Giao tiếp với người dùng thông qua server ThingSpeak ứng dụng điện thoại thơng minh Sơ đồ khối hệ thống: Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống Vi xử lý thu thập giá trị từ cảm biến xử lý gửi thông tin đến server, liên tục kiểm tra thông tin từ cảm biến để kịp thời cập nhật liệu môi trường cho người sử dụng Server ThingSpeak đóng vai trị sở liệu, tiếp nhận thông tin từ xử lý trung tâm thông qua module Wifi, qua ứng dụng từ điện thoại thơng minh lấy liệu từ ThingSpeak, gửi thông tin điều khiển xử lý trung tâm nhằm vận hành hệ thống bơm thủy canh, bơm phun sương 2.2 Thiết kế khối hệ thống 2.2.1 Khối nguồn - bơm phun sương 30W hoạt động 20 phút ngày - bơm thủy canh 5W hoạt động liên tục 18/20 tiếng ngày - Bộ xử lý trung tâm 0.3W hoạt động liên tục ngày a Xác định tổng lượng điện tiêu thụ ngày (30 W x 0.35 giờ) + (5 W x 18 giờ) + (0.3 W x 24 giờ) = 110 Wh/day b Tính pin mặt trời (PV panel) PV panel = 110 x 1.3 = 143 Wh/day Tổng Wp PV panel = 130 / 4.58 = 32Wp Chọn loại PV có 35Wp số PV cần dùng Hình 3.2 Panel pin mặt trời 12V Thông số kỹ thuật panel pin mặt trời - Công suất pin NL mặt trời: 35W - Điện áp danh định: 18.0V - Dòng danh định: 1.93 A - Điện áp hở mạch: 21.6V - Dòng ngắn mạch : 2.67 A - Kích thước: 675 x 395 x 35mm - Cấu tạo pin mặt trời : Kính cường lực & Khung nhơm c Tính tốn Battery 143 / (0.85 x 0.8s x 12) = 17.5 Ah Như chọn battery deep-cycle 12V/20Ah cho hệ thống d Tính solar charge controller Thông số PV module: Pm = 35 Wp, Vm = 18.0 Vdc, Im = 1.93 A, Voc = 21.6 A, Isc = 2.67 A Như solar charge controller = (1 PV x 2.67 A) x 1.3 = 3.48 A Chọn solar charge controller có dịng 10A/12V cao Hình 3.3 Solar charge controller DY1024 Thông số kỹ thuật Solar charge controller - Cơng suất: 240W(12V) - 480W(24V) - Dịng sạc định mức: 20A - Dòng tải định mức: 20A - Nhiệt độ làm việc: -20~60 độ - Áp bảo vệ xả: 10~21.7V - Áp trở lại xả tải: 12~25V - Đầu USB: 5V 2A - Màn hình hiển thị: LCD  Đáp ứng hệ thống dùng cảm biến Hoạt động nguồn Kết lần thử nghiệm Sau lần thử nghiệm cho thấy, thời gian chạy thực nghiệm chưa lâu, thời gian gửi nhận liệu thông qua môi trường trung gian Thingspeak diễn với tốc độ trung bình ổn định Tuy nhiên, thời gian đáp ứng hệ thống cịn dài Tình trạng mạng wifi lần thử nghiệm có gặp vài khoảng thời gian bị chập chờn Đây lí ảnh hưởng đến thời gian đáp ứng hệ thống Arduino đọc lại từ đầu field liệu tình trạng mạng wifi khơng ổn định Ngồi ra, tình trạng wifi làm ảnh hưởng đến việc cập nhật liệu lên thiết bị điện thoại Mơ hình bị rị rĩ nước tầng Tiến hành khắc phục vấn đề xảy hệ thống Đã tiến hành lắp đặt lại kiểm tra tầng bị rò rĩ nước Thay chỉnh sữa giải thuật đọc liệu Arduino việc bỏ qua field liệu tiếp tục đọc không nhận phản hồi (ảnh hưởng mạng)  Ở Kết lần thử nghiệm lần thử nghiệm thứ này, mạng wifi có phần ổn định so với lần thời gian trung bình trình gửi nhận liệu tương tự với lần thử nghiệm thứ Sau thay đổi giải thuật đọc liệu Arduino trình đáp ứng hệ thống cải thiện Hệ thống tưới khắc phục tình trạng nhỏ rĩ nước  Kết lần thử nghiệm Thời gian thực nghiệm tiến hành lâu lần trước Tình trạng mạng wifi ổn định hơn, nên thời gian cho trình gửi liệu đáp ứng từ hệ thống tưới rút ngắn Ở lần thử nghiệm này, có sử dụng cảm biến độ ẩm nhiệt độ để thu thập thông tin môi trường hoạt động điều kiện ngồi trời Qua đó, đánh giá độ bền xử lý trung tâm, module hệ thống  Kết thực nghiệm 25 Tình trạng mạng wifi khoảng thời gian thực nghiệm tốt nên trình truyền nhận đáp ứng hệ thống diễn ổn định Thời gian chạy hệ thống tăng lên đáng kể, số lần gửi nhận tín hiệu giảm bớt nhằm phù hợp với nhu cầu sử dụng Sau chỉnh sửa lên phương án khắc phục cố xảy lần chạy thực nghiệm trước hệ thống hoạt động ổn định Đánh giá mức độ hoàn thiện hệ thống sau giai đoạn kiểm tra, cân chỉnh hệ thống là: 70% 5.1.2 Giai đoạn hoàn thiện hệ thống Ở giai đoạn hoàn thiện này, tiến hành chạy thực nghiệm vơi thời gian dài qua kiểm tra, đánh giá q trình hoạt động hệ thống Phát trường hợp cố để đưa giải pháp khắc phục tốt Nhằm hoàn thiện hệ thống Bảng 5.2: Kết mơ giai đoạn hồn thiện hệ thống STT Nội dung đánh giá Thời gian chạy thực Số lần gửi liệu (lầ Thời gian trung bình Thời gian trung bình Số lần đáp ứng Số lần đọc liệu Thời gian trung bình Thời gian đáp ứng kh 10 Sai số DHT11 (so vớ Hoạt động chế đ  Kết thực nghiệm Lần thực nghiệm kéo dài nửa ngày, chưa sử dụng chậu rau Tình trạng wifi ổn định nên việc điều khiển cập nhật liệu diễn tốt Nguồn vi xử lý hoạt động ổn định Sau nửa ngày hoạt động, 26 nguồn có tượng ấm lên, bên cạnh bơm có tượng tương tự Tuy nhiên, thiết bị hoạt động tình trạng ấm lên diễn sau dừng hoạt động lại trở lại bình thường sau vài phút Các linh kiện hoạt động tốt  Kết thực nghiệm Thời gian tiến hành thực nghiệm ngày nhằm kiểm tra trình hẹn Và kết cho thấy, việc thiết lập hẹn vào ngày hôm trước lặp lại vào thời điểm ngày Nhưng vấn đề hẹn này, ứng dụng cho phép cài đặt thời điểm hẹn ngày Ở trình thực nghiệm này, sử dụng chậu để kiểm tra q trình tưới nhờ xác định khoảng thời gian cần thiết để hoạt động bơm thủy canh nhằm đáp ứng nhu cầu sinh trưởng rau Bên cạnh cịn thiết kế valve phun sương, cho nước tưới để thời gian tưới tối ưu  Kết thực nghiệm Sau kết thúc trình thực nghiệm lần chọn vị trí bố trí valve phun sương cho đạt kết tốt Giai đoạn thử nghiệm cuối vận hành suốt ngày Các phần hệ thống đánh giá ổn định, khơng xảy cố q trình hoạt động Hệ thống gần đảm bảo 90% yêu cầu 4.2 Nhận xét đánh giá 4.2.1 Cảm biến độ nhiệt độ - độ ẩm DHT11 Cảm biến trả giá trị tương đối xác độ chênh lệch không lớn (chênh lệch tối đa độ C) Theo lý thuyết, giá trị analog thay đổi phụ thuộc vào độ nhạy module ADC giá trị analog trả có giá trị khơng định Cảm biến độ DHT11 đủ đáp ứng xác trạng thái môi trường tương đối Nếu muốn liệu có độ tin cậy cao cảm biến nên thay cảm biến khác sử dụng cơng nghiệp nhằm đảm bảo tính xác 27 4.2.2 Module Wifi ESP8266 Module wifi ESP8266 hoạt ổn định mơi trường có sóng wifi có tốc độ truyền khơng cần q mạnh Sóng wifi phát điện thoại đủ để ESP8266 hoạt động ổn định đọc gửi liệu lên xuống thông qua ThingSpeak không gặp lỗi Nhưng sóng wifi bị suy yếu khơng ổn định ESP8266 không đọc không gửi liệu Module wifi ESP8266 hoàn toàn đủ khả đáp ứng cho hệ thống yêu cầu giao tiếp wifi board Arduino điện thoại Android Ngoài ra, việc lắp đặt Module wifi tủ kín có ảnh hưởng nhiều đến việc thu phát sóng 4.2.3 Kit nhúng Arduino Uno R3 Kit nhúng Arduino Uno R3 hoạt động ổn định thời gian chạy thực nghiệm Tuy nhiên, hệ thống thực thao tác tưới (kích module Relay) IC ổn áp 7805 Arduino bị nóng tần suất sử dụng khơng q dày Arduino hoạt động tốt Ngồi ra, Arduino có nhớ thấp nên biên dịch chiếm gần 70% nhớ, muốn phát triển hệ thống với nhiều chuẩn giao tiếp hơn, nhiều kết nối ngoại vi cần thay kit nhúng mạnh mẽ hơn, nhiều cổng giao tiếp kết nối ngoại vi ví dụ Arduino Mega 4.2.4 Ứng dụng Android Quá trình viết chương trình ứng dụng Android bắt đầu vào tuần thứ xuyên suốt đến tuần 14 để hiệu chỉnh cho đạt kết cao  Giao diện hồn chỉnh ứng dụng 28 Hình 5.1 Giao diện ứng dụng Android  Sử dụng phần mềm Android Studio để viết lập trình ứng dụng  Sử dụng thiết bị điện thoại để trực tiếp mô phỏng, kiểm tra chạy thực nghiệm ứng dụng  Sử dụng Android 5.1 Android 8.0 29  Đã ứng dụng trình gửi liệu lên đọc liệu từ ThingSpeak Sau hiển thị lên thiết bị điện thoại  Đã ứng dụng việc xử lý đa luồng Android thông qua việc sử  Có thể tương tác vào hệ thống thiết bị điện thoại, thơng qua việc đăng kí cho phép (Permissions) trình kiểm tra kết nối mạng, hẹn giờ, báo rung xuất thông báo ứng dụng  Lưu trữ trạng thái đối tượng cần thiết trình sử dụng ứng dụng  Lập trình cho ứng dụng chạy ngầm hệ thống điện thoại  Ứng dụng có dung lượng file *.apk nhẹ: 2.30 Mb  Ứng dụng chạy thử nghiệm thiết bị cho kết sau: Bảng 5.3: Chạy thử nghiệm STT Điện thoại Asus Zenphone Go Samsung A9 Nhìn chung, ưu điểm ứng dụng có giao diện đơn giản, dễ hiểu dễ sử dụng Dung lượng thấp, ảnh hưởng đến q trình vận hành thiết bị điện thoại có cấu hình thấp Đã đáp ứng 80% yêu cầu thiết yếu đề tài Nhưng bên cạnh ứng dụng có vấn đề chưa tối ưu sau:  Giao diện đơn giản  Khi tình trạng mạng wifi khơng ổn định, việc cập nhật giá trị từ hệ thống tưới bị gián đoạn ứng dụng buộc tắt khởi động lại  Do sử dụng chung Channel ID từ ThingSpeak điều khiển gửi liệu liên tục nên việc gửi liệu lên đám mây từ ứng dụng Android 30 từ điều khiển bị trùng gây trễ khơng đồng liệu Khi cần gửi tín hiệu mặc định đến Channel để reset liệu  Mỗi hệ thống có Channel ID từ ThingSpeak để gửi nhận liệu khác Cho nên, đề tài phát triển cho nhiều người sử dụng hệ thống khác cần phải thay đổi thơng số Channel ID cho riêng biệt Nhưng thay đổi phải thông qua việc chỉnh sửa code Project biên dịch lại Chính ảnh hưởng đến việc phát triển ứng dụng  Để gửi nhận liệu thơng qua ThingSpeak buộc Channel sử dụng phải chế độ công khai (Public) Mặc dù, hệ thống tưới tự động cho nhà vấn đề bảo mật liệu chưa tối ưu  Ứng dụng hẹn giờ, báo rung đẩy thông báo lên thiết bị điện thoại cho người dùng Tuy nhiên, chưa lập trình việc đánh thức thiết bị điện thoại (WakeLock) Nghĩa là, điện thoại chưa tự động mở sáng hình chế độ chờ  Chính ứng dụng tương tác với hệ thống thơng qua wifi, phụ thuộc nhiều vào tình trạng mạng wifi điểm gửi nhận hiệu Vì vậy, trình gửi, nhận, đồng liệu bị ảnh hưởng phụ thuộc vào wifi Đây xem nhược điểm lớn đề tài Để khắc phục vấn đề này, hệ thống tưới ln có chế độ tự động riêng (Auto Mode), q trình gửi nhận khơng thành cơng thời gian lâu, vượt ngưỡng thông số môi trường gây ảnh hưởng đến trồng hệ thống kích hoạt tưới bình thường 31 PHỤ LỤC CODE ARDUINO: #include #include #include #include #include dht DHT; #define DHT11_PIN //khai bao chan data cua DHT SoftwareSerial espPort(3, 4); //khai bao chan giao tiep esp ESP esp(&espPort, &Serial, 9); REST rest(&esp); int counter=0; int controldata1,controldata2; int aqua=8; //khai bao chan dk bom thuy canh int tower=9; //khai bao chan dk bom phun suong int m=0; int h=0; int a=0; //khai bao bien am int b=0; //khai bao bien nhiet boolean wifiConnected = false; int loop_count = 0; int chk; int value_data1,value_data2; char response[266]; char buff[64]; String strId,strData,strCode; void(* resetFunc) (void) = 0; void clearBuffer(void) { for (int i = 0;i=1){ counter=0; hardReset(); resetFunc(); } clearBuffer(); goto loop_start; } delay(3000); 34 sprintf(buff, "/channels/589939/fields/2/last"); Serial.println(buff); rest.get((const char*)buff); if(rest.getResponse(response, 266) == HTTP_STATUS_OK){ strId = ""; strData = ""; strCode = ""; getData(); value_data2= strId.toInt(); if(value_data2==1) {digitalWrite(tower,LOW);} else {digitalWrite(tower,HIGH);} if(digitalRead(tower)==HIGH) controldata2=0; else controldata2=1; value_data2 = controldata2; } else{ counter++; if(counter>=1){ counter=0; hardReset(); resetFunc(); } else; clearBuffer(); goto loop_start; } delay(3000); loop_count++; if(loop_count >= ){ loop_count = 0;} else{ goto loop_start; } dtostrf(value_data1, 1, 0, str_field1); dtostrf(value_data2, 1, 0, str_field2); dtostrf(a, 2, 0, str_field3); dtostrf(b, 2, 0, str_field4); //chuyen kieu thuc sang chuoi ki tu 35 sprintf(buff,"//update?key=1YKHXGFFA1TCA6AV&field1=%s&field2=%s&fi eld3= %s&field4=%s",str_field1,str_field2,str_field3,str_field4); Serial.println(buff); rest.get((const char*)buff); if(rest.getResponse(response, 266) == HTTP_STATUS_ OK) { strId = ""; getData(); } delay(10000); counter=0; } else{ } } void getData(){ int i=0,j=0,k=0; for (i = 0; i < 10; i++){ if((response[i] == '\r') || (response[i] == '\n')) { } else{ strId += response[i]; } if (response[i] == '\n'){ i++; break; } } Serial.println(""); Serial.print("ID : "); 36 Serial.print(strId); Serial.print("\n"); } boolean hardReset() { String tmpData; } 37 ... với hệ thống IoT Hơn nữa, với việc thiết kế hệ thống vườn rau thơng minh giúp cho người tưới nước, giám sát độ ẩm nhiệt độ vườn rau nơi đâu Đồ án ? ?Giải pháp IoT cho vườn rau thông minh? ?? xây dựng... tài: Giải pháp IOT cho vườn rau thông minh Các số liệu, tài liệu ban đầu: Ý tưởng thiết kế mơ hình vườn rau thủy canh cho gia đình Nội dung thực hiêṇ đề tài: Thiết kế hệ thống vườn rau thông minh, ... giao tiếp với người thông qua ứng dụng điện thoại thơng minh 1.2 Tính cấp thiết đề tài Đồ án ? ?Giải pháp IoT cho vườn rau thông minh? ?? hướng đến mục tiêu thiết kế vườn rau cho nhà ở, chung cư,