(Đồ án tốt nghiệp) thiết kế hệ thống tưới nước tự động ứng dụng mạng zigbee

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG TUỚI NUỚC TỰ ÐỘNG ỨNG DỤNG MẠNG ZIGBEE GVHD: ThS.HUỲNH HOÀNG HÀ SVTH: NGUYỄN MINH THIỆN MSSV: 12141219 SVTH: VÕ VĨNH HỒNG MSSV: 12141091 SKL005220 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2016 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ BỘ MƠN KỸ THUẬT MÁY TÍNH - VIỄN THƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI NƯỚC TỰ ĐỘNG ỨNG DỤNG MẠNG ZIGBEE NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG Sinh viên: NGUYỄN MINH THIỆN MSSV: 12141219 VÕ VĨNH HỒNG MSSV: 12141091 TP HỒ CHÍ MINH – 07/2016 LỜI CẢM ƠN Lời xin gửi lời cảm ơn đến tất quý thầy cô giảng dạy trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, đặt biệt q thầy Khoa Điện – Điện Tử giảng dạy cung cấp kiến thức bổ ích tạo tiền đề cho thực đồ án Chúng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến giáo viên hướng dẫn thầy ThS.Huỳnh Hoàng Hà, thầy khởi tạo ý tưởng, cung cấp tài liệu, đồng thời tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi suốt q trình thực đề tài Chúng tơi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè thầy khoa tận tình giúp đỡ cho chúng tơi có hội nghiên cứu thực đề tài Mặc dù cố gắng để thực đề tài cách hoàn chỉnh Song buổi đầu làm quen tiếp cận lĩnh vực hạn chế kiến thức kinh nghiệm nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót định mà thân chưa nhìn nhận Chúng tơi mong nhận góp ý q Thầy, Cô giáo bạn để đề tài hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn! Thực đề tài NGUYỄN MINH THIỆN VÕ VĨNH HỒNG v TĨM TẮT Đề tài thực dựa yêu cầu thực tế, với mục đích mang lại thuận tiện chăm sóc khu vườn có diện tích lớn, với tính điều khiển từ xa giúp người dùng dễ dàng theo dõi thơng tin khu vườn máy tính, điện thoại thơng minh có phương án tưới nước tự động theo thời gian nhiệt độ, độ ẩm, độ ẩm đất mong muốn Mặt khác, sinh viên, nhu cầu nắm bắt cơng nghệ mới, tìm hiểu kiến thức ngồi chương trình học triển khai ứng dụng hệ thống mạng khơng dây nói chung, mạng Zigbee nói riêng vào lĩnh vực nông nghiệp, công nghiệp, y tế, đặc biệt truyền thông để thay công nghệ cũ, lạc hậu giảm thiểu lao động thủ công, cần thiết Từ đó, nhóm định chọn đề tài “Thiết kế hệ thống tưới nước tự động ứng dụng mạng Zigbee” dựa mạch STM32F103C8T6, Zigbee DRF1605H Raspberry Pi B+ để nghiên cứu thực vi LỜI CẢM ƠN Lời xin gửi lời cảm ơn đến tất quý thầy cô giảng dạy trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, đặt biệt quý thầy cô Khoa Điện – Điện Tử giảng dạy cung cấp kiến thức bổ ích tạo tiền đề cho chúng tơi thực đồ án Chúng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến giáo viên hướng dẫn thầy ThS.Huỳnh Hoàng Hà, thầy khởi tạo ý tưởng, cung cấp tài liệu, đồng thời tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi suốt trình thực đề tài Chúng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè thầy khoa tận tình giúp đỡ cho chúng tơi có hội nghiên cứu thực đề tài Mặc dù cố gắng để thực đề tài cách hoàn chỉnh Song buổi đầu làm quen tiếp cận lĩnh vực hạn chế kiến thức kinh nghiệm nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót định mà thân chưa nhìn nhận Chúng tơi mong nhận góp ý q Thầy, Cơ giáo bạn để đề tài hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn! Thực đề tài NGUYỄN MINH THIỆN VÕ VĨNH HỒNG iii TĨM TẮT Đề tài thực dựa yêu cầu thực tế, với mục đích mang lại thuận tiện chăm sóc khu vườn có diện tích lớn, với tính điều khiển từ xa giúp người dùng dễ dàng theo dõi thông tin khu vườn máy tính, điện thoại thơng minh có phương án tưới nước tự động theo thời gian nhiệt độ, độ ẩm, độ ẩm đất mong muốn Mặt khác, sinh viên, nhu cầu nắm bắt cơng nghệ mới, tìm hiểu kiến thức ngồi chương trình học triển khai ứng dụng hệ thống mạng khơng dây nói chung, mạng Zigbee nói riêng vào lĩnh vực nông nghiệp, công nghiệp, y tế, đặc biệt truyền thông để thay công nghệ cũ, lạc hậu giảm thiểu lao động thủ cơng, cần thiết Từ đó, nhóm định chọn đề tài “Thiết kế hệ thống tưới nước tự động ứng dụng mạng Zigbee” dựa mạch STM32F103C8T6, Zigbee DRF1605H Raspberry Pi B+ để nghiên cứu thực iv Danh mục hình Danh mục bảng Các từ viết tắt CHƯƠNG GIỚI THIỆU 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.2.1 Nghiên cứu 1.2.2 Nghiên cứu 1.2.3 Đánh giá tổ 1.3 MỤC TIÊU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN 1.3.1 Mục tiêu 1.3.2 Phương phá 1.4 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨ 1.5 BỐ CỤC KHÓA LUẬN CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN VỀ ARM CORTEX M3 ST 2.1.1 Tóm tắt lịch 2.1.2 Đặc điểm n 2.1.3 Các phiên b 2.1.4 Bộ xử lý 2.1.5 Kiến trúc hệ 2.1.6 Tối đa hiệu 2.1.7 Các ngoại v v 2.1.8 Kết nối vớ 2.1.9 Chế độ tiê 2.2 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN K 802.15.4 2.2.1 Sơ lược 2.2.2 Các thiết b 2.2.3 Mơ hình m 2.2.4 Kiến trúc 2.2.5 Ưu 2.2.6 Các ứng d 2.3 TỔNG QUAN VỀ NGÔN NGỮ PYTHON 2.3.1 Khái niệm 2.3.2 Đăc điểm 2.3.3 Cấu trúc n 2.4 NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH WEB 2.4.1 Ngơn ngữ 2.4.2 Ngơn ngữ 2.4.3 Ngôn ngữ 2.4.4 Ngôn ngữ 2.5 HỆ ĐIỀU HÀNH LINUX 2.5.1 Khái quát 2.5.2 Các thư m 2.6 WEB SERVER CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG vi 3.1.1 Sơ đồ khối 3.1.2 Sơ lược hệ 3.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG SỬ DỤNG T 3.2.1 Giới thiệu v 3.2.2 Giới thiệu v 3.2.3 Giới thiệu R 3.2.4 Giới thiệu c 3.2.5 Các mạch h 3.3 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 3.3.1 Board thu th 3.3.2 Board truyề 3.3.3 Board webs 3.4 THIẾT KẾ PHẦN MỀM 3.4.1 Giải thuật c 3.4.2 Cấu hình bo 3.4.3 Xây dựng h CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC HIỆN 4.1 THU THẬP DỮ LIỆU 4.2 HOẠT ĐỘNG CỦA MẠNG ZIGBEE 4.3 TRANG WEB HIỂN THỊ 4.4 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 4.4.1 Sự hoạt độn 4.4.2 Sự hoạt độn 4.4.3 Sự hoạt độn 4.4.4 Đánh giá vii 4.5 KẾT QUẢ THỰC TẾ CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 KẾT LUẬN 5.1.1 Những vấn 5.1.2 Những vấn 5.1.3 Những hạn 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN PHỤ LỤC……………………………………………………………………100 TÀI LIỆU THAM KHẢO viii  Bảng chart Bảng 3.11: Bảng mô tả cấu trúc bảng liệu chart Trường id ndchart, dachart, dadchart  Kiểu liệu: o Int: liệu số nguyên có giá trị từ -2147483648 đến 2147483647 đến 4294967295 o Varchar: Chứa biến chuỗi có độ dài tối đa 8000 ký tự o Float: kiểu liệu số thực 3.4.3.4 Xây dựng trang web hiển thị  Sơ đồ khối trang web 90 Bắt đầu Màn hình đăng nhập index.php Nhập username, password Đ Có nhấn Trở trang đăng nhập? Truyền biến username, password qua access.php Hiện thơng báo Kiểm tra biến user, pass có CSDL không? “Đăng nhập sai tài khoản mật khẩu” Đ Giao diện process.php Truy cập CSDL không? Thông báo không kết nối liệu Đ S Lấy liệu bảng control để hiển thị chế độ hoạt động gần Chọn chế độ hoạt động Lưu chế độ hoạt động qua SaveDecision php Hình 3.34: Sơ đồ khối hoạt động Web Server 91 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC HIỆN 4.1 THU THẬP DỮ LIỆU Kết thu thập liệu Board thu thập liệu điều khiển động Chuỗi liệu $start, 52.0, 28.0, 51.72, 1, 1, 1, *stop bao gồm: 52.0, 28.0, 51.72 liệu cảm biến độ ẩm, nhiệt độ, độ ẩm đất 1, 1, trạng thái hoạt động động Hình 4.1: Kết liệu thu từ STM32 Việc xử lý liệu cập nhật liệu lặp lặp lại vòng lặp while True ngôn ngữ Python 92 4.2 HOẠT ĐỘNG CỦA MẠNG ZIGBEE 600-1600m Router Coordinator Hình 4.2: Tầm hoạt động hai thiết bị Zigbee Theo nhà sản xuất, module zigbee DRF1605H có tầm hoạt động tối đa khoảng 600m – 1,6km (tùy thuộc vào anten môi trường truyền) Nhóm thực truyền liệu từ router cho coordinator (bằng cách gửi liệu cảm biến từ STM32), di chuyển board router xa kết nối, từ xác định tầm truyền nhận hai thiết bị Zigbee Kết quả: Nhóm kiểm nghiệm tầm hoạt động truyền nhận thiết bị Zigbee 294 m (490 bước chân x 0.6) kết nối 4.3 TRANG WEB HIỂN THỊ Trang Web hiển thị nhóm thực truy nhập trình duyệt máy tính có kết nối mạng Sau nhập địa Web Server vào trình duyệt web, truy cập vào hình đăng nhập Hình 4.3: Màn hình đăng nhập Web Server Nhập tên tài khoản, mật đúng, vào giao diện web 93 Hình 4.4: Giao diện Web Server  Các thơng tin trang web:  Hiển thị liệu cảm biến thu trạng thái thiết bị  Ba bảng chế độ hoạt động hệ thống o Bảng cài đặt chế độ tưới tự động: Sau nhập liệu cảm biến cần cài đặt, nhấn Thực thi để hệ thống hoạt động 94 oBảng điều khiển theo thời gian: chọn khung thời gian hoạt động theo lịch hoạt động mong muốn, nhấn Thực thi để hệ thống hoạt động oBảng điều khiển thiết bị tay: chọn trạng thái hoạt động thiết bị, nhấn Thực thi để hệ thống hoạt động  Nút Vẽ biểu đồ: hiển thị thông tin liệu cảm biến 24 ngày Hình 4.5: Biểu đồ hệ thống 95 4.4 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 4.4.1 Sự hoạt động mạng Zigbee mơ hình thực tế Khoảng cách truyền nhỏ so với lý thuyết, thiết bị truyền nhận tốt với khoảng cách khoảng 294m, truyền xa độ trễ truyền nhận bị tăng lên nhiều gói tin truyền sai gói tin nên chúng phải truyền lại kiệu, số lần truyền lại tăng lên tỉ lệ thuận với khoảng cách, khoảng cách khoảng 300m thiết bị truyền nhận liệu 4.4.2 Sự hoạt động khối web server Với việc sử dụng máy tính nhúng Raspberry, khối web server cho độ ổn định cao, liệu cập nhật liên tục ổn định, song hệ thống số hạn chế như: Máy tính Raspberry B+ có tốc độ cịn chưa cao, nên việc có nhiều máy khách truy nhập vào server xảy tượng máy bị chậm bị treo máy, mặt khác hệ thống lưu liệu vào thẻ nhớ, thẻ nhớ có số lần đọc ghi liệu tốc độ cịn giới hạn, nên việc an tồn liệu hệ thống hoạt động thời gian dài hàng năm khơng cịn an tồn, hệ thống phát triển thay máy tính khác có tốc độ xử lý cao để đáp ứng nhiều yêu cầu cho hệ thống, đồng thời việc lưu trữ liệu dung ngoại vi khác ổ cứng để độ bền thiết bị lưu trữ tăng lên, đồng thời hệ thống lưu trữ liệu lên host online để liệu an tồn thiết bị lưu trữ liệu bị hư 4.4.3 Sự hoạt động khối điều khiển động Khối điều khiển động sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6 có nhiều ưu điểm vượt trội dòng STM32 ứng dụng nhiều cơng nghiệp, mơ hình hệ thống vi điều khiển STM32 mang lại sử ổn định tốt cho hệ thống, phần mềm viết cho vi điều khiển tối ưu thuật toán xử lý kết hợp chế ngắt cho vi điều khiển khiến cho việc điều khiển tức thời khơng có độ trễ Song việc sử dụng STM32 làm cho hệ thống bị nâng cao giá thành, hệ thống tối ưu việc điều khiển việc viết chương trình trực tiếp vào chip CC2530 khối mạng Zigbee để có thêm khả điều khiển xuống mạch điều khiển động 4.4.4 Đánh giá liệu từ cảm biến Hệ thống sử dụng cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11 có giá thành rẻ sai số lớn, có sai số lên tới 5%, thực nghiệm nhóm nhận thấy liệu cảm biến đọc xác, để xác hệ thống thay cảm biến đắt tiền AM2031, SHT10… 96 Đối với cảm biến độ ẩm đất nhóm sử dụng mơ hình loại cảm biến đơn giản, giá trị độ ẩm cảm biến thu phụ thuộc vào dẫn điện đất, kết thu mang tính tương đối, loại đất, có thành phần dẫn điện khác ngồi nước, để có độ xác cao cho loại cảm biến nhóm cần phải thử thực nghiệm nhiều lần để đưa điều chỉnh cho hệ thống 4.5 KẾT QUẢ THỰC TẾ Trong trình thực đề tài, nhóm thực xây dựng phần cứng gồm thiết bị hình dưới: Hình 4.6: Hệ thống thực tế 97 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 KẾT LUẬN 5.1.1 Những vấn đề nghiên cứu  Nghiên cứu lý thuyết mạng Zigbee, STM32F103, Raspberry Pi B+ phục vụ đề tài  Nghiên cứu ngơn ngữ lập trình STM32  Nghiên cứu viết chương trình Raspberry Pi B+ Python  Nghiên cứu xây dựng web HTML, PHP, JavaScript có lưu trữ sở liệu MySQL 5.1.2 Những vấn đề hoàn thành  Hoàn thành giao tiếp STM32 thu thập liệu cảm biến điều khiển động  Hoàn thành truyền nhận liệu node Zigbee phạm vi tương đối  Hoàn thành webserver giao diện đơn giản, dễ sử dụng giao tiếp Raspberry Pi B+ với máy tính thơng qua internet 5.1.3 Những hạn chế đề tài Bên cạnh vấn đề hồn thành đề tài có số hạn chế sau:  Web Server chưa tối ưu với toàn thiết bị truy cập  Chưa tối ưu tối đa điện tiêu thụ Zigbee, STM32  Chưa có dự báo thời tiết khu vực hoạt động, phương án tưới tùy theo loại trồng 98 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Do hạn chế thời gian, kiến thức vấn đề kinh tế nên hệ thống cịn đơn giản Do áp dụng vào thực tế, mơ hình cần phải nâng cấp, mở rộng để thích ứng cho ứng dụng cụ thể như:  Xây dựng thêm ứng dụng điện thoại thông minh để tạo thuận tiện cho người dùng  Mở rộng thêm node mạng Zigbee để hoàn thiện hệ thống thực tế  Thiết kế hệ thống sạc pin lượng mặt trời cho khối thu thập liệu  Tìm hiểu xây dựng phương án tiết kiệm điện tiêu thụ cho hệ thống  Xây dựng sở liệu mẫu để có thêm nhiều chế độ tưới tự động tương ứng với nhiều loại khác  Xây dựng thêm chức cập nhật thời tiết khu vực Hy vọng với hướng phát triển với ý tưởng, góp ý thầy bạn, đề tài phát triển sớm ứng dụng tương lai 99 PHỤ LỤC Phụ lục A Hướng dẫn sử dụng hệ thống  Kết nối nguồn 5V vào Board Webserver Zigbee Coordinator trước kết nối nguồn Board thu thập liệu điều khiển động Zigbee Router  Chờ vài phút cho hệ thống ổn định, dùng phần mềm Putty để truy cập địa Raspberry Pi nhóm đặt 192.168.0.105, port 22 Tiến hành chạy script python thủ công (có thể thiết lập cho script python tự động chạy khởi động Raspberry Pi)  Vào trình duyệt Web máy tính (hoặc điện thoại thơng minh), gõ địa zigbee2016.no-ip.org, đăng nhập tài khoản admin, mật 123456, tiến hành điều khiển động theo nhu cầu 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Shahin Farahani (2008) “ZigBee Wireless Networks and Transceivers, 2008 Edition” [2] Nguyễn Quang Vinh, Nguyễn Văn Hải, Phạm Hoàng Phúc, “Xây dựng giải pháp tính tiền nhanh siêu thị dựa mạng zigbee”, đồ án tốt nghiệp, đại học Bách Khoa tp.HCM, tháng 12/2011 [3] Trần Văn Lưu, Trần Thị Kim Ngân, “Thiết kế flatform hỗ trợ thông tin khẩn cấp ứng dụng cơng nghệ tích hợp Zigbee/GSM”, đồ án tốt nghiệp, đại học Sư Phạm Kỹ Thuật tp.HCM, tháng 01/2016 [4] Hà Việt Long, Nguyễn Trọng Phương, “Xây dựng hệ thống giám sát xe buýt thông minh sử dụng công nghệ GPS”, đồ án tốt nghiệp, đại học Sư Phạm Kỹ Thuật tp.HCM, tháng 01/2016 [5] Sinem Coleri Ergen “ZigBee/IEEE 802.15.4 Summary”, September 10, 2004 [6] Trần Nguyên Thái, “Thiết kế hệ thống tưới nước tự động”, đồ án tốt nghiệp, đại học Sư Phạm Kỹ Thuật tp.HCM, tháng 01/2016 [7] Nguyễn Đình Phú (2014) “Nghiên cứu vi điều khiển ARM STM32 viết thực hành” [8] Documents Z-Stack cho CC2530 cung cấp Texas Instruments [9] Lovedt (nickname), “Zigbee gì?”, 09-05-2012 Tham khảo link http://electronicctu.net/Thread-Zigbee-la-giU.html [10] Nguyễn Ngọc Hà, Lập trình ARM Cortex M3 STM32F103C8T6, Việt Nam, 2014 [11] Võ Duy Tuấn, Python bản, Việt Nam, 2015 [12] Fabrizio Romano, Learning Python, USA, 2015 [13]W3Schools, Learn HTML and CSS with w3Schools, 2008 101 ... kế hệ thống tưới nước tự động ứng dụng mạng Zigbee? ?? để nghiên cứu phát triển 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.2.1 Nghiên cứu ngồi nước Ở nước ngồi có nhiều nghiên cứu ứng dụng hệ thống tưới tự động. .. phẩm thiết kế chi phí cao dẫn đến giá thành cao Một số sản phẩm ứng dụng khu vực họ Các thiết kế thường ứng dụng vào cơng trình lớn Các hệ thống nước:  Ưu điểm:    Các hệ thống tự động tưới. .. ĐIỆN ĐIỆN TỬ BỘ MÔN KỸ THUẬT MÁY TÍNH - VIỄN THƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI NƯỚC TỰ ĐỘNG ỨNG DỤNG MẠNG ZIGBEE NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG Sinh viên: NGUYỄN MINH