2.3.1 Chỉ tiêu về ánh sáng
Đảm bảo cường độ, thời gian sáng theo yêu cầu của từng loại cây trồng khác nhau , ánh sáng phải đều khu vườn để đảm bảo tốt cho cây trồng, không phân bố chỗ sáng, chỗ tối không đều nhau. Ngoài ánh sáng tự nhiên ta còn có ánh sáng đèn điện để đảm bảo cho các loại cây trồng cần số giờ sáng trong ngày lớn, nguồn sáng này được điều chỉnh tự động thông qua hệ thống hoặc điều khiển từ xa thông qua điện thoại.
2.3.2 Chỉ tiêu độ ẩm đất
Đảm bảo được độ ẩm theo yêu cầu của các loại cây trồng khác nhau. Nguồn nươc được cung cấp khi nhận được tín hiệu từ cảm biến đo độ ẩm đất ở ngưỡng thích hợp, tránh tình trạng thiếu nước làm ảnh hưởng đến sinh trưởng của các loại cây trồng. Nguồn nước được bơm tự động hoặc bằng tay.
2.3.3 Chỉ tiêu độ ẩm không khí
Đảm bảo độ ẩm không khí cho cây trồng phù hợp để tránh tình trạng độ ẩm quá cao không tốt cho cây trồng, nếu thấp quá cũng ảnh hưởng đến cây trồng. Độ ẩm được điều chỉnh thông qua máy tạo hơi nước và quạt.
2.3.4 Chỉ tiêu nhiệt độ
Nhiệt độ trong vườn thay đổi được theo từng loại cây trồng khác nhau, có thể tự động điều chỉnh theo nhiệt độ mong muốn đặt trước hay điều khiển từ xa thông qua tin nhắn.
2.3.5 Chỉ tiêu về an toàn
Phải đảm bảo được cảnh báo khi có sự cố xảy ra như cảm biến tại mộ vị trí nào đó bị hỏng, hay nguồn nước cung cấp cho cây trồng bị cạn, nhiệt độ trong vườn vượt ngưỡng cho phép mà hệ thống không tự điều chỉnh được. Những sự cố này được cảnh báo với chủ vườn thông qua tin nhắn hoặc gọi điện.
2.4 Các thành phần của khu vườn thông minh
Hệ thống vườn thông minh cơ bản được chia ra làm 3 phần như sau:
Bộ xử lý trung tâm: Được thiết kế dạng tủ bao gồm các thiết bị chính: 1 board arduino, các mạch xử lý, 1 nguồn chính và 1 nguồn dự phòng.
Thiết bị đầu vào: -Cảm biến siêu âm.
11 -Cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm không khí. -Cảm biến đo độ ẩm đất.
-Cảm biến đo cường độ ánh sáng. Thiết bị đầu ra:
-Bơm nước. -Quạt gió. -Bóng đèn
2.5 Nguyên lý hoạt động.
Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống vườn thông minh.
Nguyên lý hoạt động:
Chọn chế độ auto: Ở chế độ này thì vi điều khiển trung tâm sẽ nhận tín hiệu từ các cảm biến và đưa ra giải pháp cho phù hợp theo chương trình lập trình như cây tại vị trí nào đó bị thiếu nước thì nước sẽ được tự động bơm vào, nhiệt độ trong vườn tăng thì bơm không khí ở ngoài vào để giảm nhiệt, độ ẩm giảm thì bật máy tạo hơi nước để đưa về độ ẩm thích hợp hay vào những ngày trời âm u thì cường độ ánh sáng cần cho cây bị thiếu thì sẽ được bật đèn để tăng cường độ ánh sáng.
Chọn chế độ manual thì ta có thể bật tắt từng thiết bị như đèn, quạt, bơm.
2.6 Arduino mega 2560
2.6.1 Giới thiệu chung về Arduino
Arduino thật sự đã gây sóng gió trên thị trường cho mảng người dùng tự chế ra sản phẩm riêng của mình trên thế giới trong vài năm gần đây. Sự phát triển của Arduino được ví giống sự thành công cùa điện thoại thông minh Apple trong thị trường thiết bị số. Số lượng người dùng lớn và số lượng các ứng dụng được phát triển từ Arduino cao đã làm cho ngay cả những người sáng lập ra cũng ngạc nhiên.
12
Hình 2.3: Những thành viên sáng lập.
Arduino ra đời tại thị trấn Ivrea thuộc nước Ý và được đặt theo tên một vị vua vào thế kỷ thứ 9 là King Arduin. Arduino chính thức được đưa ra giới thiệu vào năm 2005 như là một công cụ khiêm tốn dành cho các sinh viên của giáo sư Massimo Banzi, là một trong những người phát triển Arduino, tại trường Interaction Design Instistute Ivrea (IDII). Mặc dù hầu như không được tiếp thị gì cả, tin tức về Arduino vẫn lan truyền với tốc độ chóng mặt nhờ những lời truyền miệng tốt đẹp của những người dùng đầu tiên.Hiện nay Arduino nổi tiếng tới nỗi có người tìm đến thị trấn Ivrea chỉ để tham quan nơi đã sản sinh ra Arduino.
Arduino ra đời tại thị trấn Ivrea thuộc nước Ý và được đặt theo tên một vị vua vào thế kỷ thứ 9 là King Arduin. Arduino chính thức được đưa ra giới thiệu vào năm 2005 như là một công cụ khiêm tốn dành cho các sinh viên của giáo sư Massimo Banzi, là một trong những người phát triển Arduino, tại trường Interaction Design Instistute Ivrea (IDII). Mặc dù hầu như không được tiếp thị gì cả, tin tức về Arduino vẫn lan truyền với tốc độ chóng mặt nhờ những lời truyền miệng tốt đẹp của những người dùng đầu tiên.Hiện nay Arduino nổi tiếng tới nỗi có người tìm đến thị trấn Ivrea chỉ để tham quan nơi đã sản sinh ra Arduino.
2.6.2 Giới thiệu về board Arduino Mega2560
Arduino Mega 2560 là một bo mạch được thiết kế với bộ xử lý trung tâm là vi điều khiển công suất thấp 8-bit CMOS AVR Atmega2560. Có 54 ngõ vào/ra số, 16 ngõ vào analog, thạch anh 16 MHz , kết nối USB, 1 jack cắm điện, header ICSP, và một nút reset. Nó cung cấp mọi thứ cần thiết để hỗ trợ các vi điều khiển, chỉ cần kết nối với máy tính bằng cáp USB hoặc một adapter AC-DC hoặc pin.
13
Hình 2.4: Board Arduino Mega2560.
Bảng 1: Các thông số chi tiết của Arduino Mega2560
Vi điều khiển: ATmega2560 Điện áp hoạt động: 5V
Nguồn ngoài: 7-9V
Số chân Digital: 54 (15 chân PWM) Số chân Analog: 16
Giao tiếp UART : 4 bộ UART
Giao tiếp SPI : 1 bộ ( chân 50 -> 53 ) dùng với thư viện SPI của Arduino Giao tiếp I2C : 1 bộ
Ngắt ngoài : 6 chân
Bộ nhớ Flash: 256 KB, 8KB sử dụng cho Bootloader SRAM: 8 KB
EEPROM: 4 KB Xung clock: 16 MHz
14
2.6.3 Vi điều khiển ATMega 2560
15
2.6.4 Sơ đồ khối
Hình 2.6: Sơ đồ khối của Atmega 2560.
2.6.5 Tổ chức bộ nhớ
Atmega2560 có bộ nhớ 256 KB để chứa mã lập trình (trong đó 8 KB được sử dụng để nạp khởi động), EEPROM 4 KB, SRAM 8 KB có thể được đọc và viết với thư viện EEPROM.
16
Hình 2.7: Sơ đồ khối cấu trúc của AVR.
2.6.6 Nguồn cấp
Arduino Mega được hỗ trợ thông qua kết nối USB hoặc một nguồn cung cấp điện bên ngoài như adapter AC-DC hoặc pin. Nguồn điện được chọn tự động. Arduino có thể hoạt động trên một nguồn cung cấp bên ngoài từ 6 đến 20V. Tuy nhiên, nếu được cung cấp ít hơn 5V, Arduino có thể hoạt động không ổn định. Nếu sử dụng nhiều hơn 12V, Arduino bị quá nóng và làm hỏng các linh kiện. Phạm vi đề nghị là 7 đến 12V.
Chức năng một số chân tại vùng cấp nguồn: V-in: Điện áp đầu vào Arduino.
5V: Nguồn quy định cho vi điều khiển và các thành phần khác trên board. 3V3: Điện áp ngõ ra 3.3V. Dòng điện là 50mA.
GND: Chân được nối đất.
17
2.6.7 Các cổng vào ra
Arduino Mega có 54 ngõ vào/ra tín hiệu số sử dụng như một ngõ vào hoặc ngõ ra, trong đó có 15 ngõ có thể xuất xung PWM. Mỗi ngõ vào/ra hoạt động ở 5V và có điện trở nội kéo lên (mặc định ban đầu là chưa hoạt động). Mỗi ngõ vào/ra có thể cung cấp hoặc nhận được tối đa 40mA .
Serial: 0 (RX) và 1 (TX); Serial 1: 19 (RX) và 18 (TX); Serial 2: 17 (RX) và 16 (TX); Serial 3: 15 (RX) và 14 (TX) .Được sử dụng để nhận (RX) và truyền (TX) TTL dữ liệu nối tiếp.
PWM: từ chân số 0 đến 13 cung cấp 8-bit đầu ra PWM dùng lệnh analogWrite ().
SPI: 50 (MISO), 51 (MOSI), 52 (SCK), 53 (SS). Những hỗ trợ chân SPI truyền thông bằng cách sử dụng thư viện SPI .
LED: 13. Có một LED kết nối kỹ thuật số chân 13. Khi pin là giá trị cao, đèn LED, khi pin là LOW.
Arduino Mega có 16 ngõ vào tương tự, từ A0 đến A15, cung cấp 10 bit độ phân giải (tức là 1024 giá trị khác nhau).
2.6.8 Cổng giao tiếp
Arduino Mega có một số cơ sở để giao tiếp với một máy tính, Arduino khác, hoặc vi điều khiển khác. ATmega2560 cung cấp UART TTL (5V) giao tiếp nối tiếp, trong đó có sẵn trên các chân số 0 (RX) và 1 (TX).
2.6.9 USB bảo vệ quá dòng
Arduino được trang bị các cầu chì điện tử resettable polyfuse - một linh kiện điện tử thụ động chống quá dòng để bảo vệ cổng USB của máy tính của bạn khi quá dòng. Mặc dù hầu hết các máy tính cung cấp bảo vệ bên trong nhưng cầu chì cung cấp thêm một lớp bảo vệ nữa. Nếu dòng điện hơn 500mA đi vào vào cổng USB các cầu chì sẽ tự động ngắt dòng điện.
2.7 Module Ethernet Shield 2.7.1 Thông số kỹ thuật 2.7.1 Thông số kỹ thuật
18
Thông số kỹ thuật:
- Để sử dụng phải có board arduino đi kèm. - Hoạt động tại điện áp 5V.
- Chip Ethernet W5100 với buffet nội 16k. - Tốc độ kết nối: 10/100Mb.
- Kết nối với mạch arduino thông qua cổng SPI.
Ứng dụng: Dùng để giao tiếp giữa Arduino với mạng internet.
2.7.2 Đặc điểm
Arduino Ethernet Shield được thiết kế dựa trên chip Wiznet W5100, hỗ trợ cả hai chuẩn Ethernet là TCP và UDP. Arduino Ethernet Shield hỗ trợ tối đa bốn thiết bị đồng thời kết nối. Sử dụng thư viện Ethernet có sẵn để kết nối với internet thông qua một Jack RJ45.
Arduino Ethernet Shield có tích hợp khe cắm thẻ micro SD, có thể được sử dụng để mở rộng bộ nhớ cho Arduino, lưu trữ các tập tin phục vụ qua mạng. Arduino Ethernet Shield tương thích với Arduino Uno và Mega (sử dụng thư viện Ethernet có sẵn trong Arduino IDE). Thư viện SD cũng có sẵn trong Arduino IDE, giúp bạn tiếp cận và sử dụng nhanh nhất có thể.
Arduino giao tiếp với cả hai module W5100 và thẻ SD bằng cách sử dụng chuẩn SPI, trên các chân 11, 12, và 13 của bo Arduino Uno R3 và chân 50, 51 và 52 của bo Arduino Mega 2560, chân số 10 được sử dụng để chọn W5100 và chân số 4 cho SD card. Lưu ý rằng bởi vì W5100 và SD card sử dụng chung chuẩn truyền SPI, vì vậy một thiết bị duy nhất có thể được hoạt động tại một thời điểm. Nếu bạn đang sử dụng cả hai thiết bị ngoại vi trong chương trình của bạn, điều này cần được xử lý bởi các thư viện tương ứng.
2.8 Module cảm biến siêu âm HC-SR04
Hình 2.9: Hình ảnh cảm biến siêu âm HC-SR04.
Thông số kỹ thuật: - Điện áp: DC 5V - Dòng điện:2mA - Output Level:5V - góc cảm ứng: không quá 15 độ - phát hiện khoảng cách: 2 cm -450cm - Độ chính xác cao: lên đến 0.3cm
19
Ứng dụng: Dùng để đo khoản cách giữa các vật.
Nguyên lý hoạt động:
Hình 2.10: Biều đồ xung SRF04.
Ta chỉ cần cung cấp một xung ngắn 10uS vào trigger để bắt đầu, sau đó các module sẽ gửi ra một chuỗi 8 chu kỳ sóng siêu âm ở 40 kHz và tăng cường tín hiệu của nó. Echo là một đối tượng tính khoảng cách đo độ rộng xung và phạm vi theo tỷ lệ. Ta có thể tính toán được khoảng cách thông qua đo khoảng thời gian giữa việc gửi tín hiệu kích hoạt của trigger và tín hiệu nhận về từ echo.
Công thức: us/58 (đơn vị cm) hoặc us/148 (đơn vị inch)
Tổng quát: Phạm vi tổng quát= thời gian* vận tốc (340m/s)/ 2
2.9Cảm biến đo độ ẩm, nhiệt độ không khí DHT11
Cảm biến DHT11 là cảm biến cơ bản rất thích hợp cho những ứng dụng thu thập dữ liệu cơ bản. Cảm biến DHT11 có 2 phần, 1 cảm biến độ ẩm điện dung và một điện trở nhiệt.
Dữ liệu ngõ ra của cảm biến DHT là dạng số, có thể dùng bất cứ vi điều khiển nào để lấy dữ liệu ra. Dữ liệu độ ẩm mà cảm biến đo được mức từ 20% ~ 90%.
20
Hình 2.11: Cảm biến DHT11.
Thông số kĩ thuật:
- Nguồn: 3 -> 5 VDC.
- Dòng sử dụng: 2.5mA max (khi truyền dữ liệu). - Đo tốt ở độ ẩm 20-80%RH với sai số 5%. - Đo tốt ở nhiệt độ 0 to 50°C sai số ±2°C. - Tần số lấy mẫu tối đa 1Hz (1 giây 1 lần)
Ứng dụng : Dùng để đo nhiệt độ không khí và độ ẩm không khí.
2.10 Cảm biến đo độ ẩm đất
Cảm biến phát hiện độ ẩm đất, bình thường đầu ra mức thấp, khi đất thiếu nước đầu ra sẽ mức cao. Module có thể sử dụng để tưới nước tự động.
Độ nhạy của cảm biến độ ẩm đất có thể điều chỉnh được (Bằng cách điều chỉnh biến trở màu xanh trên board mạch).
Phần đầu dò được cắm vào đất để phát hiện độ ẩm, khi độ ầm của đất đạt ngưỡng thiết lập, đầu ra DO sẽ chuyển trạng thái từ mức thấp lên mức cao.
21
Thông số kĩ thuật:
- Điện áp làm việc 3.3V ~ 5V - Có lỗ cố định để lắp đặt thuận tiện - PCB có kích thước nhỏ 3.2 x 1.4 cm
- Sử dung chip LM393 để so sánh, ổn định làm việc
Ứng dụng: Dùng để đo độ ẩm đất.
2.11 Bơm nước
Hình 2.13: Bơm nước 5V.
Thông số kỹ thuật:
- Đường kính Motor: 2.7 cm - Chiều dài bơm: 5.2 cm - Đường kính vòi: 3.8 mm - Trọng lượng: 70g - Điện áp: 3-6V DC - Đòng Tiêu Thụ: 1.5A Ứng dụng: - Bơm nước.
2.12 Động cơ tạo hơi nước.
22
Thông số kỹ thuật:
- Điện áp hoạt động: AC24V hoặc DC28V - Công suất: 19 (W) - Tần số hoạt động: 1700 ± 50 (KHZ) - Độ sâu: 50mm ~ 60mm - Jack nguồn: Φ 5.5 × 2.1mm Ứng dụng: - Tạo độ ẩm. - Tạo hơi sương.
2.13 Relay
Hình 2.15: Relay đóng ngắt 2 kênh.
Thông số kỹ thuật:
- Sử dụng điện áp nuôi 5VDC.
- Relay đóng ngắt ở điện thế kích bằng 0V nên có thể sử dụng cho cả tín hiệu 5V hay 3.3V (cần cấp nguồn ngoài), mỗi Relay tiêu thụ dòng khoảng 80mA.
- Điện thế đóng ngắt tối đa: AC250V - 10A hoặc DC30V - 10A. - Có đèn báo đóng ngắt trên mỗi Relay.
Ứng dụng: Dùng để tắt, mở các thiết bị có điện áp hay dòng cao mà vi điều khiển không làm việc trực tiếp được với tần suất đóng ngắt chậm.
2.14 Nguồn
23
Hình 2.16: Nguồn máy tính.
Hình 2.17: Sơ đồ các chân của bộ nguồn.
Thông số kỹ thuật:
- Cung cấp nguồn với các áp là: +3,3V, +5V, +12V, -12V. - Dây màu đen là dây mass.
- Dây màu cam là +3,3V. - Dây màu đỏ là +5V. - Dây màu vàng là +12V.
- Dây màu xanh dương là -12V.
24 2.15 Quạt Hình 2.18: Quạt tản nhiệt. Thông số kỹ thuật: - Dùng điện áp DC 12V. - Dùng dòng điện 0.4A.
Ứng dụng: Dùng để thổi không khí từ bên ngoài vào nhà kính để làm giảm nhiệt độ theo yêu cầu.
2.16 Họ giao thức TCP/IP 2.16.1 Tổng quan về Ethernet 2.16.1 Tổng quan về Ethernet
2.16.1.1 Cấu trúc khung tin Ethernet
Các chuẩn Ethernet đều hoạt động ở tầng Data Link trong mô hình 7 lớp OSI vì thế đơn vị dữ liệu mà các trạm trao đổi với nhau là các khung (frame). Cấu trúc khung Ethernet như sau:
Bảng 2.1: Cấu trúc khung MAC theo IEEE 802.3/ Ethernet.
Mở đầu 555…5H SFD (D5H) Địa chỉ đích Địa chỉ nguồn Độ dài kiểu gói Dữ liệu PAD FCS
7byte 1 byte 2/6 byte 2/6 byte 2 byte 46-1500 byte 4 byte
- Preamble (mở đầu): trường này đánh dấu sự xuất hiện của khung bit, nó luôn mang giá trị 10101010. Từ nhóm bit này, phía nhận có thể tạo ra xung đồng hồ 10 Mhz.