Sau khi hoàn thành đề tài và đạt được những kết quả nhất định, chúng tôi đặt ra các hướng phát triển cho hệ thống để có những hoàn thiện tốt hơn cho các ứng dụng vào thực tế.
- Phát triển trong việc sử dụng các thiết bị cần điều khiển với công suất lớn.
- Mở rộng hệ thống ở quy mô lớn và tìm hiểu, nghiên cứu đặc tính sinh học của từng loại cây trồng.
- Phát triển hệ thống phát hiện cây trồng bị sâu bệnh, đưa ra phương hướng giải quyết, kết hợp với việc tự động chăm bón chất dinh dưỡng cho cây trồng.
- Thiết kế các app ứng dụng điện thoại giúp người dùng dễ dàng sử dụng trong việc theo dõi thông tin tình trạng cây trồng, lịch sử hoạt động của các thiết bị và truy xuất thông tin ngày giờ nông sản trồng và thu hoạch.
- Thiết kế website có thêm nhiều tính năng như đồ thị cập nhật theo thời gian, mã QR code chứa thông tin cây trồng.
89 trang |
Chia sẻ: Tiểu Khải Minh | Ngày: 19/02/2024 | Lượt xem: 117 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Đồ án Tốt nghiệp Thiết kế mô hình hệ thống iot cho nhà kính trồng rau, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
a Firebase Realtime Database, các rule được thực thi khi dữ liệu
được đọc hoặc ghi.
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
17
Chương 3. THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
3.1 YÊU CẦU TÍNH NĂNG SỬ DỤNG
Hệ thống là mô hình một vườn rau được trồng trong mô hình nhà kính thực
hiện được các yêu cầu sau:
Theo dõi số liệu môi trường (nhiệt độ không khí, độ ẩm không khí, độ ẩm
đất, ánh sáng).
Hệ thống tự động bật, tắt hệ thống bơm nước nhỏ giọt theo điều kiện môi
trường.
Hệ thống tự động cuộn, mở lưới giảm ánh sáng, bật, tắt đèn tuỳ thuộc vào
điều kiện ánh sáng của môi trường.
Hệ thống quạt lưu thông không khí theo điều kiện môi trường.
Hệ thống phun sương theo điều kiện môi trường.
Người dùng có thể giám sát hệ thống vườn rau qua camera.
Người dùng có thể lựa chọn cây trồng.
Người dùng có thể điều khiển thiết bị qua internet.
Phát hiện và hiển thị thiết bị hư hỏng lên web.
Người dùng có thể theo dõi tình trạng của vườn rau ở bất kỳ nơi nào có
Internet.
3.2 YÊU CẦU KỸ THUẬT
3.2.1 Chức năng
Hệ thống khả năng thu thập dữ liệu các cảm biến.
Hệ thống có khả năng cập nhật dữ liệu.
Hệ thống có khả năng giao tiếp truyền thông không dây.
Giám sát toàn bộ hệ thống thông qua web.
Hệ thống có khả năng phát hiện các thiết bị hư hỏng.
Hệ thống có khả năng điều khiển thiết bị từ xa.
Hệ thống có khả năng quan sát trực tiếp hình ảnh từ xa.
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
18
3.2.2 Đặc tính
Độ chính xác về các yêu cầu kỹ thuật đáp ứng yêu cầu của người dùng trong
khoảng thời gian ngắn (<10s).
Sai số đo của thiết bị: không vượt quá ± 5%.
Các thiết bị sử dụng trong hệ thống có khả năng chịu được các yếu tố ảnh
hưởng từ môi trường như oxi hoá.
Hệ thống tiện lợi trong quá trình di chuyển, tháo lắp, kết nối các thiết bị
trong hệ thống và thuận tiện trong việc sử dụng các thiết bị kết nối internet.
Đảm bảo khả năng an toàn khi người dùng tiếp xúc điều khiển.
3.3 THIẾT KẾ KIẾN TRÚC HỆ THỐNG
3.3.1 Mô hình tổng thể hệ thống
“Thiết kế mô hình hệ thống IoT cho nhà kính trồng rau” là mô hình được
xây dựng và phát triển dựa trên hình thức nông nghiệp thông minh. Để đáp ứng
đủ yêu cầu cấn thiết đến sự phát triển của cây trồng nên mô hình được thiết kế
như sau:
Hình 3. 1: Phác thảo mô hình tổng thể hệ thống
Hệ thống dùng hệ thống các cảm biến có đầu đo được cắm thẳng vào luống
đất trồng (cảm biến đo độ ẩm đất) và treo trên các thanh cọc thẳng đứng để
đo độ ẩm không khí (cảm biến đo độ ẩm không khí).
Ngoài ra hệ thống dùng hệ thống các cảm biến ánh sáng treo trên các thanh
cọc thẳng đứng để đo cường độ ánh sáng kết hợp với cảm biến đo nhiệt độ.
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
19
Hệ thống sẽ tự động đo độ ẩm, cường độ ánh sang, nhiệt độ môi trường liên
tục theo chu kỳ thời gian thực (3s/ lần đo) với bộ vi mạch điện tử được lập
trình sẵn, làm nhiệm truyền số liệu về trung tâm dữ liệu qua mạng internet
không dây.
Thông qua các dữ liệu đo đạc, phần mềm sẽ tự động so sánh với dữ liệu
ngưỡng cho phép để tự động kích hoạt đóng mở hệ thống nước tưới tiêu cho
cây trồng, hệ thống phun sương thông qua các đầu béc phun sương kích
hoạt quạt để điều hòa không khí trong nhà, kích hoạt động cơ kéo các tấm
lưới che để giảm bớt cường độ ánh sáng.
Hệ thống được lắp đặt camera trong nhà kính để giám sát từ xa.
3.4 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
3.4.1 Sơ đồ khối hệ thống
Hình 3. 2: Sơ đồ khối của tổng thể hệ thống
Hệ thống được thiết kế bao gồm 9 khối nối với nhau:
Khối cảm biến: thực hiện việc đo đạc các thông số và gửi tín hiệu đến khối
xử lý.
Khối truyền thông: nhận tín hiệu đã xử lý từ khối trung tâm chuyển lên hệ
thống web server và chuyển tín hiệu điều khiển về khối xử lý thực hiện.
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
20
Khối vận hành: nhận tín hiệu điều khiển từ khối xử lý để thực hiện đóng mở
các thiết bị.
Khối xử lý trung tâm: nhận các tín hiệu từ khối cảm biến, xử lý tín hiệu đó
và chuyển tín hiệu đến khối truyền thông, khối lưu trữ dữ liệu, khối vận
hành.
Khối nút nhấn: Lựa chọn cây trồng, chế độ hoạt động, điều khiển thiết bị
hoạt động, thiết lập thông số từ người dùng.
Khối hiển thị: hiện thị các thông số môi trường thu thập từ cảm biến, hiển
thị trang thái thiết bị
Khối camera: lưu dữ diệu hình ảnh quan sát dưới dạng video.
Khối thời gian thực: cập nhật thời gian cho người dùng
Khối nguồn: cung cấp nguồn cho các khối hoạt động.
3.4.2 Thiết kế chi tiết.
Dựa vào công năng và đặc tính của hệ thống, nhóm đã xây dựng và thiết kế
để đáp ứng được chức năng và yêu cầu của hệ thống.
Hiện nay trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng có thị trường linh
kiện phong phú và đa dạng, để đáp ứng được nhu cầu của hệ thống và phù hợp với
tùy người dùng nên cân nhắc chọn những linh kiện phù hợp điều kiện nghiên cứu.
Nhiều cảm biến được thiết lập trong Nhà kính thông minh. Nhiệt độ, độ ẩm
và cường độ chiếu sáng được đo thông qua các cảm biến điện tử và môi trường và
dữ liệu thu thập được sẽ được xuất sang một máy tính cạnh. Hơn nữa, dữ liệu này
cũng được lưu trữ trên Cloud. Cho đến nay, một máy tính duy nhất điều khiển từng
thiết bị và nhiều điều kiện môi trường được quản lý riêng lẻ. Vì mỗi thiết bị đều
có dây, nên có những hạn chế về vị trí và số lượng của nó. Tuy nhiên, trong Nhà
kính thông minh, một máy tính duy nhất có thể điều khiển nhiều thiết bị và tất cả
dữ liệu được tự động thu thập đến máy tính biên thông qua mạng không
dây. Không cần phải quay lại nhà kính.
Hệ thống được thiết kế bao gồm chín khối gồm khối cảm biến, khối thời
gian thực, khối truyền thông, khối xử lý trung tâm, khối nguồn, khối camera,
khối hiển thị, khối vận hành, và khối nút nhấn.
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
21
a. Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm không khí
Hiện nay trên thị trường Việt Nam có rất nhiều loại cảm biến đo nhiêt độ, độ
ẩm không khí phổ biến như DHT11, DHT22, AM2315, SHT20, SHT20, SHT30.
Với đề tài này nhóm thực hiện quyết định chọn cảm biến DHT11 vì DHT11 Là
cảm biến nhiệt độ, độ ẩm rất thông dụng hiện nay vì chi phí rẻ và rất dễ lấy dữ liệu
thông qua giao tiếp 1-wire (giao tiếp digital 1-wire truyền dữ liệu duy nhất). Cảm
biến được tích hợp bộ tiền xử lý tín hiệu giúp dữ liệu nhận về được chính xác mà
không cần phải qua bất kỳ tính toán nào.
Đặc điểm [5]:
Điện áp hoạt động: 3V - 5V (DC)
Dải độ ẩm hoạt động: 20% - 90% RH, sai số ±5%RH
Tần số lấy mẫu tối đa: 1 Hz
Khoảng cách truyển tối đa: 20m
Hình 3. 3: Sơ đồ kết nối cảm biến nhiệt độ, độ ẩm không khí
b. Cảm biến độ ẩm đất
Module cảm biến độ ẩm đất có thể được sử dụng cho các ứng dụng nông nghiêp,
tưới nước tự động cho các vườn cây khi đất khô, hoặc dùng trong các ứng dụng
của hệ thống nhà thông minh.
Module cảm biến độ ẩm đất gồm hai phần [6]:
Đầu dò: Hai đầu đo của đầu dò được cắm vào đất để phát hiện độ ẩm. Dùng dây
nối giữa cảm biến và module chuyển đổi, khi độ ầm của đất đạt ngưỡng thiết
lập, đầu ra DO sẽ chuyển trạng thái từ mức thấp lên mức cao. Thông tin về độ
ẩm đất sẽ được đọc về và gởi tới module chuyển đổi.
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
22
Module chuyển đổi: Module chuyển đổi có cấu tạo chính gồm một IC so sánh
LM393, một biến trở, 4 điện trở dán 100 ohm và 2 tụ dán. Biến trở có chức năng
định ngưỡng so sánh với tín hiệu độ ẩm đất đọc về từ cảm biến. Ngưỡng so sánh
và tín hiệu cảm biến sẽ là 2 đầu vào của IC so sánh LM393. Khi độ ẩm thấp hơn
ngưỡng định trước, ngõ ra của IC là mức cao (1), ngược lại là mức thấp (0).
Hình 3. 4: Cảm biến độ ẩm đất với vi xử lý
c. Cảm biến đo dòng ACS712
Nhóm thực hiện lựa chọn cảm biến cường độ dòng điện AMS712 vì:
Đọc giá trị giòng điện qua các thiết bị qua đó có thể phát hiện được hư hỏng
của thiết bị.
Giá thành rẻ.
Đo cường độ dòng điện chính xác.
Tiêu thụ điện năng rất thấp.
Đo được dòng điện AC và DC.
Đặc điểm [5]:
Sử dụng IC ACS712 5/20/30A
Nguồn sử dụng 5V DC
Độ nhạy đầu ra 63 ~ 190mv/A.
Đo được dòng điện AC và DC.
Điện trở dây dẫn trong là 1.2mΩ.
Cảm biến dòng điện ACS712 (Hall Effect Current Sensor) dựa trên hiệu ứng
Hall để đo dòng điện AC/DC của thiết bị. Ưu điểm là kích thước nhỏ gọn, kết nối
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
23
đơn giản, giá trị trả ra dưới dạng Analog tuyến tính theo cường độ dòng điện cần
đo nên rất dễ dàng kết nối và lập trình với Vi điều khiển, với độ chính xác cao.
Hình 3. 5: Sơ đồ chân ACS712
d. Cảm biến cường độ ánh sáng
Tương tự như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm không khí, cảm biến ánh sáng cũng
rất được phổ biến trên thị trường từ nhu cầu tương đương. Các cảm biến ánh sáng
thường được dùng với hai mục đích chính là đo cường độ ánh sáng và ứng dụng
bật/tắt đèn tự động cho căn phòng thông minh. Nhưng phổ biến nhất trên thị trường
linh kiện hiện nay có ba loại sản phẩm chính gồm Cảm biến ánh sáng quang trở
LM393, Module cảm biến quang trở KY-018, Cảm biến cường độ ánh sáng
BH1750.
Hình 3. 6: Kết nối cảm biến ánh sáng với vi xử lý
Chúng tôi thực hiện lựa chọn cảm biến BH1750 vì:
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
24
Giá thành rẻ.
Đo cường độ ánh sáng theo đơn vị lux.
Tiêu thụ điện năng rất thấp.
Tính năng giảm nhiễu ánh sáng 50Hz/60Hz.
Khoảng đo rộng: 1- 65535lux.
e. Khối thời gian thực
Module Thời Gian Thực RTC DS3231 là IC thời gian thực giá rẻ, rất chính
xác với thạch anh tích hợp sẵn có khả năng điều chỉnh nhiệt. IC có đầu vào cho
pin riêng, tách biệt khỏi nguồn chính đảm bảo cho việc giữ thời gian chính xác.
Thạch anh tích hợp sẵn giúp tăng độ chính xác trong thời gian dài hoạt động và
giảm số lượng linh kiện cần thiết khi làm board.
Thời gian trong IC được giữ ở dạng: giờ, phút, giây, ngày, thứ, tháng, năm.
Các tháng có ít hơn 31 ngày sẽ tự động được điều chỉnh, các năm Nhuận cũng
được chỉnh đúng số ngày. Thời gian có thể hoạt động ở chế độ 24h hoặc 12h
AmPM. IC còn có chức năng báo động, có thể cài đặt 2 thời gian báo và lịch, có
tín hiệu ra là xung vuông. Giao tiếp với IC được thực hiện thông qua I2C bus.
Hình 3. 7: Sơ đồ kết nối MODULE thời gian thực DS3231
Trong chip có mạch điện áp chuẩn dùng để theo dõi trạng thái của nguồn
VCC, phát hiện lỗi nguồn, tự động chuyển nguồn khi có vấn đề. Có tín hiệu Reset
xuất ra cho mạch ngoài, MCU khi nguồn điện phục hồi trạng thái. Ngoài ra trong
IC còn có sẵn cảm biến nhiệt độ, có độ chính xác là ± 3°C [6].
f. Khối vận Hành
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
25
Động cơ bơm nước
Để đáp ứng nhu cầu phát triển tốt của cây trồng, vì vậy chúng tôi thực hiện
đã lựa chọn động cơ bơm 12V, áp dụng bơm theo hình thức nhỏ giọt. Với các
thông số [5]:
Loại động cơ: R386.
Điện áp: DC/12V.
Dòng định mức: 0.25A.
Công suất: 3W.
Tốc độ dòng: 1 – 2 lít/phút.
Chiều cao tối đa: 5m.
Thời gian làm việc liên tục tối đa: 120h.
Nhiệt độ nước: 50C – 45C.
Hoạt động nhiệt độ môi trường: 50C – 40C.
Áp suất nước tạo ra: 0.3Mpa.
Dòng tối đa: ≤0.4A.
Hình 3. 8: Động cơ bơm nước
Động cơ phun sương
Máy bơm áp suất phun sương DP-521 sử dụng nguồn điện 12 VDC 2A, nhằm
mục đích tạo độ ẩm môi trường giúp cây trồng phát triển tốt.
Thông số kỹ thuật [6]:
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
26
Điện áp: 12VDC.
Dòng điện tối đa: 2A.
Áp lực tối đa: 0.48Mpa.
Đẩy: 4-5m.
Khả năng chịu nhiệt cao nhất: 55 °C.
Lưu lượng chảy tối đa: 3.5L/phút.
Chiều dài: 12.5cm (xấp xỉ)
Lực hút: 1.5 m/4.92ft (chiều cao đứng 1.5m có thể hút lên)
Động cơ quạt
Nhằm mục đích điều hòa không khí giúp cây trồng dễ dàng hấp thụ và trao
đổi chất, nhóm chúng tôi đã quyết định sử dụng 2 quạt cho hệ thống.
Điện áp: 12VDC.
Kích thước: 50x50x10 mm.
Cao: 50mm.
Công suất: 1.44W.
Rộng: 50mm.
Dòng điện max: 12mA.
Sâu: 10mm.
Lưu lượng gió: 8.98 CFM.
Hình 3. 9: Động cơ phun sương
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
27
Độ ồn: 28dB.
Tốc độ quay 5200rpm.
Hình 3. 10: Động cơ quạt
Động cơ màn che nắng
Để thực hiện việc che nắng khi cường độ ánh sáng mặt trời cao ảnh hưởng
không tốt đến cây trồng cũng như điều kiện ánh sáng mặt trời yếu nên nhóm chúng
tôi đã thiết kế hệ thống rèm che nắng bằng cách sử dụng động co giảm tốc DC TT
trục kép.
Thông số kĩ thuật [6]:
Tốc độ quay: 250 rpm/6V, 110rpm/3V.
Điện áp: 3 – 6V dc.
Loại: Có chổi than.
Dòng không tải : 250mA/6V, 160 mA/3V
Tỉ lệ: 1:48.
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
28
Hình 3. 11: Động cơ kéo màng che nắng
Đèn
Nhằm mục đích cung cấp ánh sáng cho cây trồng, nhóm chúng tôi đã quyết
định sử dụng dây đèn led 2835 12V dc chống thấm nước, chịu được ảnh hưởng
của môi trường thời tiết.
Hình 3. 12: Led dây 2835
Công tắc hành trình
Trên thị trường có rất nhiều loại cảm biến có thể xác định trạng thái đóng mở
của thiết bị, tùy theo mục đích sử dụng để người dùng có thể chọn lựa như: Cảm
biến tiệm cận, cảm biến siêu âm, công tắc hành trình. Do yêu cầu cần xác định
trạng thái đóng mở cửa với độ chính xác cao, không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố
môi trường khác nên công tắt hành trình là lựa chọn tối ưu cho hệ thống đóng mở
lưới che.
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
29
Hình 3. 13: Công tắc hành trình
Công tắt hành trình có 3 chân: NO (thường mở), NC (thường đóng) và COM.
Ở trạng thái bình thường thì tiếp điểm giữa chân COM và chân NC sẽ được đấu
với nhau. Nhưng khi có sự tác động vào bộ phận truyền động sẽ làm cho chân
COM chân NC tách ra sau đó và chân COM sẽ tác động vào chân NO.
Giao tiếp giữa công tắc hành trình và vi điều khiển theo mô tả dưới đây:
Chân 1: Chân NC nối với nguồn 5V.
Chân 2: Chân NO nối với GND của nguồn.
Chân 3: Chân COM của công tắc hành trình 1 nối với chân D10, và chân
COM của công tắc hành trình 2 nói với chân 11 của vi điều khiển.
Module Relay 8 kênh
Tính năng
Điều khiển thiết bị qua relay.
Mỗi đầu ra Relay đều có Opto cách ly, chống nhiễu.
Có led hiển thị trạng thái đầu ra relay.
Có thể điều khiển trực tiếp bởi vi điều khiển (Arduino, pic, avr, arm,)
Thông số kỹ thuật
Module 8 đầu ra relay
Các chân tín hiệu điều khiển IN1, IN2, IN3, IN4, IN5, IN6, IN7, IN8 hoạt
động mức thấp.
Điện áp cấp cho mạch 5V DC
Chịu dòng cao: DC30V 10A- AC250V 10A.
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
30
Kích thước: 13.45cm*5.27cm.
Hình 3. 14: Module relay 8 kênh
g. Khối camera
Nhằm mục đích theo dõi cây trồng và thiết bị vườn nhà kính từ xa, chúng tôi
đã chọn Kit RF thu phát Wifi BLE ESP32 Camera ESP32-CAM Ai-Thinker làm
khối camera. Ưu điểm của kit này là có kích thước nhỏ gọn, bộ xử lý chính là
module ESP32 cùng với Camera OV2640 nên được sử dụng rộng rãi trong các ứng
dụng truyền hình ảnh, xử lý ảnh qua Wifi, Bluetooth hoặc các ứng dụng IoT.
Hình 3. 15: Kit RF thu phát Wifi BLE ESP32-CAM
Thông số:
Điện áp cung cấp 5V.
SPI Flash Mặc định 32MB.
RAM 520KB SRAM + 4MB PSRAM.
Bộ nhớ ngoài Khe cắm thẻ micro SD lên đến 4GB.
Bluetooth Chuẩn Bluetooth 4.2 BR/EDR và BLE.
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
31
WiFi 802.11 b/g/n.
Interface UART, SPI, I2C, PWM.
IO Port: 9.
Tốc độ truyền UART 115200 bps (Mặc định)
Dải quang phổ 2412 ~2484MHz.
Antenna Onboard PCB antenna, gain 2dBi.
Camera:
Đầu nối FPC.
Hỗ trợ camera OV2640(bán kèm theo board) hoặc camera OV7670.
JPEG (chỉ hỗ trợ OV2640), BMP, GRAYSCALE.
Đèn led.
Transmit Power:
802.11b: 17±2 dBm (11Mbps)
802.11g: 14±2 dBm (54Mbps)
802.11n: 13±2 dBm (MCS7)
Receiving Sensitivity:
CCK, 1 Mbps: -90dBm.
CCK, 11 Mbps: -85dBm.
6 Mbps (1/2 BPSK): -88dBm.
54 Mbps (3/4 64-QAM): -70dBm.
MCS7 (65 Mbps, 72.2 Mbps): -67dBm.
Tiêu thụ điện năng:
Tắt đèn flash: 180mA/5V.
Bật đèn flash và bật độ sáng tối đa: 310mA/5V.
Deep-sleep: 6mA/5V.
Moderm-sleep: 20mA/5V.
Light-sleep: 6.7mA/5V.
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
32
Bảo mật WPA/WPA2/WPA2-Enterprise/WPS.
Nhiệt độ hoạt động -20 ℃ đến + 85 ℃.
Môi trường bảo quản -40 ℃ đến +90 ℃, < 90%RH.
h. Khối nút nhấn
Để đáp ứng nhu cầu điều khiển bật tắt thiết bị, lựa chọn cây trồng, thiết lập
thông số ngưỡng môi trường nhóm chúng tôi đã quyết định sử dụng bàn phím ma
trận 4x4 để dễ dàng cho việc thiết lập và sử dụng.
Thông số kỹ thuật:
Module bàn phím ma trận 4x4 loại phím mềm.
Độ dài cáp: 88mm.
Nhiệt độ hoạt động 0 ~ 70oC.
Đầu nối ra 8 chân.
Kích thước bàn phím 77 x 69 mm
Hình 3. 16: Bàn phím ma trận 4x4
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
33
i. Khối xử lý trung tâm
Yêu cầu khối xử lý trung tâm: Đây được xem là trái tim của toàn bộ hệ thống,
khối có chức năng tiếp nhận, xử lý mọi tín hiệu ngõ vào thu được từ các cảm biến,
các cơ cấu tác động, các tín hiệu điều khiển từ web, truyền nhận dữ liệu giữa web
và phần cứng để xử lý rồi đem nhưng thông số đo được xử lý được hiển thị lên cho
người dùng theo dõi, toàn bộ hoạt động điều khiển của hệ thống dều thông qua
khối xử lý trung tâm này.
Vi điều khiển ATmega2560 họ AVR Atmel
ATmega2560 là vi điều khiển thường được tìm thấy trong Board Arduino
Mega 2560, cũng là vi điều khiển chính của board. Đây là một vi điều khiển dựa
trên cấu trúc RISC thực hiện các lệnh mạnh mẽ trong một chu kỳ xung nhịp duy
nhất. Điều này cho phép nó đạt được sự cân bằng tốt giữa mức tiêu thụ năng lượng
và tốc độ xử lý.
ATmega2560 có phân đoạn bộ nhớ không biến động, độ bền cao với chu kỳ
Write/Clear 10.000 Flash, được hỗ trợ thư viện Atmel QTouch. Giao diện JTAG
tương thích với tiêu chuẩn 1149.1. Cấu tạo của ngoại vi gồm có bộ đếm thời gian
thực với bộ dao động riêng, đồng hồ bấm giờ có thể lập trình với bộ tạo dao động
trên chip riêng, bộ so sánh tương tự trên chip và bộ ngắt, timer trên Pin Charge.
ATmega2560 có thể thiết lập lại nguồn và phát hiện có thể lập trình, dao động hiệu
chuẩn nội bộ, nguồn ngắt bên ngoài và bên trong. Đồng thời có 6 chế độ ngưng
hoạt động như chế độ ngủ, giảm nhiễu ADC, giảm năng lượng, giảm điện áp, chế
độ trì hoãn và mở rộng chức năng lập trình [7].
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
34
Hình 3. 17: Sơ đồ khối vi điều khiển ATmega2560
Vi điều khiển ATmega2560 được dùng trên board Arduino Mega 2560 và
cũng sử dụng ngôn ngữ lập trình C thông qua trình biên dịch Arduino IDE, cách
lập trình cho ATmega2560 cũng tương tự như cách lập trình cho cách lập trình cho
dòng ATmega328P sử dụng trên Arduino Uno R3.
Dựa trên thiết kế sơ đồ khối của hệ thống và nghiên cứu về cấu trúc của các
dòng vi xử lý trên để đảm bảo các chức năng thực hiện việc truyền nhận tín hiệu,
điều khiển thiết bị và đủ số chân pin I/O để giao tiếp ngoại vi, ATmega2560 là vi
điều khiển phù hợp nhất được chọn cho khối xử lý ở bộ trung tâm [7].
j. Khối truyền thông
Mục đích sử dụng của mô hình là ứng dụng vào thực tế ngành trồng trọt cần
độ chính xác cao và dễ bị ảnh hưởng của môi trường ngoài ra đề tài muốn hướng
đến là điều khiển đo và giám sát từ xa qua mạng. Vì vậy nhóm lựa chọn Kit RF
Wifi Bluetooth BLE ESP32S NodeMCU 32S làm bộ điều khiển cho mô hình vì
NodeMCU 32S được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, đảm bảo độ chính xác
và có độ bền cao, không bị ảnh hưởng bởi các yếu đó môi trường, dễ dàng mở rộng
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
35
input, output tùy theo mục đích sử dụng, đặc biệt NodeMCU ESP32S có hỗ trợ về
công nghệ thu phát wifi nên dễ dàng điều khiển từ xa.
Người sử dụng có thể dễ dàng sử dụng, ra chân đầy đủ, tích hợp mạch nạp và
giao tiếp UART CP2102, Kit Wifi BLE ESP32 NodeMCU 32S luôn là sự lựa chọn
trong các dự án nghiên cứu, ứng dụng về Wifi, BLE và IoT...
Vì những yếu tố trên nhóm thực hiện đã lựa chọn Kit RF Wifi Bluetooth BLE
ESP32S NodeMCU 32S để điều khiển hoạt động của mô hình.
Thông số kỹ thuật:
Module trung tâm: Ai-Thinker ESP32-S.
SPI Flash: 32 Mbits.
Phạm vi tần số: 2400 – 2483.5 MHz.
Bluetooth: 4.2 BR/EDR.
Wifi: 802.11 b/g/n/e/i.
Giao diện hỗ trợ: UART/SPI/SDIO/I2C/PWM/I2S/IR/ADC/DAC.
Nguồn sử dụng: 5VDC từ cổng Micro USB.
Tích hợp mạch nạp và giao tiếp UART CP2102.
Chuẩn 38 chân cắm 2.54mm, ra chân đầy đủ module ESP32.
Kích thước: 25.4 x 48.3mm.
Hình 3. 18: Kít RF Wifi Blutetooth NodeMCU 32S
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
36
Sơ đồ chân:
Bộ xử lý:
CPU: Bộ xử lý Xtensa lõi kép (hoặc lõi đơn) 32-bit LX6, hoạt động ở tần
số 160 hoặc 240 MHz và hoạt động tối đa ở 600 DMIPS.
Bộ đồng xử lý (co-processor) công suất cực thấp.
Bộ nhớ nội:
448 KB bộ nhớ ROM và 520 KB bộ nhớ SRAM.
Kết nối không dây [6]:
Wifi: 802.11 b/g/n.
Bluetooth: v4.2.
ADC 12 bit, 18 kênh.
DAC 2 × 8-bit.
10 cảm biến cảm ứng.
Hình 3. 19: Sơ đồ chân của NodeMCU-32S
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
37
4 SPI.
2 giao diện I²S.
2 giao diện I²C.
3 UART (UART0, UART1, UART2) với tốc độ lên đến 5 Mbps. [6]
SD/SDIO/CE-ATA/MMC/eMMC host controller.
SDIO/SPI slave controller.
Ethernet MAC interface cho DMA và IEEE 1588 Precision TimeN Protocol
(tạm dịch: Giao thức thời gian chính xác IEEE 1588)
CAN bus 2.0
Bộ điều khiển hồng ngoại từ xa (TX/RX, lên đến 8 kênh)
PWM cho điều khiển động cơ.
LED PWM (lên đến 16 kênh)
Cảm biến hiệu ứng hall.
Bộ tiền khuếch đại analog công suất cực thấp (Ultra low power analog
pre-amplifier).
Bảo mật:
Hỗ trợ tất cả các tính năng bảo mật chuẩn IEEE 802.11, bao gồm WFA,
WPA/WPA2 và WAPI.
Secure boot (tạm dịch: khởi động an toàn)
Mã hóa flash.
1024-bit OTP, lên đến 768-bit cho khách hàng.
Tăng tốc mã hóa phần cứng: AES, SHA-2, RSA, elliptic curve
cryptography (ECC tạm dịch: mật mã đường cong elip), trình tạo số ngẫu
nhiên (random number generator, viết tắt: RNG)
Quản lý năng lượng:
Bộ ổn áp nội với điện áp rơi thấp (internal low-dropout regulator)
Miền nguồn riêng (individual power domain) cho RTC.
Dòng 5 μA cho chế độ deep sleep.
Trở lại hoạt động từ ngắt GPIO, timer, đo ADC, ngắt với cảm ứng
điện dung.
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
38
k. Khối hiển thị
Graphic LCD (gọi tắt là GLCD) loại chấm không màu là các loại màn hình
tinh thể lỏng nhỏ dùng để hiển thị chữ, số hoặc hình ảnh. Khác với Text LCD (Như
LCD 2004, LCD 1602...), GLCD không được chia thành các ô để hiển thị các mã
ASCII vì GLCD không có bộ nhớ CGRAM (Character Generation RAM). GLCD
128x64 có 128 cột và 64 hàng tương ứng có 128x64=8192 chấm (dot). Mỗi chấm
tương ứng với 1 bit dữ liệu, và như thế cần 8192 bits hay 1024 bytes RAM để chứa
dữ liệu hiển thị đầy mỗi 128x64 GLCD. Tùy theo loại chip điều khiển, nguyên lý
hoạt động của GLCD có thể khác nhau [7].
Hình 3. 20: Màn hình hiển thị GCLD
Chip KS0108 chỉ có 512 bytes RAM (4096 bits = 64x64) vì vậy chỉ điều
khiển hiển thị được 64 dòng x 64 cột. Để điều khiển GLCD 128x64 cần 2 chip
KS0108, và thực thế trong các loại GLCD có 2 chip KS0108, GLCD 128x64 do
đó tương tự 2 GLCD 64x64 ghép lại.
Các GLCD 128x64 dùng KS0108 thường có 20 chân trong đó chỉ có 18 chân
là thực sự điều khiển trực tiếp GLCD, 2 chân (thường là 2 chân cuối 19 và 20) là
2 chân Anốt và Katốt của LED nền. Trong 18 chân còn lại, có 4 chân cung cấp
nguồn và 14 chân điều khiển và dữ liệu.
l. Khối nguồn
Để cấp nguồn cho hệ thống, nhóm thực hiện liệt kê thông số điện áp và dòng
tiêu thụ của thiết bị và linh kiện được sử dụng trong hệ thống.
Tại khối cảm biến và điều khiển, dòng điện tiêu thụ của các linh kiện được
trình bày trong bảng dưới đây.
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
39
Bảng 3. 1: Dòng điện tiêu thụ tại khối cảm biến và điều khiển
STT Linh kiện
Điện áp Dòng tiêu
thụ(mA)
Số
lượng
Tổng(mA)
1 Module ESP32 3.3V 320mA 1 320mA
2
Module arduino mega
2560
7V
70mA 1 70mA
3 Cảm biến DHT-11 5V 2.5mA 1 2.5mA
4 Cảm biến AMS712 5V 9mA 5 40mA
5 Cảm biến BH1750 5V 7mA 1 7mA
6 Cảm biến độ ẩm đất 5V 3mA 1 3mA
7 Công tắc hành trình 5V 2mA 2 4mA
8 Màn hình GLCD 5V 50mA 1 50mA
9 Cảm biến DS3221 5V 9mA 1 9mA
9 Relay 8 kênh 5V 560mA 1 560mA
10 ESP32 CAM 5V 2A 1 2000mA
Tổng ≈ 3100𝑚𝐴
Vì vậy, Chúng tôi thực hiện chọn sử dụng 2 pin cell 18650 (3.6V – 1800mAh)
để cấp nguồn cho khối cảm biến và điều khiển. Nguồn pin được thiết kế kết nối
với tấm pin năng lượng mặt trời 18V-6W để sạc cho pin.
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
40
3.4.3 Sơ đồ nguyên lý
Hình 3. 21: Sơ đồ nguyên lý toàn bộ hệ thống
3.4.4 Phần mềm xử lý điều khiển
Lưu đồ chương trình Arduino Mega 2560
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
41
Thiết lập cấu hình
các ngõ vào ra
Khi có dữ
liệu Uart
Đúng
Đọc các cảm biến
và trạng thái
nút nhấn
Đúng
Sai
Xử lý chuỗi
và điều khiển
Nhấn nút
Điều khiển
Điều khiển
thiết bị
Gửi dữ liệu Uart
Hiển thị GLCD
Sai
Bắt đầu
Kết thúc
Hình 3. 22: Lưu đồ chương trình chính trên Arduino Mega
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
42
Giải thích lưu đồ:
Đầu tiên, khai báo và khởi tạo các giá trị ban đầu, các chân vào ra, khai báo
biến dùng trong chương trình, sau đó kiểm tra dữ liệu UART, nếu có dữ liệu thì sẽ
tiến hành thực hiện công việc xử lý chuỗi và điều khiển các thiết bị. Nếu không có
dữ liệu UART, hệ thống sẽ kiểm tra xem có nhất nút điều khiển thiết bị hay không.
Khi có nhấn nút, sẽ thực hiện chương trình “Điều khiển thiết bị”. Khi không nhấn
nút, hệ thống sẽ thực hiện chương trình “Đọc các cảm biến”. Sau khi thực hiện các
công việc trên, hệ thống sẽ “Gửi dữ liệu UART” thu thập từ cảm biến và sau đó
gửi các dữ liệu này qua ESP32 bằng UART. Chương trình “Hiển thị GLCD” có
nhiệm vụ hiển thị số đo cảm biến, trạng thái on off thiết bị, thông tin cây trồng,
thạng thái cài đặt lên màn hình GLCD. Các công việc trên sẽ luôn lặp lại liên tục
cho đến khi ngắt điện toàn hệ thống.
Lưu đồ chương trình con xử lý chuỗi và điều khiển:
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
43
ChuoiA=1
Bật chế
độ thủ
công
Đúng
Xử lý tách chuỗi
Sai
Bật chế
độ tự
động
ChuoiB=1
Bật bơmTắt bơm
ChuoiC=1
Bật đèn
Đúng
Sai
Tắt đèn
ChuoiD=1
Bật quạtTắt quạt
ChuoiF=1
Bật phun
sương
Đúng
Sai
Tắt phun
sương
ChuoiG=1
Bật rèmTắt rèm
ChuoiH!=X
So sánh điều
kiện on/off
bơm
ChuoiI!=X
So sánh
điều kiện
on/off đèn
Đúng
Sai
ChuoiK!=X
So sánh điều
kiện on/off
quạt
ChuoiL!=X
So sánh điều
kiện on/off
sương
Đúng
ChuoiM!=X
So sánh điều
kiện on/off
rèm
Sai
Sai
Sai
Đúng
Đúng
ĐúngĐúng
Đúng
Sai
Sai
Sai
Sai
Bắt đầu
Kết thúc
Hình 3. 23: Lưu đồ chương trình xử lý chuỗi và điều khiển trên Arduino
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
44
Giải thích lưu đồ:
Khi nhận được dữ liệu UART, tiến hành xử lý tách chuỗi và điều khiển các
thiết bị :
Khi “ChuoiA” bằng 1 hệ thống bật chế độ thử công, ngược lại sẽ tự động.
Khi “ChuoiB” bằng 1 máy bơm sẽ bật , ngược lại sẽ tắt.
Khi “ChuoiC” bằng 1đèn sẽ bật, ngược lại sẽ tắt.
Khi “ChuoiD” bằng 1 quạt sẽ bật, ngược lại sẽ tắt.
Khi “ChuoiF” bằng 1 hệ thống phun sương sẽ bật, ngược lại sẽ tắt.
Khi “ChuoiG” bằng 1 hệ thống rèm sẽ đóng, ngược lại sẽ mở.
Khi “ChuoiH” khác “x” hệ thống bơm sẽ đóng, mở theo điều kiện cài đặt.
Khi “ChuoiI” khác “x” hệ thống đèn sẽ đóng, mở theo điều kiện cài đặt.
Khi “ChuoiK” khác “x” hệ thống quạt sẽ đóng, mở theo điều kiện cài đặt.
Khi “ChuoiL” khác “x” hệ thống sương sẽ đóng, mở theo điều kiện cài đặt.
Khi “ChuoiM” khác “x” hệ thống rèm sẽ đóng, mở theo điều kiện cài đặt.
Lưu đồ chương trình lựa chọn chế độ tự động, thủ công
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
45
Khởi tạo Keypad
Nhấn phím B
Bmode = 0
Đúng
Sai
Chế độ tự động
Đúng
Sai
Chế độ thủ công
Chờ nhận phím bấm
Bắt đầu
Kết thúc
Hình 3. 24: Lưu đồ lựa chọn chế độ tự động, thủ công bằng nút nhấn
Giải thích lưu đồ:
Đầu tiên, khai báo và khởi tạo các biến giá trị, tiếp theo hệ thống sẽ chờ nhận
nhấn phím từ người dùng. Nếu người dùng nhấn phím B thì hệ thống sẽ tiếp tục
kiểm tra biến Bmode, nếu biến Bmode=0, hệ thống sẽ vận hành theo chế độ tự
động ngược lại sẽ vận hành theo chế độ thủ công.
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
46
Lưu đồ chương trình hoạt động theo chế độ tự động
So sánh thông số cảm biến
với điều kiện ngưỡng
Đúng
Sai
On/Off thiết bị
Hiển thị GLCD
Chờ nhận dữ liệu từ
cảm biến
Bắt đầu
Kết thúc
Hình 3. 25: Lưu đồ chương trình ở chế độ tự động.
Giải thích lưu đồ:
Khi ở chế độ tự động, hệ thống sẽ chờ nhận dữ liệu thu thập từ cảm biến sau đó
hệ thống sẽ so sánh giá trị cảm biến với các giá trị ngưỡng được lập trình sẵn, từ đó
đưa ra quyết định tắt hoặc mở thiết bị.
Lưu đồ chương trình hoạt động theo chế độ thủ công
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
47
Bật thiết
bị
Nhấn phím thiết bị
Tắt thiết
bị
Chờ nhận phím bấm
Sai
Đúng
Biến = 1
Đúng
Sai
Bắt đầu
Kết thúc
Hình 3. 26: Lưu đồ chương trình ở chế độ thủ công
Giải thích lưu đồ:
Khi ở chế độ thủ công, hệ thống sẽ kiểm tra và so sánh trạng thái nút nhấn từ
bàn phím keypad 4x4 khi người dùng ấn phím, hệ thống sẽ đưa ra quyết định lựa
chọn cây trồng, on, off thiết bị.
Lưu đồ chương trình lựa chọn cây trồng.
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
48
Khởi tạo Keypad
Nhấn phím A
Bcay = 0
Đúng
Sai
Cà chua
Đúng
Sai
Bcay = 1
Đậu Hà Lan
Đúng
Sai
Bcay = 3Bcay = 2
SaiSai
Hoa HồngDâu Tây
Bcay = 4
Thông số cây trồng
do người dùng thiết
lập
Đúng Đúng Đúng
Sai
Chờ nhận phím
nhấn
Bcay = 0
Bắt đầu
Kết thúc
Hình 3. 27: Lưu đồ chương trình lựa chọn cây trồng.
Giải thích lưu đồ:
Ở chế độ lựa chọn cây trồng, ban đầu hệ thống sẽ chờ người dùng nhấn phím,
khi người dùng lần lượt ấn phím A, biến Bcay sẽ thay đổi giá trị, ứng với mỗi giá
trị sẽ là 1 cây trồng đã được lập trình sẵn giá trị ngưỡng.
Khi “Bcay=0” hệ thống sẽ chọn cây trồng là cà chua.
Khi “Bcay=1” hệ thống sẽ chọn cây trồng là đậu Hà Lan.
Khi “Bcay=2” hệ thống sẽ chọn cây trồng là dâu tây.
Khi “Bcay=3” hệ thống sẽ chọn cây trồng là hoa hồng.
Khi “Bcay=4” hệ thống sẽ chọn cây trồng có thông số tự thiết lập từ người
dùng.
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
49
Lưu đồ chương trình gửi dữ liệu lên Firebase:
Bắt đầu
Kết nối ESP với WIFI
Khởi tạo kết nối giữa ESP
và Firebase
Đọc dữ liệu gửi lên từ
Arduino mega
Truyền nhận dữ liệu với
Internet bằng wifi
Gửi dữ liệu lên Firebase
Mất kết nối wifi
S
Đ
Kết thúc
Hình 3. 28: Lưu đồ chương trình gửi dữ liệu lên Firebase
Giải thích lưu đồ.
Ban đầu hệ thống sẽ khởi tạo kết nối giữa ESP32 với cơ sở dữ liệu Firebase
bằng wifi. Khi có dữ liệu được cập nhật từ Arduino gửi sang ESP32 thì giá trị các
biến sẽ được cập nhật lại trên Firebase[3]. ESP32 đọc dữ liệu truyền từ Arduino
Mega 2560 và truyền dữ liệu cập nhật lên Firebasee. Khi ESP32 nhận dữ liệu từ
Arduino Mega 2560, hệ thống đồng bộ dữ liệu và tiến hành gửi dữ liệu đó lên
Firebase để cập nhật dữ liệu rồi gửi lên web . Quá trình tiếp tục được lặp lại bằng
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
50
việc đọc dữ liệu điều khiển từ Firebase về và khi bị mất kết nối thì sẽ khởi tạo lại
kết nối giữa ESP32 và wifi.
Lưu đồ chương trình ESP32:
Khai báo thư viện, biến
Khởi tạo UART
Thiết lập và kết nối Wifi
Kết nối Wifi
thành công
Kết nối đến địa chỉ firebase
Kết nối firebasse
thành công
Khi có dữ liệu UART
Nhận dữ liệu từ firebase và
gửi qua Arduino xử lý
Xử lý chuỗi, gửi lên firebase
Đúng
Đúng
Sai
Đúng
Sai
Sai
Bắt đầu
Kết thúc
Hình 3. 29: Lưu đồ chương trình ESP32
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
51
Ban đầu hệ thống sẽ khai báo thư viện, biến, khởi tạo Uart, thiết lập kết nối
wifi, hệ thống kiểm tra nếu đã kết nối được với Wifi thì tiếp theo hệ thống sẽ kết
nối với địa chỉ firebase. Sau khi đã kết nối với firebase thành công thì hệ thống sẽ
kiểm tra dữ liệu Uart, nhận dữ liệu điều khiển và gửi sang arduino, và khi , khi có
dữ liệu Uart thì hệ thống sẽ tiến hành nhận dữ liệu Uart xử lý tách chuỗi và gửi lên
firebase.
3.5 PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG
3.5.1 Giới thiệu về phần mềm lập trình web Sublime Text 3
Sublime Text 3 cung cấp chức năng năng soạn thảo và biên tập mã nguồn với
thư viện plugin vô cùng phong phú, đây là công cụ soạn thảo hiện đang được đông
đảo những nhã phát triển web, lập trình viên sử dụng và yêu thích. Nó hỗ trợ chức
năng debug, nó cho phép tùy chỉnh do đó người dùng có thể thay đổi giao diện,
phím tắt và các tùy chọn khác. Bên cạnh đó Sublime Text 3 làm việc với đầy đủ
ngôn ngữ lập trình phổ biến nhất hiện nay [8].
Hình 3. 30: Giao diện Sublime Text 3
3.5.2 Cài đặt Sublime Text 3
Quá trình cài đặt Sublime Text 3 trên Ubuntu 12.04 khá đơn giản, đầu tiên
truy cập vào địa chỉ và tải về file cài đặt (.deb) phù
hợp với phiên bản hệ điều hành của mình. Sau đó click đúp vào file .deb vừa tải
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
52
về để mở với Software Center, click Install để cài đặt. Sau khi quá trình cài đặt
hoàn thành, Sublime Text 3 đã sẵn sàng cho sử dụng [8].
3.5.3 Một số package hỗ trợ thiết kế website
a. Emmet
Đây là package tuyệt vời cho phép chúng ta gõ tắt code HTML&CSS. Cách
dùng là gõ các cú pháp gõ tắt mà emmet hỗ trợ sau đó ấn tab để thực hiện. Giống
như các plugin khác giúp viết code nhanh hơn. Sự khác biệt ở đây là thay vì
expresions JS, Emmet là cho HTML và CSS, cho phép viết thẻ dài, các yếu tố lồng
nhau ...
Emmet có một chút phức tạp, vì vậy nếu muốn có một sự thay thế đơn giản,
chúng ta có thể thử một plugin tương tự gọi là HTML Snippets và CSS Snippets.
Nó có tính năng ít hơn, nhưng là cách dễ dàng hơn để sử dụng, và có tài liệu hướng
dẫn sử dụng đơn giản, tuyệt vời [8].
b. JavaScript & NodeJS Snippets
Snippets giúp tiết kiệm thời gian viết code rất nhiều. Nhất là các hàm dài và
khó nhớ của Javascript.
Cài đặt:
Nhấn Ctrl+Shift+P hoặc Cmd+Shift+P trên Linux/Windows/OS X.
Gõ install, chọn Package Control: Install Package.
Tìm và chọn JavaScript & NodeJS Snippets [8].
c. Color Highlighter
ColorHighlighter là một plugin cho Sublime Text 2 và 3, cho phép xem trước
các giá trị màu một cách kín đáo bằng cách phủ các mã hex đã chọn theo các kiểu
khác nhau, tô màu văn bản hoặc biểu tượng máng xối. Ngoài ra, plugin còn thêm
công cụ chọn màu, công cụ chuyển đổi định dạng màu để dễ dàng sửa đổi màu sắc.
Cài đặt :
Ctrl + Shift + p rồi chọn Package control: Install Package.
Tải Clor Highlighter.
Ngoài ra, tải xuống gói từ GitHub vào Packages.
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
53
Để định cấu hình hãy cập nhật icon_factory.convert_command cài đặt
plugin
Hình 3. 31: Thuộc tính của Clor Highlight
CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG
54
Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
4.1 GIỚI THIỆU
Dựa vào sơ đồ nguyên lý, lựa chọn linh kiện phù hợp. Chúng tôi tiến
hành thi công mô hình theo chứng năng cũng như thiết kế hệ thống.
Bảng 4. 1: Danh sách các linh kiện được chọn và chức năng
Tên linh kiện
Số
lượng
Chức năng
Cảm biến độ ẩm đất đầu dò
chống ăn mòn
1 Đo độ ẩm của đất
Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm
DHT11
1 Đo nhiệt độ, độ ẩm không khí
Cảm biến cường độ ánh sáng 1 Đo cường độ ánh sáng
Công tắc hành trình 2
Được sử dụng để ngắt hành trình
động cơ kéo mở rèm
Motor động cơ DC-130 1
Được sử dụng làm động cơ kéo mở
rèm
Motor động cơ DP-521 1
Được sử dụng làm động cơ phun
Sương
Motor động cơ RS385 1 Được sử dụng làm động cơ bơm nước
Led dây 2835 (60 cm) 1 Được sử dụng làm đèn
Màn hình GLCD 1
Được sử dụng để hiển thị dữ liệu
thông tin từ hệ thống
Keypad 4x4 1 Được sử dụng để làm nút nhấn
Module Relay 5VDC với opto
cách ly
6
Cách ly động cơ, thiết bị với bộ xử lý
trung tâm để vi điều khiển hoạt động
ổn định
Vi điều khiển ATmega2560 với
board Arduino Mega 2560
1
Được sử dụng cho khối xử lý của bộ
trung tâm
ESP32 CAM 1 Được sử dụng để làm camera
CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG
55
ESP32 1 Giao tiếp Internet bằng wi-fi
Quạt DC 12V 2
Được sử dụng để điều hòa không khí
cho hệ thống
4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG
4.2.1 Thi công mạch in
Mạch in của hệ thống được thiết kế bằng phần mềm Proteus có kích
thước 17cm x 20 cm.
Hình 4. 1: Mạch in hệ thống
CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG
56
4.2.2 Thi công mô hình hoàn chỉnh
Sau khi in board mạch tiến hành hàn linh kiện và kiểm tra hoạt động
của mạch.
Trong mô hình này chúng em thiết kế và sử dụng chất liệu làm từ mica loại
chất liệu có giá thành rẻ và phổ biến trên thị trường, thích hợp để làm mô hình
nhỏ mô phỏng. Sau khi hàn board mạch, sau đó tiến hành đi dây kết nối các
thiết bị, linh kiện với nhau.
Hình 4. 2: Bộ điều khiển
CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG
57
Hình 4. 4: Hình ảnh bên ngoài tủ điện
Hình 4. 3: Hình ảnh bể chứa nước
CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG
58
Hình 4. 5: Mô hình hoàn chỉnh
4.3 LỰA CHỌN LOẠI CÂY TRỒNG TRONG NHÀ KÍNH.
4.3.1 Cà chua
Cà chua là loại cây trồng tốt cho sức khỏe và có giá trị cao. Cà chua có
rất nhiều loại: phổ biến là cà chua thường gặp ở chợ vị chua, cà chua anh đào
nhỏ xinh và tròn vị ngọt, cà chua nho, cà chua hình quả lê Màu sắc cũng đa
dạng từ đỏ đến vàng, kích thước cà chua tùy thuộc giống sẽ bé như quả nho
(cà chua bi) và to như quả cam và bưởi (Amana Orange, Beefsteak, Rosso
Sicilian Organic. Được ưa chuộng trồng là cà chua hữu cơ, nhưng rất khó trồng
vì chịu nhiều ảnh hưởng của môi trường vì vậy cà chua là 1 trong những loại
cây được ưa chuộng trồng trong nhà kính để sinh trưởng tốt hơn.
Cà chua có thời gian sinh trưởng ngắn, từ 1 – 2 tháng sau khi gieo trồng
đã có thể thu hoạch.
CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG
59
Yêu cầu về điều kiện môi trường: Thích hợp từ 21-24oC, nếu nhiệt độ
đêm thấp hơn ngày 4-5oC thì cây cho nhiều hoa. Cà chua là cây ưa sáng, cường
độ tối thiểu để cây tăng trưởng là 2.000-3.000 lux, không chịu ảnh hưởng
quang kỳ. Ở cường độ ánh sáng thấp hơn hô hấp gia tăng trong khi quang hợp
bị hạn chế, sự tiêu phí chất dinh dưỡng bởi hô hấp cao hơn lượng vật chất tạo
ra được bởi quang hợp, do đó cây sinh trưởng kém [9].
Hình 4. 6: cây cà chua được trồng trong nhà kính
4.3.2 Đậu Hà Lan
Đậu Hà Lan là cây trồng có hàm lượng dinh dưỡng cao, là cây công trồng
ngắn ngày cho sản lượng cao nhưng cần có điều kiện môi trường sống thích
hợp để tăng năng suất tốt nhất phù hợp với mô hình nhà kính.
Thời gian sinh trưởng ngắn 2 – 3 tháng sau khi gieo trồng có thể thu
hoạch.
Yêu cầu về diều kiện môi trường: đậu chỉ sinh trưởng tốt và cho năng
suất cao trong điều kiện nhiệt độ từ 18-20 độ C, khí hậu ẩm. Nhiệt độ trên 25
độ C và dưới 12 độ C cây sinh trưởng chậm và ở 35 độ C cây tàn lụi nhanh.
Đậu Hà Lan là cây ưa bóng nên cường độ ánh sáng dưới 1000 lux giúp cây
sinh trưởng tốt [9].
CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG
60
Hình 4. 7: Cây đậu Hà Lan được trồng trong nhà kính
4.3.3 Dâu tây
Dâu tây là cây trồng có độ dinh dưỡng cao, rất chuộng được ưa dùng,
thường được trồng ở vùng có khí hậu lạnh, Để tăng năng suất cây thì nhà kính
là 1 trong những giải pháp tốt nhất.
Thời gian sinh trưởng ngắn 2.5 – 3 tháng có thể thu hoạch.
Yêu cầu về điều kiện môi trường: Thích hợp từ 18-22oC, Đặc biệt là nhiệt
độ ngày đêm cao sẽ tạo điều kiện để tăng năng suất và chất lượng trái. Cường
độ tối thiểu để cây tăng trưởng là 1.500-2000 lux. Ẩm độ không khí cao trên
75% và mưa kéo dài thường xuất hiện bệnh cây [9].
CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG
61
Hình 4. 8: Cây Dâu tây được trồng trong nhà kính
4.3.4 Hoa hồng
Ngoài nông sản, hoa hồng là một trong những cây trồng thích hợp trong
môi trường nhà kính vì cần được chăm sóc rất kỹ lưỡng, đặc biệt là trong mùa
đông. Nó thường được trồng trong chậu hoặc trong luống nhưng phải đảm bảo
được yêu cầu về độ thoát nước nhằm tránh sâu bệnh gây hại. Không những
vậy hoa hồng có thời vụ ngắn từ 1 đến 2 tháng, tạo điều kiện tốt để tăng thu
nhập cho người nông dân.
Yêu cầu về điều kiện môi trường: Thích hợp từ 21 - 26 oC, Đặc biệt là
nhiệt độ ngày đêm cao sẽ tạo điều kiện để tăng năng suất và chất lượng trái.
Cường độ tối thiểu để cây tăng trưởng là 1000-1500 lux và độ ẩm không khí
dưới 70% [9].
Hình 4. 9: Cây hoa hồng được trồng trong nhà kính
CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG
62
4.3.5 Một số loại cây khác
Không chỉ những cây trồng đề cập phía trên mà còn nhiều loài cây khác
phù hợp với môi trường nhà kính như cây cam, chanh dây, dưa lưới, dưa chuột,
và nhiều loại cây trồng khác.
4.4 KẾT QUẢ
Sau 15 tuần nghiên cứu, tìm hiểu, thực hiện thi công nhóm chúng tôi
cũng đã hoàn thành được đồ án tốt nghiệp với đề tài “THIẾT KẾ MÔ HÌNH
HỆ THỐNG IOT CHO NHÀ KÍNH TRỒNG RAU” nhóm chúng tôi cũng đã
nghiên cứu và tích lũy được thêm nhiều hiểu biết, kiến thức mới và thu được
kết quả như:
Hiểu biết sâu hơn về Arduino mega+WiFi R3 và cách lập trình cho nó.
Hiểu biết sâu hơn về sử dụng và các tính năng của Arduino như giao
tiếp giữa Arduino với các module mở rộng như: cảm biến độ ẩm đất,
cảm biến DHT11, relay
Biết được cách sử dụng cở sở dữ liệu firebase và lưu trữ thông tin vào
Cloud Firebase.
Biết cách lập trình webserver – giao diện người dùng và hiển thị các giá
trị cho người dùng.
Biết được cách thi công một bo mạch và sử dụng các thiết bị phục vụ
cho quá trình thi công mô hình như: máy khoan, máy hàn, và kỹ năng
thiết kế phần cứng.
Hệ thống đo được giá trị các thông số của cảm biến.
Hệ thống có khả năng thực hiện được việc truyền nhận dữ liệu không
dây giữa các bộ thiết kế và tự động thực hiện tưới nước theo yêu cầu.
Các thông số dữ liệu đọc được từ cảm biến truyền nhận được qua khối
giao tiếp Internet và gửi được lên Firebase.
CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG
63
Hình 4. 10: Dữ liệu được gửi lên Firebase
Qua đó chúng tôi đã thực hiện và hoàn thành được các tính năng sau:
Gồm có các trang giao diện đăng nhập cho người dùng, giao diện quản
lý và giao diện hiển thị. Sau đây là chi tiết từng giao diện và mô tả cụ thể.
Trang đăng nhập cho người dùng.
Hình 4. 11: Giao diện đăng nhập
CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG
64
Mô tả hình 4.11:
Giao diện đăng nhập cho phép người dùng đăng nhập vào website. Khi
nhập sai tên người dùng sẽ hiện lên thông báo “Please fill up your Email or
Phone”, khi nhập sai mật khẩu sẽ hiện lên thông báo “Invalid Password” và
khi nào nhập đúng người dùng mới có thể vào được website.
Giao diện quản lý
Mô tả hình 4.12.
Các giá trị thu tập từ cảm biến sẽ hiển thị lên màng hình web
Ở chế độ tự động cho phép người dùng điều khiển thiết bị hoạt động
tự động theo thông số đã thiết lập từ trước.
Ở chế độ thủ công cho phép người dùng điều khiển thiết bị bằng các
thao tác bằng tay.
Các ô thông số nhiệt độ, độ ẩm, độ ẩm đất và ánh sáng cho phép nhập
thời gian điều khiển thiết bị. Các thiết bị hoạt động theo thời gian đã
định.
Hình 4. 12: Thông số hiển thị trên web
CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG
65
Hệ thống phát hiện được tình trang thiết bị và báo về trang web thiết
bị có hư hỏng hay không.
Đánh giá thông số cảm biến
Giá trị nhiệt độ đo được chênh lệch không quá 1°C khi so với giá trị
nhiệt độ đo được từ các loại cảm biến khác và nhiệt kế.
Các giá trị như độ ẩm không khí, độ ẩm đất, cường độ ánh sáng có độ
chính xác tương đối khi so với giá trị đo được từ các loại cảm biến
khác có cùng chức năng.
Cảm biến dòng điện phát hiện được thiết bị đang bị hỏng và báo về
cho bộ xử lý trung tâm.
Giao diện hiển thị GLCD
Hình 4. 13: Hình ảnh giao diện hiển thị GLCD
CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG
66
Mô tả hình 4.13:
Màn hình GLCD sẽ hiển thị:
Các giá trị thu thập từ cảm biến, thông số cài đặt.
Chế độ tự động, thủ công.
Trạng thái thiết bị.
Thông tin cây trồng.
Thời gian, tên sản phầm, tên sinh viên thực hiện.
Giao diện toàn hệ thống
Hình 4. 14 : Hoạt động của toàn hệ thống
Mô tả hình 4.4
Hệ thống hoạt động ổn định và chính xác đáp ứng đúng yêu cầu đề ra.
Giao diện hiển thị Camera
CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG
67
Hình 4. 15: Giao diện hiển thị camera
Mô tả hình 5.6:
Hệ thống camera hoạt động tốt, có thể tùy chỉnh được kích thước thước
khung hình, hệ thống có thể chụp ảnh cây trồng, tuy nhiên chất lượng hình
ảnh vẫn còn thấp.
4.5 NHẬN XÉT
Trong quá trình nghiên cứu, tìm hiểu và thi công hệ thống, chúng tôi cũng
đãgặp không ít khó khăn phát sinh trong việc lựa chọn linh kiện cho phù hợp,
hướng thiết kế và gặp một số trục trặc về phần cứng cũng như phần mềm,
nhưng thông qua quá trình tìm hiểu, nghiên cứu thì những vấn đề trên đã được
giải quyết. Khó khăn lớn nhất chúng tôi gặp phải là đồng bộ quá trình truyền
và nhận giữa node xử lý trung tâm và Gateway.
Nhìn chung thì hệ thống đã hoạt động ổn định, có thể hoạt động liên
tục, nhưng những yêu cầu đặt ra đối với hệ thống chỉ đạt trên 85%, vẫn còn
điểm hạn chế là chưa áp dụng được vào qui mô lớn.
Hệ thống thiết kế đạt được những ưu điểm sau:
Hệ thống thực hiện được công việc đo đạc và truyền nhận dữ liệu của
các cảm biến giữa hai bộ thực địa và một bộ trung tâm.
Dữ liệu truyền được lên Internet và hiển thị được trên giao diện web
của máy tính.
Hoạt động tưới nước của hệ thống
CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG
68
Người nông dân có thể theo dõi tình trạng vườn rau ở bất cứ nơi nào
có Internet.
Giá trị đo được từ cảm biến của hệ thống đạt độ chính xác tương đối.
Tuy nhiên, hệ thống vẫn còn những hạn chế như:
Hệ thống phụ thuộc vào địa chỉ và tốc độ của Wi-fi.
Giao tiếp các cảm biến với bộ xử lý trung tâm chưa ổn định.
Hệ thống hay gặp gián đoạn trong quá trình tưới nước tự động.
Hệ thống chưa giám sát được lịch trình hoạt động tưới nước cho vườn
rau cũng như chưa thu thập được dữ liệu lịch sử hoạt động.
4.6 ĐÁNH GIÁ
Nhìn chung, mô hình có tính thẩm mỹ, đạt yêu cầu về thiết kế cho các
thiết bị hoạt động ở ngoài trời, đảm bảo an toàn và dễ sử dụng. Tuy nhiên,
những hạn chế gặp phải cần được khắc phục nếu muốn đưa vào thực tế như:
tốc độ và thời gian cập nhật chính xác hơn, khắc phục lỗi đọc giá trị cảm biến
ổn định chính xác hơn, dữ liệu cần chính xác hơn bằng cách đo trung bình
trong khoảng thời gian trước khi cập nhật lên hệ thống, phải giám sát được lịch
trình hoạt động của thiết bị. Bên cạnh đó, việc nghiên cứu cần đi sâu hơn về
những nhu cầu khác về tưới nước cho vườn rau trong thực tế.
Hệ thống có thể giúp người dùng giám sát được đối tượng canh tác của mình
ở xa mà không cần phải đến nông trại thường xuyên. Người dùng có thể tự
mình điều chỉnh các yếu tố môi trường sao cho phù hợp với đối tượng canh
tác. Hệ thống có thể hoạt động trong khoản thời gian dài, đảm bảo được việc
thu thập thông tin từ đối tượng canh tác và nhờ đó có thể đưa ra được chuẩn
tương ứng của mỗi loại đối tượng canh tác.
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
69
Chương 5. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT
TRIỂN
5.1 KẾT LUẬN
Sau khoảng 15 tuần nghiên cứu và thực hiện đề tài, chúng tôi đã hoàn thành
mô hình hệ thống theo yêu cầu và thu được những kết quả nhất định sau quá trình
thực hiện.
Hệ thống đạt yêu cầu về đo đạc và thu thập thông tin dữ liệu đo được từ các
cảm biến đạt độ chính xác theo yêu cầu ban đầu.
Hệ thống thực hiện được việc giao tiếp truyền thông qua Internet.
Hệ thống thực hiện điều khiển thiết bị theo yêu cầu từ người dùng.
Hệ thống phát hiện được thiết bị hư hỏng đáp ứng yêu cầu từ người dùng.
Bố trí các linh kiện trong mô hình có sự hợp lý, đạt yêu cầu đặt ra.
Lưu được các dữ liệu đã thu thập được vào cơ sở dữ liệu ở trên Gateway.
Điều khiển và quản lý hệ thống từ website.
Hệ thống website dễ sử dụng đáp ứng nhu cầu thực tiễn và đáp ứng đủ nhu
cầu cơ bản về sử dụng thiết bị của người dùng.
Toàn bộ hệ thống chạy tương đồi ổn định, đạt được kết quả ban đầu đề ra
Tuy nhiên đôi lúc vẫn bị mất một số gói tin và vẫn bị ảnh hưởng bởi đáp
ứng tác động của hệ thống phần cứng.
5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Sau khi hoàn thành đề tài và đạt được những kết quả nhất định, chúng tôi đặt
ra các hướng phát triển cho hệ thống để có những hoàn thiện tốt hơn cho các ứng
dụng vào thực tế.
Phát triển trong việc sử dụng các thiết bị cần điều khiển với công suất lớn.
Mở rộng hệ thống ở quy mô lớn và tìm hiểu, nghiên cứu đặc tính sinh học
của từng loại cây trồng.
Phát triển hệ thống phát hiện cây trồng bị sâu bệnh, đưa ra phương hướng
giải quyết, kết hợp với việc tự động chăm bón chất dinh dưỡng cho cây
trồng.
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
70
Thiết kế các app ứng dụng điện thoại giúp người dùng dễ dàng sử dụng
trong việc theo dõi thông tin tình trạng cây trồng, lịch sử hoạt động của các
thiết bị và truy xuất thông tin ngày giờ nông sản trồng và thu hoạch.
Thiết kế website có thêm nhiều tính năng như đồ thị cập nhật theo thời gian,
mã QR code chứa thông tin cây trồng.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
71
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Trần Quốc Tiến – Nguyễn Thanh Phong, “Thiết kế và thi công hệ thống IOT
phục vụ cho nông nghiệp ứng dụng gateway”, Đồ Án Tốt Nghiệp, Đại học
Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, 2019.
[2] Ngô Quang Anh, “ Nghiên cứu chuẩn kết nối không dây WIFI/ZIGBEE”,
Luận văn tốt nghiệp, Đại Học Công Nghệ Thông Tin, 2015.
[3] Nguyễn Đình Phú – Phan Vân Hoàn – Trương Ngọc Anh, “Giáo trình thực
hành vi điều khiển PIC”, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh,
2017.
[4] Trần Thị Ngân – Trịnh Thị Kim Liên, “Quản trị hệ thống Webserver và
Mailserver”, Trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội, 2012.
[5] Tài liệu tham khảo linh kiện. Website: https://hshop.vn
[6] Tài liệu tham khảo linh kiện. Website: https://thegioiic.com
[7] Nguyễn Quốc Thành - Võ Đình Khải, “ Hệ thống giám sát nông nghiệp
bằng công nghệ IOT”, Đồ Án Tốt Nghiệp, Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật
TP.HCM, 2018.
[8] Hướng dẫn cài đặt sublime text 3. Website:
https://www.howkteam.vn/course/huong-dan-cai-dat/huong-dan-cai-dat
sublime-text-3-1534
[9] Điều kiện sống của cây trồng. Website: https://khuyennong.lamdong.gov.vn
Các file đính kèm theo tài liệu này:
do_an_tot_nghiep_thiet_ke_mo_hinh_he_thong_iot_cho_nha_kinh.pdf