Đồ án Tốt nghiệp Thiết kế mô hình hệ thống iot cho nhà kính trồng rau

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.

pdf89 trang | Chia sẻ: Tiểu Khải Minh | Ngày: 19/02/2024 | Lượt xem: 31 | Lượt tải: 0download
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:

  • pdfdo_an_tot_nghiep_thiet_ke_mo_hinh_he_thong_iot_cho_nha_kinh.pdf
Tài liệu liên quan