Tóm tắt đồ án Hệ thống tưới cây thông minh dựa trên IOT sử dụng cảm biến độ ẩm của đất và ESP8266

Nội dung text: Tóm tắt đồ án Hệ thống tưới cây thông minh dựa trên IOT sử dụng cảm biến độ ẩm của đất và ESP8266

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG VIỆT - HÀN KHOA KỸ THUẬT MÁY TÍNH VÀ ĐIỆN TỬ  HỆ THỐNG TƯỚI CÂY THÔNG MINH DỰA TRÊN IOT SỬ DỤNG CẢM BIẾN ĐỘ ẨM CỦA ĐẤT VÀ ESP8266 TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN THÔNG Sinh viên thực hiện : Nguyễn Văn Khít Mã sinh viên : K12C08133 Giảng viên hướng dẫn : TS. Phan Thị Lan Anh Khóa đào tạo : 2018 - 2021 Đà Nẵng - 01/2021
2. LỜI MỞ ĐẦU 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Nông nghiệp luôn là vấn đề trọng yếu của mỗi quốc gia trong việc bảo đảm an ninh lương thực, nó là một trong hai ngành sản xuất vật chất quan trọng của nền kinh tế. Là khu vực sản xuất chủ yếu, đảm bảo đời sống cho xã hội, là thị trường rộng lớn cung cấp nguyên liệu và tiêu thụ sản phẩm của nền kinh tế và tích lũy cho công nghiệp. Việt Nam hiện nay vẫn còn là một nước sản xuất chủ yếu về nông nghiệp với trên 66,9% dân số cả nước tập trung sống ở vùng nông thôn, lao động nông nghiệp chiếm tới 42% lao động trong toàn xã hội. Ngày nay, nước ta đang hướng tới xây dựng một nền công nghiệp phát triển, điều đó mang lại nhiều lợi ích cho đất nước nhưng cũng kèm theo nhiều hệ lụy, đặc biệt là ô nhiễm môi trường, một trong những mảng chịu thiệt hại rất lớn từ vấn đề trên chính là ngành nông nghiệp. Bên cạnh đó, trong nhiều năm qua, sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam gặp rất nhiều khó khăn do các hiện tượng thời tiết cực đoan ngày càng diễn biến phức tạp do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu toàn cầu, làm ảnh hưởng to lớn đến năng suất cũng như chất lượng các sản phẩm từ nông nghiệp. Cùng với đó, việc chuyển dịch cơ cấu kinh tế theo hướng công nghiệp, dịch vu, đã làm giảm đáng kể nhân lực trong nông nghiệp, và theo nhiều dự báo số lượng này sẽ tiếp tục gia tăng trong những năm tới, điều này đưa tới những bài toán cho việc giải quyết vấn đề nhân lực trong các ngành nông nghiệp. 1
3. Chính vì vậy, việc tìm kiếm những giải pháp mới để ổn định và nâng cao chất lượng sản phẩm, năng suất thu hoạch trở thành ưu tiên hàng đầu của nhà nước trong những năm qua. Do đó, những ứng dụng công nghệ được đưa vào trong việc chăm sóc, thu hoạch trong nông nghiệp để khắc phục vấn đề thiên tai, môi trường, cũng như tiết kiệm nhân lực, đồng thời gia tăng năng suất cây trồng, đơn giản hóa việc quản lý. Một trong những ứng dụng công nghệ nổi bật được đưa vào trong nông nghiệp trong những năm gần đây là Internet of thing ( viết tắt là IOT) đã và đang đem lại nhiều kết quả thành công, dần dần được áp dụng và phổ biến trên nhiều diện tích canh tác nông nghiệp, vì vậy em chọn đề tài “ Hệ thống tưới cây thông minh dựa trên IOT sử dụng cảm biến độ ẩm của đất và esp8266” nhằm có hiểu biết thêm về tác động của công nghệ tới khả năng phát triển của cây trồng, cũng như quản lý của người điều khiển, bên cạnh đó là nghiên cứu thêm về các ứng dụng công nghệ điện tử được đưa vào. 2. MỤC ĐÍCH Mục tiêu của đề tài là xây dựng được một hệ thống IoT trong nông nghiệp có khả năng giám sát nhiệt độ, độ ẩm (thông qua các cảm biến), ổn định điều kiện môi trường (thông qua bơm nước, máy quạt). Hệ thống này cho phép thực hiện các thao tác giám sát – điều khiển trên một App thông qua WiFi. 3. GIỚI HẠN Đề tài: HỆ THỐNG TƯỚI CÂY THÔNG MINH DỰA TRÊN IOT SỬ DỤNG CẢM BIẾN ĐỘ ẨM CỦA ĐẤT VÀ ESP8266 gồm: 2
4. Kích thước của Hệ thống tưới cây thông minh dựa trên IOT sử dụng cảm biến độ ẩm của đất và Esp8266 : dài 40cm, cao 18cm, rộng 25cm. Sử dụng 2 module cảm biến : Module cảm biện độ ẩm đất, module cảm biến nhiệt độ độ ẩm không khí để truyền dữ liệu môi trường của đối tượng canh tác vào bộ điều khiển trung tâm. Một Esp8266 đóng vai trò làm bộ điều khiển trung tâm. Dữ liệu của ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm được hiện trên smartphone qua ứng dụng Blynk 4. BỐ CỤC Phần mở đầu - Trình bày, đặt vấn đề dẫn nhập lí do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án. Chương 1: Cơ Sở Lý Thuyết. - Trình bày các lý thuyết liên quan đến vấn đề mà đề tài sẽ dùng để thực hiện thiết kế, thi công cho đề tài. Chương 2: Thiết Kế và Thi Công - Trình bày tổng quan các yêu cầu của để tài về thiết kế và các tính toán hệ thống bao gồm sơ đồ nguyên lý toàn mạch và của từng phần của hệ thống. Chương 3: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá - Trình bày kết quả thi công phần cứng và kết quả hình ảnh trên màn hình hay mô phỏng tín hiệu, kết quả thống kê. Chương 4: Kết Luận và Hướng Phát Triển 3
5. - Trình bày kết quả của cả quá trình nghiên cứu làm đề tài bao gồm thời gian nghiên cứu, kết quả đạt được, nhận xét, đánh giá về đề tài và tính ứng dụng của đề tài trong thực tiễn. - Trình bày kết quả đạt được so với mục tiêu đề ra ban đầu, nhận xét và đánh giá kết quả đạt được của đề tài nghiên cứu. Hướng phát triển của đề tài sau này trong quá trình nghiên cứu. 4
6. CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1. ỨNG DỤNG CỦA IOT TRONG NÔNG NGHIỆP 1.1.1. Giới thiệu Từ khi lần đầu được giới thiệu cách đây gần 20 năm, cho tới hiện nay các ứng dụng IOT là một trong những mảng công nghệ phát triển nhất trong cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, nó xuất hiện và tác động tích cực tới từng ngành, từng lĩnh vực trong đó có ngành nông nghiệp.Ứng dụng IOT trong nông nghiệp góp phần tạo nên một môi trường sản xuất năng động, khoa học và giải phóng sức lao động, tăng năng suất, mang lại hiệu quả kinh tế cao, giúp nâng cao tính chuyên nghiệp và cải thiện bộ mặt cho cho nền nông nghiệp trong tương lai gần. Hình 1.1. Minh họa về IOT trong nông nghiệp 1.1.2. Cấu trúc cơ bản của một hệ thống ứng dụng công nghệ IOT 1.2. CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU, CHUẨN KẾT NỐI 1.2.1. Chuẩn giao tiếp UART 1.2.2. MQTT (Message Queue Telemetry Transport) 1.3. GIỚI THIỆU VỀ ỨNG DỤNG BLYNK. 5
7. Blynk là một ứng dụng chạy trên nền tảng iOS và Android để điều khiển và giám sát thiết bị thông qua internet. Blynk không bị ràng buộc với những phần cứng cụ thể nào cả, thay vào đó, nó hỗ trợ phần cứng cho bạn lựa chọn như Arduino, Raspberry Pi, ESP8266 và nhiều module phần cứng phổ biến khác. Hình 1.6. Kết nối blynk với thiết bị 1.4. CẤU TRÚC PHẦN CỨNG 1.4.1. Kít ESP8266 Kít ESP8266 là kít phát triển dựa trên nền chíp Wifi SoC ESP8266 với thiết kế dễ dàng sử dụng vì tích hợp sẵn mạch nạp sử dụng chíp CP2102 trên borad. Bên trong ESP8266 có sẵn một lõi vi sử lý vì thế bạn có thể trực tiếp lập trình cho ESP8266 mà không cần thêm bất kì con vi sử lý nào nữa. Hiện tại có hai ngôn ngữ có thể lập trình cho ESP8266, sử dụng trực tiếp phần mềm IDE của Arduino để lập trình với bộ thư viện riêng hoặc sử dụng phần mềm node MCU Kit RF thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU được dùng cho các ứng dụng cần kết nối, thu thập dữ liệu và điều khiển qua sóng Wifi, đặc biệt là các ứng dụng liên quan đến IoT 6
8. Hình 1.8. Sơ đồ chân kít Esp8266 1.4.2. Module relay 2 kênh. Rơ-le là một loại linh kiện điện tử thụ động rất hay gặp trong các ứng dụng thực tế. Khi bạn gặp các vấn đề liên quan đến công suất và cần sự ổn định cao, ngoài ra có thể dễ dàng bảo trì Hình 1.9. Sơ đồ chân module relay 2 kênh 1.4.3. DHT11 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. 7
9. Hình 1.11. Dht11 1.4.4. Cảm biến độ ẩm đất Cảm biến độ ẩm đất, trạng thái đầu ra mức thấp (0V), khi đất thiếu nước đầu ra sẽ là mức cao (5V), độ nhạy cao chúng ta có thể điều chỉnh được bằng biến trở. Module Cảm biến phát hiện độ ẩm đất có thể sử dung tưới hoa tự động khi không có người quản lý khu vườn của bạn hoặc dùng trong những ứng dụng tương tự như trồng cây. Hình 2.13. Cảm biến độ ẩm đất 1.4.5. Quạt 12v 4mm. 1.4.6. Bơm nước. 8
10. CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 2.1. GIỚI THIỆU 2.2. THIẾT KẾ 2.2.1. Sơ đồ khối của hệ thống Hình 2.1. Sơ đồ khối hệ thống 2.2.2. Phần mềm lập trình 2.2.3. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch. Hình 2.7. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 2.2.4. Phần mềm lập trình 2.2.5. Lưu đồ giải thuật A. Lưu đồ điều khiển máy quạt 9
11. B. Lưu đồ điều khiển máy bơm nước 10
12. 2.3. THI CÔNG 2.3.1. Linh kiện sử dụng trong mạch Bảng 3.1. Linh kiện sử dụng trong mạch Tên linh kiện Số lượng Esp8266 1 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm 1 Cảm biến độ ẩm đất 1 Relay 2 kênh 1 Bơm nước 12v 1 Quạt 2 2.3.2. Thi công hệ thống Hình 3.3. Mô hình hệ thống 11
13. CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ 3.1. KẾT QUẢ 3.1.1. Nội dung Nghiên cứu về module wifi ESP8266 Node MCU Nghiên cứu về cảm biến độ ẩm đất Nghiên cứu về module cảm biến nhiệt độ DHT11 3.1.2. Kết quả nghiên cứu Qua đề tài này, em còn được trau dồi thêm kỹ năng giao tiếp các cảm biến thông dụng với Esp8266. Bên cạnh đó, kỹ năng truyền – nhận thông tin qua WiFi nhờ module Esp8266 Node MCU cũng được em hiểu rõ hơn. Hệ thống điều khiển thông qua thiết bị thông minh bằng ứng dụng chuyên dụng được cài đặt sẵn trên thiết bị sử dụng hệ điều hành Android. Hình 4.1. Kết quả nghiên cứu Ứng dụng này có đầy đủ các thông tin được cập nhật liên tục từ bộ điều khiển và các nút nhấn hỗ trợ cho quá trình điều khiển các thiết bị ngoại vi tại vườn. 12
14. Ứng dụng này là giải pháp tối ưu trong việc sửa chữa, bảo trì các thiết bị ngoại vi tại vườn. Dữ liệu điều khiển có quy trình cụ thể như sau: Hình 3.2. Quy trình truyền dữ liệu cảm biến dữ liệu lên app điện thoại. Hình 3.3. Quy trình truyền dữ liệu từ App đến các thiết bị ngoại vi Người nuôi trồng không cần phải lắp đặt hay thao gỡ nhà kính khi muốn trồng xen canh các loại cây khác nhau, với hệ thống IoT này, điều kiện canh tác có thể được thay đổi một cách linh hoạt. Chi phí cho lượng điện tiêu thụ cho quá trình canh tác cũng được giảm đáng kể, vì hệ thống thực hiện điều khiển tắt – mở các thiết bị ngoại vi một cách tự động, nhiệt độ không khí đạt khoảng an toàn, quạt gió sẽ tự động tắt, độ ẩm đất đạt khoảng ổn định cho sự sinh trưởng và phát triển của cây, bơm nước tự động tắt; ngược lại, khi không đáp ứng được điều kiện môi trường đặt trước, hệ thống sẽ tự động mở hoặc tắt các thiết bị ngoại vi để đảm bảo môi trường nuôi trồng luôn ở trạng thái tốt nhất. Chính vì vậy, năng suất canh tác khi sử dụng hệ thống IoT này sẽ tăng cao; bởi lẽ, điều kiện canh tác không phụ thuộc vào điều kiện môi trường, đáp ứng được nhu cầu của thị trường, nhu cầu của các khách hàng khó tính nhất. 13
15. 3.2. NHẬN XÉT Trong quá trình thiết kế và thi công đề tài, em gặp nhiều khó khăn và phát sinh trong việc lựa chọn linh kiện, hướng thiết kế, nhưng sau khi tìm hiểu thì những vấn đề trên đã được giải quyết. Khó khăn lớn nhất của đề tài là việc nghiên cứu ra sau khi thu được giá trị đọc được từ cảm biến là thông báo để hiện thị lên app. Sau thời gian nghiên cứu, thi công thì dự án đã hoàn thành kịp tiến độ. Hệ thống hoạt động tương đối ổn định. 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. 3.3. ĐÁNH GIÁ Hệ thống có khả năng giúp người dùng giám sát được đối tượng canh tác. Hệ thống hoạt động ổn định trong thời gian dài, đảm bảo được việc thu thập thông tin từ đối tượng canh tác cũng như truyền nhận dữ liệu lên App. 14
16. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN KẾT LUẬN Sau một thời gian nghiên cứu và hoàn thành đề tài, em đã nhận thấy mô hình đã hiệu quả được 85%, trong thời gian nghiên cứu và thực hiện đề tài, em đã học hỏi và tìm hiểu thêm được nhiều kiến thức mới cũng như củng cố lại kiến thức đã học giúp hoàn thành đề tài này. Vì đây là đề tài hướng đến việc giúp cho những người nông dân giảm bớt thời gian và sức lao động, trong quá trình canh tác nông nghiệp nên phải chú trọng độ ổn định và chính xác dẫn đến nhiều khó khăn trong quá trình lập trình. Nhưng nhờ sự hướng dẫn của giảng viên hướng dẫn và các tài liệu tham khảo thì em đã giải quyết được tương đối yêu cầu của đề tài. Trong quá trình thực hiện đề tài về phần cứng, em đã tìm hiểu được chức năng của các chân IO của ESP8266 Node MCU để viết lệnh nhận dữ liệu từ các module cảm biến để điều khiển các thiết bị ngoại vi. Việc kết hợp các module này lại với nhau để làm việc ổn định mất nhiều thời gian nhưng cũng học hỏi được rất nhiều trong quá trình làm. Tuy rằng sản phẩm đã được hoàn thành nhưng em vẫn nhận thấy sản phẩm còn nhiều thiếu sót, cần được chỉnh sửa và cải tiến hơn. Xây dựng hoàn thành mô hình Hệ thống tưới cây thông minh dựa trên IOT sử dụng cảm biến độ ẩm đất và Esp8266. Mô hình có khả năng cập nhật dữ liệu từ đối tượng canh tác để xử lý theo yêu cầu mà người dùng cài đặt. HƯỚNG PHÁT TRIỂN Đề tài cơ bản đáp ứng được những yêu cầu đặt ra tuy nhiên để sản phẩm hoàn thiện được hơn nữa thì đòi hỏi cần được cải tiến và 15
17. nghiên cứu thêm. Về chức năng, thiết bị được nghiên cứu chỉ dừng lại ở các chức năng cơ bản: đọc nhiệt độ độ ẩm đất, độ ẩm không khí. Một số chức năng nên bổ sung thêm là: Độ PH: Xử lý pH trong đất Phát triển mô hình với quy mô lớn hơn Có lò sưởi để tăng nhiệt độ khi nhiệt độ xuống thấp Hoàn thiện mô hình và tối ưu một cách kinh tế hơn. Có thể dùng năng lượng từ pin mặt trời để tạo ra nguồn điện Cài đặt giá trị để cảm biến theo điều kiện sống của từng loại cây trồng 16