Hệ thống nông nghiệp thông minh dùng độ ẩm đất + DHT 11 + HC SR04

MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 3 MỞ ĐẦU 4 1 Lý do chọn đề tài 4 2 Mục đích nghiên cứu 4 3 Nhiệm vụ nghiên cứu 4 4 Đối tượng nghiên cứu 4 5 Phạm vi nghiên cứu 5 PHẦN 1 – NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ CẢM BIẾN ĐỘ ẨM ĐẤT VÀ NodeMCU ESP 8266 CH340 6 Chương 1 Sơ sở lý thuyết 6 1 Nông nghiệp thông minh là gì? 6 2 IoT (Internet of Things) là gì? 8 3 Ứng dụng IoT trong nông nghiệp 8 Chương 2 Cảm biến độ ẩm đất và ESP8266 9 1 Khái niệm, nguyên lý làm việc, ứng dụng của cảm biến Độ ẩm đất 9 1 1 Khái niệm 9 1 2 Nguyên lý là.

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 3

MỞ ĐẦU 4

1 Lý do chọn đề tài 4

2 Mục đích nghiên cứu 4

3 Nhiệm vụ nghiên cứu 4

4 Đối tượng nghiên cứu 4

5 Phạm vi nghiên cứu 5

PHẦN 1 – NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ CẢM BIẾN ĐỘ ẨM ĐẤT VÀ NODEMCU ESP 8266 CH340 6

Chương 1 Sơ sở lý thuyết 6

1 Nông nghiệp thông minh là gì? 6

2 IoT (Internet of Things) là gì? 8

3 Ứng dụng IoT trong nông nghiệp 8

Chương 2 Cảm biến độ ẩm đất và ESP8266 9

1 Khái niệm, nguyên lý làm việc, ứng dụng của cảm biến Độ ẩm đất 9

1.1 Khái niệm 9

1.2 Nguyên lý làm việc 9

1.3 Ứng dụng 9

1.4 Cảm biến độ ẩm dựa vào độ dẫn nhiệt có các đặc điểm 10

1.5 Các tiêu chí trong lựa chọn cảm biến độ ẩm 11

2 ESP8266 ESP-12E NodeMCU v3 11

PHẦN 2 – XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ ỨNG DỤNG CẢM BIẾN SOIL MOISTURE VÀO HỆ THỐNG TƯỚI CÂY THÔNG MINH 14

1 Lựa chọn linh kiện, thiết bị 14

1.1 Cảm biến độ ẩm đất Soil Moisture 14

1.2 Mạch 2 Relay Opto 5VDC High/Low 15

1.3 Máy Bơm Water Pump P385 15

1.4 Kit RF Thu Phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua V3 CH340 16

1.5 Cảm Biến Độ Ẩm, Nhiệt Độ DHT11 Temperature Humidity Sensor Ra Chân 16

1.6 Cảm biến siêu âm Ultrasonic HC-SR04 17

1.7 Dây cắm Breadboard 17

2 Mô hình ghép nối 18

3 Nguyên lý hoạt động 18

4 Mô hình cơ khí 19

5 Sơ đồ giải thuật 20

6 Code chương trình 20

6 Lập trình 24

7 Đánh giá 30

7.1 Ưu điểm 30

7.2 Nhược điểm 30

7.3 Xu hướng phát triển 30

7.4 Phạm vi ứng dụng 30

PHẦN 3 – TÀI LIỆU THAM KHẢO 32

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay, cuộc cách mạch khoa học công nghệ lần thứ 4 đã, đang và sẽ mở ra những cơhội phát triển cực lớn cho các nghành nghề Và nông nghiệp cũng không phải là ngoại lệ Đốivới những nghành đang phát triển như Việt Nam thì nền nông nghiệp vẫn còn đang chiếm vaitrò lớn trong nền kinh tế Việc ứng dụng khoa học – công nghệ là điều cấp thiết để phát triểnkinh tế cũng như giúp cho những người nông dân đỡ vất vả và cực khổ hơn

Nhằm giải guyết vấn đề này, hệ thống nông nghiệp thông minh gồm các hệ thống giámsát, xử lý, cung ứng quá trình sản xuất ngày càng hiện đại đã được đưa vào nông nghiệp Trong

đó chủ yếu là tích hợp IoT (Internet of Things) – “Mạng Lưới vạn vật kết nối” góp phần thúcđẩy sự chuyển đổi từ nông nghiệp truyền thống sang nông nghiệp thông minh, tạo nên một môitrường sản xuất nông nghiệp năng động, khoa học và giải phóng sức lao động, tăng năng suất,mang lại hiệu quả kinh tế cao

Với mong muốn nghiên cứu và tạo ra một hệ thống giám sát nông nghiệp tiện ích ứngdụng công nghệ IoT, đề góp phần đáp ứng nhu cầu trên và đóng góp thêm giải pháp phát triển,Tôi quyết định chọn đề tài: “Nghiên cứu, phát triển mô hình tưới cây thông minh” Trong bàibáo cáo này chúng ta sẽ nghiên cứu và xây dựng một hệ thống nông nghiệp sử dụng cảm biếnnhận diện các chỉ số môi trường, thời tiết từ đó có thể tự động canh tác nông nghiệp hiệu quả

và báo cáo về người dùng

Bài nghiên cứu của chúng tôi được chia làm hai phần:

Phần 1 – NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ CẢM BIẾN ĐỘ ẨM ĐẤT VÀ

NODEMCU ESP 8255 CH340

Phần 2 – XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ ỨNG DỤNG CẢM BIẾN ĐỘ ẨM ĐẤT

(SOIL MOISTURE) VÀO HỆ THỐNG TƯỚI CÂY THÔNG MINH

Phần 3 – TÀI LIỆU THAM KHẢO.

Nhóm chúng tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Giảng viên – Thầy Nguyễn Thái Hùng

đã nhiệt tình hỗ trợ, giúp đỡ để tôi có thể hoàn thành bài nghiên cứu một cách trọn vẹn nhất

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong thời đại của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, việc ứng dụng công nghệ vào nhiềulĩnh vực đã chứng minh được hiệu quả rõ rệt của mình Nông nghiệp từ trước đến nay luônnằm trong những lĩnh vực hạn chế áp dụng thanh tựu khoa học công nghệ nhất Việt Nam

là một nước có nền nông nghiệp lâu đời, người dân đa phần làm nông nghiệp một cách thủcông, phụ thuộc nhiều vào yếu tố như đặc tính cây troongm thời tiết… Chính vì vậy mànăng suất cũng như chất lượng sản phẩm thu được chưa đạt được như mong muốn

Bên cạnh những hiện tượng biến đổi khí hậu trong những năm trở lại đây cũng là một vấn

đề đặt ra nhiều thách thức, tình trạng dân số tăng nhanh vô hình chung tạo nên áp lực lớncho nghành nông nghiệp Việc đảm bảo đủ lương thực cũng như chất lượng nông sản làmột trong những vấn đề toàn cầu Vì những lý do này, để gia tăng hiệu quả năng suất, yêucầu cho nghành nông nghiệp là phải áp dụng những tiến bộ của khoa học công nghệ mới đểđạt được hiệu quả tốt hơn

Nhiệm vụ của sinh viên nghành công nghệ như tôi cần luôn bắt được xu hướng thay đổicủa công nghệ, khoa học kỹ thuật, ứng dụng vào thực tế để nâng cao chất lượng cuộc sốngtốt hơn Vì vậy chúng tôi đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu, phát triển mô hình tưới câythông minh” phần nào hiểu được và đưa ra những giải pháp thiết thực giúp người nông dânphát triển nông nghiệp từ quy mô hộ gia đình hay xa hơn là nông nghiệp nước nhà

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

Phát triển hệ thống nông nghiệp thông minh tích hợp IoT kết hợp với các khối cổng thôngtin, phần mềm điện thoại, Web Dashboard và phần mềm nhúng

4 Đối tượng nghiên cứu

 IoT (Internet of Things), nông nghiệp thông minh

 IC, cảm biến, Kit WIFI ESP 8266 v3

 App thông báo Mobile và Web Dashboard

 Hệ thống theo dõi, giám sát và điều khiển nông nghiệp tự động với thủ công

5 Phạm vi nghiên cứu

 Thế kế hệ thống theo dõi, giám sát các hoạt động thời tiết chỉ số môi trường

 Điều khiển hệ thống tự động tưới phù hợp với môi trường đồng thời người sử dụng có thể chỉnh sang chế độ thủ công để có thể tưới 1 cách chủ động hơn

 Ứng dụng hệ thống IoT thông báo cho con người

NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH PHẦN 1 – NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ CẢM BIẾN ĐỘ ẨM ĐẤT VÀ NodeMCU ESP 8266 CH340

Chương 1 Sơ sở lý thuyết

1 Nông nghiệp thông minh là gì?

Nông nghiệp thông minh là một cụm từ đang được các người nông dân, các nhà vườn hiện nayquan tâm Biến đổi khí hậu đang ngày càng diễn biến phức tạp và khó lường, cây trồng ngàycàng bất ổn và môi trường đang diễn biến xấu đi Cùng với đó nhân công ngày càng thiếu hụtthì công nghệ thông minh được đưa vào sản xuất chính là một trong những giải pháp cấp báchhiện nay

Nền nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao (Tự động hóa, cơ giới hóa,.), công nghệ sản xuất,bảo đảm sản phẩm an toàn (GAP, GlobalGAP, hữu cơ…), công nghệ quản lý (IoT, Big Data),nhận diện sản phẩm với công nghệ AI (Trí tuệ nhân tạo) chính là nông nghiệp thông minh

Hình 1 Hình ảnh nông nghiệp thông minh

Thành phần cấu thành nền nông nghiệp thông minh:

IoT (Internet of Things - Cảm biến vạn vật kết nối) hay còn được gọi là vạn vật kết nối với

nhau thông qua mạng Internet với các thiết bị cảm biến kết nối và điều khiển tự động trongsuốt quá trinhfsanr xuất giúp ứng phó với biến đổi khí hậu trong nhà kính

Robot (người máy): người máy sẽ thay thế làm các việc mà người nông dân thường làm, giúp

giảm chi phí nhân lực một cách đáng kể Các bộ phân phân tích do các phần mềm trợ giúp sẽđưa ra xu hướng trong các trang trại ứng dụng nông nghiệp thông minh một cách nhanh chóng

Drones (Thiết bị không người lái): Được sử dụng để thu thập dữ liệu ở các trang trại từ xa,

thiết bị bay không người lái còn có thể sử dụng để phun thuốc bảo vệ thực vật từ xa

Hình 2 Máy bay không người lái đang phun thuốc

Solar Cell (Tế bào quang điện – Pin mặt trời): Hầu hết các thiết bị trong trang trại được cấp

điện mặt trời và các bộ pin mặt trời trở nên rất quan trọng, nhằm giảm chi phí năng lượng và

sử dụng không gian trang trại một cách hiệu quả hơn

Hình 3 Hệ thống pin năng lượng mặt trời dùng trong nông nghiệp

2 IoT (Internet of Things) là gì?

Internet vạn vật (IoT) là mạng kết nối các đồ vật và thiết bị thông qua cảm biến, phần mềm vàcác công nghệ khác, cho phép các đồ vật và thiết bị thu thập và trao đổi dữ liệu với nhau.Internet vạn vật lan tỏa lợi ích của mạng internet tới mọi đồ vật được kết nối, chứ không chỉdừng lại ở phạm vi một chiếc máy tính Khi một đồ vật được kết nối với internet, nó sẽ trở nênthông minh hơn nhờ khả năng gửi và/hoặc nhận thông tin và tự động hoạt động dựa trên cácthông tin đó

Các thiết bị IoT có thể là đồ vật được gắn thêm cảm biến để thu thập dữ liệu về môi trườngxung quanh (giống như các giác quan), các máy tính/bộ điều khiển tiếp nhận dữ liệu và ra lệnhcho các thiết bị khác, hoặc cũng có thể là các đồ vật được tích hợp cả hai tính năng trên Tiềm năng ứng dụng của internet vạn vật (IoT) trải rộng trên mọi lĩnh vực Tuy nhiên, mọi hệthống IoT hoàn chỉnh đều có đủ 4 bước: thu thập dữ liệu, chia sẻ dữ liệu, xử lý dữ liệu, và đưa

ra quyết định

Hình 4 Nguyên lý hoạt động cơ bản của IoT

3 Ứng dụng IoT trong nông nghiệp.

 Theo dõi nguồn nước và giám sát dinh dưỡng

 Theo dõi dịch bênh và giám sát lỗi

 Giám sát đất

 Theo dõi sức khỏe cây trồng

 Máy móc

 Môi trường

Để tạo ra nền nông nghiệp bền vững, việc sử dụng IoT sẽ là trung tâm hàng đầu trong các hoạtđộng nông nghiệp IoT sắp xếp hợp lý cách làm việc từ sử dụng nước và điện, vận chuyển câytrồng, cảnh báo vận hành, bảo trì máy móc nông trại IoT đã chứng tỏ một bước đột phá và tiếptục thay đổi cách nhìn vào các hoạt động nông nghiệp khác nhau, trên thế giới ước tính có hơn

75 triệu thiết bị dựa trên IoT sẽ hoạt động trong ngành nông nghiệp vào năm 2020 Trongtương lai, IoT có thể được định hình bởi những tiến bộ vượt bậc trong Mạng cảm biến khôngdây WSN (Wireless Sensor Network - WSN) và thế hệ thứ 5 của công nghệ thông tin di động(5G) để cung cấp cho nông dân dữ liệu và thông tin theo thời gian thực mọi lúc mọi nơi trênđất của họ

Chương 2 Cảm biến độ ẩm đất và ESP8266

1 Khái niệm, nguyên lý làm việc, ứng dụng của cảm biến Độ ẩm đất.

Đối với một ẩm kế điện dung, không khí chảy vào giữa hai tấm kim loại Sự thay đổi

độ ẩm không khí tỷ lệ thuận với sự thay đổi điện dung giữa các bản

Trong nguyên lý đo độ ẩm điện trở, polymer hoặc sứ hấp thụ độ ẩm, sau đó ảnh hưởngđến điện trở suất của nó Và được kết nối với một mạch trong đó độ ẩm ảnh hưởng đến điệntrở của vật liệu Từ đó độ ẩm tương đối sau đó được xác định dựa trên sự thay đổi của dòngđiện.Ứng dụng

1.3 Ứng dụng

Cảm biến điện dung được sử dụng cho các ứng dụng khác nhau để đo độ ẩm trong các

hệ thống HVAC, Máy in, Máy fax, Trạm thời tiết, ô tô, chế biến thực phẩm, tủ lạnh, vv

Do có chi phí thấp và kích thước nhỏ, cảm biến điện trở được sử dụng trong các ứngdụng dân dụng, công nghiệp và trong nước

Cảm biến đo độ ẩm thường được tìm thấy ở nơi cần kiểm soát độ ẩm Ví dụ, Trong mộtngôi nhà có thể sử dụng chúng trong một hệ thống kiểm soát độ ẩm, giám sát các khu vựckhác nhau của ngôi nhà để ngăn ngừa nấm mốc phát triển.

Hình 5 Độ ẩm đất Soil Moisture

Tương tự trong nhà kính, phòng tắm hơi, bảo tàng và máy ấp trứng cũng sử dụng máy

đo độ ẩm để đảm bảo lượng ẩm không khí ở mức thích hợp cho cây, người…và trứng trongkhu vực kín

1.4 Cảm biến độ ẩm dựa vào độ dẫn nhiệt có các đặc điểm

+ Đo độ ẩm tuyệt đối

+ Gồm 1 điện trở đặt trong Nito khô và một đặt trong môi trường, sai lệch nhiệt độ tỷ lệ với độ ẩm

1.5 Các tiêu chí trong lựa chọn cảm biến độ ẩm

Những tiêu chí quan trọng trong lựa chọn cảm biến độ ẩm bao gồm:

 Tính hiệu quả và giá thành

 Giá thành bảo dưỡng và thay thế khi có hỏng hóc

 Tính phức hợp và hiện thực hóa quá trình chuẩn hóa tín hiệu và mạch thu thập dữ liệu

2 ESP8266 ESP-12E NodeMCU v3

NodeMCU Dev Board dựa trên Hệ thống esp8266 được khám phá rộng rãi trên Chip từExpressif Nó kết hợp các tính năng của điểm truy cập WIFI và trạm + vi điều khiển và sửdụng ngôn ngữ lập trình dựa trên LUA đơn giản ESP8266 NodeMCU cung cấp:

- IO phần cứng giống như Arduino

- API điều khiển thông minh cho các ứng dụng mạng

-10 GPIO D0-D10, chức năng PWM, IIC và SPI giao tiếp, 1-Wire và ADC A0, v.v tất cả trong một bảng

- Kết nối mạng wifi (có thể được sử dụng làm điểm truy cập và / hoặc trạm, lưu trữ một máy chủ web), kết nối với internet để tìm nạp hoặc tải lên dữ liệu

- Hệ thống rẻ chỉ cài đô la trên một Vi xử lí cho các dự án Internet of Things (IoT)

Hình 6 Sơ đồ chân của NodeMCU ESP 8266 v3

Digital I/O Pins 11

PHẦN 2 – XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ ỨNG DỤNG CẢM BIẾN SOIL MOISTURE VÀO HỆ THỐNG TƯỚI CÂY THÔNG MINH

1 Lựa chọn linh kiện, thiết bị

1.1 Cảm biến độ ẩm đất Soil Moisture

a Cấu tạo

 Sử dụng cảm biến hồng ngoại YG1006, tốc độ phản ứng nhanh và độ nhạy cao

 Tích hợp IC LM393 để chuyển đổi ADC

 Biến trở để tùy chỉnh độ nhạy của cảm biến

b Nguyên lý làm việc

 Khi module hoạt động các chân tín hiệu sẽ báo tín hiệu về thiết bị điều khiển Lúc

đó tín hiệu chân AO:

 Aout cho ra tín hiệu tương tự sẽ chạy từ 0 đến 1024

c Cách đấu nối

Cấu hình chân của cảm biến này được hiển thị bên dưới Nó bao gồm bốn chântrong đó bao gồm những điều sau đây Khi mô-đun này hoạt động với bộ vi điều khiểnthì các chân

 Chân VCC: Nguồn cung cấp điện áp tăng từ 3,3V đến 5V

 Chân GND: Đây là chân nối đất (GROUND)

 Chân AO: Đây là chân đầu ra tương tự (Analog Output)

 Chân DO: Đây là chân đầu ra kỹ thuật số (Digital Output) mức cao hoặc thấp

Bộ não của cảm biến Flame Sensor là một con IC LM393 nó là trung tâm điều khiểncủa con cảm biến, đồng thời nó còn bao gồm:

 PWR-LED: là led hiển thị khi cảm biến có nguồn điện đi qua

 DO-LED: là led hiển thị khi cảm biến nhận

đc tín hiệu nhiệt từ bên ngoài môi trường

thông qua đầu cảm biến hồng ngoại

YG1006

 Biến trở để tùy chỉnh độ nhạy cảm biến

d Thông số kỹ thuật cảm biến Soil Moisture

 Nguồn cấp: 3.3V – 5VDC

 Tín hiệu ra: Digital 3.3 – 5VDC, tùy nguồn cấp hoặc Analog.

 Kích thước: 3 x 1.6 cm

1.2 Mạch 2 Relay Opto 5VDC High/Low

Thông số kỹ thuật

 Sử dụng điện áp nuôi DC 5V

 Dòng tiêu thụ: khoảng 200mA/1 relay

 Điện thế đóng ngắt tối đa: AC250V ~ 10A hoặc

DC30V ~ 10A

 Có đèn báo đóng ngắt trên mỗi Relay

 Có thể chọn mức tín hiệu kích 0 hoặc 1 qua jumper

 Lưu lượng bơm: 1~2L/phút

 Thời gian chạy liên tục: < 1h

 Đường kính đầu bơm: đường kính trong 6mm,

đường kính ngoài 8.5mm

 Kích thước: 90 x 40 x 35mm

1.4 Kit RF Thu Phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua V3 CH340

Thông số kỹ thuật

 IC chính: ESP8266 Wifi SoC

 Phiên bản firmware: NodeMCU Lua

 Chip nạp và giao tiếp UART: CH340

 GPIO tương thích hoàn toàn với firmware Node MCU

 Cấp nguồn: 5VDC MicroUSB hoặc Vin

 GIPO giao tiếp mức 3.3VDC

Hình 8 Relay 5VDC Kích High/Low 2 Kênh

Hình 9 Bơm nước 12VDC

 Tích hợp Led báo trạng thái, nút Reset, Flash.

 Tương thích hoàn toàn với trình biên dịch Arduino

 Kích thước: 59 x 32mmIC chính: ESP8266 Wifi SoC

 Phiên bản firmware: NodeMCU Lua

 Chip nạp và giao tiếp UART: CH340

 GPIO tương thích hoàn toàn với firmware Node MCU

 Cấp nguồn: 5VDC MicroUSB hoặc Vin

 GIPO giao tiếp mức 3.3VDC

 Tích hợp Led báo trạng thái, nút Reset, Flash

 Tương thích hoàn toàn với trình biên dịch Arduino

 Kích thước: 59 x 32mm

1.5 Cảm Biến Độ Ẩm, Nhiệt Độ DHT11 Temperature Humidity Sensor Ra Chân

Thông số kỹ thuật:

 Điện áp hoạt động : 5VDC

 Chuẩn giao tiếp: TTL, 1 wire

 Khoảng đo độ ẩm: 20%-90% RH (sai số 5%RH)

 Khoảng đo nhiệt độ: 0-50°C (sai số 2°C)

 Tần số lấy mẫu tối đa: 1Hz (1 giây / lần)

 Tín hiệu giao tiếp: TTL

 Chân tín hiệu: Echo, Trigger

 Góc quét:<15 độ

 Tần số phát sóng: 40Khz

 Khoảng cách đo được: 2~450cm (khoảng cách xa nhất

đạt được ở điều khiện lý tưởng với không gian trống và

Hình 11 Cảm biến DHT11

Hình 12 Cảm biến vật HC-SR04