MẠNG CẢM BIÊN KHÔNG DẦY THIẾT KẾ HỆ THÓỎNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DẦY GIÁM SÁT TRỎNG RAU TRONG NHÀ KÍNH.pdf

Chính vì vậy nhóm đã tìm hiểu và thực hiện đề tài “Thiết kế hệ thống mạng cảm biến không dây đo nhiệt độ, độ âm ứng dụng trong trồng rau trong nhà kính”.. Hệ thông giám sát dữ liệu cảm b

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

MẠNG CẢM BIÊN KHÔNG DẦY

THIẾT KẾ HỆ THÓỎNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG

DẦY GIÁM SÁT TRỎNG RAU TRONG NHÀ KÍNH

Tóm tắt nội dung bài tập lớn

Cùng với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của IoT, nhu cầu về quản lý, giám sát

từ xa thông qua Internet ngày càng cao Việc ứng dụng IoT vào trong tất cả các

ngành đang trở thành xu thế của tương lai, đặc biệt là lĩnh vực nông nghiệp

Đất nước ta là một quốc gia mạnh về nông nghiệp, trong bối cảnh đất nước đang chuyển mình bước sang thời kì 4.0 như hiện nay, việc ứng dụng loT vào nông nghiệp là một yêu cầu bắt buộc nhằm nâng cao năng suất, chất lượng sản phâm, đưa nền nông nghiệp của đất nước trở thành nền nông nghiệp thông minh Chính

vì vậy nhóm đã tìm hiểu và thực hiện đề tài “Thiết kế hệ thống mạng cảm biến không dây đo nhiệt độ, độ âm ứng dụng trong trồng rau trong nhà kính”

Để phục vụ cho đề tài, nhóm đã sử dụng các phần cứng rất phô biến là module

ESP8266, các cảm biến DHT11 cùng những phần mềm đề thiết kế, lập trình đề

các phần cứng đó có thê giao tiếp và trao đổi đữ liệu với nhau Hệ thông giám sát

dữ liệu cảm biến trong một chu kì phản hỏi nơi các thiết bị điều khiển được kích

hoạt dựa trên các giá trị ngưỡng được xác định trước

Báo cáo gồm có 6 chương:

Chương I: Tìm hiệu chung về vấn đề quản lí, giám sát các thông số kỹ kỹ thuật trong việc trồng rau trong nhà kính

Chương 2: Yêu cầu, mục tiêu, kết quả của hệ thống cần đạt được

Chương 3: Kế hoạch thực hiện

Chương 4: Phân tích - Thiết kế

Chương 5: Đánh giá kiểm tra

Chương 6: Kết luận

Trong quá trình tìm hiểu và thiết kế sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, nhóm chúng em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của thầy đề đề tài được hoàn thiện hơn

MỤC LỤC

Contents

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG -.2- 2-2 5< 52 2522 s2 2s s22 cse

11 Tìm hiểu chung về nông sản Việt Nam - 52 SE 2122181221112 ra

12 Vấn đề quản lí, giám sát các thông số kỹ thuật trong trồng rau nhà kính

0022 1.3 Các thông số quan trọng trong môi trường nông nghiệp 5 2 cxzzszszx2 1.4 Xây dựng giải pháp thiết kế hệ thống 5 S1 SE E12 12121122811 re

CHƯƠNG2 YÊU CÂU, MỤC TIỂU, KÉT QUÁ CÂN ĐẠTT . -

2.1 Yêu cầu thiết kế c: 22 1222112221122 1221111112211 de 2.2 _ Mục tiêu thiết kế :: 22222 22111221112211 1221111221121 re CHƯƠNG3 KẾ HOẠCH THỰC HIỆN 2 2 5-55 S5 seseEs+sesessrseseee CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ 2vssv+xeseese

41 Phân tích và lựa chọn thiết ké chung Sinh viên thựe hiện ưườờn

4.4 Trung tâm điều hành 5 - S221 5E12121121171111 1 111181 HH e

4.5 Sơ đồ ghép nối phần cứng 2 + S2 EEE11E1115712112112111211112111 E81 ntrreg

4.6 Lập trình 2 22111221121 111111211221 121115112 1110115111011 2 T11 111kg THx TH kh

4.6.1 Lập trình cho các nút cảm biến (ClienÐ) - 5c s2 22c

4.6.2 Lập trình cho S€TV€T 2 2.2211 1221121122111Ẹ112 115 1112k re

CHƯƠNG 5 ĐÁNH GIÁ KIỂM TRA -s5°-2cxssrserrrerrsorkeoree

5] Kết quả mà nhóm đạt được - - 2: 22 2122211221251 3221 125152111121211 2811812 xe

BẢNG DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mô hình trồng rau trong nhà kính 2: 2952 2EEE2E2E12E122E57121222221 2E

Hình 4.1 Ba cấu trúc mạng phổ biến - 5 21 SE E1121111111221E112 E181 re

Hình 4.2 Mô hình kết nỗi của mạng cảm biến Ặ ST E15 nnnH HH HH HH reo

Hình 4.3 Cấu tạo cơ bản của nút cảm biẾn - 5 S1 S212155551215151251 81151151881 ray Hình 4.4 Sơ đồ thiết kế mạng cảm biến trong nhà kính 2-2-2 c2 2E EE2EzEczxerxe Hình 4.5 Chế độ Access point - 5-2 s11 1111211211221 121211 e Hình 4.6 Chế độ truy cập station - c2 E1 112111121221 tt tru te Hình 4.7 Sơ đồ ghép nối một nút cảm biễn -2- 2 S2E29E12E1251221221212221212E 1 te Hình 5.I Test các nút trên board - c1 2112222111221 121112111 11111111 1211115 281511211 H ky Hình 5.2 Giao điện khi chưa có nút Kết nỐi 222223 3921131515151 512511512121551215111 1311 xse

Hình 5.3 Giao điện khi có nhiều nút kết nỒi 2: 22222222 222222212222122231222112221 2x e2

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Tìm hiểu chung về nông sản Việt Nam

Nông nghiệp là một trong những ngành kinh tế quan trọng nhất tại Việt Nam Bên cạnh việc sản xuất để phục vụ nhu cầu ngày cảng tăng ở trong nước, Việt Nam còn là nước xuất khâu lượng nông sản lớn mỗi năm Đề đảm bảo chất lượng cho nông sản, ta cần áp dụng khoa học và công nghệ Người quản lý cần thu thập và theo dõi sát sao các chỉ số sinh trưởng của cây trồng trong từng thời

kỳ Nhờ quá trình giám sát và thu thập số liệu về nhiệt độ, độ âm, ánh sáng, độ

PH nhà nông có thê theo dõi được sự phát triên của cây trồng quyết định thời điểm thu hoạch thích hợp Biết được các thông số trong nhà kính, cho phép người canh tác điều chỉnh hoạt động canh tác của mình một cách phù hợp đê đạt được năng suất tối ưu của nông sản

1.2 Vấn đề quản lí, giám sát các thông số kỹ thuật trong trồng rau nhà kính hiện nay

Có thê thấy việc nắm bắt được các thông số về nhiệt độ, độ âm, độ PH của đất và

cường độ ánh sáng là những thông số quan trọng trong việc trồng rau sạch trong nhà kính Tuy nhiên một số vấn đề phát sinh liên quan đến việc áp dụng các loại cảm biến đo vào trong một không gian lớn, khoảng cách xa, số lượng cảm biến nhiều Chính vì vậy, thiết kế một mạng cảm biến để dễ dàng cho việc giám sát,

đo đạc là một việc cần thiết Người quản lý có thê giám sát các thông số trong nhà kính bằng trên máy tính, điện thoại, từ đó đưa ra các quyết định phủ hợp cho

sự phát triển của từng loại rau

VN th ~ `y.- |

Hình 1.1 Mô hình trồng rau trong nhà kính

Tuy nhiên, cũng có nhiều thách thức trong vấn đề sử dụng mạng cảm biến trong trồng rau sạch trong nhà kính là vấn đề tiêu thụ năng lượng sự ăn mòn các cảm biến trong môi trường nóng ẩm trong nhà kính

1.3 Các thông số quan trọng trong môi trường nông nghiệp

Nhiệt độ, độ âm, cường độ ánh sáng, carbon dioxide (CO2) và pH là một số thông số quan trọng có thê ảnh hưởng đến sự phát triển của thực vật Các thông

số này cũng có thể được sử dụng để chỉ ra sự khỏe mạnh của cây trồng hoặc nguy

cơ mắc bệnh của cây

Độ âm là một trong những thông số rất quan trọng trong lĩnh vực nông nghiệp Độ âm tương đối (RH) là tỷ số giữa lượng hơi nước trong không khí so

với lượng hơi nước tối đa mà không khí có thể g1ữ ở một nhiệt độ và áp suất nhất định RH gián tiếp khuyến khích sự phát triển của sâu bệnh và các loại bệnh thực

vật RH khỏe mạnh đối với cây trồng năm trong khoảng 50% đến 70%

Độ pH của đất là một thông số quan trọng khác đối với sự phát triển của thực vật và cây trồng vì nó ảnh hưởng đến sự sẵn có của các chất dinh dưỡng trong đất Do đó, kiến thức về độ pH sẽ giúp bà con tôi ưu hóa việc sử dụng phân

bón Nói cách khác, nông dân sử dụng đúng loại phân bón, đúng thời điểm

Trong nhà kính, quản lý nhiệt độ là rất quan trọng vì nó ảnh hưởng đến độ âm và quá trình quang hợp Quang hợp là một quá trình quan trọng đối với sự phát triển của cây Nhiệt độ thấp sẽ ảnh hưởng đến quá trình quang hợp và kết quả là cây sinh trưởng bị chậm lại Nhiệt độ thích hợp là rất quan trọng đối với mỗi nhà máy

để có được kết quả tốt nhất

Một trong những thông sỐ quan trọng nhất, cần được kiêm soát chặt chế là

nồng độ CO2 trong không khí Đây là yếu tố chính để có được chất lượng, số lượng và kích thước tốt của nắm sản xuất và được đo bằng ppm và Các giá trị của thông số này khác nhau đối với các loại nắm khác nhau Thông thường trong

quá trình đẻ trứng, mức độ tập trung CO2 có thể đạt đến mức rất cao - có thể

vượt qua con số 10 000 ppm

1.4 Xây dựng giải pháp thiết kế hệ thống

Qua những tìm hiểu khái quát bên trên, có thể thấy việc thiết kế một hệ thông

mạng cảm biến không dây ứng dụng trong trồng rau trong nhà kính có những ưu điểm như:

- - Giúp người quản lí giám sát được các thông số như nhiệt độ, độ âm, ánh sáng từ đó đưa ra những quyết định

- - Kết hợp với hệ thống làm mát, chiêu sáng phun sương tạo thành một hệ thống giám sát, điều khiên thông số môi trường thông minh (Tự động hoặc

do người điều khiến)

- _ Tích hợp với các hệ thống web, app cho phép người dùng cuối có thê theo

dõi được điều kiện môi trường trong nhà kính

- _ Phục vụ mục đích cuối là giúp cho chất lượng nông sản cao nhất

Do đó nhóm em đưa ra giải pháp thiết kế một hệ thông mạng cảm biến, giúp cho

việc thu thập các thông tin ngay tại hiện trường điễn ra liên tục, chính xác và hiệu quả hơn

CHƯƠNG 2 YÊU CÂU, MỤC TIỂU, KÉT QUÁ CÂN ĐẠT

2.1 Yêu cầu thiết kế

Giả định thiết kế mạng cảm biến không dây đo các thông số nhiệt độ, độ âm, ánh

sáng nồng độ PH của đất cho một nhà kính trồng rau có diện tích là 2000m2,

chiều đài là 50m, chiều rộng là 40m

- _ Xây dựng được mạng cảm biến đo lường chính xác các thông số nhiệt độ,

độ âm độ PH, nồng độ CO2, cường độ ánh sáng trong nhà kính trồng rau

- _ Mạng cảm biến đo bao phủ được toàn bộ nhà kính

- _ Các thông số của cảm biến được gửi về trung tâm hiển thị trên máy tính

- Hệ thống hoạt động ôn định, tiêu tốn ít năng lượng, không cần nhiều thời

gian bảo hành bảo trì

- _ Đưara cảnh báo khi các thông số vượt ngưỡng kỹ thuật

2.2 Mục tiêu thiết kế

Nhóm em sẽ đưa ra những mục tiêu thiết kế với các thành phần: Nút cảm biến và

S€TV€T

* Cúc yên mục tiêu với Server:

Hệ thống mạng cảm biến được nhúng trong một hệ thống quản lí theo dõi các thông số môi trường phục vụ việc giám sát các thông số trong nhà kính Trong đó

việc thu thập dữ liệu để theo dõi giám sát như nhiệt độ, độ âm, ánh sáng là một phần của hệ thống Chính vì thế cần một glao diện đề hiển thị và theo dõi Em đặt

ra các mục tiêu đối với server và ø1ao diện như sau:

- Đối với ø1ao diện: cần phải thân thiện, dễ sử dụng phải đảm bảo các chức

o_ Cấu hình các node cảm biến từ Server

- _ Đối với server, yêu cầu phải có khả năng xử lí được luồng dữ liệu từ nhiều node cảm biến gửi lên

* Đối với các node cảm biến (clien0:

Các node cảm biến phải đáp ứng được những yêu cầu sau:

- - Đo được các thông số như nhiệt độ, độ âm, cường độ ánh sáng môi trường

- _ Có khả năng kết nối không dây với gateway hoặc kết nối thăng lên server

- _ Có khả năng sửi tất cả các thông số đo được lên server

- _ Đáp ứng yêu cầu tiêu thụ năng lượng thấp

Ngoài ra thiệt bị phải đáp ứng các yêu câu sau:

- _ Khả năng làm việc ôn định trong thời gian dài ở điều kiện khắc nghiệt

- _ Khả năng kêt nôi ôn định với server

- _ Khả năng lưu trữ dữ liệu

BẢNG KÉT HOẠCH THỰC HIỆN

7 Tìm đề tài, xin tài liệu từ các nhóm năm học trước Tìm ra được hai đề

tài tiêm năng: bãi đỗ

xe và vườn rau Tìm được hai bài báo cáo của năm học trước

8 Thảo luận về các vấn đề trong đề tài đã chọn: Thực trạng: ngày

Thực trạng Vấn đề khó khăn | Cách giải | cảng nhiêu vườn rau

l rộng khó theo dõi

được hêt toàn bộ

9 Tìm hiểu về các | Tìm hiểu về ưu|Tìm hiểu về Chọn phương thức

10 | Tìm hiểu về các linh kiện ESP8266, các cảm biến | ĐẠT Đã tìm hiểu

kỹ thuật, cách ghép nỘI, cách đọc cảm

biên

II |Tìm hiểu về | Tìm hiểu về giao | Tìm hiểu cách | Đạt Tìm hiểu được

webserver tệp giữa hai | truyện dữ liệu | các chê độ AP hoặc

webserver Lựa chọn chê độ

STA

12 Đi mua linh Học code | Học code | Đã mua được

kiện, tìm hiệu arduino arduino DHTII HC SR04

chế độ AP, đã đọc được giá trị các cảm biên

13 Code tạo |Code glao tiếp Code đọc cảm | Đã tạo được

cảm biến

14 Tổng hợp code, | Code client kết|Học thiết kế |Đã đọc được cảm

linh kiện thành | và đây dữ liệu | băng html lên Server

nút cảm biến lên server

15 Nạp code và mô phỏng thực tế Hệ thống hoạt động

chưa ôn định, đã đây được lên webserver

hiển thị lên máy tính cho người dùng theo dõi Đã có giao diện

ồn

16 Chinh sửa các lỗi còn tồn tại như mạch hoạt động | Đạt

chập chờn, lúc đọc cảm biến lúc không cảm biến đọc

bị sai khi ehép code, øiao diện còn lỗi một số chỗ

17 | Quay video demo | Làm báo cáo | Làm báo cáo Chưa hoàn thành

CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KÉ

Chương này sẽ trình bày chi tiết về thiết kế, lựa chọn và chế tạo các thành phần

của hệ thống Bao gồm từ thiết kế tông thê sơ đỗ khối hệ thống đến đi vào thiết

kế chi tiết từng khối nhỏ

4.1 Phân tích và lựa chọn thiết kế chung

Khi thiết kế hệ thống cảm biến thu thập thông tin hiện trường, em dựa trên cơ sở

của một hệ thống mạng cảm biến thông thường Do đó, hệ thống bao gồm rất nhiều các node cảm biến kết nối với nhau Từ đó em đưa ra 2 phương án thiết kế như sau:

- Phương án l: Các node cảm biến hoạt động độc lập, chúng sẽ thu thập các đữ liệu và kết nối trực tiếp đến một bộ thu thập và xử lí trung tâm, gọi

chung là gateway Gateway sẽ truyền nhận dữ liệu lên server

- Phương án 2: Các node cảm biến vẫn hoạt động độc lập với nhau, chúng

thu thập đữ liệu và kết nói trực tiếp đến server thông qua internet

Ngoài ra, nhóm em đưa ra 3 kiến trúc kết nối phổ biến của mạng cảm biến như Sau:

- _ Cấu trúc hình sao: Star

- _ Cầu trúc hình cây: Tree

- Cấu trúc Mesh

Star Tree Mesh

- _ Dễ tính toán, thiết kế và triển khai

- _ Không cần yêu cầu sử dụng thêm Gateway do có thê dụng luôn Router trong

hệ thống mạng wiñi hoặc các thiết bị thông minh như smartphone nếu sử dụng mạng BLE

- _ Phần cứng sử dụng kết nỗi wifi đang ngày cảng rẻ và phô biến làm cho chỉ phí thiết kế và triển khai hệ thống được giảm đi đáng kế so với sử dụng các chuân như Lora hay Zigbee

Hình 4.2 thê hiện cụ thể mô hình kết nỗi của mạng cảm biến mà nhóm sẽ sử dụng

trong Project

Hình 4.3 Mô hình kết nối của mạng cảm biến

4.2 Thiết kế nút cảm biến