HỒ CHÍ MINHKHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ---ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ Đ
TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Trong bối cảnh hiện đại, công nghệ tự động đang trở thành xu hướng quan trọng trong nông nghiệp Việc áp dụng khoa học công nghệ vào trồng trọt không còn mới mẻ, mà đã được triển khai rộng rãi với nhiều quy mô và chức năng đa dạng Mục tiêu cuối cùng là nâng cao chất lượng và năng suất sản phẩm cho từng loại cây và giống.
Áp dụng công nghệ vào nông nghiệp đang trở thành xu hướng giúp nông dân giảm 1/3 thời gian làm việc và giảm công sức lao động, trong khi vẫn đảm bảo chất lượng nông sản đạt tiêu chuẩn Công nghệ cho phép tự động hóa các công việc như đo đạc và theo dõi nhiệt độ, độ ẩm, chất lượng đất và độ pH, điều mà nông nghiệp thủ công không thể thực hiện Hệ thống tưới nước và phun sương điều khiển từ xa, lên lịch hoặc tự động cũng giúp công việc trở nên nhanh chóng và đơn giản hơn.
Các ngành công nghiệp như đóng gói sản phẩm, dược phẩm, và điện, điện tử yêu cầu độ chính xác cao trong kiểm tra đầu ra Để thay thế con người trong việc kiểm tra thành phẩm với tốc độ và độ chính xác vượt trội, công nghệ xử lý ảnh đã được phát triển.
Xử lý ảnh ra đời và trở thành một phần thiết yếu trong cuộc sống, với ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như nông nghiệp, quân sự và y tế Công nghệ này đã tồn tại từ lâu và tiếp tục phát triển, mang lại nhiều lợi ích cho các ngành nghề khác nhau.
Hiện nay, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện, đặc biệt là các Đồ Án Tốt Nghiệp (ĐATN), nhằm tạo ra những mô hình thực tế, như trường hợp của Phan Minh Nhựt vào năm 2020.
Đoàn Duy Tân đã thực hiện đề tài “Thiết kế và thi công hệ thống tự động giám sát chăm sóc cây trồng”, kết nối Module ESP8266 với Arduino Mega 2560 để cập nhật dữ liệu lên Internet và các Module cảm biến, mang lại giá trị thực tiễn cao Trần Văn Tuấn và Phạm Văn Long cũng đã phát triển đề tài “Thiết kế và thi công hệ thống phân loại sản phẩm bút chì theo màu sắc” bằng cách kết nối Module Arduino với Webcam Logitech C270p và Matlab, cho thấy tính ứng dụng cao trong ngành sản xuất Ngoài ra, Nguyễn Đăng Việt và Trần Trí Đạt đã thực hiện đề tài “Bãi giữ xe ứng dụng công nghệ RFID và xử lý ảnh”, sử dụng Matlab để nhận dạng hình ảnh và giao tiếp với Arduino, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí.
Dựa trên các khảo sát và kiến thức đã được trang bị, nhóm đề xuất thiết kế và thi công hệ thống tưới tự động kết hợp với xử lý ảnh bằng phần mềm Matlab qua Webcam Logitech C270p để giám sát quá trình tưới Hệ thống mang tên “Thiết kế và thi công hệ thống tưới cây tự động và giám sát việc tưới sử dụng xử lý ảnh” sẽ có chức năng thông báo về tình trạng tưới cây.
Arduino về việc tưới có được thực hiện hay không.
Mục tiêu
Hệ thống tưới cây tự động và giám sát tưới sử dụng xử lý ảnh được thiết kế và thi công với vi điều khiển Arduino Mega 2560 kết nối với ESP8266 Hệ thống tích hợp các cảm biến như nhiệt độ, độ ẩm, độ ẩm đất, cường độ ánh sáng và cảm biến mưa, cùng với Webcam Logitech C270 để theo dõi quá trình tưới Ngoài ra, các thông số cảm biến còn được giám sát qua ứng dụng Blynk.
Giới hạn
Các thông số giới hạn của đề tài bao gồm:
− Kích thước phần LCD hiển thị 20x4
− Hệ thống có kích thước 46x69x44
− Ứng dụng điện thoại chạy trên App Blynk.
− Hệ thống phụ thuộc vào vị trí có wifi hoặc 3G.
− Webcam C270 giám sát chỉ đặt ở vị trí cố định.
− Hệ thống có hai chế độ: tự động, điều khiển bằng tay.
Nội dung nghiên cứu
Trong quá trình thực hiện Đồ án tốt nghiệp về thiết kế và thi công hệ thống tưới cây tự động kết hợp giám sát tưới bằng xử lý ảnh, nhóm chúng em đã tập trung vào việc giải quyết và hoàn thành các nội dung quan trọng.
− Nội dung 1: Kết nối một Arduino Mega 2560 với các Module cảm biến.
− Nội dung 2: Kết nối NodeMCU ESP8266 với Arduino Mega 2560 để cập nhật dữ liệu lên Internet.
− Nội dung 3: Nghiên cứu xây dựng một App Blynk giao tiếp với hệ thống
− Nội dung 4: Kết nối Webcam Logitech C270p và Arduino Mega 2560 với Matlab
− Nội dung 5: Xây dựng chương trình Matlab xử lý ảnh cho hệ thống
− Nội dung 6: Thiết kế mô hình hệ thống.
− Nội dung 7: Nguyên cứu lập trình để hiển thị dữ liệu qua điện thoại.
− Nội dung 8: Thi công phần cứng, chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống.
− Nội dung 9: Viết báo cáo thực hiện.
− Nội dung 10: Bảo vệ luận văn.
Bố cục
Chương này giới thiệu lý do chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu, nội dung chính, các giới hạn về thông số và cấu trúc của đồ án.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Các mô hình, hệ thống chăm sóc cây trồng
2.1.1 Hệ thống tưới cây tự động
Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật đã cải thiện quản lý và chăm sóc cây trồng, giúp người dân giảm thiểu số lượng công nhân và thời gian chăm sóc Các thiết bị tự động được điều khiển bằng nút nhấn, giọng nói, wifi, và bluetooth cho phép người dùng quản lý cây trồng từ xa qua smartphone hoặc máy tính, bất kể ở đâu.
Mô hình sử dụng board Arduino Mega 2560 kết nối với Module wifi ESP8266 làm khối điều khiển trung tâm, kết hợp với các cảm biến như nhiệt độ, độ ẩm, cường độ sáng, mưa và độ ẩm đất để thu thập dữ liệu môi trường và điều khiển thiết bị như bơm nước và đèn Tuy nhiên, hệ thống gặp nhược điểm khi mất điện, dẫn đến ngưng hoạt động và gây khó khăn trong việc giám sát và điều khiển thiết bị.
Các mô hình, hệ thống giám sát và nhận dạng
2.2.1 Hệ thống nhận biết và phân loại Để đảm bảo cho việc cây sinh trưởng và phát triển khỏe mạnh và cho năng suất cao thì đòi hỏi người dùng cần phải cần có 1 hệ thống cập nhật dữ liệu, giám sát cây trồng một cách tối ưu và hiệu quả nhất Ngoài việc giám sát các thông số của các cảm biến có trong hệ thống thì chúng ta cần phải biết rằng nước từ béc tưới có được tưới ra hay không.
Mô hình sử dụng camera Logitech C270p để thu nhận hình ảnh sản phẩm và gửi đến máy tính cho việc nhận dạng bằng mạng Nơron Kết quả nhận dạng được truyền đến Arduino để điều khiển tay gạt Giao diện hiển thị trên máy tính cho phép người dùng theo dõi quá trình nhận dạng và điều khiển hệ thống phân loại Phần mềm được sử dụng là Matlab, tuy nhiên, hệ thống có nhược điểm là camera chỉ hoạt động hiệu quả khi kết nối với máy tính.
Nhu cầu sử dụng bãi xe thông minh tại Việt Nam đang ở mức cao, thậm chí đạt đỉnh điểm Nhận thấy điểm yếu này, nhiều công ty công nghệ đã tích cực phát triển các hệ thống bãi xe thông minh Hệ thống này áp dụng công nghệ nhận dạng biển số tự động, góp phần giải quyết vấn đề bãi xe hiện nay.
Hệ thống bãi giữ xe tự động kết hợp phần mềm quản lý trên PC, ứng dụng công nghệ RFID và xử lý ảnh để nhận dạng biển số Nó sử dụng các thuật toán xử lý ảnh để tách và nhận diện biển số, đồng thời có giao diện máy tính thân thiện giúp dễ dàng quan sát Tuy nhiên, hệ thống gặp nhược điểm là sẽ ngừng hoạt động khi mất điện.
Giới thiệu phần cứng
Arduino hiện nay rất phổ biến tại Việt Nam, được sử dụng rộng rãi bởi học sinh, sinh viên và người đi làm cho các dự án nhỏ và lớn Trên thị trường có nhiều phiên bản Arduino như Uno R3, Mega2560, Nano, Pro Mino và Leonardo Nhiều đề tài nghiên cứu đã áp dụng Arduino, đặc biệt là board Mega 2560 và Uno R3 Trong đề tài [1], tác giả sử dụng board Mega 2560 để kết nối với các module wifi, cảm biến và điều khiển thiết bị công suất Nhóm nghiên cứu đã chọn board Mega 2560 vì tính linh hoạt và giá thành hợp lý.
Arduino là một board mạch vi xử lý cho phép lập trình và phát triển các ứng dụng tương tác, giúp cải thiện sự kết nối giữa các thiết bị và môi trường Một trong những ưu điểm nổi bật của Arduino là tính linh hoạt và dễ sử dụng, phù hợp cho cả người mới bắt đầu và các chuyên gia.
Có 8 ngôn ngữ lập trình dễ học tương tự như C/C++, cho phép lập trình mà không cần kiến thức sâu về điện tử nhờ vào việc chuẩn hóa các ngoại vi trên bo mạch Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở, được thiết kế dựa trên vi xử lý AVR Atmel 8-bit hoặc ARM Atmel 32-bit.
Arduino Mega 2560 là board mạch vi điều khiển sử dụng chip xử lý Atmega
Arduino Mega 2560 hoạt động ở điện áp 5V và có thể được cấp nguồn qua cổng USB hoặc nguồn ngoài, với việc chọn nguồn diễn ra tự động Board này sở hữu 54 chân vào/ra và 4 UART, cùng với thạch anh dao động 16MHz Về bộ nhớ, Arduino Mega 2560 được trang bị chip Atmega 2560 với 256KB bộ nhớ Flash, 8KB bộ nhớ SRAM và 4KB bộ nhớ EEPROM.
Trong đề tài [1] và [5], tác giả đã sử dụng module ESP8266 NodeMCU để kết nối wifi, trao đổi dữ liệu với vi điều khiển và gửi thông tin lên cơ sở dữ liệu Nhóm nghiên cứu đã chọn ESP8266 NodeMCU để giao tiếp với Arduino Mega 2560 và truyền dữ liệu qua mạng wifi.
Module ESP8266 NodeMCU được phát triển từ chip ESP8266EX, cho phép kết nối Wifi dễ dàng Board tích hợp IC CP2102, giúp giao tiếp với máy tính qua Micro USB Người dùng có thể lập trình và nạp code trực tiếp bằng trình biên dịch Arduino, làm cho việc phát triển ứng dụng trên ESP8266 trở nên đơn giản Chip ESP8266EX sử dụng 32-bit MCU core Tensilica với tốc độ system clock 80MHz hoặc 160MHz, cùng với 50kb RAM để lưu trữ dữ liệu ứng dụng Nó có đầy đủ các ngoại vi chuẩn như 17 GPIO, 1 Slave SDIO, 3 SPI, 1 I2C, 1 I2S, 2 UART, 4 PWM, và tích hợp các mạch RF để truyền nhận dữ liệu ở tần số 2.4GHz.
2.3.3 Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11
Cảm biến độ ẩm và nhiệt độ DHT11 là một trong những loại cảm biến phổ biến hiện nay nhờ vào giá thành thấp và khả năng thu thập dữ liệu dễ dàng qua giao tiếp 1 dây Bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp trong cảm biến cung cấp dữ liệu chính xác mà không cần tính toán phức tạp Trong nghiên cứu, cảm biến này được sử dụng để đo nhiệt độ và độ ẩm trong không khí của khu vườn, từ đó cập nhật thông số để điều chỉnh hệ thống Với kích thước nhỏ gọn 28 x 12 x 10 mm, DHT11 có dải nhiệt độ đo từ 0°C đến 50°C và sai số ± 2°C, là lựa chọn lý tưởng cho việc theo dõi điều kiện môi trường.
Dải độ ẩm đo của cảm biến DHT11 là từ 20% đến 90% RH với sai số ± 5% RH Cảm biến này có tần số lấy mẫu 1Hz, tức là mỗi giây sẽ lấy mẫu một lần Điện áp hoạt động của DHT11 nằm trong khoảng từ 3.3V đến 5V (DC) và dòng tối đa tiêu thụ là 2.5mA.
2.3.4 Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750FVI
Ánh sáng đầy đủ là yếu tố quan trọng trong sự phát triển của cây trồng, với ánh sáng mặt trời là nguồn năng lượng chính cho quá trình quang hợp Trong nghiên cứu, tác giả đã sử dụng cảm biến cường độ ánh sáng GY-30 BH1750FVI để thu thập dữ liệu ánh sáng môi trường, từ đó điều khiển các thiết bị ngoại vi phù hợp với điều kiện sinh trưởng của cây Cảm biến này là một thiết bị kỹ thuật số, sử dụng IC cảm biến ánh sáng cho giao tiếp I2C, có khả năng chuyển đổi tín hiệu ánh sáng sang tín hiệu số với độ phân giải cao từ 1-65535 lx Nó có tính năng giảm nhiễu ánh sáng 50Hz/60Hz, phát hiện ánh sáng trong phạm vi từ 0.11 lx đến 100000 lx, và hoạt động với điện áp từ 3V đến 5V Kích thước của cảm biến là 21*16*3.3mm và sử dụng 16 bít ADC để cung cấp tín hiệu đầu ra số.
2.3.5 Cảm biến độ ẩm đất
Đất đóng vai trò quyết định trong sự phát triển của cây trồng, ảnh hưởng đến sinh trưởng, chất lượng và khả năng chống chịu sâu bệnh Để cây trồng phát triển ổn định, độ ẩm trong đất cần duy trì ở mức 70-80% Tác giả đã tích hợp cảm biến độ ẩm đất vào hệ thống để liên tục đo và cập nhật giá trị độ ẩm, gửi về Arduino nhằm điều khiển hệ thống tưới khi độ ẩm dưới ngưỡng cho phép Cảm biến hoạt động dựa trên nguyên lý hấp thụ độ ẩm, làm thay đổi điện trở của cảm biến thông qua các thành phần hóa học như LiCl và P2O5 Cảm biến độ ẩm đất là loại cảm biến thụ động, với hai đầu đo bằng hợp kim polymer và Chlorure de lithium, được cắm vào đất để phát hiện độ ẩm, kết nối với module chuyển đổi để truyền thông tin về độ ẩm đất.
Module chuyển đổi bao gồm một IC so sánh LM393 và một biến trở, với biến trở dùng để định ngưỡng so sánh tín hiệu độ ẩm đất từ cảm biến Ngưỡng so sánh và tín hiệu cảm biến là hai đầu vào của IC LM393 Khi độ ẩm thấp hơn ngưỡng đã định, ngõ ra của IC sẽ ở mức cao (1), ngược lại, khi độ ẩm cao hơn ngưỡng, ngõ ra sẽ ở mức thấp (0).
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng cảm biến mưa để xác định trạng thái có mưa hay không và đề xuất biện pháp xử lý cho hệ thống Cảm biến mưa bao gồm một bộ phận cảm biến gắn ngoài trời, kết nối với bộ điều chỉnh độ nhạy Thiết bị hoạt động ở điện áp 5V, cung cấp hai dạng tín hiệu: Analog (A0) và Digital (D0), cùng với tín hiệu TTL ở đầu ra 100mA, sử dụng IC LM358 để chuyển đổi tín hiệu từ A0 sang D0.
Mạch cảm biến mưa hoạt động bằng cách so sánh hiệu điện thế của cảm biến ngoài trời với giá trị định trước, có thể điều chỉnh qua biến trở màu xanh Khi có sự thay đổi, mạch sẽ phát ra tín hiệu để đóng ngắt relay qua chân D0, do đó, một chân digital được sử dụng để đọc tín hiệu từ cảm biến mưa.
Khi trời không mưa, chân D0 của module cảm biến duy trì ở mức cao (5V) Ngược lại, khi có mưa và bề mặt cảm biến tiếp xúc với nước, đèn LED màu đỏ sẽ bật sáng, đồng thời chân D0 sẽ giảm xuống mức thấp (0V).
2.3.7 Giới thiệu bơm áp lực
Hệ thống tưới phun sương hiện nay là một trong những phương pháp tưới tiêu phổ biến và hiệu quả nhất, cung cấp nước cho cây bằng cách tạo ra những hạt sương tưới trực tiếp lên cây Phương pháp này không chỉ giúp làm mát lá, cây và đất trồng mà còn tối ưu hóa quá trình sinh trưởng của cây Nhóm đã quyết định lựa chọn Máy bơm tăng áp 12V cho hệ thống tưới phun sương này.
Giới thiệu về blynk cho việc tạo giao diện
Blynk là nền tảng giúp người dùng tạo giao diện điều khiển và giám sát các dự án từ xa trên thiết bị iOS và Android Nền tảng này hỗ trợ nhiều phần cứng như ESP, Arduino và Raspberry Pi, cho phép thiết kế và điều khiển thông qua internet.
Ứng dụng Blynk mang lại nhiều ưu điểm như cung cấp API và giao diện người dùng thân thiện cho các thiết bị và phần cứng hỗ trợ, với các tiện ích dễ sử dụng và thao tác kéo thả trực tiếp mà không cần viết lệnh Tuy nhiên, ứng dụng cũng có nhiều hạn chế, đặc biệt là trong gói miễn phí Blynk Server, thuộc nền tảng Blynk, đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý dữ liệu giữa điện thoại hoặc máy tính bảng và phần cứng Sau khi đăng ký tài khoản, ứng dụng Blynk sẽ tự động kết nối và được quản lý bởi Blynk Server do nhà phát hành cung cấp Sơ đồ hoạt động của Blynk Server được thể hiện trong hình 2.2.
Hình 2 2: Hoạt động của Blynk Server
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
Giới Thiệu
Trong chương này, nhóm sẽ thực hiện tính toán và thiết kế hệ thống tưới cây bằng hai phương pháp: tưới tự động và tưới bằng tay Hệ thống cũng sẽ được giám sát qua webcam và hiển thị trên ứng dụng Quá trình này bao gồm hai phần chính: thiết kế sơ đồ khối hệ thống và tính toán thiết kế mạch.
Tính toán và thiết kế phần cứng
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
Nhóm đã thiết kế sơ đồ khối cho hệ thống, bao gồm các khối chính như: khối xử lý trung tâm, khối xử lý ảnh, khối hiển thị, khối cảm biến, khối nút nhấn, khối ngõ ra, khối module WiFi, khối Blynk server, khối nguồn và khối ứng dụng.
Hình 3 1: Sơ đồ khối hệ thống
Khối xử lý trung tâm là bộ điều khiển chính của hệ thống, có nhiệm vụ xử lý thông tin từ các cảm biến như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, độ ẩm đất, cường độ sáng và cảm biến mưa Khối nút nhấn điều khiển các thiết bị ngoại vi, trong khi khối xử lý ảnh giám sát tình trạng tưới nước và truyền dữ liệu qua module wifi Cuối cùng, khối hiển thị thể hiện các giá trị cảm biến và trạng thái của động cơ.
Khối module wifi kết nối mạng và trao đổi dữ liệu với khối xử lý trung tâm Khối blynk server lưu trữ và trao đổi thông tin giữa ứng dụng trên điện thoại và khối module wifi Ứng dụng hiển thị thông số từ khối cảm biến và giám sát trạng thái của webcam để kiểm tra nước tưới Khối ngõ ra điều khiển động cơ qua ngưỡng đặt trước hoặc bằng nút nhấn Khối xử lý ảnh xử lý hình ảnh thu thập trong quá trình vận hành và gửi dữ liệu qua ESP8266 lên ứng dụng Khối nguồn cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống.
3.2.2 Tính toán thiết kế sơ đồ mạch a Khối điều khiển trung tâm
Khối xử lý trung tâm là thành phần quan trọng nhất trong hệ thống, có nhiệm vụ thu thập và xử lý tín hiệu điều khiển, cũng như truyền nhận dữ liệu từ khối module wifi Tất cả các hoạt động của hệ thống đều được điều phối thông qua khối xử lý trung tâm này, giúp người dùng dễ dàng theo dõi và quản lý.
Bộ xử lý trung tâm cần thực thi mô hình điều khiển hoạt động đóng mở khóa một cách chính xác Mặc dù có thể sử dụng các module như Arduino Nano, Arduino Uno, hoặc ESP8266 để tiết kiệm chi phí và năng lượng, nhưng hệ thống yêu cầu kết nối với nhiều cảm biến, nút nhấn, và các thiết bị ngoại vi khác, cũng như lưu trữ thông tin trên server và ứng dụng Blynk qua internet Do đó, nhóm đã quyết định chọn board Arduino Mega 2560 làm bộ xử lý trung tâm để đáp ứng các tiêu chí này.
Sơ đồ kết nối của một Arduino Mega 2560 với các ngoại vi được thể hiện trong hình 3.2:
− Các chân 8, 9, 10: giao tiếp với các nút nhấn điều khiển.
− Chân 4, 5: giao tiếp UART với module wifi.
− Chân 17, 18: giao tiếp với các module relay.
− Chân SDA, SCL: giao tiếp với màn hình LCD và module cảm biến cường độ sáng.
− Chân 2 : giao tiếp với cảm biến DHT11.
− Chân 3: giao tiếp cảm biến mưa.
− Chân A0: giao tiếp cảm biến độ ẩm đất.
Hình 3 2: Sơ đồ kết nối khối xử lý trung tâm b Thiết kế khối cảm biến
Khối cảm biến bao gồm các thành phần như cảm biến nhiệt độ - độ ẩm, module cảm biến độ ẩm đất, module cảm biến mưa và module cảm biến cường độ sáng, tất cả được kết nối theo sơ đồ trong hình 3.3.
Cảm biến DHT11 là thiết bị đo nhiệt độ và độ ẩm được ưa chuộng nhờ giá thành rẻ và độ chính xác tương đối cao, phù hợp cho các ứng dụng đo lường Với khả năng giao tiếp 1 wire, DHT11 cho phép thu thập dữ liệu dễ dàng và nhanh chóng Bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp trong cảm biến đảm bảo dữ liệu chính xác mà không cần thực hiện tính toán phức tạp.
Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750-GY30, hay còn gọi là GY-30 BH1750FVI, là một thiết bị cảm biến ánh sáng kỹ thuật số Với ADC nội và bộ tiền xử lý, cảm biến này cung cấp giá trị cường độ ánh sáng trực tiếp mà không cần qua bất kỳ xử lý hay tính toán nào, thông qua giao tiếp I2C.
Module cảm biến độ ẩm đất sử dụng chân analog để kết nối trực tiếp với mạch phân áp của cảm biến, không qua mạch so sánh opamp Tín hiệu điện áp được đưa trực tiếp tới đầu ra A0, và đầu ra Analog A0 được kết nối với chân analog của Arduino để thực hiện chuyển đổi ADC.
Module cảm biến mưa là thiết bị phát hiện mưa với đầu ra bình thường ở mức cao, và sẽ chuyển xuống mức thấp khi có mưa Độ nhạy của cảm biến có thể điều chỉnh thông qua biến trở màu xanh trên board mạch Đầu dò được lắp đặt ngoài trời để phát hiện mưa, và khi lượng mưa đạt ngưỡng thiết lập, đầu ra D0 sẽ thay đổi trạng thái từ cao sang thấp mà không cần qua bộ chuyển đổi.
Hình 3 3: Sơ đồ kết nối chân các cảm biến
Các cảm biến DHT11, cảm biến mưa và độ ẩm đất được kết nối với các chân 2, 3, A0 của Arduino Mega Cảm biến cường độ ánh sáng sử dụng giao tiếp I2C, do đó cần được nối với các chân SCL và SDA của Arduino Mega Nguồn cấp cho các cảm biến là 5VDC Thiết kế khối nút nhấn cũng cần được xem xét.
Khối nút nhấn được sử dụng để điều khiển thiết bị bằng tay, bao gồm 3 nút nhấn trong đề tài Hai nút nhấn đầu tiên điều khiển các thiết bị như bơm nước tưới và đèn, trong khi nút nhấn thứ ba cho phép chuyển đổi giữa chế độ tự động và chế độ điều khiển bằng tay Nút nhấn này kết nối với chân 8.
2 nút nhấn điều khiển lần lượt 9, 10 Cả 3 nút nhấn sử dụng điện trở kéo lên, sơ đồ nối chân như hình 3.4.
Hình 3 4: Sơ đồ kết nối khối nút nhấn d Khối hiển thị
Khối hiển thị sử dụng LCD 20x4 để hiển thị giá trị từ cảm biến, trạng thái thiết bị và chế độ tưới Nhóm đã kết nối module LCD trực tiếp với module I2C nhằm tiết kiệm chân cho Arduino Module I2C được kết nối với Arduino Mega như hình 3.5.
Hình 3 5: Sơ đồ kết nối chân I2C
Các chân kết nối của màn hình LCD tới vi điều khiển.
− Chân SDA, SCL của I2C kết nối với chân SDA, SCL của Arduino.
− Các chân VCC, GND lần lượt kết nối vào 5V và GND của Arduino. e Thiết kế khối module Wifi
Do Arduino Mega không được hỗ trợ kết nối mạng cũng như giao tiếp mạng.
Để thực hiện nhiệm vụ trao đổi dữ liệu giữa khối xử lý trung tâm và Blynk Server qua Internet, nhóm đã chọn sử dụng module wifi ESP8266 NodeMCU Module này hoạt động với điện áp 5V và giao tiếp với Arduino Mega qua chuẩn UART, được kết nối theo sơ đồ với chân D1, D2 lần lượt nối với chân 4, 5 của Arduino Mega.
Hình 3 6: Sơ đồ kết nối module wifi f Thiết kế khối ngõ ra
Để đảm bảo an toàn khi sử dụng thiết bị điện, khối ngõ ra cần được cách ly với mạch điều khiển Việc lựa chọn module relay kích 5V, như hình 3.7, có sẵn trên thị trường sẽ giúp cách ly nguồn riêng của khối thiết bị ngõ ra với khối xử lý trung tâm, từ đó nâng cao tính ổn định và an toàn cho hệ thống.
THI CÔNG HỆ THỐNG
Giới thiệu
Thi công hệ thống là bước quan trọng quyết định tính thực thi của kết quả tính toán trong ứng dụng thực tế Sau khi hoàn tất thiết kế phần cứng và phần mềm cho mô hình, nhóm sẽ trình bày quá trình thi công mô hình hệ thống gần với thực tế Tiến trình thi công cho đề tài “Thiết kế hệ thống tưới tự động và giám sát xử dụng xử lý ảnh” bao gồm cả quá trình thi công mô hình hệ thống và mô hình giám sát.
Mô hình giám sát cho phép người điều khiển quản lý và theo dõi các thông số của cảm biến cũng như quá trình hoạt động của hệ thống Kết quả nhận diện trạng thái tưới được hiển thị trên màn hình máy tính và đồng thời gửi thông báo đến ứng dụng Blynk trên điện thoại.
Mô hình hệ thống bao gồm các thành phần như cảm biến, đèn, máy bơm, vòi phun và camera, đã được thể hiện rõ trong thiết kế Quá trình thiết kế và điều chỉnh mô hình đã được thực hiện nhiều lần dựa trên thực tế để đảm bảo đáp ứng đúng yêu cầu của đề tài.
Mô hình được thi công gọn gàng và thẩm mỹ, với các linh kiện và thiết bị được kết nối qua dây tín hiệu Các kết nối đã được tính toán, điều chỉnh và tối ưu hóa để đảm bảo hiệu suất tốt nhất cho hệ thống.
Thi công phần cứng
Dựa trên sơ đồ nguyên lý đã thiết kế, nhóm đã lập danh sách chi tiết các linh kiện cùng số lượng cần thiết cho hệ thống thi công, được trình bày trong bảng 4.1.
Bảng 4 1: Chi tiết linh kiện sử dụng.
STT Tên linh kiện Số lượng Ghi chú
6 Module DHT11 1 Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm
7 Module 1750FVI 1 Cảm biến cường độ sáng
Hệ thống sử dụng board mạch chính Arduino Mega2560 để kết nối với các thiết bị ngoại vi, với các khối được bố trí theo sơ đồ nguyên lý Nhóm em đã áp dụng mạch ra chân cho Arduino Mega2560 để đảm bảo tính tương thích cho hệ thống, như thể hiện trong hình 4.1 bên dưới.
Hình 4 1: Đế ra chân cho Arduino Mega2560
4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra
Sau khi hoàn tất lắp ráp linh kiện và kiểm tra mạch, nhóm sẽ tiến hành thi công mô hình cho hệ thống Dựa trên các yêu cầu của đề tài, mô hình sẽ mô phỏng một khu vườn trồng cây thực tế, nhằm thực hiện các chức năng điều khiển của hệ thống.
Tổng quan về phần cứng của mô hình:
Khung nhôm định hình với kích thước 69cm chiều dài, 44cm chiều rộng và 46cm chiều cao được sử dụng kết hợp với mica trong, không chỉ bảo vệ mà còn nâng cao tính thẩm mỹ cho đề tài.
Hình 4 2: Thông số kích thước mô hình vườn
Hình 4 3: Hình ảnh mặt trước của mô hình
Hình ảnh mặt trước mô hình, bao gồm các bộ phận sau:
Vị trí số 1: Bảng điều khiển
Vị trí số 2: Khay trồng cây
Vị trí số 3: Camera và vòi phun
Vị trí số 4: Led trợ sáng
Bảng điều khiển ở góc trái mặt trước của mô hình giúp người dùng dễ dàng thao tác tắt bật các thiết bị và theo dõi thông số hệ thống qua màn hình hiển thị LCD Khay trồng dưới mô hình chứa đất khoáng và giữ độ ẩm cho cây, được làm bằng nhựa cứng.
Để tối ưu hóa việc nhận dạng hình ảnh, camera nên được đặt cách thành khay trồng khoảng 30cm và cách vòi phun khoảng 5cm, nhằm chụp được tia nước chảy ra một cách sắc nét Ngoài ra, việc lắp đặt đèn LED trợ sáng phía trên camera là cần thiết để cải thiện khả năng nhận diện trong điều kiện ánh sáng thấp Tuy nhiên, cần chú ý vị trí và cường độ chiếu sáng của đèn LED, vì nếu sai lệch hoặc quá mạnh có thể ảnh hưởng đến khả năng nhận diện của camera đối với các tia nước.
Hình 4 4: Hình ảnh từ phía trên xuống của mô hình
Hình ảnh từ phía trên xuống của mô hình, bao gồm các bộ phận sau:
Vị trí số 1: Hộp điều khiển
Vị trí số 2: Cảm biến cường độ sáng
Vị trí số 3: Cảm biến mưa
Vị trí số 4: Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm
Vị trí số 5: Cảm biến độ âm đất
Bảng Arduino Mega 2560, ESP8266 và module Relay được sắp xếp gọn gàng trong hộp điều khiển, giúp tăng tính thẩm mỹ cho mô hình Hộp điều khiển được đặt phía sau bảng điều khiển, thuận tiện cho việc đi dây.
Cảm biến cường độ sáng và cảm biến mưa được lắp đặt ở vị trí cao trên khung mô hình, giúp tối ưu hóa khả năng tiếp nhận ánh sáng tự nhiên và phát hiện điều kiện thời tiết khi có mưa.
Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm được đặt ở giữa khung mô hình, giúp cho việc đo nhiệt độ-độ ẩm được chính sát ổn định
Cảm biến độ ẩm đất được đặt phía trong khay trồng dưới mặt đất khoảng 3 - 5(cm).
Hình 4 5: Hình ảnh bên phải của mô hình
Hình ảnh từ phía bên phải của mô hình, bao gồm các bộ phận sau:
Vị trí số 1: máy bơm áp lực
Vị trí số 2: nguồn tổ ong 12V - 2A
Việc đặt máy bơm áp lực và nguồn bên phía phải mô hình giúp tiết kiệm không gian và tăng tính thẩm mỹ hơn cho mô hình.
KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ
Kết quả
5.1.1 Kết quả về lý thuyết
Sau khi nghiên cứu tài liệu từ nhiều nguồn và nhận được sự hướng dẫn từ giảng viên, nhóm đã hoàn thiện đề tài “Thiết kế và thi công hệ thống tưới tự động và giám sát việc tưới sử dụng Xử Lý Ảnh” Hệ thống này có khả năng áp dụng thực tế cao, giúp giảm công sức lao động và cho phép người dùng chăm sóc, giám sát việc tưới từ xa mà không cần có mặt trực tiếp.
Cụ thể những kết quả mà nhóm đã đạt được như sau:
- Nghiên cứu và tìm hiểu được nguyên lý hoạt động của các thiết bị ngoại vi như Webcam Logitech C270, động cơ Bơm nước, các cảm biến, ….
Nghiên cứu và lập trình Arduino thông qua phần mềm Arduino IDE, đồng thời thiết kế giao diện giám sát trên ứng dụng Blynk để đáp ứng các yêu cầu của đề tài.
- Tìm hiểu về ngôn ngữ lập trình Matlab để nhận diện hình ảnh.
- Tìm hiểu và sử dụng các chuẩn giao tiếp để giao tiếp giữa Arduino Mega 2560 với ESP 8266 cũng như máy tính và Arduino.
5.1.2 Kết quả về mô hình
Mô hình hoàn thiện với thiết kế gọn gàng và thẩm mỹ cao, khung được làm từ nhôm định hình và khay trồng cây bằng nhựa cứng, đảm bảo độ chắc chắn Bảng điều khiển được gắn trên bề mặt khung, giúp người dùng dễ dàng điều khiển và giám sát các thông số cảm biến qua màn hình LCD Camera được đặt ở vị trí thuận lợi để tối ưu hóa quá trình xử lý ảnh, trong khi đèn trợ sáng cải thiện chất lượng hình ảnh trong điều kiện ánh sáng yếu.
Hình 5 1: Mặt trước hệ thống tưới tự động
Toàn bộ board mạch được cố định bên trong, với board mạch điều khiển nằm ở mặt trước Cảm biến mưa được đặt ở góc trái phía trên, trong khi cảm biến cường độ sáng nằm trên hộp điều khiển Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm được bố trí ở giữa mô hình, như thể hiện trong hình 5.2.
Hình 5 2: Bên trên mô hình tưới cây tự động
5.1.3 Kết quả thực nghiệm của hệ thống
Sau khi hoàn thành mô hình, nhóm đã tiến hành thực nghiệm trên hệ thống, cho thấy hệ thống điều khiển hoạt động ổn định và dễ dàng giám sát Máy bơm tăng áp và đèn hoạt động ổn định ở cả hai chế độ tay và tự động Việc nhận dạng xử lý ảnh từ camera cũng tương đối ổn định, mặc dù vẫn còn một số sai sót trong nhận dạng nước, nhưng tỷ lệ sai sót rất nhỏ và không ảnh hưởng nhiều đến hoạt động tưới Hệ thống cập nhật các thông số đo từ cảm biến và hiển thị trên màn hình LCD 20x4, bao gồm độ ẩm đất, cường độ ánh sáng, nhiệt độ - độ ẩm, và trạng thái mưa Hệ thống hoạt động ở chế độ tự động, và khi độ ẩm đất dưới 50%, máy bơm tăng áp sẽ tự động hoạt động.
Hình 5 3: giá trị độ ẩm đất thấp hơn giá trị cài
Khi mà độ ẩm đất trên ngưỡng 60% đồng thời máy bơm tăng áp sẽ ngưng hoạt động tưới dưới dạng phun giúp tiết kiệm nước tưới hơn.
Hình 5 4: giá trị độ ẩm đất cao hơn giá trị cài
Khi độ ẩm đất dưới 50% và máy bơm tăng áp hoạt động, hệ thống bơm nước sẽ tự động ngừng tưới khi trời mưa, giúp tiết kiệm nước và ngăn ngừa tình trạng ngập úng.
Hình 5 5: Trạng thái LCD khi có mưa
Khi hệ thống ở chế độ bằng tay (sử dụng các nút nhấn để tắt bật máy bơm) và hiển thị trạng thái trên màn hình hiển thi LCD
Hình 5 6: Trạng thái LCD hiển thị trạng thái của bơm, đèn
Khi hệ thống ở màn hình điện thoại hiển thị các thông số các cảm biến và trạng thái webcam khi nước có tưới hay không
Hình 5 7: Giao diện điện thoại hiển thị các giá trị của cảm biến
Nhận xét và đánh giá
Sau khi vận hành hệ thống, nhóm đã tổng hợp bảng số liệu kết quả thực nghiệm Bảng 5.1 trình bày kết quả từ quá trình thực hiện các chức năng của hệ thống, dựa trên số lần vận hành và tỷ lệ thành công để đưa ra đánh giá.
Bảng 5 1: Số liệu thực nghiệm quá trình vận hành hệ thống tưới cây tự động
STT Quá trình Sô lần thực hiện Số lần thành công
Sau khi vận hành và đánh giá hệ thống, nhóm nhận thấy mạch điều khiển hoạt động ổn định trong thời gian dài với hai chế độ: tự động và bằng tay Chế độ tự động điều khiển bơm và đèn theo ngưỡng người dùng đặt, trong khi chế độ bằng tay cho phép người dùng điều khiển trực tiếp qua nút nhấn trên bảng điều khiển Hệ thống cập nhật thông tin lên ứng dụng Blynk và hiển thị rõ ràng Ngoài ra, có webcam giám sát việc tưới nước từ vòi phun Tuy nhiên, hệ thống nút nhấn vẫn chưa ổn định giữa các trạng thái ON - OFF, và webcam gặp khó khăn trong việc nhận dạng hình ảnh do ảnh hưởng của ánh sáng bên ngoài.
Tài liệu hướng dẫn sử dụng
Bước đầu tiên là cấp nguồn cho mô hình bằng adapter 5V - 1A, khi đó màn hình sẽ sáng và các module hoạt động Sau khi cấp nguồn, cần đợi vài giây để hệ thống ổn định Tiếp theo, cấp nguồn cho hệ thống bơm 12V - 2A và hệ thống đèn 24V.
Bước 2: Có thể điều khiển các chế độ bằng nút nhấn trên bảng điều khiển.
− Nút nhấn “MODE” trên bảng điều khiển khi nhấn vào sẽ chuyển đổi giữa các chế độ: chế độ “MAN” và “AUTO”.
Sau khi nhấn nút “MODE”, các nút “BƠM” và “ĐÈN” sẽ hoạt động Nhấn nút “BƠM” để bật bơm, và nhấn nút “ĐÈN” để bật đèn.
Bước 3: Giám sát trên điện thoại
Mở ứng dụng Blynk trên điện thoại để xem các giao diện cài đặt sẵn như Temp, Hum, Light, Rain, Camera, hiển thị các giá trị trực tiếp trên màn hình.
Khi có sự thay đổi trên hệ thống sẽ cập nhật liên tục về điện thoại.
