THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG TƯỚI TỰ ĐỘNG ĐƯỢC GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN QUA INTERNET

Nội dung sơ lược của đề tài như sau: Đề tài ứng dụng nguồn năng lượng mặt trời thông qua việc sử dụng tấm pin mặt trời biến ánh sáng mặt trời thành điện năng điều khiển hệ thống tưới nhỏ

THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG TƯỚI TỰ ĐỘNG ĐƯỢC

GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN QUA INTERNET

Tác giả

VŨ HUỲNH ĐỨC TÀI NGUYỄN MINH VƯƠNG

Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu

LỜI CẢM ƠN

Chúng em xin trân trọng cám ơn tất cả quý Thầy, Cô trường Đại Học Nông Lâm

Tp Hồ Chí Minh và quý Thầy, Cô khoa Cơ khí – Công nghệ đã trang bị cho chúng em những kiến thức quý báu trong quá trình học tập tại trường

Chúng em xin chân thành cám ơn các Thầy, Cô bộ môn Cơ điện tử đã hướng dẫn, giúp đỡ chúng em rất tận tình trong quá trình chúng em làm đề tài

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Tấn Phúc đã dành nhiều thời gian công sức, quan tâm theo dõi, tận tình hướng dẫn, động viên và nhắc nhở chúng em hoàn thành tốt luận văn này

Qua đây, chúng em xin gửi lời cám ơn đến những người thân cũng như bạn bè đã động viên, ủng hộ và luôn tạo cho chúng em những điều kiện thuận lợi trong quá trình hoàn thành Luận Văn Tốt Nghiệp

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng 06 năm 2013

Sinh viên thực hiện

Vũ Huỳnh Đức Tài – Nguyễn Minh Vương

TÓM TẮT

Đề tài “THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG TƯỚI TỰ ĐỘNG ĐƯỢC GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN QUA INTERNET” là đề tài nghiên cứu, chế tạo vi mạch để giám sát và điều khiển van từ xa qua Internet, qua đó còn giúp bà nông dân quản lý được lượng nước tưới cho mỗi loại cây trồng khác nhau

Thời gian nhận đề tài là ngày 11-1-2013 Ngày chúng em bắt đầu bắt tay vào làm

là ngày 25-2-2013 Ngày hoàn thành ngày 1-5-2013 Đề tài được thực hiện tại nhà của bạn Tài

Nội dung sơ lược của đề tài như sau: Đề tài ứng dụng nguồn năng lượng mặt trời thông qua việc sử dụng tấm pin mặt trời biến ánh sáng mặt trời thành điện năng điều khiển hệ thống tưới nhỏ giọt Hệ thống tưới nhỏ giọt gồm 3 phần chính: phần cơ khí, phần điện tử và phần Web điều khiển Phần cơ khí gồm khung mô hình, hộp điều khiển, dàn ống nước Phần điện tử gồm các vi mạch điều khiển từ xa, mạch điều khiển van, mạch đo nhiệt độ, độ ẩm Phần Web bao gồm trang Web điều khiển từ xa qua Internet

Nội dung luận văn gồm 4 chương:

Chương 3: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ

Mặc dù là kết quả tâm huyết của hơn 2 tháng làm việc nhưng có thể sẽ không tránh được những sai sót, xin quý thầy cô và các bạn đóng góp ý kiến

MỤC LỤC

Trang

TRANG TỰA i 

LỜI CẢM ƠN ii 

TÓM TẮT iii 

MỤC LỤC iv 

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii 

DANH SÁCH CÁC BẢNG viii 

DANH SÁCH CÁC HÌNH ix 

Chương 1: MỞ ĐẦU 1 

1.1.  Mục đích nghiên cứu 1 

1.2.  Mục tiêu đề tài 1 

1.3.  Ý nghĩa thực tiễn 2 

Chương 2: TỔNG QUAN 3 

2.1.  Tổng quan về pin năng lượng mặt trời 3 

2.1.1.  Hệ thống pin năng lượng mặt trời 3 

2.1.2.  Thiết kế một hệ thống pin mặt trời 3 

2.1.3.  Ứng dụng pin mặt trời 6 

2.2.  Tổng quan về hệ thống tưới nhỏ giọt hiện nay 8 

2.2.1.  Tổng quan về tưới nhỏ giọt 8 

2.2.2.  Những lợi ích của tưới nhỏ giọt 10 

2.2.3.  Hệ thống tưới nước nhỏ giọt kiểu Israel 10 

2.2.4.  Áp dụng vào Việt Nam 11 

2.3.  Tổng quan về mạng Internet 12 

2.3.1.  Giới thiệu 12 

2.3.2.  Hoạt động của mạng Internet 12 

2.3.3.  Kết nối Internet 13 

2.3.4.  Giao thức TCP/IP 14 

2.4.  Giới thiệu bộ thư viện TCP/IP stack của Microchip 14 

2.4.1.  Sơ lược về TCP/IP Stack của Microchip 14 

2.4.2.  Sử dụng TCP/IP stack 16 

2.5.  Giới thiệu các linh kiện sử dụng trong đồ án 23 

2.5.1.  Vi điều khiển PIC 18F97J60 23 

2.5.2.  Nguyên lý và cấu tạo của van điện từ (van 2/2) 27 

2.5.3.  Cảm biến nhiệt độ LM 35 28 

2.5.4.  Cảm biến độ ẩm 29 

CHƯƠNG 3: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 32 

3.1.  Nội dung 32 

3.2.  Phương pháp nghiên cứu 32 

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33 

4.1.  Sơ đồ khối toàn bộ hệ thống 33 

4.2.  Kết quả thiết kế phần cơ khí 34 

4.2.1.  Bản vẽ thiết kế mô hình 34 

4.2.2.  Một số hình ảnh mô phỏng trên phần mềm Inventor 34 

4.2.3.  Mô hình thực tế 36 

4.3.  Kết quả thiết kế phần điện tử 38 

4.3.1.  Hộp điều khiển 38 

4.3.2.  Mạch điều khiển qua Internet sử dụng PIC 18F97J60 39 

4.3.3.  Mạch điều khiển van và cài đặt thời gian sử dụng PIC 16F887 42 

4.3.4.  Mạch công suất relay 45 

4.3.5.  Mạch đo độ ẩm HS1101 46 

4.4.  Kết quả thiết kế phần Web 48 

4.4.1.  Giám sát nhiệt độ và độ ẩm từ xa qua Internet 48 

4.4.2.  Điều khiển, giám sát trạng thái và cài đặt thời gian qua Internet 49 

4.4.3.  Code thiết kế WEB trên Adobe DreamWeaver CS5 50 

4.5.  Tóm tắt kết quả đạt được 50 

4.6.  Kết quả khảo nghiệm lưu lượng nước tưới tại mỗi đầu nhỏ giọt 51 

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 54 

5.1.  Kết luận 54 

5.1.1.  Phần cơ khí 54 

5.1.2.  Phần điện tử 54 

5.2.  Đề nghị hướng phát triển 55  TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 

PHỤ LỤC 57 

1.1.  Mô hình điều khiển qua mạng LAN 57 

1.2.  Mô hình điều khiển qua mạng Internet 58 

1.3.  Hướng dẫn cách tạo một trang WEB 61 

1.4.  Code thiết kế WEB trên Adobe DreamWeaver CS5 63 

1.5.  Code mạch điều khiển PIC 16F887 66 

1.6.  Code mạch Internet PIC 18F97J60 72 

1.7.  Code mạch độ ẩm HS1101 76 

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

- AJAX (Asynchronous JavaScript And XML)

- ARP (Address Resolution Protocol)

- CSS (Cascading Style Sheets)

- DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol)

- DNS (Domain Name System)

- FTP (File Transfer Protocol)

- HTML (Hyper Text Markup Language)

- HTTP (Hyper text Transfer Protocol)

- ICMP (Internet Control Message Protocol)

- IP (Internet Protocol)

- LAN (Local Area Network)

- MAC (Media Access Control)

- MPFS (Microchip File System Store)

- SNMP (Simple Network Management Protocol)

- TCP (Transmission Control Protocol)

- UDP (User Datagram Protocol)

- LED (Light Emitting Diode)

- LCD (Liquid Crystal Display)

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Các giá trị cấu hình Stack 16 

Bảng 2.2: Các module và tập tin cần thiết trong Stack 17 

Bảng 2.3: Mô tả các chân của PIC18F97J60 được sử dụng trong đồ án 24 

Bảng 2.4: Bảng quy đổi tần số sang độ ẩm 31 

Bảng 4.1: Bảng số liệu khảo sát tại mỗi đầu tưới nhỏ giọt 52 

Bảng 4.2: Bảng số liệu kiểm chứng Vout 53 

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1: Thành phần của một hệ thống pin mặt trời 3 

Hình 2.3: Acquy khô kín hiệu K&V 5 

Hình 2.4: Bộ điều khiển quá trình nạp acquy Việt Linh 5 

Hình 2.5: Inverter của Việt Linh 6 

Hình 2.6: Trạm vũ trụ ISS 6 

Hình 2.7: Mặt trời được ứng dụng tại các hộ gia đình và trong nông nghiệp 7 

Hình 2.8: Một cuộc thi thiết kế xe chạy bằng năng lượng mặt trời cho sinh viên 7 

Hình 2.9: Vùng rễ tích cực tập trung 8 

Hình 2.10: Lợi ích của vùng khô 8 

Hình 2.11: Lợi ích của vùng ướt 9 

Hình 2.12: Vùng ướt theo từng loại đất 9 

Hình 2.13: Thành phần trong đất 10 

Hình 2.14: Công nghệ hiện đại được Israel ứng dụng nhiều trong nông nghiệp 10 

Hình 2.15: Nhà kính trồng rau tại Israel 11 

Hình 2.16: Tưới nước tiết kiệm ở Việt Nam 11 

Hình 2.17: Kiến trúc TCP/IP 14 

Hình 2.18: Quá trình làm việc của HTTP2 server 17 

Hình 2.20: Cú pháp chèn Javascript vào HTML 21 

Hình 2.21: Cú pháp chèn CSS vào HTML 22 

Hình 2.22: Sơ đồ chân PIC18F97J60 24 

Hình 2.23: Van điện từ 2/2 27 

Hình 2.24: Sơ đồ cấu tạo van điện từ 27 

Hình 2.25: LM35 29 

Hình 2.26: Cảm biến độ ẩm HS1101 30 

Hình 2.27: Sơ đồ IC555 tạo dao động 30 

Hình 4.1: Sơ đồ khối toàn bộ hệ thống 33 

Hình 4.2: Khung mô hình 34 

Hình 4.3: Mặt bên, mặt trước và mặt nghiêng của mô hình 34 

Hình 4.4: Mặt trước và mặt sau của mô hình 35 

Hình 4.5: Pin mặt trời, van điện từ và đầu tưới nhỏ giọt (từ trái qua phải) 35 

Hình 4.6: Bánh xe và bình chứa nước 35 

Hình 4.7: Khung mô hình lúc bắt đầu lắp ráp 36 

Hình 4.8: Cách bố trí van điện từ trong hệ thống 37 

Hình 4.9: Đầu tưới nhỏ giọt trong mô hình 37 

Hình 4.10: Mô hình hoàn thiện 37 

Hình 4.11: Giao diện hộp điều khiển thực tế 38 

Hình 4.12: Cách bố trí sơ đồ mạch điện trong hộp điều khiển 38 

Hình 4.13: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển từ xa qua Internet 39 

Hình 4.14: Layout mạch điều khiển từ xa qua Internet 39 

Hình 4.15: Mạch thực tế điều khiển từ xa qua internet 40 

Hình 4.16: Lưu đồ giải thuật PIC 18F97J60 41 

Hình 4.17: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển van, cài đặt thời gian và đo nhiệt độ 42 

Hình 4.18: Layout mạch điều khiển van, cài đặt thời gian và đo nhiệt độ 42 

Hình 4.19: Mạch thực tế điều khiển van và cài đặt thời gian với module led 7 đoạn 43 

Hình 4.20: Lưu đồ giải thuật tăng giảm thời gian PIC 16F887 44 

Hình 4.21: Sơ đồ nguyên lý tổng thể mạch relay 45 

Hình 4.22: Layout tổng thể mạch relay 45 

Hình 4.23: Mạch thực tế của relay 46 

Hình 4.24: Sơ đồ nguyên lý mạch độ ẩm HS1101 46 

Hình 4.25: Layout mạch độ ẩm HS1101 47 

Hình 4.26: Mạch thực tế độ ẩm HS1101 47 

Hình 4.29: Giao diện Web điều khiển ở chế độ chỉnh tay – mở 2 van 49 

Hình 4.30: Hiển thị thông báo lỗi khi đường truyền bị gián đoạn 50 

Hình 4.31: Ống kim tiêm y tế 51 

Hình 4.32: Biểu đồ so sánh số liệu Vout giữa thực tế và lý thuyết 53 

Hình 1: Mô hình điều khiển qua mạng LAN 57 

Hình 2: Mô hình điều khiển qua mạng Internet 58 

Hình 4: Tab Advanced Setup 59 

Hình 5: Tab NAT 60 

Hình 6: Giao diện Virtual Server 60 

Hình 7: Giao diện Status 61 

Hình 8: Giao diện MPFS2 62 

nó Song song với sự ra đời của cơ điện tử là sự ra đời và cải tiến không ngừng của máy tính Xuất phát từ thực tế đó, bằng những kiến thức đã được học và sự giúp đỡ

của thầy cô, chúng em đã quyết định tìm hiểu về đề tài “Thiết kế chế tạo mô hình hệ

thống tưới tự động được giám sát và điều khiển qua Internet” nhằm ứng dụng khoa học

và công nghệ phục vụ phát triển nông nghiệp bền vững Thiết nghĩ, đây là mô hình tưới tiết kiệm nước cho cây trồng thích hợp, hiệu quả hơn trong việc kiểm soát lưu lượng tưới, phù hợp với điều kiện thiếu nước trong mùa khô và vấn đề thuê nhân công lao động, chi phí đầu tư trung bình, khá phù hợp với túi tiền nông dân và hỗ trợ rất nhiều cho người dân nông thôn Và quan trọng hơn hết là mô hình còn áp dụng công nghệ điều khiển từ xa qua Internet, giúp cho việc quản lý tưới tiêu từ xa, không còn phải vất vả như trước

1.2 Mục tiêuđề tài

- Tìm hiểu về hệ thống tưới nhỏ giọt

- Thiết kế và mô phỏng động trên Inventor

- Thiết kế, chế tạo mô hình

- Tìm hiểu vi điều khiển PIC 18F97J60 và PIC 16F887

- Tìm hiểu về lập trình Web bằng ngôn ngữ HTML

- Thiết lập phương trình tính toán lưu lượng tưới phù hợp từng loại cây trồng khác nhau

- Về mặt thực tiễn, đề tài ứng dụng điều khiển từ xa rất thiết thực với những kỹ

sư ngành cơ điện tử khi muốn điều khiển những hệ thống lớn trong nhà máy và

xí nghiệp, trong những hệ thống có tính công nghệ cao

Chương 2

TỔNG QUAN

2.1 Tổng quan về pin năng lượng mặt trời

2.1.1 Hệ thống pin năng lượng mặt trời

Hình 2.1: Thành phần của một hệ thống pin mặt trời

Hệ thống pin mặt trời là một hệ thống bao gồm một số các thành phần như: các tấm pin mặt trời, các tải tiêu thụ điện, các thiết bị lưu trữ điện năng (acquy) và các thiết bị điều phối điện năng…

2.1.2 Thiết kế một hệ thống pin mặt trời

Thiết kế một hệ thống pin mặt trời là xây dựng một quan hệ tương thích giữa các thành phần của hệ về mặt định tính và định lượng để đảm bảo hiệu quả cao

2.1.2.2 Tính toán nguồn điện pin mặt trời

Có nhiều phương pháp tính toán nhưng thông dụng nhất chủ yếu dựa trên sự cân bằng điện năng trung bình hằng ngày

 Tính phụ tải điện theo yêu cầu

Giả sử hệ cần cấp điện cho các tải T1, T2, T3,… có các công suất tiêu thụ tương ứng P1, P2, P3,… và thời gian làm việc hàng ngày của chúng là t1, t2, t3,…

Tổng điện năng phải cấp hằng ngày cho các tải:

E ng = P 1 t 1 +P 2 t 2 +P 3 t 3 +…=∑

Từ E ng nếu nhân với số ngày trong tháng hoặc trong năm ta sẽ tính được nhu cầu điện năng trong các tháng hoặc cả năm

 Tính năng lượng điện mặt trời cần thiết E c

Năng lượng hằng ngày dàn pin mặt trời cần phải cấp cho hệ được xác định theo công thức:

Ec =

Trong đó: η = η 1 η 2 η 3 = ∏

η 1: hiệu suất thành phần thứ nhất (ví dụ: bộ biến đổi điện)

η 2: hiệu suất thành phần thứ hai (ví dụ: bộ điều khiển)

η 3: hiệu suất nạp phóng điện acquy

 Công suất dàn pin mặt trời

Công suất của dàn pin mặt trời thường được tính ra công suất đỉnh hay cực đại (Peak Watt, Wp), là công suất của dàn pin trong điều kiện chuẩn

,   ∗

∗

Trong đó :

E β cường độ bức xạ trên mặt phẳng đặt nghiêng một góc β so với mặt phẳng ngang

η (T) là hiệu suất của pin ở nhiệt độ T

 Tính dung lượng bộ acquy

Dung lượng của bộ acquy được tính theo công thức:

D: số ngày cần dự trữ năng lượng (số ngày không có nắng)

ηb: hiệu suất nạp phóng điện của acquy

DOS: độ sâu phóng điện thích hợp (khoảng 0,6 - 0,7)

Hình 2.3: Acquy khô kín hiệu K&V

2.1.2.3 Các bộ điều phối năng lượng

Các bộ điều phối năng lượng gồm bộ điều khiển quá trình nạp, phóng điện cho Acquy và bộ biến đổi DC/AC

Bộ điều khiển là thiết bị có chức năng kiểm soát tự động các quá trình nạp và phóng điện của bộ acquy Bộ điều khiển theo dõi trạng thái của acquy thông qua các tín hiệu đèn báo trên bộ điều khiển

Hình 2.4: Bộ điều khiển quá trình nạp acquy Việt Linh

Bộ biến đổi điện (inverter) có chức năng biến đổi dòng điện một chiều từ dàn pin mặt trời hoặc từ bộ acquy thành dòng điện xoay chiều

Hình 2.5: Inverter của Việt Linh 2.1.3 Ứng dụng pin mặt trời

Hình 2.6: Trạm vũ trụ ISS

Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp bất kỳ đâu có ánh sáng mặt trời, thích hợp cho các vùng mà điện năng trong mạng lưới chưa vươn tới, đặc biệt là trong lĩnh vực hàng không vũ trụ Ứng dụng của pin mặt trời phát triển rất nhanh, nhất là ở các nước phát triển Ngày nay pin mặt trời được ứng dụng trong nhiều dụng cụ cá nhân như máy tính, đồng hồ và các đồ dùng hằng ngày thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống

Hình 2.7: Mặt trời được ứng dụng tại các hộ gia đình và trong nông nghiệp

Hình 2.8: Một cuộc thi thiết kế xe chạy bằng năng lượng mặt trời cho sinh viên

Ngày nay hệ thống giáo dục nước ta đang tạo điều kiện cho sinh viên tiếp cận với năng lượng mặt trời thông qua các cuộc thi

Ở Việt Nam, với sự hỗ trợ của một số tổ chức quốc tế đã thực hiện xây dựng cáctrạm điện dùng pin mặt trời phục vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hóa của các địa phươngvùng sâu, vùng xa nhất là đồng bằng sông Cửu Long và Tây Nguyên Tuy nhiên giá thành của pin mặt trời còn quá cao so với thu nhập của người dân, nên việc

sử dụng năng lượng mặt trời rộng rãi còn hạn chế

t triển độ ẩm

H

ích của vùn

và chi phí dích trồng trích của vùnduy trì trongtục sẽ tạo r

a đất trong v

ống tưới nh nhỏ giọt nhỏ giọt

ình 2.9: Vù

trung Rễ tậcây trồng N

m và độ thô

Hình 2.10:

ng khô Giảdiệt cỏ dại T

ọt Ngăn ng

ng ướt Duy

g vùng ướt

ra khối lượnvùng ướt

hỏ giọt hiệ

ùng rễ tích c

ập trung troNâng cao hiông thoáng

Lợi ích của

ảm sự phátTạo sự di chgừa sự xói m

y trì ẩm độ l Tập trung

ng cho rễ tí

n nay

cực tập trunong vùng điệu quả củatối ưu cho đ

a vùng khô

t triển của chuyển dễ dàmòn giữa cáiên tục dọc

cỏ dại Giảàng cho nhâ

ác cây trồngtheo rễ câycủa cây trồcây Ngăn

ó tiết chất

nhân máy

o ùng hát

ch giữa đầukhoảng cáchkhoảng cáchkhoảng cách

ch đầu nhỏ

Hình 2.11:

oại đất Hìn

hẹ, nước phhình cầu

Lợi ích của

nh dạng củahân bổ hẹp

yêu cầu của

h cấu nước

a cây

ợi ích của tư

t với lưu lư

m đất đồng đ

ự thông thoácao hiệu qucao hiệu qu

H

g tưới nước

ủa nông dân

ọt, sử dụng phun mưa lo

Công nghệ đồng của Is

o mạch dẫn

ưới nhỏ giọ

ượng thấp mđều và tối ưáng hoàn hả

hiện đại đưrael được t

g nghệ và tnhiều tầng,

g dân tiết k

hiều trong nờng ống dẫđược điều k

thiết bị hiện, dùng vòi pkiệm được

nông nghiệp

ẫn nước, cókhiển bằng

n đại phun 60%

p

ó các máy

tính, tự động đóng mở van tưới khi độ ẩm của rễ cây đạt tới mức nhất định Hệ thống tưới nhỏ giọt này còn kiêm luôn nhiệm vụ bón phân Người ta pha phân bón vào bể chứa nước và phân bón theo mạng lưới tới từng bộ rễ cây khi tưới Với những loại cây cần tưới cả trên mặt lá, người ta lại dùng hệ thống phun sương

Tưới nhỏ giọt như thế vẫn chưa đủ tiết kiệm Họ còn trồng cấy trong nhà kính để ngăn không cho nước bốc hơi lên trời Ngoài ra, nhà kính còn ngăn chặn sâu bệnh, giúp tăng sản lượng và chất lượng của hàng hóa Israel nhận được rất nhiều đơn đặt hàng mua giống, từ các loại hạt cho tới gen, trứng và tinh trùng của động vật

Hình 2.15: Nhà kính trồng rau tại Israel 2.2.4 Áp dụng vào Việt Nam

Với bản chất thông minh và ham học hỏi, những năm gần đây, rất nhiều nông dân Việt Nam đã bắt đầu mày mò (có thể có hướng dẫn của cơ quan khuyến nông) tự tạo ra những hệ thống tưới kiểu israel bằng những nguyên vật liệu sẵn có và đã gặt hái những thành tựu nhất định:

- Giảm chi phí nhân công gánh nước, không còn phải kéo ống, thu ống

- Giảm chi phí điện dùng để bơm nước

- Giảm đáng kể lượng nước tưới

Hình 2.16: Tưới nước tiết kiệm ở Việt Nam

2.3 Tổng quan về mạng Internet

2.3.1 Giới thiệu

Internet là một hệ thống thông tin toàn cầu có thể được truy nhập công cộng gồm các mạng máy tính được liên kết với nhau Hệ thống này truyền thông tin theo kiểu nối chuyển gói dữ liệu (packet switching) dựa trên một giao thức liên mạng đã được chuẩn hóa (giao thức IP) Hệ thống này bao gồm hàng ngàn mạng máy tính nhỏ hơn của các doanh nghiệp, của các viện nghiên cứu và các trường đại học, của người dùng cá nhân,

và các chính phủ trên toàn cầu Chúng cung cấp một khối lượng thông tin và dịch vụ khổng lồ trên internet

Nguồn thông tin khổng lồ kèm theo các dịch vụ tương ứng chính là hệ thống các trang Web liên kết với nhau và các tài liệu khác trong WWW (World Wide Web) Trái với một số cách sử dụng thường ngày, Internet và WWW không đồng nghĩa Internet

là một tập hợp các mạng máy tính kết nối với nhau bằng dây đồng, cáp quang, v.v ; còn WWW hay Web là một tập hợp các tài liệu liên kết với nhau bằng các siêu liên kết (hyperlink) và các địa chỉ URL và nó có thể được truy nhập bằng cách sử dụng Internet

2.3.2 Hoạt động của mạng Internet

+ User Datagram Protocol (UDP): thiết lập kết nối nhanh nhưng không chắc chắn giữa các máy tính để truyền tải dữ liệu, cung cấp ít dịch vụ để khắc phục lỗi

+ Internet Protocol (IP): điều chỉnh đường đi của những gói dữ liệu đường truyền nhận trên Internet TCP là giao thức phi kết nối (connectionless protocol)

+ HTTP: cho phép trao đổi thông tin trên Internet

+ FTP: cho phép truyền nhận file trên Internet

+ SMTP: cho phép gửi thư điện tử trên Internet

TCP/IP được dùng làm giao thức chuẩn khi giao tiếp trên Internet vì nó độc lập với nền của hệ thống (platform independent) và không có tổ chức nào có quyền sở hữu giao thức này

2.3.2.2 Địa chỉ IP (IP Adress)

Internet là một mạng kết nối rộng lớn giữa các máy tính Để xác định một máy tính trên mạng này, người ta dùng một con số gọi là địa chỉ IP Địa chỉ IP gồm một tập 4 số nhỏ hơn 255 và được ngăn cách bởi các dấu ‘.’ Ví dụ: 41.212.196.197

2.3.2.3 Mô hình khách – chủ (Client – Server Model)

Internet dựa trên mô hình khách – chủ (client – server), trong đó dữ liệu được trao đổi thông qua các trang Web Trong mô hình client – server, mỗi máy tính được xác định bởi một địa chỉ Internet protocol (IP) và cả máy tính client, server cùng chấp nhận một giao thức chung để để giao tiếp với nhau Trong mô hình khách - chủ, máy khách (client computer) yêu cầu thông tin từ một máy chủ (server) Máy chủ chấp nhận yêu cầu và gửi thông tin về cho máy khách Việc trao đổi thông tin này được diễn

ra thông qua những trang Web

2.3.2.4 Hệ thống tên miền (DNS – Domain Name System)

Mỗi máy tính trên mạng Internet được xác định bằng địa chỉ IP, nhưng con số này rất khó nhớ Để khắc phục nhược điểm này, người ta dùng hệ thống tên miền để đặt tên cho máy tính Ví dụ: tên miền www.yahoo.com ứng với địa chỉ IP 216.109.127.28 request Web page Miền (domain) ứng với một tập các máy tính trên Internet Phần mở rộng của tên miền (domain name extension) được dùng để xác định quốc gia hay tổ chức

2.3.3 Kết nối Internet

Để kết nối với Internet cần có một số yêu cầu về phần cứng và phần mềm sau:

- Phần cứng: máy tính, kết nối qua đường dây điện thoại hoặc kết nối cáp, modem

- Phần mềm: kết nối internet, hệ điều hành, giao thức TCP/IP, trình duyệt Web Các yêu cầu thiết yếu khi kết nối với Internet: kết nối với Internet thông qua một nhà cung cấp Internet (Internet Service Provider), modem, trình duyệt và địa chỉ URL

2.3.4 Giao thức TCP/IP

TCP/IP là bộ giao thức cho phép kết nối các hệ thống mạng không đồng nhất với nhau TCP/IP là viết tắt của Transmission Control Protocol (Giao thức Điều Khiển Truyền thông)/Internet Protocol (Giao thức Internet), ngày nay TCP/IP được sử dụng rộng rãi trong các mạng cục bộ cũng như trên mạng Internet toàn cầu TCP/IP không chỉ gồm 2 giao thức mà thực tế nó là tập hợp của nhiều giao thức Chúng ta gọi đó là 1 hệ giao thức hay bộ giao thức (Suite Of Protocols)

TCP/IP được xem là giản lược của mô hình tham chiếu OSI với bốn tầng, trong

mô hình này là (theo thứ tự từ trên xuống):

2.4.1 Sơ lược về TCP/IP Stack của Microchip

Bộ thư viện TCP/IP Stack của Microchip cung cấp một nền tảng cho các ứng dụng Ethernet do xử lý hầu hết các yêu cầu tương tác giữa tầng vật lý và tầng ứng dụng Nó bao gồm các ứng dụng phổ biến của tầng ứng dụng bao gồm HTTP2 phục vụ cho các trang Web, SMTP để gửi email, SNMP cung cấp tình trạng kiểm soát, Telnet, Serial Internet,…Ngoài ra, bộ thư viện TCP/IP Stack này có dung lượng tương đối nhẹ

và hiệu suất triển khai cao

Bộ thư viện TCP/IP Stack của Microchip tối ưu hóa cho tất cả các PIC18, PIC24, dsPIC và PIC32 Các ngăn xếp được chia thành nhiều lớp, mỗi lớp truy cập các dịch

vụ từ một lớp khác trực tiếp dưới nó Bộ thư viện TCP/IP này bao gồm các tính năng sau :

Hỗ trợ giao thức ARP, IP, ICMP, UDP, TCP, DHCP, SNMP, HTTP, FTP, TFTP

- Socket hỗ trợ cho TCP và UDP

- Secure Socket Layer

- NetBIOS

- DNS – Domain Name System

- Ethernet Device Discovery

- Hỗ trợ cho MPLAB C18, C30, C32

Bộ thư viện TCP/IP Stack được viết bằng ngôn ngữ C Bộ thư viện để lại nhiều không gian cho người dùng điều chỉnh phù hợp với mục đích sử dụng Giống như mô hình tham chiếu TCP/IP, TCP/IP Stack cũng được chia làm nhiều lớp Mỗi lớp có một chức năng riêng, trong khi các dịch vụ và các giao diện lập trình ứng dụng được định nghĩa thông qua các tiêu đề bao gồm các tập tin Không giống như mô hình TCP/IP, các lớp trong TCP/IP Stack truy nhập trực tiếp vào một hoặc nhiều lớp dưới mà không phụ thuộc vào lớp dưới nó Một bổ sung lớn của TCP/IP Stack là thực hiện bổ sung 2 module mới “ StackTask” và “ARPTask” StackTask quản lý hoạt động của Stack và tất cả các module của nó trong khi ARPTask quản lý các dịch vụ của các địa chỉ nghị quyết Protocol Dưới đây là các lớp mà Microchip TCP/IP Stack đã xây dựng và vị trí tương ứng của các lớp này trong mô hình giao thức TCP/IP

TCP/IP Stack là bộ chương trình viết bằng ngôn ngữ C Để bật tắt hoặc thiết lập một tham số nào đó người sử dụng chỉ cần thay đổi một hoặc nhiều tham số trong định nghĩa Các định nghĩa được liệt kê trongBảng 2.1:

Bảng 2.1: Các giá trị cấu hình Stack

TICKS_PER_SECONDS 10-255 Tick.c Thời gian tính toán

giữa hai lần

TICK_PRESCALE_VALUE 2,4,8,16,32,64,

128,256 Tick.c

Xác định giá trị đánh dấu vào truy cập

Sử dụng bộ nhớ chương trình để lưu trữ MPFS

MPFS.c Địa chỉ lưu vào

EEPROM Trong gói thư viện TCPIP Stack, các module chức năng được thiết kế dựa hoàn toàn trên nguyên lý hoạt động của các lớp tương ứng

2.4.2 Sử dụng TCP/IP stack

Bộ thư viện TCP/IP Stack chứ đầy đủ các module hỗ trợ như HTTP, IP, FTP, DHCP, Tùy vào mục đích sử dụng mà người lập trình có thể thay đổi cho phù hợp với dự án của mình nhưng phải có một số tập tin nhất định trong dự án Các module và các tập tin đó được trình bày như Bảng 2.2 sau:

Bảng 2.2: Các module và tập tin cần thiết trong Stack

Module Tập tin bắt buộc Mục đích

ARP ARP.c ARPTsk.c MAC.c Address Resolution Protocol

ICMP ICMP.c StackTsk.c IP.c MAC.c SLIP.c Internet Control Message ProtocolTCP StackTsk.c TCP.c IP.c MAC.c SLIP.c Transmission Control Protocol Một số file cơ bản được dùng trong hầu hết mọi dự án sử dụng thư viện TCPIP Stack:

- ARP.c và ARP.h : giúp stack tìm địa chỉ MAC từ địa chỉ IP

- Delay.c và Delay.h : tạo khoảng thời gian thực hiện cho một số hàm

- Physical Layers File : cho phép các lớp vật lý hoạt động

- IP.c và IP.h : cho phép stack thực hiện chức năng lớp IP

- StackTsk.c và StackTsk.h : chứa code khởi tạo stack và các hàm callback

- HardwareProfile.h : Cấu hình phần cứng cho board mạch

2.4.2.1 HTTP2 Server

Để hiểu được cách HTTP2 server làm việc, chúng ta cần hiểu 3 thành phần sau: Cách tạo trang Web với các biến động, tiện ích MPFS2 và các file nguồn CustomHTTPApp.c, HTTPPrint.h Quá trình có thể được tóm tắt như Hình 2.18:

Hình 2.18: Quá trình làm việc của HTTP2 server

 Các web page : bao gồm tất cả các file HTML và các ảnh, file CSS, file JavaScript cần thiết đi kèm để hiển thị 1 trang Web Có 1 ứng dụng mẫu gồm tất cả các thành phần này được đặt trong folder WebPage2

 File CustomHTTPApp.c : File này thực hiện các ứng dụng Web Nó miêu tả đầu ra cho các biến động (thông qua lời gọi hàm HTTPPrint_varname), phân tích dữ liệu được đưa ra qua các form (trong HTTPExecuteGet và HTTPExecutePosst)

 File HTTPPrint.h : File này được tạo ra tự động bởi tiện ích MPFS2 Nó chỉ rõ tất cả các biến động và cung cấp mối liên kết giữa các biến được đặt trong web page và lời gọi hàm HTTPPrint_varname đi kèm được định nghĩa trong CustomHTTPApp.c File này không yêu cầu có sự thay đổi bởi người lập trình Trong quá trình làm đồ án, chúng em nhận thấy bộ nhớ nội của vi điều khiển thường có kích thước không lớn, không đủ chứa ảnh MPFS của các trang Web có dung lượng cao nên chúng em đã chọn cách sử dụng EEPROM ngoài để lưu trữ ảnh MPFS của các trang Web

2.4.2.2 Webpages2

Các trang Web mà server phục vụ có thể được lập trình bằng các mã HTML, CSS, JavaScript Điều cần quan tâm nhất là cách viết các biến động Biến động có thể được xem là output của ứng dụng này Nhờ các biến động mà người dùng (client) có thể quan sát được trạng thái các đối tượng cần điều khiển Để tạo một biến động, khi viết trang Web ta đặt tên biến động vào giữa một cặp dấu ngã (~) Ví dụ để tạo một biến động có tên builddate trong code của trang Web html ta viết:

<div class="examplebox code">~builddate~</div>

Biến động có thể chứa các tham số như trạng thái của đối tượng có liên quan, Server chỉ gọi một hàm duy nhất xử lý cho nhóm biến động này

Ví dụ để quan sát trạng thái các nút bấm được đánh số từ 0 tới 3, ta viết:

<div class="examplebox code"> ~btn(3)~ ~btn(2)~~ btn(1)~~ btn(0)~</div> Ngoài ra, khi các trang Web có các thành phần không đổi như menu lựa chọn, header…, chúng ta có thể viết chúng trong một file có đuôi inc (*.inc) và include vào trang Web như cách viết biến động

Ví dụ file header.inc chứa các thành phần không đổi ở các trang Web, ở mỗi trang Web ta ghi:

<div id="menu">~inc:menu.inc~</div>

2.4.2.3 Tiện ích MPFS2

Tiện ích MPFS đóng gói các web page thành 1 định dạng để lưu trữ hiệu quả trong 1 hệ thống nhúng Nó là 1 ứng dụng đồ họa cho PC, có thể tạo ra MPFS2 và các ảnh MPFS classic để lưu trữ trong bộ nhớ ngoài hoặc bộ nhớnội

Khi được sử dụng để tạo ảnh MPFS2, tiện ích này cũng chỉ ra các biến động được tìm thấy Nó dùng thông tin này để tạo ra file HTTPPrint.h Nó cũng lưu giữ chỉ

số thông tin cùng với file trong ảnh MPFS2 giúp làm giảm tác vụ tìm kiếm từ thiết bị nhúng

Đểsử dụng EEPROM ngoài, đảm bảo rằng macro cấu hình MPFS_USE_EEPROM được định nghĩa trong file TCPIPConfig.h Nếu đang sử dụng 25LC1024, phải định nghĩa USE_EEPROM_25LC1024 để cho phép chế độ địa chỉ 24bit Nếu sử dụng Flash ngoài, khai báo MPFS_USE_SPI_FLASH thay vì macro EEPROM

MPFS2.exe là phần mềm chuyển đổi một một folder chứa trang Web thành các dạng file c để nạp vào Pic hoặc file bin để nạp vào EEPROM Sau khi thực thi, phần mềm tạo ra một file chứa nội dung trang Web, một file HTTPPrint.h chứa chỉ số các biến động mà trang Web đã ghi File này cần để xây dựng code cho server Do đó, khi ghi thêm các biến động vào trang Web, chúng ta trước tiên phải dùng công cụ MPFS2.exe để xuất ra file HTTPPrint.h thích hợp, sau đó biên dịch lại project

 Các bước tạo 1 trang Web vui lòng xem phụ lục trang 62

2.4.2.4 Giao diện Web

Mục tiêu đặt ra là xây dựng một trang Web cung cấp giao diện cho người sử dụng truy cập từ xa để điều khiển và giám sát toàn bộ hoạt động của hệ thống Các trang Web được lưu trữ trong EEPROM 25LC256 với kích thước đủ nhẹ và có giao diện thân thiện với người sử dụng Mã nguồn của trang Web được xây dựng bằng DHTML (Dynamic Hyper Text Markup Language) với sự hỗ trợ của công nghệ AJAX Bản thân DHTML không phải là một ngôn ngữ mà là sự kết hợp giữa HTML(Hyper Text

Markup Language), JavaScript, HTML DOM (Hyper Text Markup Language Document Object Model) và CSS (Cascading Style Sheet)

Hình 2.19: Thành phần cần thiết để tạo một trang Web

Để xây dựng được một giao diện Web nhúng đơn giản với các thành phần như trên cần có hiểu biết về các ngôn ngữ xây dựng Web

2.4.2.4.1 Dynamic Hyper Text Markup Language

Như đã nói ở trên ,bản thân DHTML không phải là một ngôn ngữ mà là sự kết hợp của nhiều ngôn ngữ khác nhau.Chức năng chính của DHTML là miêu tả phần động

và tương tác của 1 trang Web

2.4.2.4.2 Hyper Text Markup Language

HTML không phải là 1 ngôn ngữ lập trình mà là một ngôn ngữ đánh dấu bằng thẻ (markup language) HTML có hai đặc tính cơ bản là siêu văn bản và tính phổ bát.Siêu văn bản (hypertext) có nghĩa là bạn tạo ra một liên kết trong trang Web định hướng người dùng đến một nơi nào đó trên Internet,còn tính phổ bát (universality) được thể hiện ở chỗ do hầu hết các tài liệu HTML được lưu dưới dạng tập tin ASCII hoặc Text Only nên hầu như máy tính nào cũng có thể đọc được trang Web

Thông qua các thẻ (tag) và các phần tử của HTML,chúng ta có thể thực hiện được rất nhiều công việc quan trong như:

- Điều khiển hình thức và nội dung của trang Web

- Xuất bản các tài liệu trực tuyến và truy xuất thông tin trực tuyến bằng cách dùng các tài liệu liên kết được chèn vào các tài liệu HTML

- Tạo các biểu mẫu trực tuyến.Những biểu mẫu này có thể được sử dụng để thu thập thông tin về người dùng, quản lý các giao dịch …

Bản thân tài liệu HTML là một file văn bản có thành phân đuôi mở rộng là htm hoặc html Tài liệu này được dịch thành mã nguồn của trang Web

2.4.2.4.3 JavaScript:

Javascript là một ngôn ngữ thông dịch, chương trình nguồn của nó được nhúng hoặc tích hợp vào tập tin HTML Khi trang Web được tải trong trình duyệt hỗ trợ javascript, trình duyệt sẽ thông dịch và thực hiện các lệnh Javascipt

Chương trình nguồn Javascript được thông dịch trong trang HTML sau khi toàn

bộ trang được load nhưng trước khi trang được hiển thị

Sau đây là ví dụ mẫu :

CSS là viết tắt của cụm từ "Cascading Style Sheet", nó là một ngôn ngữ quy định cách trình bày của các thẻ html trên trang Web Là ngôn ngữ đang được sử dụng rất nhiều trong lập trình Web, có thể nói CSS ra đời đã tạo nên một cuộc cách mạng CSS quy định cách hiển thị nội dung của các thẻ HTML trên các trình duyệt gần như giống nhau,bằng cách quy định các thuộc tính cho thẻ HTML đó Tạo kiểu cho fonts, chỉnh màu sắc, canh lề, kẻ bảng, định chiều cao, chiều dọc, hình nền và xác định vị trí cho đổi tượng, v.v

2.5 Giới thiệu các linh kiện sử dụng trong đồ án

2.5.1 Vi điều khiển PIC 18F97J60

2.5.1.1 Các đặc điểm cơ bản của vi điều khiển PIC18F97J60

- Tốc độ làm việc tối đa lên đến 10.5 MIPS (triệu lệnh trong 1 giây)

- Với 3 bộ Timer 16 bit và 1 bộ Watchdog Timer giúp cho ta xử ly các bài toán điều khiển với tính năng thời gian thực

- PIC18F97J60 còn là một dòng IC chuyên dụng trong giao tiếp mạng Internet với module giao thức mạng được tích hợp sẵn trong chip.Với bộ nhớ chương trình Flash khá lớn 128KB và bộ nhớ RAM 3.8KB sẽ cho phép ta thực hiện được các bài toán phức tạp

- Trên chip có 16 kênh ADC 10 bít nên việc thực hiện các bài toán đo lường trở nên đơn giản

- Chíp có thể hoạt động bằng nguồn dao động nội ở tần số tối đa 41.6667Mhz, với tính năng này giúp cho nó có thể hoạt động tốt trong môi trường có độ ẩm cao

- PIC18F97J60 được thiết kế dưới dạng chíp dán 100 chân, trong đó có thể sử dụng tối đa được 70 chân I/O

2.5.1.2 Tính năng đặc biệt của CPU

- Chương trình nối tiếp trong mạch

- Điều chỉnh điện áp trên chip

2.5.1.3 Sơ đồ chân PIC 18F97J60

Hình 2.22: Sơ đồ chân PIC18F97J60

Mô tả các chân của PIC18F97J60 được sử dụng trong đồ án:

Bảng 2.3: Mô tả các chân của PIC18F97J60 được sử dụng trong đồ án

13 MCLR Master Clear: Reset thiết bị ở mức thấp

29 VDD Nối nguồn 3.3VDC, kích hoạt bộ điều chỉnh điện áp

trên chip

30 VDD Nối nguồn 3.3VDC, cung cấp tín hiệu tích cực cho

các modun tương tự

34 RA1/LEDB/AN1 Đầu ra chỉ thị Ethernet LEDB

35 RA0/LEDA/AN0 Đầu ra chỉ thị Ethernet LEDA

45 RC6/TX1 Truyền tín hiệu không đồng bộ USART1

46 RC7/RX1 Nhận tín hiệu không đồng bộ EUSART1

54 RC3/SCK1/SCL1 Vào/ra clock đồng bộ nối tiếp cho chế độ SPI

73 TPIN- Đầu vào các tín hiệu khác nhau của chuẩn truyền

76 VDDTX Nối nguồn 3.3VDCcho hệ con truyền dữ liệu của

khối Ethernet PHY PLL

77 TPOUT- Đầu ra các tín hiệu khác nhau của chuẩn truyền thông

80 RBIAS Phải được gắn với VSS thông qua một điện trở

81 VDDPLL Nối nguồn 3.3VDC cho khối Ethernet PHY PLL

86 VDD Nối nguồn 3.3VDC cho các chân vào ra và logic

2.5.1.4 Lựa chọn PIC 18F97J60

Trên thị trường hiện nay có rất nhiều họ vi điều khiển như AVR, ARM, có thể kết nối Ethernet Chúng em đã chọn họ vi điều khiển PIC để mở rộng vốn kiến thức và phát triển các ứng dụng trên công cụ này vì các nguyên nhân sau:

Số lượng người sử dụng họ vi điều khiển PIC Hiện nay tại Việt Nam cũng như trên thế giới, họ vi điều khiển này được sử dụng khá rộng rãi Điều này tạo nhiều thuận lợi trong quá trình tìm hiểu và phát triển các ứng dụng như: số lượng tài liệu, số lượng các ứng dụng mở đã được phát triển thành công, dễ dàng trao đổi, học tập, dễ dàng tìm được sự chỉ dẫn khi gặp khó khăn,…

- VĐK PIC 18F97J60 có khả năng giao tiếp trực tiếp với Ethernet mà không cần phải qua khối trung gian là ENC28J60

- Microchip đã cung cấp sẳn bộ thư viện Ethernet là TCP/IP stack giúp thuận lợi trong quá trình phát triển code

Đó là những lý do để lựa chọn dùng PIC 18F97J60 cho các trường hợp điều khiển

Hình 2.23: Van điện từ 2/2

Cấu tạo bên trong của van như sau:

Hình 2.24: Sơ đồ cấu tạo van điện từ

tự do và các lỗ trống trong chất bán dẫn Bằng sự phá vỡ các phân tử, bứt các electron thành dạng tự do di chuyển qua vùng cấu trúc mạng tinh thể tạo sự xuất hiện các lỗ trống Làm cho tỷ lệ điện tử tự do và lỗ trống tăng lên theo quy luật hàm mũ với nhiệt

Hình 2.25: LM35 2.5.3.1 Nguyên lý hoạt động

LM35 hoạt động theo nguyên lý hiệu ứng nhiệt điện.LM35 nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển thành tín hiệu điện dưới dạng dòng điện hay điện áp

Khi ta cấp một nguồn Vs cho, dưới tác động của nhiệt độ tạo ra điện tích tự do và các lỗ trồng trong bán dẫn

Bằng sự phá vỡ các phân tử, bứt các electron thành dạng tự do di chuyển qua vùng cấu trúc mạng tinh thể tạo sự xuất hiện lỗ trống

Đo tín hiệu điện ta biết được giá trị của nhiệt độ cần đo