Nghiên cứu thiết kế thiết bị giám sát môi trường ứng dụng trong nông nghiệp

Nghiên cứu thiết kế thiết bị giám sát môi trường ứng dụng trong nông nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

 -NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THIẾT BỊ GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG ỨNG DỤNG TRONG NÔNG NGHIỆP

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện tử, Truyền thông

GIÁO VIÊNHƯỚNG DẪN: LÊ VĂN THANH VŨ

Huế - 2018

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn các tất cả các Thầy Cô Giáo trong nhà trường, nhất làcác Thầy Cô Giáo trong khoa Điện Tử Viễn Thông của trường Đại học Khoa Học Huế

đã tận tình dạy dỗ chúng em trong suốt thời gian qua

Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy LÊ VĂN THANH VŨ Người đã nhiệt tìnhhướng dẫn, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành đồ án này

Xin cảm ơn tất cả các bạn bè đã đóng góp ý kiến và giúp đỡ mình trong lúc thựchiện đồ án này

Mặc dù đã cố gắng hoàn thiện đề tài với tất cả sự nỗ lực, nhưng cũng không tránhkhỏi được những sai sót Kính mong nhận được sự góp ý tận tình của thầy cô để em cóthể rút kinh nghiệm hoàn thiện sản phẩm của mình hơn

Cuối cùng em xin chúc quý thầy cô lời chúc sức khỏe và lời cảm ơn chân thànhnhất!

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ iii

DANH SÁCH CÁC BẢNG iv

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: CỞ SỞ LÝ THUYẾT .2

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 2

1.1.1 Hệ thống nông nghiệp cơ bản .2

1.1.2 Hệ thống nông nghiệp công nghệ cao 3

1.2 NHU CẦU GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG TRONG NÔNG NGHIỆP 4

1.3 CÁC HỆ THỐNG GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG 6

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM .8

2.1 PHÂN TÍCH CHỨC NĂNG VÀ HOẠT ĐỘNG 8

2.1.1 Chức năng của hệ thống 8

2.1.2 Hoạt động của hệ thống 9

2.1.3 Sơ đồ khối và chức năng các khối của hệ thống 10

2.2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG 11

2.2.1 Giới thiệu linh kiện sử dụng 11

2.2.2 Sơ đồ mạch nguyên lý 19

2.2.3 Sơ đồ mạch in 20

2.3 LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HOẠT ĐỘNG 22

2.3.1 Giải thuật điều khiển mạch wifi ESP8266 22

2.3.2 Giao diện điều khiển trên phần mềm Blynk 23

2.3.3 Chương trình điều khiển wifi ESP8266 24

CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 28

3.1 CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 28

3.1.1 Kết quả 28

3.1.2 Hình ảnh của đề tài 29

3.2 ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 30

KẾT LUẬN 31

TÀI LIỆU THAM KHẢO 32

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sản xuất nông nghiệp truyền thống 2

Hình 1.2: Đặc điểm sản xuất nông nghiệp truyền thống 3

Hình 1.3: Nông nghiệp hiện đại 3

Hình 1.4: Thử nghiệm IoT vào nông nghiệp 4

Hình 1.5: Ứng dụng IoT vào nông nghiệp 4

Hình 1.6: Hệ thống quản lý nông nghiệp hiện đại bằng IoT 5

Hình 1.7: Quản lý giám sát và điều khiển sản xuất bằng IoT 5

Hình 1.8: Hệ thống quản lý giám sát và điều khiển GPIs4.1E 6

Hình 1.9: Hệ thống GPIs4.1E giám sát các thông số trên Web 7

Hình 2.1: Chức năng của thiết bị giám sát môi trường 8

Hình 2.2: Hoạt động của thiết bị giám sát môi trường 9

Hình 2.3: Sơ đồ khối hệ thống 10

Hình 2.4: Module Wifi ESP8266 11

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý ESP8266 12

Hình 2.6: Module ESP8266-01 13

Hình 2.7: Module ESP8266-07 14

Hình 2.8: Module ESP8266-12F 14

Hình 2.9: Module cảm biến độ ẩm đất 15

Hình 2.10: Module cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT22 16

Hình 2.11: Sơ đồ chân module cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT22 17

Hình 2.12: Module cảm biến cường độ sáng BH1750 18

Hình 2.13: Mạch điện nguyên lý 19

Hình 2.14: Mạch in trên phần mềm 20

Hình 2.15: Mạch điện thực tế 21

Hình 2.16: Lưu đồ giải thuật điều khiển 22

Hình 2.17: Giao diện điều khiển Blynk trên điện thoại 23

Hình 3.1: Hệ thống hoàn thiện 28

Hình 3.2: Một số hình ảnh của đề tài 30

Hình 3.3: Hướng phát triển của đề tài 30

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Bảng bố trí chân cảm biến độ ẩm đất 16 Bảng 2.2: Bảng bố trí chân cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT22 17

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

IoT Internet of Things Internet vạn vật

MỞ ĐẦU

Đất nước ta xuất phát điểm là một đất nước thuần nông, lấy nông nghiệp là nềnkinh tế chủ đạo Qua nhiều năm tháng xây dựng và phát triển, đất nước chúng ta pháttriển mạnh tất cả các lĩnh vực nói chung và nông nghiệp nói riêng

Hiện nay, khoa học kỹ thuật rất phát triển nhất là lĩnh vực điện tử tự động hóa,

nó lấn sâu vào ứng dụng của tất cả các lĩnh vực khác, từ công nghiệp cho đến nôngnghiệp Trong đó lĩnh vực nông nghiệp hiện nay được ưu tiên phát triển theo hướngnông nghiệp theo hướng hiện đại

Đúng như nhận định của các hãng công nghệ, xu hướng kết nối vạn vận (Internet

of Things - IoT) đang có mặt ở gần như tất cả các lĩnh vực của cuộc sống Thật bất ngờnông nghiệp lại là lĩnh vực đang tiên phong trong việc ứng dụng IoT IoT giúp giám sátmôi trường nông nghiệp và điều khiển các cơ cấu chấp hành thông qua mạng internet

Nó giúp cho công việc nuôi trồng trở nên dễ dàng hơn, kiểm soát và cân chỉnh cácthông số môi trường phù hợp, đem lại năng suất và hiệu quả cho người làm nôngnghiệp

Từ những nhu cầu thực tế đó và với những kiến thức học tập trên ghế nhà trường,

em mạnh dạn đăng ký thực hiện đề tài “Nghiên cứu thiết kế thiết bị giám sát môi trường ứng dụng trong nông nghiệp” Đề tài nghiên cứu giúp em tiếp cận với công

nghệ IoT để sau này giúp ích cho công việc của em khi ra trường đi làm

CHƯƠNG 1: CỞ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.1.1 Hệ thống nông nghiệp cơ bản.

Nông nghiệp truyền thống có tính chất đặc trưng của nó: Sản xuất nhỏ, sản xuất

tự cấp, tự túc Cùng với đó nó đạt trình độ thâm canh nhất định dựa trên kinh nghiệmđược tích lũy nhiều đời, dựa vào lao động thủ công và truyền nghề theo kiểu chatruyền con nối

Nông nghiệp truyền thống đã tạo dựng nên nền tảng của kinh tế và xã hội nước

ta trước khi cuộc cách mạng công nghiệp đến với Việt Nam Bởi vậy, mà trải quanhiều triều đại phong kiến, chính sách trọng nông luôn được khẳng định

Hình 1.1: Sản xuất nông nghiệp truyền thống.

Đặc điểm nông nghiệp truyền thống:

Phân bố: Các vùng sản xuất nông nghiệp còn khó khăn về vốn, giao thông vậntải

Quy mô: Nhỏ và manh mún

Công cụ sản xuất: Thô sơ, thủ công Sử dụng nhiều sức người và sức kéo giasúc Ít sử dụng phân bón Phụ thuộc vào thời tiết tự nhiên và côn trùng

Hình thức sản xuất: Chuyên môn hóa thấp Chưa gắn sản xuất nông nghiệp vớicông nghiệp chế biến và dịch vụ nông nghiệp

Mục đích: Sản xuất ra nhiều loại nông sản phục vụ nhu cầu tiêu dùng tại chỗ.Hiệu quả: Năng suất, sản lượng thấp, chất lượng chưa cao Không hoặc ít thuđược lợi nhuận

Hình 1.2: Đặc điểm sản xuất nông nghiệp truyền thống.

1.1.2 Hệ thống nông nghiệp công nghệ cao

Đúng như nhận định của các hãng công nghệ, xu hướng kết nối vạn vận (Internet

of Things - IoT) đang có mặt ở gần như tất cả các lĩnh vực của cuộc sống Thật bất ngờnông nghiệp lại là lĩnh vực đang tiên phong trong việc ứng dụng IoT

Hình 1.3: Nông nghiệp hiện đại.

Nô ng nghiệp: mảnh đất màu mỡ để thử nghiệm IoT

Từ trước tới nay nông nghiệp là một trong những lĩnh vực ít được áp dụng côngnghệ nhất Đặc biệt là ở những quốc gia đang phát triển và chậm phát triển, nôngnghiệp gần như chỉ phụ thuộc vào kinh nghiệm của những người nông dân về đặc tínhcủa cây trồng, về thời tiết Chính vì vậy, năng suất và hiệu suất canh tác gần nhưđược để ngỏ, mang tính “may, rủi”

Trong khi đó, trước những thách thức về biến đổi khí hậu, gia tăng dân số nhanhchóng, vấn đề đảm bảo đủ lương thực là một trong những thách thức mang tính toàncầu Ngành nông nghiệp phải tìm kiếm những phương thức tốt hơn để gia tăng hiệu

quả sản xuất Cách duy nhất chính là áp dụng công nghệ mới vào hoạt động sản xuất,canh tác

`

Hình 1.4: Thử nghiệm IoT vào nông nghiệp.

Chính vì vậy, việc đưa các ứng dụng IoT vào ngành nông nghiệp sẽ giúp minhchứng rõ nhất cho việc IoT đem lại hiệu quả to lớn như thế nào Đó chính là lý do mànông nghiệp là lĩnh vực đang được quan tâm đầu tư và được nhiều startup lựa chọn đểgọi vốn

Hình 1.5: Ứng dụng IoT vào nông nghiệp.

1.2 NHU CẦU GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG TRONG NÔNG NGHIỆP

Trong nông nghiệp, việc nuôi trồng muốn đạt năng suất và hiệu quả cao thì trongquá trình thực hiện người làm nông nghiệp cần nắm bắt các thông số kỹ thuật của môitrường, từ đó đưa ra những hiệu chỉnh phù hợp Do đó việc đưa công nghệ IoT vào ứngdụng giám sát môi trường trong nông nghiệp là điều cần được thực hiện rộng rãi bởinhững điều IoT đem lại cho nông nghiệp theo hiệu ứng tích cực

IoT mang lại những gì cho ngành nông nghiệp?

IoT sẽ biến nông nghiệp từ một lĩnh vực sản xuất định tính thành một lĩnh vựcsản xuất chính xác dựa vào những số liệu thu thập, tổng hợp và phân tích thống kê Từviệc phụ thuộc vào thời tiết, khí hậu , người nông dân có thể tự chủ, điều chỉnh mọithứ để đạt được hiệu quả như mong muốn

Hình 1.6: Hệ thống quản lý nông nghiệp hiện đại bằng IoT.

Tăng hiệu suất canh tác:

Những hệ thống thiết bị cảm biến, đo đạc sẽ được kết nối với nhau, tích hợp GPS

và các công nghệ theo dõi để thu thập dữ liệu, kết nối với hạ tầng đám mây để truyxuất dữ liệu, phân tích đưa ra quyết định tối ưu hóa lượng nước, lượng phân bón, tựđộng hóa các hoạt động nông nghiệp hàng ngày và cung cấp giải pháp theo dõi thờigian thực Nhờ đó, các điều kiện dinh dưỡng đối với cây trồng sẽ được tối ưu, chomức sinh trưởng tốt nhất

Hình 1.7: Quản lý giám sát và điều khiển sản xuất bằng IoT.

Quản lý dịch bệnh:

Giảm thiểu dịch bệnh cũng là một yếu tố quan trọng trong việc nâng cao hiệusuất canh tác Thêm vào đó, hiện người dùng đang có xu hướng chuộng các sản phẩm

hữu cơ nên ngành nông nghiệp phải bắt đầu chú trọng tìm kiếm các giải pháp giảmthiểu dịch bệnh cho cây trồng mà không sử dụng thuốc trừ sâu

Hiện đã có không ít giải pháp ứng dụng IoT giúp giám sát số lượng sâu bệnh, khiphát hiện số lượng sâu bệnh trở nên quá cao, hệ thống tự động kích hoạt và ngăn cảnquá trình kết đôi của sâu bệnh để giảm thiểu sự gia tăng, kèm theo đó sẽ cảnh báo đểnông dân lựa chọn phương thức xử lý nhân công, sinh học hay thuốc trừ sâu

1.3 CÁC HỆ THỐNG GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG

Hiện tại, trên thực tế có các hệ thống giám sát môi trường về nhiệt độ, độ ẩm, dònước và quản lý dữ liệu, ví như hệ thống GPIs4.1E

Nhằm bảo vệ an toàn cho trung tâm dữ liệu và phòng máy chủ, thông báo ngaynhững nhiễu động về nhiệt độ, độ ẩm, nguồn điện và những hiểm họa khác Thiết bịGPIs4.1E thực hiện chức năng như vậy, vừa giám sát và điều khiển các thông số môitrường của phòng máy chủ thông qua các kết nối mạng GSM/GPRS và kết nối mạngLAN (ứng dụng giám sát điều khiển qua Internet)

Hình 1.8 : Hệ thống quản lý giám sát và điều khiển GPIs4.1E.

Hệ thống GPIs4.1E có các chức năng như sau:

Giám sát môi trường theo các chỉ số nhiệt độ, độ ẩm, bụi, ngập nước và nhữngmối đe dọa môi trường và vật lý khác

Kết nối với hệ thống báo cháy báo khói để thực hiện chức năng cảnh báo từ xa.Kết hợp với hệ thống truy cập vào ra để kiểm soát và lưu trữ thông tin

Giám sát nguồn điện lưới, cho phép ứng cứu khi nguồn dự phòng UPS không đủdung lượng

Điều khiển điều hòa luân phiên và tự động theo nhiệt độ đã cài đặt

Các dạng cảnh báo khác nhau cho phép gửi thông báo qua quản trị qua hệ thốnge-mail, máy chủ Web, điện thoại và nhắn tin SMS và giữa những lựa chọn khác.

Hệ thống GPIs4.1E có các kết nối truyền thông như sau:

Mạng GSM băng tần 900Mhz và 1800Mhz, GPIs multislot class 10 Chức năngnhận, gửi tin nhắn SMS, Email

Mạng Ethernet 10/100Mhz, đầu kết nối RJ4 Chức năng gửi Email, FTP, HTTP,Web

Giao tiếp RS232/485 tốc độ 19200baud Chức năng giao tiếp với các thiết bịkhác như: bàn phím và hiển thị LCD…

Giao tiếp USB 2.0 kết nối với máy tính được thực hiện các chức năng cài đặt chothiết bị

Hệ thống GPIs4.1E giám sát các thông số trên Web:

Hình 1.9: Hệ thống GPIs4.1E giám sát các thông số trên Web.

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM

2.1 PHÂN TÍCH CHỨC NĂNG VÀ HOẠT ĐỘNG

2.1.1 Chức năng của hệ thống

Thực tế các nông trại và các nhà kính trồng cây nông nghiệp hiện tại được trồng

và chăm sóc thủ công hoặc bán tự động, chưa có hệ thống đo đạc các thông số đểgiám sát hoạt động Với xu hướng phát triển nông nghiệp hiện đại và cách mạng côngnghệ 4.0 thì việc áp dụng các hệ thống IoT (Internet of Things) vào các hệ thống nôngnghiệp để giám sát và điều khiển là điều cần thiết IoT sẽ giúp người trồng cây nôngnghiệp bớt vất vã trong công việc, giúp họ quản lý giám sát và điều khiển nhà kínhtrồng cây nông nghiệp tốt và hiệu quả hơn

Hình 2.10: Chức năng của thiết bị giám sát môi trường.

Từ những nhu cầu thực tế trên, cộng với những kiến thức đã được học tập nghiên

cứu trên ghế nhà trường, em đã chọn thực hiện đề tài “Nghiên cứu thiết kế thiết bị giám sát môi trường ứng dụng trong nông nghiệp” Với mô hình thiết bị này là

những bước nghiên cứu ứng dụng nhỏ về IoT để sau này em có thể phát triển ứngdụng vào thực tế rộng lớn hơn cho việc trồng cây nông nghiệp theo hướng nôngnghiệp hiện đại

Hệ thống thiết bị giám sát và điều khiển có 3 chức năng như sau:

Đo các thông số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất, ánh sáng)hiển thị lên màn hình LCD

Truyền các thông số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất, ánhsáng) lên wifi đến phần mềm Blynk trên điện thoại để giám sát các thông số

Kiểm tra các thông số môi trường để đưa ra các điều khiển tự động (tưới nước,quạt, bật đèn) phù hợp

Nếu độ ẩm đất thấp (đất khô), thì bật máy bơm tưới cho đất ướt.

Nếu độ ẩm đất cao (đất ướt), thì tắt máy bơm

Nếu nhiệt độ cao (nóng), thì bật quạt làm mát không khí

Nếu nhiệt độ thấp (mát), thì tắt quạt

Nếu ánh sáng yếu (tối), thì bật đèn sáng

Nếu ánh sáng mạnh (sáng), thì tắt đèn

Hình 2.11: Hoạt động của thiết bị giám sát môi trường.

2.1.3 Sơ đồ khối và chức năng các khối của hệ thống

Từ yêu cầu đặt ra của chức năng và hoạt động của hệ thống, ta xây dựng được sơ

đồ khối hệ thống như sau:

Hình 2.12: Sơ đồ khối hệ thống.

Chức năng từng khối:

Module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm: có nhiệm vụ đo nhiệt độ và độ ẩm của không

khí bên trong mô hình nhà kính để đưa về ESP8266 điều khiển quạt

Module cảm biến độ ẩm đất: có nhiệm vụ đo độ ẩm của đất bên trong mô hình

nhà kính để đưa về ESP8266 điều khiển máy bơm

Module cảm biến ánh sáng: có nhiệm vụ cường độ ánh sáng bên ngoài nhà

kínhà kính để đưa về ESP8266 điều khiển máy đèn led chiếu sáng

Module wifi ESP8266: là bộ xử lý trung tâm, nhận tín hiệu từ các cảm biến rồi

tiến hành xử lý theo chương trình lập trình để xuất tín hiệu hiển thị, điều khiển các cơcấu chấp hành và truyền dữ liệu lên mạng wifi đến smartphone

Màn hình LCD: có nhiệm vụ hiển thị các thông số (nhiệt độ, độ ẩm không khí,

độ ẩm đất, ánh sáng)

Relay 1, 2, 3: có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ arduino để điều khiển đóng cắt điện

cho máy bơm, quạt và đèn

Adapter 5V, 12V: có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp từ 220Vac sang 5Vdc để

cung cấp cho toàn mạch điện và 12Vdc để cấp cho quạt và đèn led chiếu sáng

2.2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG

2.2.1 Giới thiệu linh kiện sử dụng

a Module wifi ESP8266

Giới thiệu về dòng chip ESP8266

Chip ESP8266 được phát triển bởi Espressif để cung cấp giải pháp giao tiếp Wificho các thiết bị IoT Điểm đặc biệt của dòng ESP8266 là nó được tích hợp các mạch

RF như balun, antenna switches, TX power amplifier và RX filter ngay bên trong chipvới kích thước rất nhỏ chỉ 5x5mm nên các board sử dụng ESP8266 không cần kíchthước board lớn cũng như không cần nhiều linh kiện xung quanh Ngoài ra, giá thànhcủa ESP8266 cũng rất thấp đủ để hấp dẫn các nhà phát triển sản phẩm IoT

Hình 2.13 : Module Wifi ESP8266.

Tóm lại, ESP8266 vừa tích hợp nhiều phần cứng hỗ trợ, vừa kích thước nhỏ, vừahợp túi tiền thì sao chúng ta có thể cưỡng lại được, đúng không nào

Cấu trúc phần cứng của dòng chip ESP8266 có thể tóm tắt như sau:

Sử dụng 32-bit MCU core có tên là Tensilica

Tốc độ system clock có thể set ở 80MHz hoặc 160MHz

Không tích hợp bộ nhớ Flash để lưu chương trình

Tích hợp 50KB RAM để lưu dữ liệu ứng dụng khi chạy

Có đầy đủ các ngoại vi chuẩn đê giao tiếp như 17 GPIO, 1 Slave SDIO, 3 SPI, 1I2C, 1 I2S, 2 UART, 2 PWM

Tích hợp các mạch RF để truyền nhận dữ liệu ở tần số 2.4GHz.

Hỗ trợ các hoạt động truyền nhận các IP packages ở mức hardware nhưAcknowledgement, Fragmentation và Defragmentation, Aggregation, FrameEncapsulation v.v… (và phần stack TCP/IP sẽ được thực hiện trên firmware củaESP8266)

Do không hỗ trợ bộ nhớ Flash nên các board sử dụng ESP8266 phải gắn thêmchip Flash bên ngoài và thường là Flash SPI để ESP8266 có thể đọc chương trình ứngdụng với chuẩn SDIO hoặc SPI

Dưới đây là mạch nguyên lý đầy đủ cho ESP8266:

Hình 2.14: Sơ đồ nguyên lý ESP8266.

Chúng ta có thể thấy board ESP8266 chỉ cần thạch anh và SPI flash chip và vàilinh kiện điện trở rất đơn giản phải không nào Do đó việc tích hợp giao tiếp Wifi vàoboard ứng dụng với ESP8266 rất dễ dàng và nhanh chóng

Công ty Espressif cũng cung cấp khá đầy đủ tài liệu và software tools để các nhàphát triển sản phẩm có thể nhanh chóng làm quen và phát triển ứng dụng vớiESP8266

Về mô hình lập trình ứng dụng với ESP8266, chúng ta có thể chia làm 2 loại nhưsau:

Sử dụng firmware được cung cấp bởi Espressif và giao tiếp thông qua ATcommands