Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát trong nông nghiệp

Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát các thông số cây trồng cũng như nhệt độ độ ẩm , ánh sáng môi trường cho cây trồng nông nghiệp. Hệ thống lấy dữ liệu thời tiết và tự đo đạc thông số để điều khiển hệ thống tưới tiêu tự động. Ngoài ra, hệ thống còn cho phép người dùng giám sát các thông số qua web hoặc app trung gian là thingspeak. Giúp ta có thể giám sát từ xa

Mục lục

Mở đầu

1.1 Các yếu tố môi trường chính ảnh hưởng đến cây trồng 1

1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm không khí 2

1.3 Ảnh hưởng của độ ẩm đất 4

1.4 Ảnh hưởng của ánh sáng 6

1.5 Các đại lượng ánh sáng cơ bản 7

2 Thiết kế hệ thống đo và giám sát 12 2.1 Cấu trúc hệ thống 12

2.2 Thiết bị chính sử dụng trong hệ thống 13

2.2.1 Vi điều khiển STM32F103C8T6 13

2.2.2 Module Wifi ESP8266V1 16

2.2.3 Cảm biến DHT11 17

2.2.4 Cảm biến độ ẩm đất 19

2.2.5 Cảm biến ánh sáng BH1750 19

2.2.6 Màn hình hiển thị I2C – LCD 21

2.2.7 Khối nguồn 22

2.2.8 Relay 5V 22

2.3 Thiết kế mạch nguyên lý và mạch in 24

2.3.1 Thiết kế khối nguồn 24

2.3.2 Thiết kế mạch điều khiển Relay 25

2.3.3 Thiết kế mạch PCB 27

2.4 Thiết kế phần mềm 28

2.4.1 Lưu đồ thuật toán cho hệ thống 28

2.4.2 Giao tiếp với cảm biến DHT11 29

2.4.3 Giao tiếp với cảm biến BH1750 31

2.4.4 Giao tiếp với module ESP8266V1 34

3 Giám sát thông số qua Thingspeak 36 3.1 Giới thiệu về Thingspeak 36

3.2 Tạo kênh giám sát qua Thingspeak 36

3.3 Tạo kênh lấy dữ liệu từ Web weather.com: 37

Danh sách hình vẽ

1.1 Cây và rễ 5

1.2 Ảnh hưởng của ánh sáng 6

1.3 Phổ ánh sáng nhìn thấy 8

1.4 Các loại nguồn sáng 8

1.5 Hàm độ rõ của ánh sáng có bước sóng λ mà mắt có thể cảm nhận được 9

1.6 Cường độ ánh sáng theo phương OA 10

1.7 Liên hệ độ rọi với cường độ ánh sáng và độ chói 10

2.1 Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống 12

2.2 Hình ảnh chip STM32F103C8T6: 13

2.3 Sơ đồ chân chip STM32F103C8T6 14

2.4 Module Wifi ESP8266 V1 16

2.5 Sơ đồ chân ESP8266 V1 17

2.6 Cảm biến DHT11 17

2.7 Cấu tạo DHT11 18

2.8 Cảm biến độ ẩm đất 19

2.9 Cảm biến ánh sáng 20

2.10 Cảm biến ánh sáng 20

2.11 LCD16x2 21

2.12 Cảm biến ánh sáng 21

2.13 Nguồn 5v 1A 22

2.14 Hình ảnh thực tế Relay 5v 1A 23

2.15 Hình ảnh thực tế AMS1117-3.3V 24

2.16 Mạch nguồn 3.3V 25

2.17 Mạch điều khiển Relay 26

2.18 Mạch dao động thạch anh 27

2.19 Mạch PCB có tụ lọc nhiễu dần chân nguồn 27

2.20 Toàn bộ thiết kế mạch PCB 28

2.21 Thiết kế PCB dạng 3D 28

2.22 Lưu đồ thuật toán của hệ thống 29

2.23 Xung tín hiệu cho phép khởi tạo cảm biến 30

2.24 Xung tín hiệu cho phép khởi tạo cảm biến 30

2.25 Dữ liệu từ cảm biến 30

2.26 Cấu tạo của BH1750 31

2.27 Frame truyền tin 33

2.28 Đọc dữ liệu trong thanh ghi dữ liệu 33

2.29 Một số tập lệnh AT 35

3.1 Tạo tài khoản Thingspeak 36

3.2 Tạo chanels Thingspeak 37

3.3 Giao diện Thingspeak 37

3.4 Giao diện Thingspeak 38

3.5 Giao diện trang Web lấy thông số nhiệt độ 39

3.6 Trích xuất dữ liệu từ trang web khác 39

4.1 Sản phẩm mạch thật 41

Danh sách bảng

1.1 Độ rọi đặc trưng cho đối tượng chiếu sáng 10

2.1 Bảng thiết bị ngoại vi 14

2.2 Bảng thông số STM32 15

2.3 Chân DHT11 18

2.4 Cấu tạo chân của cảm biến đất 19

2.5 Thống kê công suất tiêu thụ khối 3.3V 24

2.6 Thông số kỹ thuật của AMS1117-3.3V 24

2.7 Thông số kỹ thuật của AMS1117-3.3V 25

2.8 Sai số của cảm biến DHT11 31

2.9 Các tập lệnh AT đã sử dụng 34

Mở đầu

Nước ta có điều kiện khí hậu cũng như địa hình thuận lợi cho sự phát nông nghiệp Nông nghiệp cũng đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế nước nhà Tuy nhiên, đứng trước nhu cầu về chất lượng cũng như sản lượng các sản phẩm nông nghiệp nói chung cũng như ngành trồng trọt nói riêng, cần

có sự tham gia hỗ trợ của thiết bị công nghệ Ngoài ra, sự biến đổi khí hậu khiến ngành trồng trọt chịu những ảnh hưởng tiêu cực thấy rõ Việc không kiểm soát được ảnh hưởng của môi trường làm cây trồng mắc bệnh, giảm sản lượng và chất lượng, từ đó giảm giá thành, ảnh hưởng đến nguồn thu của người nông dân, Việt Nam mất chỗ đứng trong thị trường nông nghiệp khu vực và thế giới Từ đó nhận thấy, việc giám sát các thông số môi trường là quan trọng và cần thiết Ở đây chú trọng đến một số thông số có ảnh hưởng lớn tới sinh trưởng của cây trồng như độ ẩm, nhiệt độ, ánh sáng Từ các giá trị đo được, ngoài việc quan sát và đưa ra quyết định chăm sóc cây phù hợp, còn có thể lưu trữ số liệu phục vụ cho nghiên cứu sự biến đổi khí hậu Hiện nay, với sự phát triển công nghệ, các thiết bị cảm biến, vi điều khiển

và các thiết bị truyền thông giá rẻ ra đời, chúng ta hướng đến việc ứng dụng vào môi trường nông nghiệp Với định hướng đó, chúng em thực hiện đề tài Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển trong nông nghiệp Mục đích đề tài là tạo ra sản phẩm chất lượng giá rẻ, hỗ trợ người nông dân trong quá trình sản xuất.

Đồ án chuyên ngành gồm các nội dung chính sau đây:

Mở đầu

Chương 1 :Giới thiệu chung

Chương 2 : Giám sát hệ đo và điều khiển hệ tưới

Chương 3 :Thiết kế thiết bị đo và giám sát

Chương 4 :Giao diện giám sát với Thingspeak

Kết luận và hướng phát triển

Trong quá trình thực hiên đồ án chuyên ngành, chúng em đã đượccủng cố và tiếp thu thêm các kiến thức mới Hơn thế nữa chúng em đãhọc tập và rèn luyện phương pháp làm việc, nghiên cứu một cách chủđộng hơn, linh hoạt hơn, và đặc biệt là phương pháp làm việc theonhóm

Qua đây, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy đã giúp

đỡ chúng em nhiệt tình trong quá trình làm đồ án

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội tháng 7, năm 2020

Chương 1

Đặt vấn đề

1.1 Các yếu tố môi trường chính ảnh hưởng đến cây trồng

Hãy bắt đầu bằng cách khám phá định nghĩa về ‘tăng trưởng’ Khicây trồng của quý vị lớn lên, nó sẽ tăng kích thước, do sự phát triểncủa các tế bào mới và sự mở rộng của các tế bào hiện có Thực vật sẽtăng trưởng khi quang hợp vượt quá nhịp hô hấp của chúng Quanghợp là quá trình diệp lục tố của thực vật, trong đó sử dụng năng lượngánh sáng để chuyển đổi carbon dioxide thành carbohydrate Thực vậtkhi đó sẽ đốt cháy các loại đường này khi cây hô hấp Năng lượngđược giải phóng sẽ cho phép cây phát triển

Sự tăng trưởng tối ưu đòi hỏi sự tăng cường tương xứng của 6 yếu

tố nêu trên Nếu một trong những yếu tố này thấp hơn mức tối ưu,thì tốc độ tăng trưởng của cây có thể bị cản trở

- Cấp nước: sự hấp thụ nước có ý nghĩa rất quan trọng để đảm bảotăng trưởng tối đa Trên hết, cây trồng hấp thụ các chất dinh dưỡngthông qua hệ rễ của nó, dưới dạng độ ẩm Càng nhiều rễ, lượng hấpthu chất dinh dưỡng càng cao Do đó, hãy đảm bảo rằng quý vị duytrì mức độ pH ổn định để ngăn ngừa hư hại cho hệ rễ Khi cây trồng

hạ thấp ngọn xuống, đó có thể là do vấn đề với nguồn cấp nước

- Dinh dưỡng: hầu hết các khối kiến trúc của cây trồng đều hiện diệntrong không khí Bón phân chỉ ảnh hưởng đến tăng trưởng khoảng 6%.Như vậy, đừng sử dụng nhiều phân bón hơn mức cần thiết, bởi điềunày có thể cản trở sự tăng trưởng

- Cường độ ánh sáng: cây phát triển bằng cách đốt cháy đườngglucose Những loại đường này là sản phẩm từ năng lượng ánh sáng(quá trình quang hợp) Do đó, cây trồng cần có đủ ánh sáng Sự pháttriển của rễ đặc biệt bị cản trở nếu thiếu hụt ánh sáng, ngăn cản khảnăng hấp thu chất dinh dưỡng của cây trồng

- Ôxy và CO2 : các cây trồng đều cần đến ôxy để hô hấp Làm ngậpnước sẽ đẩy ôxy ra khỏi đất, dẫn đến thối rễ Ngoài ra, cây trồng cần

khí CO2 để tạo ra glucose, nhưng có rất nhiều thứ đó trong khôngkhí.

- Nhiệt độ : đảm bảo nhiệt độ đất vào khoảng 20oC Nhiệt độ sẽảnh hưởng lớn đến tốc độ tăng trưởng Khi quá cao (trên 30oC )thìquá trình quang hợp sẽ giảm Khi quá thấp thì sự tăng trưởng, tạoquả và ra hoa sẽ chậm lại

- Độ ẩm không khí : khi độ ẩm quá thấp hoặc quá cao, nó có thểcản trở sự phát triển của cây trồng Khi quá cao thì nó sẽ cản trở khảnăng cây trồng để làm bay hơi nước qua lá cây, dẫn đến giảm khảnăng hấp thụ nước và các chất dinh dưỡng qua rễ Nó cũng sẽ làmtăng khả năng gây tác hại của nấm Khi độ ẩm quá thấp, cây trồng

có thể bắt đầu có dấu hiệu bỏng, dẫn đến mất đi diệp lục tố

1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm không khí

Nhiệt độ giới hạn cho sự tồn tại của sinh vật là khoảng −35oC đến+75oC Nhiệt độ cân thiết nhất cho sự sinh trưởng và phát triển củaphần lớn cây trồng nông nghiệp

Ảnh hưởng của nhiệt độ tới sự sinh trưởng cây trồng

Nhiệt độ giới hạn cho sự tồn tại của sinh vật là khoảng −35oC đến+75oC Tuy nhiên, khoảng nhiệt độ thích hợp nhất cho sự sinh trưởng

và phát triển của phần lớn cây trồng nông nghiệp chỉ biến thiên trongkhoảng nhiệt độ hẹp hơn; có thể từ 15-40oC Ở nhiệt độ cao hay thấphơn khoảng giới hạn này thì sự sinh trưởng sẽ bị giảm 1 cách nhanhchóng

Nhiệt độ tối hảo cho sự sinh trưởng khác nhau tùy theo giống hayloài, tùy theo thời gian tác động của nhiệt độ, tuổi cây, thời kỳ pháttriển, và các ngưỡng sinh trưởng riêng biệt được dùng để đánh giákhả năng hoàn thành chu kỳ sống, sự hấp thu nước và dinh dưỡng,

hô hấp, khả năng thấm của màng tế bào, và sự tổng hợp protein Cácảnh hưởng này được phản ảnh bằng sự sinh trưởng của cây trồng.Khả năng sinh trưởng của cây trồng phụ thuộc rất lớn vào tốc độhình thành lá mới, có nghĩa là diện tích quang hợp mới tăng làm ảnhhưởng rất lớn đến tổng quang hợp và sản lượng của cây trồng Vì vậy,tốc độ ra lá và sự phát triển các lá mới và thời gian phát triển củacác giai đoạn sinh trưởng khác nhau của cây đóng góp rất lớn đến sảnlượng của cây trồng

Tiến trình hô hấp và sự thoát hơi nước của cây trồng chịu ảnhhưởng trực tiếp bởi nhiệt độ, các quá trình này giảm khi nhiệt độgiảm và ngược lại Ở nhiệt độ cao, tốc độ hô hấp ban đầu tăng rất

nhanh nhưng sau đó vài giờ thì lại giảm rất nhanh đối với 1 số câytrồng.

Đối với nhiều loại giống cây trồng thì nhiệt độ tối hảo cho quanghợp thấp hơn nhiệt độ tối hảo cho hô hấp Điều này đã được chứngminh là năng suất của các cây trồng lấy tinh bột như bắp và khoaitây, trong các vùng khí hậu mát mẽ cao hơn năng suất các cây này khitrồng trong vùng khí hậu nóng hơn Có thể là trong điều kiện nhiệt

độ cao kéo dài, cây trồng có thể bị mất cân đối trong quá trình tíchlũy chất hữu cơ, bởi vì sự hô hấp tiến hành nhanh hơn quang hợp.Trong điều kiện nhiệt độ cao, sự mất nước do thoát hơi có thể vượtquá lượng nước hấp thu vào, và hậu quả là cây bị héo Sự hấp thunước của rễ cây chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ, trong môi trường nhiệt

độ tăng từ 0oC − 60oC hay 70oC thì sự hấp thu nước của rễ tăng.Nhiệt độ đất thấp cũng có thể ảnh hưởng bất lợi đến sự sinh trưởngcủa cây do ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự hấp thu nước Nếu nhiệt độđất thấp mà sự thoát hơi cao, thì cây trồng có thể bị tổn thương docác mô bị mất nước Ẩm độ đất cũng có thể bị ảnh hưởng do nhiệt độ,thời tiết nóng không bình thường sẽ làm cho sự bốc hơi nước nhanhhơn từ mặt đất

Nhiệt độ cũng gây ảnh hưởng một cách gián tiếp đến sự sinh trưởngcủa cây, do ảnh hưởng của nhiệt độ đến dân số vi sinh vật trong đất

Sự hoạt động của các vi khuẩn chuyển hoá N, cũng như phần lớn sinhvật tự dưỡng, tăng theo sự tăng nhiệt độ pH đất cũng có thể thay đổitheo nhiệt độ, và pH lại ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của cây trồng.Người ta nhận thấy rằng Điều này thường được giải thích là sự hoạtđộng của vi sinh vật trong đất, mang theo sự giải phóng CO2, CO2này kết hợp với nước hình thành carbonic acid (H2CO3) Trong cácđất chua ít thì chỉ 1 sự thay đổi nhỏ về pH cũng có thể ảnh hưởng đếnkhả năng hữu dụng của các chất dinh dưỡng vi lượng như Mn, Zn hayFe

Nhiều nghiên cứu về mối quan hệ giữa năng suất hay sản lượng chấtkhô và nhiệt độ đã được thực hiện Sự hiểu biết về các mối quan hệgiữa nhiệt độ và sự sinh trưởng của cây trồng là rất quan trọng bởi vìkhi trồng 1 cây hay giống nào đó không thích hợp với điều kiện nhiệt

độ trong 1 vùng nào đó sẽ dẫn đến kết quả là tiềm năng năng suất sẽ

bị giảm, và có thể sẽ không có thu hoạch gì cả

Nhiệt độ cũng có thể làm thay đổi thành phần không khí trong đất,

do sự tăng hay giảm sự hoạt động của vi sinh vật trong đất Khi hoạtđộng của vi sinh vật đất tăng, thì hàm lượng CO2 của không khí trongđất tăng và hàm lượng O2 giảm Trong điều kiện mà sự khuếch tán

của các khí trong đất bị hạn chế, thì việc giảm hàm lượng O2 có thểảnh hưởng đến tốc độ hô hấp của rễ cây, và vì thế ảnh hưởng đến khảnăng hấp thu dinh dưỡng của rễ.

1.3 Ảnh hưởng của độ ẩm đất

Nước là yếu tố vô cùng quan trọng cho sự phát triển của cây trồng.Cây trồng sống và phát triển được nhờ chất dinh dưỡng trong đất vàđược nước hòa tan, đưa lên cây qua hệ thống rễ Nước giúp cây trồngthực hiện các quá trình vận chuyển các chất khoáng trong đất giúpđiều kiện quang hợp, hình thành sinh khối tạo nên sự sinh trưởng củacây trồng

Vì vậy trong đất cần có một độ ẩm thích hợp để cây trồng hút được

dễ dàng Đất ngập úng hay thiếu nước đều ảnh hưởng không tốt cho

sự sinh trưởng của cây trồng Cây trồng bị ngập nước dẫn đến các

tế bào rễ không hô hấp được Nên không cung cấp đủ oxy cho hoạtđộng của các tế bào rễ cùng với việc tích lũy các chất độc hại Do đó,

sẽ làm chết đi các lông hút ở rễ, không thể hình thành được lông hútmới Cây không thể hút nước nên lâu ngày sẽ dẫn đến héo và chết cây.Cây yêu cầu đất phải có độ ẩm thích hợp Đảm bảo sức giữ nước củađất luôn luôn bé hơn sức hút nước của cây và đất có tính thấm nướctốt để độ ẩm đó nhanh chóng chuyển đến cung cấp cho cây trồng Độ

ẩm đất thích hợp trong tầng đất bộ rễ hoạt động thay đổi theo yêucầu sinh lý của từng loại cây trồng Qua các thời kỳ sinh trưởng khácnhau đối với cây trồng cạn

Giới hạn trên của độ ẩm thích hợp thường trùng với độ chứa ẩmtối đa của đất Phụ thuộc vào thành phần cơ giới và kết cấu đất, nằmtrong phạm vi từ 70 – 85% Giới hạn dưới thích hợp dao động xungquanh độ ẩm 60 – 70% độ chứa ẩm tối đa của đất

Lượng nước tưới cần tăng theo quá trính sinh trưởng Đat đến mứctối đa khi cây có khối lượng thân lá lớn nhất nhưng khác nhau tùytheo loại cây trồng:

- Những cây lấy hạt nhu cầu nước nhiều nhất ở thời kỳ hìnhthành các cơ quan sinh sản

- Những loại cây lấy củ nhu cầu nước nhiều nhất ở thời kỳ pháttriển củ Ở thời kỳ này, cây tiêu thụ nước với hiệu suất tích lũy chấtkhô cao nhất Và nước đóng vai trò quyết định đến năng suất cuốicùng

- Cây rau yêu cầu nước nước trong suốt quá trình sinh trưởng

Hình 1.1: Cây và rễ

Tưới nước còn ảnh hưởng đến hoạt động sinh học trong đất Độ ẩmđất thích hợp cho các vi sinh vật hoạt động gần với giới hạn nhiệt độcần thiết cho cây trồng

Ở độ ẩm cây héo thì hoạt động của vi sinh vật bị trì trệ Độ ẩm 80đến 95% của sức chứa ẩm tối đa đồng ruộng là giới hạn thích hợp chonấm và xạ khuẩn hoạt động Vi khuẩn phân giải Cellulose cũng hoạtđộng mạnh ở giới hạn độ ẩm 85 – 90 % độ chứa ẩm tối đa Độ ẩmcòn ảnh hưởng hoạt động của vi khuẩn nốt sần, Trong vùng khô hạn,nốt sần của rễ cây họ đậu gần như không hoạt động được Nhưng tưới

đủ ẩm thì quá trình này tiến hành bình thường Dinh dưỡng đạm củacây trồng được tăng cường hơn

Nước quan trọng cho cây trồng là như thế nên cần có kế hoạch xácđịnh thời điểm tưới cây cho phù hợp bằng cách định kỳ theo dõi độ

ẩm đất ở khu trồng trọt (thường từ 3 – 5 ngày) Nếu độ ẩm xuốnggần tới độ ẩm giới hạn dưới là lúc đó cần phải tưới nước Việc kiểmtra độ ẩm này được xác định rất dễ dàng qua việc hỗ trợ các thiết bịchuyên đo pH và độ ẩm đất DM-15, DM-5 là hai dòng máy của hãngTakemura – Nhật Bản Những dòng máy như trên sử dụng rất đơngiản, tiện lợi, đo nhanh, độ chính xác cao nên rất đươc khách hàngtin dùng

Một số biện pháp giữ độ ẩm thích hợp cho đất trồng cây:

- Áp dụng phương pháp tưới phù hợp cho từng loại cây trồng

- Trồng cây phủ đất để giữ ẩm, hạn chế rửa trôi phân bón, cungcấp chất dinh dưỡng cho cây trồng

- Sử dụng các thiết bị chuyện biệt để thường xuyên kiểm tra độ ẩmđất Nhất là vào mùa khô để kịp thời tưới nước, chống hạn cho cây.Đặc biệt, ở các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long vào mùa xâm nhậpmặn Cần thêm thiết bị kiểm tra độ mặn nước tưới cây để điều chỉnhlượng nước tưới cho phù hợp: bón lượng nước nhiều hơn mức bìnhthường để vừa cung cấp nước cho cây và vừa rửa mặn.

1.4 Ảnh hưởng của ánh sáng

Năng lượng ánh sáng mặt trời là 1 yếu tố rất có ý nghĩa trong sựsinh trưởng và phát triển của cây trồng Chất lượng, cường độ, vàthời gian chiếu sáng là các thông số quan trọng Ánh sáng trong ngàyquang mây là 1 chỉ thị hữu dụng của lượng năng lượng mặt trời cungcấp cho các quá trình sinh lý bên trong cây

Các giá trị đối với từng thời kỳ sinh trưởng của cây lương thực vàcây ăn quả cho thấy là tiềm năng năng suất cao nhất đối với cây trồngnày là gần 40o vĩ độ, 1 vùng chạy dài từ đông sang tây Các nghiêncứu về ảnh hưởng của chất lượng ánh sáng đến sự sinh trưởng của câycho thấy rằng toàn bộ phổ của ánh sáng mặt trời thường thoả mãnđược sự sinh trưởng của cây trồng Mặc dù chất lượng ánh sáng đượcbiết là có ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của cây trồng, nhưng dườngnhư đây là yếu tố con người không thể kiểm soát được trong tương laitrên 1 diện rộng

Hình 1.2: Ảnh hưởng của ánh sáng

Những nghiên cứu cũng cho thấy rằng thông thường cây trồng cókhả năng đạt được sự sinh trưởng tốt khi lượng ánh sáng thấp hơnlượng ánh sáng của ban ngày hoàn toàn quang mây Tuy nhiên, cáccây khác nhau có sự đáp ứng với cường độ ánh sáng khác nhau.Những sự thay đổi cường độ ánh sáng gây ra do che bóng có thểtạo ra ảnh hưởng đáng kể đến sự sinh trưởng của cây trồng Với mật

độ cây trồng cao, ánh sáng xuyên qua các vị trí bên dưới trong táncây có thể không đủ cho các lá bên dưới để tiến hành quang hợp

Sự che bóng của cây trồng cũng có thể xảy ra khi trồng xen 2 loàicây khác nhau, cân bằng sự sinh trưởng giữa các loại cây là vấn đềquan trọng trong quản lý cây trồng Sự phát triển không đồng đềuthường xảy ra trong vườn cây hay trong một ruộng trồng Điều nàyphần lớn là do sự canh tranh dinh dưỡng và nước, mặc dù cường độánh sáng bị giảm cũng là 1 yếu tố quan trọng giải thích hiện tượngnày

Những nghiên cứu của các nhà khoa học Nhật dùng lúa mì làm câythử nghiệm cho thấy rằng sự hấp thu NH4+, SO42- và nước tăng khicường độ ánh sáng tăng, nhưng sự hấp thu Ca2+ và Mg2+ ít bị ảnhhưởng Cường độ ánh sáng có ảnh hưởng rất đáng kể đến sự hấp thu

P và K Người ta cũng nhận thấy rằng sự hấp thu O2 của rễ cũngtăng theo cường độ ánh sáng

1.5 Các đại lượng ánh sáng cơ bản

Ánh sáng

Ánh sáng là chữ phổ thông dùng để chỉ các bức xạ điện từ có bướcsóng nằm trong vùng quang phổ nhìn thấy được bằng mắt thường củacon người (tức là từ khoảng 380 nm đến 760 nm), còn gọi là vùng khảkiến Giống như mọi bức xạ điện từ, ánh sáng có thể được mô tả nhưnhững đợt sóng hạt chuyển động gọi là photon

Nguồn sáng là vật thể có khả năng phát ra ánh sáng Có hai loạinguồn sáng: sơ cấp và thứ cấp

Nguồn sáng những vất có thể tự phát ra anh sáng Nguồn sánh cóthể thiên nhiên như mặt trời, ngôi sao hay cũng có thể do người tạo

ra như sợi dây bóng đèn , đèn cầy Những nguồn này gọi là nguồn sơcấp vì chúng tự làm sáng

Vật nào mà bị một nguồn sáng chiếu tới cũng phát ra một phần ánhsáng nó nhận được thì đưọc gọi là nguồn sơ cấp Thí dụ mặt trăng là

Góc khối là một khái niệm được sử dụng trong Toán học và Vật lý

để nói tới các góc trong không gian ba chiều tương ứng giữa một vậtthể với một điểm cho trước, nó tương tự với khái niệm góc sử dụngcho mặt phẳng hai chiều Góc khối được sử dụng để ước lượng độ lớncủa vật thể tính từ một điểm quan sát cho trước, ví dụ một vật thểnhỏ nhưng được đặt gần điểm quan sát vẫn có thể có góc khối lớn hơnmột vật thể có kích thước lớn nhưng được đặt xa điểm quan sát Góckhối thường được ký hiệu là Ω, đơn vị SI của nó là steradian (ký hiệu

"Sr") Góc khối được tính như sau:

Ω = S

R2

Trong đó: S, R là diện tích và bán kính mặt cầu Góc khối của cảmặt cầu: Ω = 4π (Sr).

Quang phổ

Quang thông là đại lượng trắc quang cho biết công suất bức xạ củachùm ánh sáng phát ra từ một nguồn sáng, hoặc định nghĩa khác củaquang thông là lượng ánh sáng phát ra từ một nguồn sáng theo mọihướng trong một giây Quang thông có ký hiệu là φ, đơn vị lumen(lm)

Thông lượng của quang năng của nguồn sáng mà mắt người có thểnhận biết được:

Hình 1.5: Hàm độ rõ của ánh sáng có bước sóng λ mà mắt có thể cảm nhận được

Cường độ ánh sáng

Cường độ ánh sáng (ký hiệu: I, đơn vị: Candela (Cd)) là một thông

số để xác định năng lượng phát ra từ một nguồn sáng theo một hướng

cố định Cường độ ánh sáng theo phương OA là thông lượng quangnăng ánh sáng trong một góc khối, đặc trưng cho độ sáng của nguồnsáng

Bảng 1.1: Độ rọi đặc trưng cho đối tượng chiếu sáng E(lx) Đối tượng

0.25 Đêm trăng rằm

20 Nhìn rõ mặt người 20-50 Lối đi

100-200 Phòng làm việc không liên tục 200-500 Công việc bằng mắt liên tục

1000 Trời nhiều mây 10-10 000 Cây xà lách sinh trưởng

100 000 Độ rọi giữa trưa nắng

Hình 1.6: Cường độ ánh sáng theo phương OA

Độ rọi (ký hiệu: E, đơn vị: Lux (lx))là quang thông trên một đơn vịdiện tích, đó là đơn vị biểu thị độ sáng tại một điểm Đặc trưng chođối tượng được chiếu sáng

Hình 1.7: Liên hệ độ rọi với cường độ ánh sáng và độ chói

Độ rọi trưng bình của một số nguồn sáng và vị trí đo nguồn sángđặc trưng trong thực tế được cho trong bảng.

Ánh sáng cho quá trình trao đối chất của cây xà lách tối đa tươngđương độ rọi khoảng 10.000 lux [4]

Hiệu suất phát quang

Hiệu suất phát quang (hay hiệu suất chiếu sáng) là chỉ số thể hiệnhiệu suất chuyển đổi điện năng thành quang năng của đèn.Hiệu suấtchiếu sáng được tính bằng chỉ số quang thông chia cho công suất tiêuthụ của đèn Đơn vị đo lường là lumen/watt viết tắt là lm/w

η = φPĐèn có hiệu suất chiếu sáng, phát quang cao tức là với cùng mứcnăng lượng tương đương nhưng khả năng chuyển đổi từ năng lượngsang ánh sáng của đèn lớn Vì vậy tiêu thụ ít điện năng hơn Do vậyhiệu suất chiếu sáng, phát quang của đèn càng cao tức là đèn càngtiết kiệm điện

Hiệu suất chiếu sáng, cho biết khả năng chuyển đổi điện năng thànhquang năng của đèn

Hiệu suất phát quang càng cao chứng tỏ năng lượng được chuyểnđổi thành quang năng càng lớn

Dựa vào chỉ số hiệu suất chiếu sáng, hiệu suất phát quang mà tabiết được loại đèn mình đang sử dụng có tiết kiệm năng lượng haykhông để có phương án thay thế sử dụng loại đèn khác hợp lý hơn

Chương 2

Thiết kế hệ thống đo và giám sát

2.1 Cấu trúc hệ thống

Hình 2.1: Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống

Thiết bị được sử dụng trong các khối:

- Khối điều khiển trung tâm: vai trò quan trọng trong hệ thống,nhận dữ liệu từ cảm biến và xử lý, thực hiện truyền thông

- Cảm biến: chuyển đổi các đại lượng vật lý như độ ẩm, ánh sáng,nhiệt độ về dạng tín hiệu số, đưa về bộ xử lý trung tâm

- Hiển thị : hiển thị các thông số đo được để người dùng quan sát

- Cơ cấu chấp hành: thực hiện các chỉ thị tử khối xử lý, tác độnglàm thay đổi các thông số như đèn, van bơm

- Truyền thông: Khối truyền thông có chức năng cung cấp kết nốimạng từ thiết bị thu thập dữ liệu cục bộ tới các cấp trên, cụ thể làcho phép kết nối để truyền dẫn dữ liệu từ thiết bị tới Webserver

- Web Server : lưu trữ dữ liệu trên nền tảng số

- Khối nguồn: Cung cấp năng lượng hoạt động cho hệ thống

- BH1750 đảm nhận chức năng của khối “Đo cường độ ánh sáng”.

- ESP8266V1 đảm nhận chức năng của khối “Truyền thông Wifi”

- LCD 16x2 đảm nhận chức năng của khối: “Màn hình hiển thị LCD”

- Adapter 5V-1A đảm nhận chức năng của khối “Nguồn cung cấp”

- Relay đảm nhận chức năng điều khiển on-off cơ cấp chấp hànhcủa khối “Cơ cấu chấp hành”

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều dòng vi điều khiển khác nhaunhư PIC, STM, AVR, 8051, Raspberry, Arduino Tất cả đều có thểđáp ứng được yêu cầu đặt ra nhưng nhóm chọn STM vì nó có những

ưu điểm sau:

- Giá thành rẻ, dễ sử dụng

- Kích thước nhỏ gọn

- Là dòng vi điều khiển mã nguồn mở, có nhiều thư viện hổ trợcho các module chức năng khác nhau, trình biên dịch đơn giản, dễ sửdụng

Hình 2.2: Hình ảnh chip STM32F103C8T6:

STM32 là một trong những dòng chip phổ biến của ST với nhiều

họ thông dụng như F0,F1,F2,F3,F4 STM32F103 thuộc họ F1 với

lõi là ARM COTEXM3 STM32F103 là vi điều khiển 32 bit, tốc độtối đa là 72Mhz Giá thành cũng khá rẻ so với các loại vi điều khiển

có chức năng tương tự Mạch nạp cũng như công cụ lập trình khá đadạng và dễ sử dụng

Hình 2.3: Sơ đồ chân chip STM32F103C8T6

Bảng 2.1: Bảng thiết bị ngoại vi

Module soil moisture sensor ADC

Một số ứng dụng chính của vi điều khiển: dùng cho driver để điềukhiển ứng dụng, điều khiển ứng dụng thông thường, thiết bị cầm tay,máy tính và thiết bị ngoại vi chơi game, GPS cơ bản, các ứng dụngtrong công nghiệp, thiết bị lập trình PLC, biến tần, máy in, máy quét,

hệ thống cảnh báo, thiết bị liên lạc nội bộ

Phần mềm lập trình: có khá nhiều trình biên dịch cho STM32 nhưIAR Embedded Workbench, Keil C, MXcube IDE Ở đồ án này em

sử dụng Keil C V5

Bảng 2.2: Bảng thông số STM32

Datasheets STM32F103x(8,B) Datasheet

Product Training Modules KIT STM32

Featured Product STM32 32-bit Cortex MCUs

Standard Package 250

Category Integrated Circuits (ICs)

Connectivity CAN, I2C, IrDA, LIN, SPI, UART/USART, USB

Peripherals DMA, PWM, PDR, POR, PVD, PWM, WDT

Program Memory Size 64KB (64K x 8)

Program Memory Type FLASH

Voltage - Supply (Vcc/Vdd) 2 V 3.6 V

Data Converters A/D 10x12b

Oscillator Type Internal

vi và cũng dễ hiểu rõ bản chất của lập trình

STM32CubeMX là một phần mềm được cung cấp miễn phí giúp íchcho việc cấu hình ngoại vi, clock, tính toán dòng tiêu thụ, tạo projectvới nhiều dòng chip ARM STM32 Việc tạo project trở nên đơngiản bằng việc lựa chọn các ngoại vi cần thiết, cấp lock tùy chỉnh màkhông cần liên quan đến code

Việc tạo project với thư viện chuẩn (standard library) là khá khókhăn vì cần nhiều bước để tạo ra project mới STM32CubeMX ra đờinhư một lựa chọn để thay thế điều đó, với giao diện trực quan chúng

ta sẽ dể dàng lập trình và có cái nhìn tổng quan hơn

Thư viện đi kèm với phần mềm này là STM32Cube HAL, gọi tắt làthư viện HAL, bộ thư viện này được chuẩn hóa, giúp đồng nhất giữacác dòng F0,F1,F2,F3,F4 Nhà sản xuất cũng cung cấp đầy đủ các

ví dụ mẫu đi kèm với thư viện này Cách tốt nhất để tự học là tự tìmhiểu các ví dụ mẫu này

Mạch nạp: có khá nhiều loại mạch nạp như: ULINK, J-LINK,CMSIS-DAP, STLINK Em sử dụng Stlink vì giá thành khá rẻ vàkhả năng debug lỗi tốt.

Mạch thu phát Wifi ESP8266 UART ESP-01S Ai-Thinker được sảnxuất bởi Ai-Thinker sử dụng IC Wifi SoC ESP8266 của hãng Espressif,được sử dụng để kết nối với vi điều khiển thực hiện chức năng truyềnnhận dữ liệu qua Wifi, mạch có thiết kế nhỏ gọn, sử dụng giao tiếpUART, ESP-01S được sử dụng trong các ứng dụng IoT và điều khiểnthiết bị qua Wifi, Mô-đun nhỏ này cho phép các bộ vi điều khiểnkết nối với mạng Wi-Fi và thực hiện các kết nối TCP/IP

Hình 2.4: Module Wifi ESP8266 V1

- Model: ESP8266 UART ESP-01S Ai-Thinker

- Hỗ trợ cả 2 giao tiếp TCP và UDP

- Chuẩn giao tiếp UART với Firmware hỗ trợ bộ tập lệnh AT mand, tốc độ Baudrate mặc định 9600 hoặc 115200

Com Có 3 chế độ hoạt động: Client, Access Point, Both Client andAccess Point

- Kích thước: 24.8 x 14.3mm

Hình 2.5: Sơ đồ chân ESP8266 V1

Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11 bao gồm cảm biến nhiệt độ và

độ ẩm phức tạp với một đầu ra tín hiệu kỹ thuật số hiệu chuẩn.Bằng cách sử dụng thu nhận tín hiệu số độc quyền kỹ thuật và côngnghệ cảm biến nhiệt độ và độ ẩm, nó đảm bảo độ tin cậy cao và ổnđịnh lâu dài tuyệt vời

Hình 2.6: Cảm biến DHT11

Cảm biến này bao gồm đo độ ẩm kiểu điện trở thành phần và thànhphần đo nhiệt độ NTC, và kết nối với bộ vi điều khiển 8 bit có hiệu

suất cao, mang lại chất lượng tuyệt vời, phản ứng nhanh, chống nhiễukhả năng và hiệu quả chi phí.

- Bộ chuyển đổi tín hiệu độ ẩm theo nguyên lý trở kháng type)

(resistive Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ sử dụng nhiệt điện trở bán dẫnloại NTC (điện trở giảm khi nhiệt độ tăng và ngược lại)

- Bộ xử lý số 8bit để số hóa kết quả đo và giao tiếp với khối xử lýtrung tâm (host MCU bên ngoài)

Hình 2.7: Cấu tạo DHT11

Các thông số hiệu chuẩn (Calibration) của DHT11 được lưu trữtrong vùng nhớ OTP và được bộ xử lý số sử dụng để xử lý kết quảtrong suốt quá trình thực hiện phép đo Việc cảm biến có kích thướcnhỏ gọn và sử dụng chuẩn giao tiếp một dây giúp tích hợp dễ dàng vàtiết kiệm tài nguyên cho khối xử lý trung tâm (MCU) Ngoài ra, theonhà sản xuất, nó còn có khả năng trao đổi dữ liệu trong khoảng cáchlên tới 20m

Bảng 2.3: Chân DHT11 Chân Kí hiệu Chú thích

- Dải nhiệt độ đo: 0 ->50oC với độ chính xác là ±2oC

- Dải độ ẩm đo: 20 -> 80% với độ chính xác là 5%

- Kích thước: 15.5mm x 12mm x 5.5mm

- Tần số lấy mẫu: 1Hz , nghĩa là 1 giây DHT11 lấy mẫu một lần