ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNGKHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG ĐỒ ÁN CƠ SỞ 5 ĐỀ TÀI: ÁP DỤNG IOT HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG

LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay khoa học công nghệ ngày càng phát triển, vi điều khiển ngày càng thôngdụng hơn, sự xuất hiện của Arduino đã hỗ trợ cho con người rất nhiều trong lập trình và thiết k

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG



-ĐỒ ÁN CƠ SỞ 5

ĐỀ TÀI:

ÁP DỤNG IOT HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG

Sinh viên thực hiện : LÊ ĐỨC HÒA

NGUYỄN HỮU KHÁNH

Lớp : 17CE

Giảng viên hướng dẫn: Th.S HÀ THỊ MINH PHƯƠNG

Đà nẵng, tháng 06 năm 2020

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

ĐỒ ÁN CƠ SỞ 5

ÁP DỤNG IOT HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG

Đà Nẵng, tháng 06 năm 2020

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay khoa học công nghệ ngày càng phát triển, vi điều khiển ngày càng thôngdụng hơn, sự xuất hiện của Arduino đã hỗ trợ cho con người rất nhiều trong lập trình

và thiết kế, nhất là đối với những người bắt đầu tìm tòi về vi điều khiển mà không cóquá nhiều kiến thức, hiểu biết sâu sắc về vật lý và điện tử Phần cứng của thiết bị đãđược tích hợp nhiều chức năng cơ bản và là mã nguồn mở Ngôn ngữ lập trình trên nềnJava lại vô cùng dễ sử dụng tương thích với ngôn ngữ C và hệ thư viện phong phú vàđược chia sẻ miễn phí Chính vì những lý do như vậy nên arduino hiện đang dần phổbiến và được phát triển ngày càng mạnh mẽ trên toàn thế giới

Trên cơ sở kiến thức đã học trong môn học: Tin học đại cương, vi điều khiển…Cùngvới những hiểu biết về các thiết bị điện tử, em đã quyết định thực hiện đề tài: Thiết kế

hệ thống tưới cây tự động do Hà Thị Minh Phương hướng dẫn Đề tài gồm các nội

dung sau:

Phần 1 Giới thiệu tổng quan về tưới cây tự động

Phần 2 Thiết bị, tính năng của Arduino

Phần 3 Thiết kế, lập trình, lắp đặt mạch

Phần 4 Kết luận và hướng phát triển

NHẬN XÉT

(Của giảng viên hướng dẫn)

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian thực hiện đề tài với nội dung nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệthống tưới cây tự động, chúng em đã cố gắng vận dụng những kiến thức đã học ở

trường, cũng như thực tệ Cùng với sự giúp đỡ của cô Hà Thị Minh Phương, cho tới

nay đã hoàn thành yêu cầu của đề tài Đó là nghiên cứu, thiết kế và thực thi chế tạomạch điều khiển của hệ thống tưới cây tự động hoàn thiện

Chúng em xin chân thành cảm ơn cô Hà Thị Minh Phương đã tận tình chỉ bảo

và giúp đỡ em hoàn thành đề tài nghiên cứu Do kiến thức còn hạn chế trong quá trìnhthực hiện đề tài nghiên cứu chúng em không tránh khỏi những sai xót mong quý thầy

cô trong hội đồng thi chỉ dẫn, bỏ qua và giúp đỡ em Chúng em rất mong được sự giúp

đỡ của quý thầy cô và các bạn để nội dung để tài này ngày càng hoàn thiện hơn

Giảng viên hướng dẫn Sinh viên thực hiện

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TƯỚI CÂY 3

1.1 Khái niệm về hệ thống tưới cây 3

1.2 Vai trò của tự dộng hóa trong quá trình sản xuất 3

1.3 Ứng dụng của tự động hóa trong quá trình sản xuất 3

2.1 Các thiết bị 4

2.2 Ardunio Uno 5

2.2.1 Một vài thông số của Arduino UNO R3 5

2.2.2 Vi điều khiển 6

2.2.3 Năng lượng 6

2.2.4 Các cổng vào/ra 7

2.2.5 Lập trình cho Arduino 9

2.3 Module relay 1 kênh 5v 10

2.3.1 Định nghĩa 10

2.3.2 Phân loại Các loại rơ-le và cách xác định trạng thái của nó 10

2.3.3 Thông số của một module relay 11

2.3.4 Cách sử dụng Relay 11

2.4 Module ESP8266 v1 12

2.4.1 Mô Tả 12

2.4.2 Thông tin kỹ thuật 12

Chương 3 PHÂN TÍCH THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH, LẮP ĐẶT 15

3.1 Các bước lắp đặt 15

3.2 Nguyên lý hoạt động 15

3.3 Phần viết chương trình 16

Chương 4 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 18

TÀI LIỆU THAM KHẢO 19

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Nền nông nghiệp của nước ta là nền nông nghiệp vẫn lạc hậu cũng như chưa cónhiều ứng dụng khoa học kĩ thuật được áp dụng vào thực tế Rất nhiều quy trình kĩthuật trồng trọt, chăm sóc được tiến hành một cách chủ quan và không đảm bảo đượcđúng yêu cầu Có thể nói trong nông nghiệp ngoài những kĩ thuật trồng trọt, chăm sócthì tưới nước là một trong các khâu quan trọng nhất trong trồng trọt, để đảm bảo câysinh trưởng và phát triển bình thường, tưới đúng và tưới đủ theo yêu cầu nông học củacây sẽ không sinh sâu bệnh, hạn chế thuốc trừ sâu cho sản phẩm an toàn, đạt năng suấtcao, hiệu quả cao

Ngoài ra trên những tuyến phố ở khu vực trung tâm thành phố chúng ta vẫn bắtgặp các hình ảnh các xe bồn chở nước tưới cây dọc đường gây ùn tắc, mất an toàn giaothông

Mặt khác hiện nay nước ta đang trong giai đoạn công nghiệp hóa, hiện đại hóacác thiết bị máy móc tự động được đưa vào phục vụ thay thế sức lao động của conngười Vì thế thiết bị tưới cây đang được nghiên cứu, thiết kế, chế tạo đưa vào thựctiễn ngày được áp dụng nhiều Thiết bị tưới cũng rất đa dạng về chủng loại Việc tínhtoán để lựa chọn thiết kế hệ thống tưới đáp ứng được nhu cầu tưới nước theo nông họccây trồng và phù hợp với điều kiện kinh tế cũng như thời tiết nhiệt đới gió mùa ở nước

ta Hệ thống tưới đáp ứng độ ẩm cho cây phát triển tốt, tiết kiệm nước tạo điều kiệncho cây hấp thụ dinh dưỡng không gây rửa trôi, thoái hóa đất, không gây ô nhiễm môitrường Hệ thống tưới nước tự động có thể kết hợp với bón phân, phun thuốc Hơn thếnữa, với việc thiết kế một hệ thống tưới cây tự động sẽ giúp con người không phải tướicây, tự động tùy theo độ ẩm cao hay thấp trong mùa Tất cả các điều kiện đó sẽ đượcđưa vào hệ thống để phù hợp tưới cây và chính xác hơn

2 Lý do chọn đề tài

Hệ thống tưới nước tự động là hệ thống thiết bị tưới nước tốt nhất đáp ứng theoyêu cầu sinh trưởng cây trồng đang được ứng dụng rộng trên các nước phát triển Hệthống tưới nước tự động là một hình thức tưới nước hợp lý, tiết kiệm sức lao động vàchi phí nhân công Hệ thống tưới nước tự động cũng trở nên phổ biến hơn với nông

1

dân ở nông thôn cùng với quá trình hiện đại hóa nông nghiệp nông thôn nhưng khôngphải người dân nào cũng mạnh dạn đưa vào sử dụng.

Kỹ thuật điện tử phát triển nhanh chóng được ứng dụng vào trong nhiều lĩnh vực:công nghiệp, giao thông vận tải, hàng không vũ trụ…Các thiết bị điều khiển tự độnggiữ vai trò cực kỳ quan trọng góp phần lớn cho sự tiến bộ không ngừng của các lĩnhvực này Nghành nông nghiệp nước ta hiện nay còn phụ thuộc nhiều vào khí hậu, do

đó cần các thiết bị kĩ thuật tiên tiến có khả năng đo đạc và điều khiển các thông sốnhư: độ ẩm, chất dinh dưỡng,…Một cách hợp lý từ những vấn đề thực tiễn đó chúng

em đã nghiên cứu và tiến hành thiết kế: “Hệ Thống Tưới Cây Tự Động Theo Độ Ẩm”

3 Mục đích nghiên cứu

Vận dụng kiến thức đã học để nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình hệ thốngtưới cây tự động điều khiển qua smartphone, từ đó đưa vào thực tiễn Giúp cho việctưới tiêu cây trồng ở nước ta có những phương pháp mới và đạt hiệu quả cao

4 Kết cấu

- Tổng quan về đề tài

- Giới thiệu các linh kiện sử dụng trong mạch điều khiển

- Thiết kế hệ thống tưới nước tự động

- Kết quả và định hướng phát triển

5 Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện nội dung đề tài nghiên cứu, em đã tiến hành phương pháp nghiên cứunhư sau:

- Kế thừa công trình nghiên cứu của hệ thống tưới cây về cơ sở lý thuyết của cácphần mềm lập trình

- Kế thừa các công trình có trong thực tiễn

2

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TƯỚI CÂY

1.1 Khái niệm về hệ thống tưới cây

Hệ thống điều khiển tự động bao gồm các phần tử tự dộng qua điện thoại nhằmđiều khiển các quá trình xảy ra trong thiên nhiên, cuộc sống mà không có sự tham giacủa con người

Hệ thống tưới cây tự động :

- Tưới cây khi cây có độ ẩm không phù hợp để cây phát triển qua điệnthoại

- Hệ thống sẽ được bấm tắt/bật khi cây đủ nước

- Có hiển thị độ ẩm lên app Blink

1.2 Vai trò của tự dộng hóa trong quá trình sản xuất

Lịch sử hoạn thiện của công cụ, phương tiện sản xuất phát triển trên cơ sở cơgiới hóa Khi có những đột phá mới trong lĩnh vực công nghệ vật liệu và tiếp theo làđiện tử tin học thì công nghệ tự động có cơ hội phát triển mạnh mẽ, đem lại lợi ích vàothực tiễn cho xã hội Đó là mẫu chốt của năng suất, chất lượng

Trong một tương lai gần tự động hóa sẽ đóng vai trò vô cùng quan trọng vàkhông thể thiếu, bởi vì nó không chỉ ứng dụng trong sản xuất mà còn áp dụng đờisống con người Trong sản xuất nó thay thế con người những công việc nặng nhọc,nguy hiểm, hộc hại,…Nó sẽ là phương tiện không thể thiếu trong đời sống chúng ta

1.3 Ứng dụng của tự động hóa trong quá trình sản xuất

Tự động hóa từ lâu đã được ứng dụng trong việc tưới tiêu, song nó chỉ phát triển ởmột số nước phát triển, còn đối với các nước phát triển tuy nên nông nghiệp chiếm tỉ lệlớn nhưng việc ứng dụng tự động hóa cho việc tưới cây vẫn còn đưa dần tự động hóavào đời sống và sản xuất, đặc biệt là các nước đông nam á trong đó có Việt Nam Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ chế tạo thiết bị tự động hóa,kết hợp với những thành tựu trong công nghệ vi điều khiển, công nghệ thông tin, đãcho phép tạo nên một giải pháp tự động hóa trong mọi lĩnh vực Có thể nói tự độnghóa trở thành xu thế tất yếu cho mọi lĩnh vực cho bất kì quốc gia nào

4

Chương 2 THIẾT BỊ VÀ TÍNH NĂNG CỦA ARDUINO

Chương 2 Các thiết bị

- 1 Ardunio Uno

- 1 module cảm biến độ ẩm dất

- 1 module relay 1 kênh 5v

- 1 máy bơm nước chìm mini

Chương 3 Ardunio Uno

Nhắc tới dòng mạch Arduino dùng để lập trình, cái đầu tiên mà người ta thường nóitới chính là dòng Arduino UNO Hiện dòng mạch này đã phát triển tới thế hệ thứ 3(R3)

Hình 2.2 Arduino UNO R3

3.1 Một vài thông số của Arduino UNO R3

Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)

Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC

Điện áp vào giới hạn 6-20V DC

Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)

Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA

3.2 Vi điều khiển

Hình 2.3 Vi điều khiển

Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8,ATmega168, ATmega328 Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điềukhiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đonhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,… hay những ứng dụng khác

3.3 Năng lượng

Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn ngoàivới điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V Thường thì cấp nguồnbằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu bạn không có sẵn nguồn từ cổng USB Nếu cấpnguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, sẽ làm hỏng Arduino UNO

Các chân năng lượng:

 GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi bạn dùng

các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải đượcnối với nhau

 5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.

 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA

 Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cựcdương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND

 IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được đo

ở chân này Và dĩ nhiên nó luôn là 5V Mặc dù vậy bạn không được lấy nguồn5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn

 RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương vớiviệc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ

7

3.4 Các cổng vào/ra

Hình 2.4 Các cổng ra/vào của Arduino

Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Chúng chỉ có 2 mứcđiện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA Ở mỗi chân đều cócác điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328 (mặc địnhthì các điện trở này không được kết nối)

Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:

 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive

– RX) dữ liệu TTL Serial Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thôngqua 2 chân này Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm na chính là kết nốiSerial không dây Nếu không cần giao tiếp Serial, bạn không nên sử dụng 2chân này nếu không cần thiết

 Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ

phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàmanalogWrite() Nói một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnh được điện áp ra ởchân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như nhữngchân khác

8

 Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoài các

chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giaothức SPI với các thiết bị khác

 LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) Khi bấm

nút Reset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu Nó được nối với chân số

13 Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng

 Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V Với

chân AREF trên board, bạn có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng

các chân analog Tức là nếu bạn cấp điện áp 2.5V vào chân này thì bạn có thểdùng các chân analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phângiải vẫn là 10bit

Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác

9

3.5 Lập trình cho Arduino

Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino được lập trình bằng ngôn riêng Ngônngữ Arduino bắt nguồn từ C/C++ phổ biến hiện nay do đó rất dễ học, dễ hiểu Để lậptrình cũng như gửi lệnh và nhận tín hiệu từ mạch Arduino, nhóm phát triển dự án này

đã cũng cấp đến cho người dùng một môi trường lập trình Arduino được gọi là

Arduino IDE (Intergrated Development Environment) như hình dưới đây.

Hình 2.5 Mã nguồn điều khiển một đèn LED nhấp nháy chu kì 1 giây

Nền tảng Arduino thật sự rất hữu ích cho những ai đang và muốn tìm hiểu về điện tử, lập trình, điều khiển, đặc biệt là robot Với nền tảng này, nhóm chúng em đã lậptrình cho hệ thống tưới cây tự động

10

Chương 4 Module relay 1 kênh 5v

Định nghĩa

Rơ-le là một công tắc (khóa K) Nhưng khác với công tắc ở một chỗ cơ bản,

rơ-le được kích hoạt bằng điện thay vì dùng tay người Chính vì lẽ đó, rơ-rơ-le được dùng

làm công tắc điện tử! Vì rơ-le là một công tắc nên nó có 2 trạng thái: đóng và mở

Hình 2.6 Một module relay kiểu mẫu

Phân loại Các loại rơ-le và cách xác định trạng thái của nó

a Module rơ-le đóng ở mức cao (nối cực dương vào chân tín hiệu rơ-le sẽ đóng)

Hình 2.7 Module rơ-le đóng ở mức cao.

11

b Module rơ-le đóng ở mức thấp (nối cực âm vào chân tín hiệu rơ-le sẽ đóng)

Hình 2.8 Module relay kích ở mức thấp

Thông số của một module relay

Một module rơ-le được tạo nên bởi 2 linh kiện thụ động cơ bản là rơ-le vàtransistor

Cách sử dụng Relay

Rơ-le bình thường gồm có 6 chân Trong đó có 3 chân để kích, 3 chân còn lạinối với đồ dùng điện công suất cao

1 3 chân dùng để kích

o +: cấp hiệu điện thế kích tối ưu vào chân này

o - : nối với cực âm

o S: chân tín hiệu, tùy vào loại module rơ-le mà nó sẽ làm nhiệm vụ kíchrơ-le

 Nếu bạn đang dùng module rơ-le kích ở mức cao và chân S bạncấp điện thế dương vào thì module rơ-le của bạn sẽ được kích, ngược lại thì không

 Tương tự với module` rơ-le kích ở mức thấp

2 3 chân còn lại nối với đồ dùng điện công suất cao:

o COM: chân nối với 1 chân bất kỳ của đồ dùng điện, nhưng mìnhkhuyên bạn nên mắc vào đây chân lửa (nóng) nếu dùng hiệu điện thế xoaychiều và cực dương nếu là hiệu điện một chiều

o ON hoặc NO: chân này bạn sẽ nối với chân lửa (nóng) nếu dùng điệnxoay chiều và cực dương của nguồn nếu dòng điện một chiều

o OFF hoặc NC: chân này bạn sẽ nối chân lạnh (trung hòa) nếu dùng điệnxoay chiều và cực âm của nguồn nếu dùng điện một chiều

12