Xây dựng mô hình quản lý trang trại chăn nuôi gà thông minh

Ngành nông nghiệp của nước ta trong một thập niên vừa qua có tốc độ tăng trưởng tương đối cao nhưng không đáp ứng được yêu cầu an ninh lương thực toàn cầu. Với dân số đã cán mốc 9 tỷ người, tình hình lương thực để đáp ứng được tiêu thụ sẽ là một bài toán lớn không chỉ riêng cho một quốc gia nào, bên cạnh cả những vấn đề phòng trị dịch bệnh , an toàn thực phẩm gia tăng đột biến trong tương lai. Vì vậy em chọn đề tài ” Xây dựng một hệ thống thông minh sử dụng cho trang trại gà”. Trong quá trình thực hiện tuy có rất nhiều khó khăn nhưng nhờ sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS. Hán Trọng Thanh cũng như nỗ lực của bản thân mà chúng em đã hoàn thành được đề tài này, nhưng do thời gian cũng như trình độ sinh viên có hạn nên không thể tránh khỏi một vài sai sót. Chúng em mong nhận được 3 những lời khuyên của thầy để chúng em có thể hiểu thêm về bài tập này nói riêng và môn học này nói chung. Chương I: Tổng quan về đề tài 1.1 Giới thiệu Viêt Nam l ̣ à một nước nông nghiêp có nguồn tài nguyên gi ̣ àu có và phong phú. Tuy nhiên, sự trù phú này đang cạn kiêt dần do một nền nông nghiê ̣ p nghèo ̣ nàn, lạc hậu và manh mún. Điều này đã dẫn tới năng suất của nền nông nghiêp rất ̣ thấp. Thêm vào đó, nông dân thiếu kiến thức khoa học trong viêc trồng tr ̣ ọt và chăn nuôi mà chú yếu áp dụng các kinh nghiêm dân gian, c ̣ ũng như các kế hoạch sản xuất chất lượng cao. Trong sự phát triển của các giải pháp ứng dụng công nghê ̣ thông tin mới, quá trình tự động hóa một phần nền nông nghiêp l ̣ à một hướng đi đúng đắn với xu hướng toàn cầu hóa [1].

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Giảng viên hướng dẫn: TS Hán Trọng Thanh

Sinh viên thực hiện: Mai Văn Nam 20152560

Chrat Sambath 20154462Trần Văn Phú 20152851Nguyễn Đình Tùng 20154250

Mục Lục

Lời nói đầu 3

Chương I: Tổng quan về đề tài 4

1.1 Giới thiệu 4

1.2 Yêu cầu đề tài 6

Chương 2: Phân tích hệ thống 6

2.1 Mô hình hệ thống 6

2.2 Khối cảm biến 7

2.2.1 Module cảm biến nhiệt độ DHT11 7

2.2.2 Cảm biến chất lượng không khí MQ-135 9

2.2.3 Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750 10

2.3 Khối điều khiển trung tâm 11

2.4 LCD 14

2.5 Phần mềm lập trình 15

Chương 3: Kết quả và hướng phát triển 16

3.1 Kết quả 16

3.2 Hướng phát triển đề tài 17

Phụ lục 19

Lời nói đầu

Việt Nam là một đất nước đang trong thời kì công nghiệp hóa, hiện đại hóa,ứng dụng khoa học kĩ thuật vào phát triển đất nước rất mạnh mẽ Ứng dụng học kỹthuật hiện đại sẽ tạo ra các công nghệ hoàn toàn mới là động lực thúc đẩy cho sảnphất phát triển theo chiều sâu, thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển của sản xuất Đặcbiệt, với tình hình biến đổi khí hậu biến đổi ngày càng tiêu cực đến mọi mặt của đờisống xã hội, trong những thập niên tới, biến đổi khí hậu sẽ ảnh hưởng trực tiếp đếnngành nông nghiệp trên toàn cầu

Ngành nông nghiệp của nước ta trong một thập niên vừa qua có tốc độ tăngtrưởng tương đối cao nhưng không đáp ứng được yêu cầu an ninh lương thực toàncầu Với dân số đã cán mốc 9 tỷ người, tình hình lương thực để đáp ứng được tiêuthụ sẽ là một bài toán lớn không chỉ riêng cho một quốc gia nào, bên cạnh cả nhữngvấn đề phòng trị dịch bệnh , an toàn thực phẩm gia tăng đột biến trong tương lai Vìvậy em chọn đề tài ” Xây dựng một hệ thống thông minh sử dụng cho trang trạigà”

Trong quá trình thực hiện tuy có rất nhiều khó khăn nhưng nhờ sự hướng dẫn

tận tình của thầy giáo TS Hán Trọng Thanh cũng như nỗ lực của bản thân mà

chúng em đã hoàn thành được đề tài này, nhưng do thời gian cũng như trình độ sinhviên có hạn nên không thể tránh khỏi một vài sai sót Chúng em mong nhận được

những lời khuyên của thầy để chúng em có thể hiểu thêm về bài tập này nói riêng

và môn học này nói chung

Chương I: Tổng quan về đề tài

1.1 Giới thiệu

Viê ̣t Nam là một nước nông nghiê ̣p có nguồn tài nguyên giàu có và phongphú Tuy nhiên, sự trù phú này đang cạn kiê ̣t dần do một nền nông nghiê ̣p nghèonàn, lạc hậu và manh mún Điều này đã dẫn tới năng suất của nền nông nghiê ̣p rấtthấp Thêm vào đó, nông dân thiếu kiến thức khoa học trong viê ̣c trồng trọt và chănnuôi mà chú yếu áp dụng các kinh nghiê ̣m dân gian, cũng như các kế hoạch sảnxuất chất lượng cao Trong sự phát triển của các giải pháp ứng dụng công nghê ̣thông tin mới, quá trình tự động hóa một phần nền nông nghiê ̣p là một hướng điđúng đắn với xu hướng toàn cầu hóa [1]

Theo báo cáo của Bộ Nông nghiê ̣p và Phát triển nông thôn, kim ngạch xuấtkhẩu nông lâm thủy sản tháng 4 ước đạt 2,9 tỷ USD đưa tổng giá trị xuất khẩu 4tháng đầu năm 2017 đạt 10,8 tỷ USD, tăng 9,1% so với cùng kỳ năm 2016 [2].Nhận thức trước các nhu cầu thực phẩm sạch và quy trình tiêu chuẩn phục vụ chonông nghiê ̣p trong đó có các trang trại gia đình, một loạt các giải pháp hỗ trợ trồngtrọt và chăn nuôi ứng dụng công nghê ̣ thông tin đã được đề xuất và thực hiê ̣n Từcác hê ̣ thống ươm mầm rau sạch tự động [3], các hê ̣ thống trang trại nhà kính [4]hay các sản phầm tưới tự động cho các khu vườn nhỏ [4] Các giải pháp trên đã

đem lại rất nhiều lợi ích trong quản lý và phát triển các sản phẩm nông nghiê ̣ptrong giai đoạn hiê ̣n nay.

Viê ̣t Nam là nước có khí hậu nhiê ̣t đới ẩm gió mùa, do đó, có sự chênh lê ̣nh

về thời tiết lớn giữa các mùa trong năm, thậm chí là trong một ngày Ví dụ, thờiđiểm mùa hè, nhiê ̣t độ có thể lên tới trên 40oC, trong khi đó, nhiê ̣t độ có thể xuốngtới 5 0C vào mùa đông Vì vậy, các trang trại nuôi gia súc, gia cầm cần phải có biê ̣npháp chống nóng và chống lạnh cho vật nuôi Một số biê ̣n pháp điển hình đó là sửdụng giàn phun sương làm mát, đèn sưởi Ngoài ra, chất thải trong chăn nuôi cũng

là một yếu tố góp phần gây ô nhiễm môi trường và bê ̣nh tật cho gia súc, gia cầm[6].Trong đó, khí NH3 chiếm tới 65% thành phần khí th ải trong chuồng nuôi [7]

Do đó, chuồng trại luôn phải đảm bảo thông thoáng bằng cách sử dụng hê ̣ thống lọckhông khí đơn giản đó là dùng quạt

Tuy nhiên, trong thực tế chăn nuôi ở Viê ̣t Nam, các giải pháp chăm sóc chovật nuôi được trình bày ở trên hầu hết được điều khiển thủ công bởi con người dựatrên cảm nhận định tính Trong đề tài này, em đề xuất và xây dựng một mô hìnhquản lý trang trại chăn nuôi gà thông minh dựa trên các bo mạch phát triển thôngdụng trên thị trường nhằm thu thập thông tin môi trường và điều khiển các thiết bịnhư quạt, đèn sưởi,… trong chuồng nuôi

1.2 Yêu cầu đề tài

Đề tài:"Đo nhiệt độ, độ ẩm cường độ ánh sáng, nồng độ khí thải(NH3),cảmbiến mưa hiển thị lên LCD, điều khiển quạt, rèm và đèn của một mô hình trang trạigà"

Chi tiết:

- Sử dụng 4 cảm biến DHT11 đo nhiệt độ, độ ẩm lấy giá trị trung bình

- Sử dụng cảm biến đo cường độ ánh sáng BH1570 theo đơn vị lux điều khiển độsáng đèn

- Sử dụng module MQ135 đo nồng độ khí thải NH3.uần

Từ nồng độ khí thải, nhiệt độ độ ẩm, mưa điều khiển quạt, rèm cửa

Chương 2: Phân tích hệ thống

2.1 Mô hình hệ thống

LCD

Khối điều Khiển trung tâm

Khối cảm

biến

Động cơ

Nguyên lý hoạt động: Quy trình hoạt động của hệ thống là một quy trình

khép

kín Khi có hiện tượng về sự biến đổi các thông số(chẳng hạn như nhiệt độ gia tăngđột ngột, nồng độ khí NH3 trong không khí cao) các thiết bị đầu vào (cảm biếnnhiệt độ, cảm biến chất lượng không khí) nhận tín hiệu và truyền cho khối điềukhiển Tại đây khối điều khiển sẽ xử lý thông tin nhận được, xác định ngưỡng quyđịnh nguy cơ xảy ra hoặc đã xảy ra cháy và truyền thông tin đến các thiết bị đầu ra(LCD, đèn), các thiết bị này thông báo và đồng thời điều khiển các động cơ hoạtđông để xử lý kịp thời

2.2 Khối cảm biến

Khối cảm biến bao gồm:

 Module DHT11: cảm biến đô nhiệt độ độ ẩm của không khí

 Module BH1750: cảm biến đo cường độ ánh sáng

 Module MQ135: Cảm biến đo chất lượng khồn khí (nồng độ NH3)

2.2.1 Module cảm biến nhiệt độ DHT11

Thông số kĩ thuật:

 Điện áp hoạt động: 3.3 ÷ 5V

 Dải nhiệt độ đo: 0 ÷ 55°C với độ chính xác là ±2°C

 Ngưỡng nhiệt độ cao nhất đo được: 105°C

 Dải độ ẩm đo: 20 ÷ 90% 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

 3 chân: VCC( cực (+) nguồn ), DATA(chân tín hiệu), GND(cực (-) nguồn)

Hình 1: Module DHT11

Điều khiển: DHT11 gửi và nhận dữ liệu với một dây tín hiệu DATA, vớichuẩn dữ liệu truyền 1 dây này, chúng ta phải đảm bảo sao cho ở chế độ chờ (idle)dây DATA có giá trị ở mức cao, nên trong mạch sử dụng DHT11, dây DATA phảiđược mắc với một trở kéo bên ngoài(thông thường giá trị là 4.7kΩ)

Dữ liệu truyền về của DHT11 gồm 40 bit dữ liệu theo thứ tự: 8 bit biểu thị phần nguyên của độ ẩm + 8 bit biểu thị phần thập phân của độ ẩm + 8 bit biểu thị phần nguyên của nhiệt độ + 8 bit biểu thị phần thập phân của nhiệt độ + 8 bit checksum

Ví dụ: ta nhận được 40 bit dữ liệu như sau:

bỏ qua không tính phần thập phân)

Nhiệt độ: 0001 1000 = 18H = 24°C (ở đây do phần thập phân có giá trị 0000 0000, nên ta bỏ qua không tính phần thập phân)

2.2.2 Cảm biến chất lượng không khí MQ-135

Mô tả: thường được dùng trong thiết bị kiểm tra chất lượng không khí trongcao ốc, văn phòng, thích hợp để phát hiện khí gas, khói, NH3, ancol,…

Thông số kĩ thuật:

 Điện áp nguồn cấp: ≤24V DC

 Điện áp của heater: 5V±0.1

 AC/DC Điện trở tải: thay đổi được (2kΩ-47kΩ)

 Điện trở của heater: 33Ω±5%

 Công suất tiêu thụ của heater: ít hơn 800mW

 Khoảng phát hiện: 10 - 300 ppm NH3, 10 - 1000 ppm

 Benzene, 10 - 300 Alcol Kích thước: 32mm*20mm

 Khoảng đo rộng Bền, tuổi thọ cao

 Phát hiện nhanh, độ nhạy cao

 Mạch adapter được thiết kế đơn giản

 4 chân: VCC (cực (+) nguồn), GND (cực (-) nguồn, A0 tín hiệu đầu ra tươngtự,

D0 tín hiệu đầu ra số

Hình 2 Module MQ135

Điều khiển:

+ Đầu ra tương tự ( AOUT):Điện áp ra tương tự thay đổi tuyến tính trong

khoảng từ 0.5V-4.5V phụ thuộc vào nồng độ khí xung quanh

+ Đầu ra số (DOUT): Đầu ra số 0-1 rất tiện cho các bạn thực hiện các ứng

dụng

nhỏ mà không cần vi điều khiển.Kết hợp với module relay để bật tắt các thiết

bị như còi, đèn để cảnh báo khí mà cảm biến có thể nhận biết được

2.2.3 Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750

BH1750-GY30 là 1 cảm biến ánh sáng kĩ thuật số, sử dụng giao tiếp I2C.BH1750 là một trong những cảm biến phổ biến nhất, thu thập dữ liệu nhiệt độmôi trường xung quanh,có thể được điều chỉnh bởi bàn phím điện thoại thôngqua màn LCD -LCD-16x2 Nó có thể phát hiện ánh sáng với dải khá rộng( 1-

65535 lx )

Thông số kĩ thuật:

2.3 Khối điều khiển trung tâm

Mô tả: Arduino UNO R3 dùng vi điều khiển AT Mega328 Bộ não này cóthể xử lí những tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu

khiển từ xa, làm một trạm đo nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,… haynhững ứng dụng khác [5]

Thông số kĩ thuật:

 Vi điều khiển: AT Mega 328 họ 8 bit

 Điện áp hoạt động: 5 VDC (chỉ được cấp qua cổng USB)

 Tần số hoạt động: 16 MHz

 Dòng tiêu thụ: 30 mA

 Điện áp vào khuyên dùng: 7-12 VDC

 Điện áp vào giới hạn: 6-20 VDC

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

 Số chân analog: 6 ( độ phân giải 10 bit)

 Dòng tối đa trên mỗi chân I/O: 30 mA

 Dòng ra tối đa (5V): 500mA

 Dòng ra tối đa (3.3V): 50mA

 Bộ nhớ flash: 32KB với 0.5KB dùng để bootloader

 SRAM: 2KB

 EEROM: 1KB

Hinh 3: Arduino Uno

khi lập trình sẽ lưu ở đây Bạn khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều

bộ nhớ RAM Tuy vậy, thực sự thì cũng hiếm khi nào bộ nhớ RAM lại trởthành thứ mà bạn phải bận tâm Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất

 1KB cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read OnlyMemory):

đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi bạn có thể đọc và ghi dữ liệu củamình vào đây mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ liệu trênSRAM

 Các cổng vào ra: Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tínhiệu Chúng chỉ có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trênmỗi chân là 40mA Ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt

ngay trong vi điều khiển ATmega328 (mặc định thì các điện trở này khôngđược kết nối).

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

ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V nhưnhững chân khác

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

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 bấmnút

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

Lập trình cho arduino: Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino được lập trình

bằng ngôn riêng Ngôn ngữ này dựa trên ngôn ngữ Wiring được viết cho phần cứngnói chung Và Wiring lại là một biến thể của C/C++ Một số người gọi nó làWiring, một số khác thì gọi là C hay C/C++ Để lập trình cũng như gửi lệnh vànhận tín hiệu từ mạch Arduino, nhóm phát triển dự án này đã cũng cấp đến chongười dùng một môi trường lập trình Arduino được gọi là Arduino IDE

(Intergrated Development Environment).

2.4 LCD

Màn hình LCD1 602 xanh lá sử dụng driver HD44780, có khả năng hiển

thị 2 dòng với mỗi dòng 16 ký tự, màn hình có độ bền cao, rất phổ biến, nhiều code mẫu và dễ sử dụng thích hợp cho những người mới học và làm dự án

Hình 4: LCD 1602Thông số chi tiết:

 Điện áp hoạt động là 5 V

 Kích thước: 80 x 36 x 12.5 mm

 Chữ đen, nên xanh lá

 Khoảng cách giữa 2 chân kết nối là 0.1 inch

 Tiện dụng khi kết nối với Breadbroad

Vùng lệnh: Bao gồm các nút lệnh menu (File, Edit, Sketch, Tools, Help).

Phía dưới là các icon cho phép sử dụng nhanh các chức năng thường dùng của IDEđược miêu tả như sau:

Vùng viết chương trình: Bạn sẽ viết các đoạn mã của mình tại đây.

Vùng thông báo ( debug): Những thông báo từ IDE sẽ được hiển thị tại đây.

Để ý rằng góc dưới cùng bên phải hiển thị loại board Arduino và cổng COM đượcsử

dụng Luôn chú ý tới mục này bởi nếu chọn sai loại board hoặc cổng COM, bạn sẽkhông thể upload được code của mình

Chương 3: Kết quả và hướng phát triển

3.1 Kết quả

Sau thời gian nỗ lực học tập, tìm hiểu tài liệu cũng như tiến hành mua linh kiện

và thiết kế mạch, chúng em đã hoàn thành đúng thời hạn quy định, giải quyết cácyêu cầu đặt ra ban đầu:

 Tìm hiểu về Kit Arduino

 Tìm hiểu cảm biến nhiệt độ DHT11

 Tìm hiểu cảm biến chất lượng không khí MQ135

 Cảm biến cường độ ánh sáng BH1570

3.2 Hướng phát triển đề tài

- Thay thế cảm biến DHT11 bằng cảm biến Thermocouples để đọc giá trị nhiệt độ

ổn định chính xác và khả năng chịu nhiệt độ cao tốt

- Sử dụng thêm cảm biến MG811 thu thập thêm lượng khói khi xảy ra cháy

- Khai thác tính năng điều kiển qua tin nhắn qua Module sim

- Sử dụng module wifi ESP8266 để cập nhật dữ liệu liên tục trên cloud server

http://hpa.gov.vn/nong-nghiep/ho-so-nganhhang/san-pham-nong-nghiep/co-hoi-[3][4] T.M HAI, T D DỰ, N H CHÂU, “Nghiên cứu xử lý NH3 trong không khíchuồng chăn nuôi lợn bằng dung dịch siêu oxy hóa”, 2015,

[5] Hướng dẫn sử dụng arduino- Nguyễn Trung Tín, Học Viện Hàng Không Tr.1 23

int brightness = 0; // mặc định độ sáng của đèn là

int fadeAmount = 5; // mỗi lần thay đổi độ sáng thì thay đổi với giá trị là bao nhiêu

void motor_1_Tien(int speed) { //speed: từ 0 - MAX_SPEED

speed = constrain(speed, MIN_SPEED, MAX_SPEED);//đảm báo giá trị nằm trong một khoảng từ 0 - MAX_SPEED - http://arduino.vn/reference/constrain

digitalWrite(IN1, HIGH);// chân này không có PWM