Đo, điều khiển nhiệt độ, độ ẩm của đất trong nhà kính thông qua mạng cảm biến không dây

Nhóm em đã chọn làm đồ án “Đo, điều khiển nhiệt độ, độ ẩm của đất trong nhà kính thông qua mạng cảm biến không dây ” làm đề tài cho bài tập lớn.. Lời đầu tiên, cho chúng em xin gửi lời c

Nô ̣i dung

LỜI NÓI ĐẦU 1

LỜI CẢM ƠN 2

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 4

1.1 Đặt vấn đề 4

1.2 Mục tiêu của đề tài 4

1.3 Tính tối ưu của đề tài 4

Chương II PHÂN TÍCH ĐỀ TÀI 5

2.1 Bài toán thực tế 5

2.2 Yêu cầu 5

Chương III: GIỚI THIỆU VỀ INTERNET OF THINGS VÀ LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ & PHẦN CỨNG 5

3.1 Internet of things 5

3.1.1 Khái niệm 5

3.1.2 Đặc tính cơ bản của IoT 6

3.1.3 Ứng dụng của IoT 6

3.2 Lựa chọn công nghệ & phần cứng 7

3.2.1 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm không khí 7

3.2.2 Cảm biến độ ẩm đất 8

3.2.3 Công nghệ truyền thông 8

3.2.4 Modul truyền thông 9

3.3 Cấu trúc phần mềm và lâ ̣p trình Arduino IDE đối với 32 10

3.3.1 Cấu trúc phần mềm các hàm cơ bản 10

3.3.2 Các hàm vào ra số 11

3.4 Lựa chọn nguồn và mạch nguồn cung cấp cho node cảm biến 12

3.5 Chu kì lấy mẫu 12

Chương IV: Thiết kế mô hình thực tế 12

4.1 Giới thiệu chung hệ thống 12

4.2 Thiết kế web và chương trình nạp code cho ESP32 Dev Module 13

4.2.1 Thiết kế webserver 13

4.4 Mạch phần cứng 18

1

4.4.1 Kết quả thực tiễn 18

KẾT LUẬN 19

LỜI NÓI ĐẦU

Trong xu thế phát triển hiện nay, với sự bùng nổ của các ngành công nghệ thông tin, điện tử, tự động hóa,… Đã làm cho đời sống của con người ngày cànghoàn thiện Các thiết bị điện tử thông minh đã ngày càng phát triển vào trong sản xuất và thậm chí là vào cuộc sống sinh hoạt hàng ngày của mỗi con người

Để giúp cho nông nghiệp trong nhà kính được thuận tiện và dễ dàng hơn, là mộtsinh viên khoa Tự động hóa trường đại học Bách Khoa Hà Nội , bằng những kiến thức đã học và mong muốn thiết kế được một mô hình giám sát và điều khiển thông số môi trường Nhóm em đã chọn làm đồ án “Đo, điều khiển nhiệt

độ, độ ẩm của đất trong nhà kính thông qua mạng cảm biến không dây ” làm đề tài cho bài tập lớn

Trong quá trình thực hiện đồ án của mình, dưới sự hướng dẫn của cô Lê Minh Thùy và các anh chị , em đã cố gắng hết sức để hoàn thiện một cách tốt nhất Nhưng với kiến thức và sự hiểu biết có hạn nên sẽ không tránh khỏi những thiếusót mong thầy cô và các bạn đóng góp ý kiến đề tài của em có thể hoàn thiện hơn

LỜI CẢM ƠN

3

Lời đầu tiên, cho chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cô giáo Lê Minh Thùy và các anh chị đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, cung cấp các tài liệu cần thiết, giúp đỡ và động viên để em có thể hoàn thành đồ án này.Trong thời gian làm việc với

cô và các anh chị em không ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích mà còn học tập được tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc , hiệu quả , đây

là những điều rất cần thiết cho em trong quá trình học và công tác sau này.

Em xin chân thành cảm ơn!

Chương I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Đặt vấn đề

Xã hội ngày càng phát triển, nền công nghiệp ngày càng trở nên tiên tiến Hiện nay là thời đại của cách mạng công nghiệp 4.0, đó là sự kết hợp cao độ giữa hệ thống siêu kết nối vật lý và kỹ thuật số với tâm điểm là internet, vạn vật kết nối (IoT) và trí tuệ nhân tạo Công nghệ 4.0 sẽ giải phóng con người khỏi công việc nặng nhọc đầu

óc Thế nhưng đa số nông nghiệp hiện nay đều xảy ra một vấn đề chung đó là chậm trễ trong cập nhật nhiệt độ, độ ẩm và điều khiển để có hiệu quả cao Chính vì vậy, em

đã chọn đề tài “Đo, điều khiển nhiệt độ, độ ẩm của đất trong nhà kính thông qua mạng cảm biến không dây” bằng việc thiết kế những node cảm biến để đo và điều khiển nhiệt độ nhằm áp dụng công nghệ truyền tin không dây giúp việc phục vụ trong nông nghiệp một cách dễ dàng hơn.

1.2 Mục tiêu của đề tài

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết để xây dựng mô hình node cảm biển sử dụng esp32 DHT11.

- Nghiên cứu công nghệ truyền tin không dây qua chuẩn wifi

- Đưa dữ liệu lên máy tính qua web sever.

1.3 Tính tối ưu của đề tài

- Sử dụng mạng internet qua máy tính, đơn giản trong việc sử dụng góp phần nâng cao chất lượng và tính hiện đại của ngành nông nghiệp.

- Giảm thiểu về sức người, tăng tính hiệu quả và nhanh chóng khi phục vụ trong nông nghiệp.

- Mô hình đơn giản , dễ thao tác và sử dụng.

- Có tính linh động, có thể mở rộng và phát triển theo nhu cầu của khách hàng sau này.

Chương II PHÂN TÍCH ĐỀ TÀI

2.1 Bài toán thực tế

Một nhà kính có diện tích khoảng 100x100m2 được chia làm 4 phần như hình minh họa Mỗi phần của nhà kính (I-IV) được trồng 1 loại cây khác nhau, yêu cầu

độ ẩm cũng như nhiệt độ khác nhau Mỗi phần có diện tích khoảng 50x50m2 Giả

sử trong mỗi phần, nhiệt độ và độ ẩm của đất tại mọi chỗ là như nhau (do quy trình tưới, ánh sáng… là như nhau)

2.2 Yêu cầu

Đo nhiệt độ, độ ẩm của không khí và đo độ ẩm của đất, hiển thị số liệu lên màn hình giám sát, điều khiển bơm tưới phun sương cho đến khi độ ẩm đạt yêu cầu cho trước.

7

Chương III: GIỚI THIỆU VỀ INTERNET OF THINGS VÀ

LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ & PHẦN CỨNG

3.1 Internet of things

3.1.1 Khái niệm

Internet of things (IoT) là một kịch bản của thế giới, khi mà mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây , công nghệ vi cơ điện tử và Internet Nói đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với Internet và với thế giới bên ngoài

để thực hiện một công việc nào đó Hay hiểu một cách đơn giản IoT là tất cả các thiết

bị có thể kết nối với nhau Việc kết nối thì có thể thực hiện qua Wifi, mạng viễn thông băng rộng ( 3G, 4G), Bluetooth, Zigbee, hồng ngoại … Các thiết bị có thể là điện thoại thông minh, máy pha cafe, máy giặt, tai nghe, bóng đèn, và nhiều thiết bị khác Cisco, nhà cung cấp giải pháp và thiết bị mạng hàng đầu hiện nay dự báo : Đến năm 2020, sẽ có khoảng 50 tỉ đồ vật kết nối vào Internet, thậm chí con số này còn gia tăng nhiều hơn nữa IoT sẽ là mạng khổng lồ kết nối tất cả mọi thứ, bao gồm cả con người và sẽ tồn tại các mối quan hệ giữa người và người, người và thiết bị, thiết

bị và thiết bị Một mạng lưới IoT có thể chứa 50 đến 100 nghìn tỉ đối tượng được kết nối và mạng lưới này có thể theo dõi sự di chuyển của từng đối tượng Một người sống trong thành thị có thể bị bao bọc xung quanh bởi 1000 đến 5000 đối tượng có khả năng theo dõi.

3.1.2 Đặc tính cơ bản của IoT

- Tính kết nối liên thông ( interconnectivity) : Với IoT, bất cứ điều gì cũng có thể kết nối với nhau thông qua mạng lưới thông tin và cơ sở hạ tầng liên lạc tổng thể.

- Tính không đồng nhất : Các thiết bị trong IoT là không đồng nhất vì nó có phần cứng khác nhau, và network khác nhau Các thiết bị giữa các network có thể tương tác với nhau nhờ vào sự liên kết của các network.

- Thay đổi linh hoạt : Status của các thiết bị tự động thay đổi, ví dụ như ngủ và thức dậy, kết nối hoặc bị ngắt, vị trí thiết bị đã thay đổi, và tốc độ đã thay đổi… Hơn nữa,

số lượng thiết bị có thể tự động thay đổi.

- Quy mô lớn : Sẽ có một lượng rất lớn các thiết bị được quản lý và giao tiếp với nhau.

Số lượng này lớn hơn nhiều so với số lượng máy tính kết nối Internet hiện nay Số

lượng các thông tin được truyền bởi thiết bị sẽ lớn hơn nhiều so với được truyền bởi

- Quản lí và lập kế hoạch quản lí đô thị.

- Quản lí môi trường.

- Phản hồi trong các tình huống khẩn cấp.

- Mua sắm thông minh.

- Quản lí các thiết bị cá nhân.

- Đồng hồ đo thông minh.

- ….

3.2 Lựa chọn công nghệ & phần cứng

Từ yêu cầu bài toán, nhóm em đã có những phân tích và lựa chọn về công nghệ

- Dải đo phù hợp

- Giá thành rẻ

Hình 1: DHT11

Hình 2: MDL77

3.2.3 Công nghệ truyền thông

Lựa chọn dung Wifi vì :

- Kích thước: 18 mm x 20 mm x 3 mm

- CPU: Xtensa Dual-Core 32-bit LX6 với tần số hoạt động lên đến 240 MHz

Bộ nhớ trong:

+ 448 KBytes ROM cho booting và các tính năng của lõi chip

+ 520 KBytes SRAM trên chip dùng cho dữ liệu và các lệnh instruction

+ 8 KBytes SRAM trong RTC (gọi là RTC SLOW Memory) để truy xuất bởi các bộ co-processor

+ 8 KBytes SRAM trong RTC (gọi là RTC FAST Memory) dùng cho lữu dữ liệu, truy xuất bởi CPU khi RTC đang boot từ chế độ Deep-sleep

+ 1 Kbit EFUSE, với 256 bit cho hệ thống (địa chỉ MAC và cấu hình chip), 768 còn lại cho ứng dụng người dùng, gồm cả mã hóa bộ nhớ Flash và định ID cho chip

- Kết nối WiFi:

+ Wi-Fi: 802.11 b/g/n/e/i

+Bluetooth: BR/EDR phiên bản v4.2 và BLE

- Ethernet MAC hỗ trợ chuẩn: DMA và IEEE 1588

- Bus hỗ trợ mang CAN 2.0

- Giao tiếp ngoại vi:

+ Bộ chuyển đổi ADC 12 bit, 16 kênh

+ Bộ chuyển đổi 8-bits DAC: 2 kênh

+ 10 chân để giao tiếp với cảm biến chạm (touch sensor)

Hình 3 : modul ESP32

+ Ngõ ra PWM cho điều khiển Motor

+ 1024-bit OTP, 768-bit cho người dung

3.3 Cấu trúc phần mềm và lâ ̣p trình Arduino IDE đối với 32

3.3.1 Cấu trúc phần mềm các hàm cơ bản

Cấu trúc chương trình viết cho Arduino gồm hai phần đầu tiên là hàm khởi tạo setup()

và vòng lặp loop().

Hình 1.5 Mô hình cấu trúc của chương trình Arduino

Hàm setup() được gọi khi bắt đầu một bản thiết kế Trong hàm sẽ khai báo các biến khởi tạo, các chế độ của chân, bắt đầu sử dụng các thư viện Hàm setup chỉ chạy một lần sau mỗi lần bật nguồn hoặc reset mạch Arduino.

13

Vòng lặp loop() sử dụng để lặp và những vòng lặp liên tiếp, chương trình có thể thay đổi và đáp ứng Sử dụng để điều khiển mạch Arduino.

void loop() {

digitalWrite(ledPin, HIGH); // den led sang delay(1000); // doi trong 1s

digitalWrite(ledPin, LOW); //den led tat delay(1000); //doi trong 1s

}

 serial.println (giá trị): In giá trị để Monitor Serial trên máy tính

 pinMode (pin, chế độ): Cấu hình cho một pin kỹ thuật số để đọc (đầu vào)

hoặc viết (đầu ra) một giá trị kỹ thuật số.

 digitalRead (pin): Đọc một giá trị kỹ thuật số (HIGH hoặc LOW) trên một

bộ pin cho đầu vào.

 digitalWrite (pin, giá trị): Ghi giá trị kỹ thuật số (HIGH hoặc LOW) với một

bộ pin cho đầu ra.

● Ví dụ :

int inPin = 7; //ket noi chan so 7 voi nut nhan int val = 0;// bien doc cac gia tri cua nut nhan void setup()

{ pinMode(ledPin, OUTPUT);// dat chan so 13 lam chan xuat pinMode(inPin, INPUT);//dat chan so 7 lam chan nhap }

void loop() {

val = digitalRead(inPin); //doc du lieu tu chan so 7 digitalWrite(ledPin, val); //den led se sang hoac tat theo nut nhan }

3.4 Lựa chọn nguồn và mạch nguồn cung cấp cho node cảm biến

Vì các cảm biến đo nằm ở dưới đất và trong môi trường có độ ẩm, khó có thể tựchủ năng lượng và có thể nguy hiểm khi dùng điện áp cao hạ trực tiếp xuống, khó khăn trong triển khai hệ thống đường dây nên sử dụng nguồn pin sẽ an toàn

và dễ dàng hơn

Từ thông số của các cảm biến được lựa chọn, nhóm em đã lựa chọn ic ổn áp LM1117 đầu ra 3.3V và 5V để ổn định nguồn cung cấp cho cảm biến cũng như modul truyền thông

3.5 Chu kì lấy mẫu

Vì nhiệt độ và độ ẩm là các đại lượng thay đổi chậm và bài toán này không cần

độ chính xác cao trong thời gian ngắn nên chu kì lấy mẫu là 1 phút/ lần

Chương IV: Thiết kế mô hình thực tế

4.1 Giới thiệu chung hệ thống

Hệ thống đo nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất không dây sự dụng node

15

ESP32, DTH11,cảm biến độ ẩm đât được biểu diễn như lưu đồ sau (sơ đồ tại 1 nút):

HTTP

Nguyên lí hoạt động: kit ESP32 được kết nối với wifi thông qua giao thức

HTTP và trở thành một client ESP32 sẽ đọc dữ liệu từ cảm biến DHT11 và

cảm biến độ ẩm đất và gửi lên webserver.Khi nhiệt độ và độ ẩm thất hơn mức thiết lập thì sẽ báo lên webserver và webserver sẽ điều khiển máy bơm ( ví dụ ở đây là điều khiển led)

Sơ đồ nối dây

ẩm

ESP32 đọc dữ liệucủa cảm biến và gửilên server

4.2 Thiết kế web và chương trình nạp code cho ESP32 Dev Module

};

xhttp.open("GET", "/temperature", true);

xhttp.send();

b Giao diện Webserver

4.3.2 Viết chương trình code cho ESP32 Dev Module

a Thư viện và set pin cho DHT11

#include "WiFi.h"

#include "ESPAsyncWebServer.h"

19

#include <Adafruit_Sensor.h>

#include <DHT.h>

const char* ssid = "REPLACE_WITH_YOUR_SSID";

const char* password = "REPLACE_WITH_YOUR_PASSWORD";

c Viết chương trình cho setup và loop

server.on("/", HTTP_GET, [](AsyncWebServerRequest *request){

request->send_P(200, "text/html", index_html, processor);

b, Khi nhiệt độ và độ ẩm vượt quá mức quy định sẽ tự động tưới nước (led pin2 sáng)

KẾT LUẬN

Việc thiết kế hệ thống chuông báo không dây qua internet có ý nghĩa rất

to lớn, có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội và trong công nghiệp Ngoài ra, module wifi Esp32 với nhiều tính năng cũng mở ra rất nhiều

Việc xây dựng hệ thống chuông báo không dây qua internet sử dụng kit dev module này cũng giúp em học hỏi được thêm rất nhiều kiến thức có ích cho công việc sau này, đây là những kết quả bản thân em đạt được :

+ Nghiên cứu và sử dụng được node MCU ESP32 DHT11, phần mềm lậptrình IDE và IoT trong việc thiết kế websever để nhận thông tin , dữ liệu

+ Khai thác được sức mạnh công nghệ thông tin trong việc tìm kiếm tài liệu và nghiên cứu

+ Hiểu được về ứng dụng của IoT trong lĩnh vực khoa học đời sống và cách thức hoạt động của nó áp dụng vào thực tiễn

 Hạn chế của đề tài :

+ Chưa có kinh nghiệm chuyên sâu về IoT nên việc thiết kế còn giới hạn

+ Chưa phát triển được việc giám sát khi quá trình xảy ra lỗi

+ Bộ nhớ Rom ít nên hạn chế trong việc viết web

Hướng phát triển của đề tài

- Phát triển nông nghiệp thông minh

- Mở rộng thêm ứng dụng của nodeMcu Esp8266 vào thực tiễn

- Phát triển đề tài quy mô lớn

23