CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 1.1 Tổng Quan Về Lĩnh Vực Nghiên Cứu: - Mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc là Mạng lưới thiết bị kết nối Internet viết tắt là IoT (tiếng Anh: Internet of Things) 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. - Nông nghiệp là xương sống của nền văn minh nhân loại nhưng nó lại là một trong những lĩnh vực cuối cùng tiến vào nền kinh tế kết nối – IoT.
Những thách thức trong vấn đề lương thực toàn cầu đòi hỏi người làm nông nghiệp phải tìm kiếm những phương thức tốt hơn, để cung cấp lương thực cho dân số được dự báo là sẽ tăng thêm 2 tỉ người vào năm 2050. Điều đó khiến cho công nghệ IoT trở nên có ý nghĩa hơn bao giờ hết. Những cải tiến về cảm biến, big data, hạ tầng mạng… được hi vọng sẽ mang tới một cuộc cách mạng trong nông nghiệp để có có thể cung cấp lương thực cho dân số thế giới đang tăng nhanh nhưng đồng thời tạo ra nguồn lương thực tươi mới, nhiều dinh dưỡng hơn.2 Mục tiêu đề tài, các vấn đề cần giải quyết Đề tài đề ra mục tiêu tổng quát là: Nghiên cứu, thiết kế và phát triển một hệ thống giám sát, quản lý vườn thông minh cũng như giám sát quán các vấn đề khác trong khi vận hành hệ thống dựa trên vi điều khiển STM32 và ESP8266. Sản phẩm hoàn chỉnh sẽ có tính ứng dụng rất cao vào thực tế.
Để đạt được mục tiêu này, các vấn đề chính sau đây đã được giải quyết: - Kết nối phần cứng STM32 với màn hình OLED, Cảm biến nhiệt độ-độ ẩm,và Module Lora. - Kết nối phần cứng ESP8266 với giao diện Web. - Truyền tín hiệu không dây qua lại giữa STM32 và ESP8266 thông qua Module Lora.3 Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động: 1. Sơ đồ khối: OLED Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm Vi điều Relay khiển Nút nhấn Lora Khu vực vườn Lora Vi điều WEB khiển Khu giám sát Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống 1.3 Nguyên lý hoạt động: a.
Khu giám sát: - Nhận giá trị nhiệt độ và độ ẩm từ khu vườn thông qua truyền thông không dây lora. - Đưa tính hiệu nhiệt độ, độ ẩm lên Web. - Điều khiển bật, tắt relay thông qua Web. Khu vườn: - Đọc giá trị nhiệt độ, độ ẩm từ cảm biến và gửi về vi điều khiển.
- Đọc các giá trị nhận được từ Module Lora tín hiệu bật tắt relay. - Hiển thị nhiệt độ, độ ẩm màn hình OLED. CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU CÁC THAM SỐ VÀ CÁC MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN VƯỜN CÂY THÔNG MINH 2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới sự sinh trưởng cây trồng Nhiệt độ tối hảo cho sự sinh trưởng khác nhau tùy theo giống hay loài, tùy theo thời gian tác động của nhiệt độ, tuổi cây, thời kỳ phát triển, và các ngưỡng sinh trưởng riêng biệt được dùng để đánh giá khả 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. Các ảnh 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 độ hình thành lá mới, có nghĩa là diện tích quang hợp mới tăng làm ảnh hưởng 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 của các giai đoạn sinh trưởng khác nhau của cây đóng góp rất lớn đến sản lượng của cây trồng. Tiến trình hô hấp và sự thoát hơi nước của cây trồng chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi nhiệt độ, các quá trình này giảm khi nhiệt độ giảm 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 cây trồng.
Đối với nhiều loại giống cây trồng thì nhiệt độ tối hảo cho quang hợp thấp hơn nhiệt độ tối hảo cho hô hấp. Điều này đã được chứng minh là năng suất của các cây trồng lấy tinh bột như bắp và khoai tây, trong các vùng khí hậu mát mẽ cao hơn năng suất các cây này khi trồng 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 tích lũy chất hữu cơ, bởi vì sự hô hấp tiến hành nhanh hơn quang hợp.2 Ảnh hưởng của độ ẩm tới sự sinh trưởng cây trồng 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 và được nước hòa tan, đưa lên cây qua hệ thống rễ.
Nước giúp cây trồng thực hiện các quá trình vận chuyển các chất khoáng trong đất giúp điều kiện quang hợp, hình thành sinh khối tạo nên sự sinh trưởng của cây 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 hoạt động 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 hút mới, vì vậy cây không thể hút nước nên lâu ngày sẽ dẫn đến héo và chết cây.
Cây trồng cung cấp đầy đủ nước (độ ẩm thích hợp) sẽ có bộ rễ dài và sâu, vươn ra theo các chiều trong đất; ngược lại cây nếu thiếu nước, bộ rễ cây sẽ ngắn và thưa.1: Ảnh hưởng của độ ẩm đất đến sự phát triển của cây Lượng nước tưới cần tăng theo quá trính sinh trưởng, đat đến mức tối đa khi cây có khối lượng thân lá lớn nhất nhưng khác nhau tùy theo loại cây trồng: Những cây lấy hạt nhu cầu nước nhiều nhất ở thời kỳ hình thành các cơ quan sinh sản. Những loại cây lấy củ nhu cầu nước nhiều nhất ở thời kỳ phát triển củ. Ở thời kỳ này, cây tiêu thụ nước với hiệu suất tích lũy chất khô cao nhất và nước đóng vai trò quyết định đến năng suất cuối cùng. Cây rau yêu cầu nước nước trong suốt quá trình sinh trưởng.4 Hệ thống tưới tự động trong mô hình vườn thông minh Hệ thống vườn thông minh với các thành phần có thể kết nối với nhau và kết nối với người dùng, điều này cho phép người sử dụng có thể sáng tạo, tương tác và chăm sóc khu vườn của mình.
Được trang bị cảm biến nhiệt độ, độ ẩm để theo dõi độ ẩm đất, nhiệt độ và độ ẩm của không khí và các yếu tố môi trường khác, tất cả những điều này đều ảnh hưởng phần lớn đến sức khỏe các loài thực vật. Và sau đó gửi thông tin theo thời gian lên website để người dùng có thể tương tác với khu vườn. Tưới tự động giúp tiết kiệm nước giảm tới 60% lượng nước so với tưới thủ công. Điều này giúp bạn cắt giảm đáng kể hóa đơn tiền nước mỗi tháng.
Tiết kiệm đáng kể nguồn nhân lực so với thực hiện công việc tưới tiêu bằng thủ công. Hệ thống được đầu tư cố định, đảm bảo tuổi thọ lâu dài cho các thiết bị dùng trong tưới tiêu.3: Hệ thống tưới tự động trong mô hình vườn thông minh CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN STM32, ESP8266, CÁC LINH KIỆN, CÔNG CỤ VÀ PHẦN MỀM HỖ TRỢ 3.1 Tổng quan về dòng vi điều khiển STM32: 3.1 Giới thiệu chung: STM32 là vi điều khiển do hãng ST Microelectronic sản xuất dựa trên nền tảng lõi vi xử lý ARM Cortex®-M. Là một dòng sản phẩm vi điều khiển 32 bit kết hợp các ưu điểm về hiệu suất cao, khả năng xử lý thời gian thực, xử lý tín hiệu số, tiêu thụ ít năng lượng, hoạt động điện áp thấp, trong khi duy trì khả năng tích hợp đầy đủ và dễ dàng phát triển ứng dụng. Vi điều khiển STM32 dựa trên một lõi tiêu chuẩn công nghiệp, có thể sử dụng nhiều công cụ và phần mềm để phát triển ứng dụng.
Điều này làm cho dòng STM32 là sự lựa chọn lý tưởng đối với các dự án nhỏ hoặc cho thiết kế nền tảng. Đề tài sử dụng Kit STM32F407VG Discovery để thuận tiện và phù hợp cho việc thử nghiệm sản phẩm.2: KIT STM32F4-DISCOVERY Bộ kit STM32F4-DISCOVERY với vi điều khiển hiệu suất cao STM32F407VGT6, cho phép người dùng dễ dàng phát triển các ứng dụng giao tiếp với các cảm biến, màn hình và giao tiếp không dây. Nó bao gồm một công cụ ST-LINK tích hợp sẵn trên bảng mạch giúp nạp chương trình, gỡ lỗi nhanh chóng Các tính năng chính: - Vi điều khiển 32-bit ARM Cortex®-M4 STM32F407VGT6 với lõi FPU hỗ trợ xử lý tính toán dấu phẩy động, 1-MB bộ nhớ Flash, 192 Kbyte RAM - On-board ST-LINK/V2 trên STM32F4-DISCOVERY giúp nạp chương trình, gỡ lỗi. - Nguồn điện cung cấp cho bảng mạch: thông qua cổng USB hoặc từ một nguồn cung cấp điện áp 5V bên ngoài.
- Từ bảng mạch, có thể cấp nguồn 3,3 V và 5 V cho các ứng dụng. - Cảm biến chuyển động LIS302DL, ST MEMS 3 trục gia tốc. - Cảm biến âm thanh MP45DT02 ST-MEMS, mic cảm biến âm thanh vô hướng kỹ thuật số. - Bộ chuyển đổi DAC âm thanh CS43L22.
- Tám đèn LED: + LD1 (đỏ / xanh lá cây) để giao tiếp USB + LD2 (màu đỏ) báo hiệu nguồn 3,3 V on + Bốn đèn LED màu: LD3 (màu cam), LD4 (màu xanh lá cây), LD5 (màu đỏ) và LD6 (màu xanh dương). + Hai USB OTG LED LD7 (màu xanh lá cây) VBUS và LD8 (màu đỏ). - OTG FS USB với cổng nối micro-AB. - Header mở rộng cho tất cả LQFP100 I/O.2 Giao tiếp SPI SPI (Serial Peripheral Interface) là chuẩn giao tiếp đồng bộ 4 dây do hãng Motorola phát triển.
Chuẩn giao tiếp này bao gồm 1 thiết bị Master, 1 hay nhiều thiết bị Slave.