Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống nông nghiệp thông minh IoT ESP 8266

Khám phá đồ án hệ thống nông nghiệp thông minh ứng dụng công nghệ IoT và ESP8266. Tài liệu chi tiết về thiết kế, thi công và lập trình điều khiển.

• Tác giả: Huynh Thai Hoai
• Người hướng dẫn: Ts. Dao Minh Hung
• Trường học: Đại học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông
• Đề tài: Thiết kế hệ thống nông nghiệp thông minh dựa trên công nghệ IoT ESP 8266
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Bình Định

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Về Hệ Thống Nông Nghiệp Thông Minh IoT ESP8266

Hệ thống nông nghiệp thông minh dựa trên công nghệ IoT ESP8266 là giải pháp hiện đại nhằm tối ưu hóa quy trình sản xuất nông sản. Công nghệ Internet of Things (IoT) cho phép kết nối các cảm biến và thiết bị điều khiển trong môi trường nông nghiệp, giúp nông dân theo dõi và quản lý các yếu tố quan trọng một cách tự động. Module ESP8266 NodeMCU là bộ vi điều khiển nhúng có tích hợp Wi-Fi, cho phép truyền dữ liệu không dây với chi phí thấp. Hệ thống này bao gồm các khối chức năng chính: điều khiển trung tâm, cảm biến môi trường, ứng dụng di động, và các thiết bị ngoại vi. Ứng dụng nông nghiệp thông minh IoT giúp tăng năng suất, tiết kiệm tài nguyên nước và năng lượng, đồng thời giảm chi phí sản xuất nông sản cho người nông dân Việt Nam.

1.1. Khái Niệm IoT Trong Nông Nghiệp

IoT nông nghiệp là ứng dụng công nghệ Internet kết nối các thiết bị cảm biến, máy móc vào mạng lưới chung. Các cảm biến thu thập dữ liệu về độ ẩm đất, nhiệt độ, ánh sáng, và truyền thông tin lên máy chủ cloud. Từ đó, hệ thống điều khiển tự động có thể ra quyết định tưới nước, bật quạt, hay điều chỉnh môi trường nuôi trồng một cách thông minh mà không cần can thiệp thủ công liên tục từ nông dân.

1.2. Lợi Ích Của Công Nghệ ESP8266

ESP8266 được ưa chuộng vì giá rẻ, kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ điện năng thấp, và có sẵn module Wi-Fi tích hợp. Module này dễ lập trình với Arduino IDE, hỗ trợ kết nối với các ứng dụng di động như Blynk để giám sát từ xa. Hệ thống ESP8266 có thể hoạt động trên pin năng lượng mặt trời, giúp giảm chi phí điện năng cho nông dân vùng không có điện lưới ổn định.

II. Các Thành Phần Chính Của Hệ Thống

Hệ thống nông nghiệp thông minh IoT ESP8266 bao gồm bốn khối chức năng chính hoạt động phối hợp với nhau. Khối điều khiển trung tâm sử dụng ESP8266 NodeMCU xử lý dữ liệu và đưa ra lệnh điều khiển. Khối cảm biến gồm cảm biến ánh sáng, độ ẩm đất, nhiệt độ DS18B20, và cảm biến hồng ngoại HN2 để phát hiện chuyển động và vật cản. Khối hiển thị dùng màn hình LCD I2C để hiển thị thông tin thực tế. Khối thiết bị ngoại vi bao gồm module relay 5V, động cơ giảm tốc, bơm tăng áp, và công tắc hành trình Omron. Bộ nguồn cấp điện sử dụng pin mặt trời 60W, bộ điều khiển sạc 30A, và ắc quy 12V 14AH để cung cấp năng lượng ổn định cho hệ thống hoạt động 24/7.

2.1. Khối Điều Khiển Và Nguồn Cấp Điện

ESP8266 NodeMCU là bộ vi điều khiển nhân đôi có tích hợp bộ xử lý Wi-Fi, hoạt động ở tần số 80-160 MHz. Module LM2596 hạ áp từ 12V xuống 5V để cấp điện cho NodeMCU. Pin mặt trời 18V 60W cung cấp năng lượng xanh, bộ điều khiển sạc tự động quản lý năng lượng, và ắc quy 12V 14AH lưu trữ điện dự trữ cho hệ thống hoạt động vào ban đêm.

2.2. Hệ Thống Cảm Biến Và Giám Sát

Cảm biến ánh sáng đo cường độ sáng để điều khiển hệ thống tưới nước tự động. Cảm biến độ ẩm đất phát hiện nước trong đất để tối ưu hóa tưới nước. Cảm biến nhiệt độ DS18B20 có độ chính xác cao ±0.5°C. Cảm biến hồng ngoại HN2 phát hiện vật cản và chuyển động bất thường. Tất cả dữ liệu được truyền lên ứng dụng Blynk thông qua Wi-Fi để nông dân giám sát từ bất kỳ nơi đâu.

III. Thiết Kế Sơ Đồ Nguyên Lý Và Lập Trình Hệ Thống

Sơ đồ nguyên lý hệ thống nông nghiệp thông minh được thiết kế dựa trên cấu trúc khối chức năng rõ ràng. ESP8266 NodeMCU được lập trình bằng Arduino IDE để nhận dữ liệu từ các cảm biến qua giao thức I2C và giao thức Dallas OneWire. Dữ liệu được xử lý theo logic điều khiển được định nghĩa sẵn, sau đó gửi lệnh ra các thiết bị ngoại vi thông qua module relay. Ứng dụng Blynk kết nối với ESP8266 qua Wi-Fi, cho phép người dùng xem dữ liệu real-time và điều khiển từ xa. Mã token Blynk được nhúng trong code, đảm bảo kết nối an toàn giữa thiết bị và ứng dụng di động. Hệ thống hoạt động hoàn toàn tự động, nhưng nông dân vẫn có thể can thiệp thủ công khi cần thiết.

3.1. Cài Đặt Arduino IDE Và Nạp Chương Trình

Để lập trình ESP8266, cần cài đặt Arduino IDE từ trang chính thức. Thêm URL board ESP8266 vào cài đặt, sau đó tải xuống package ESP8266. Kết nối NodeMCU qua cổng USB với máy tính, chọn board ESP8266 NodeMCU và tốc độ baud 115200. Viết code điều khiển, biên dịch và nạp vào NodeMCU. Hệ thống sẽ tự động khởi động lại và hoạt động theo chương trình.

3.2. Kết Nối Ứng Dụng Blynk Với ESP8266

Tải ứng dụng Blynk trên điện thoại, tạo tài khoản, và nhấn "New Project". Chọn board ESP8266, ứng dụng sẽ gửi mã token qua email. Sao chép mã token vào code Arduino trước khi nạp. Ứng dụng Blynk hiển thị dữ liệu real-time từ cảm biến và cho phép điều khiển các thiết bị từ bất kỳ vị trí nào có kết nối internet.

IV. Thi Công Lắp Ráp Và Đánh Giá Kết Quả

Quá trình thi công hệ thống nông nghiệp thông minh IoT bắt đầu từ thiết kế và sản xuất bo mạch in bằng phương pháp ủi và ngâm bột sắt. Sau đó, lắp ráp các linh kiện điện tử lên mạch, kiểm tra điện áp và dòng điện để đảm bảo không có lỗi ngắn mạch. Thi công mô hình nông trại với các khay trồng cây, hệ thống tưới nước tự động, và lắp đặt cảm biến tại các vị trí chiến l略. Nạp chương trình điều khiển, kết nối ứng dụng Blynk, và tiến hành kiểm tra toàn hệ thống. Đánh giá kết quả cho thấy hệ thống hoạt động ổn định, độ chính xác cảm biến cao, thời gian response nhanh, và tiết kiệm điện năng lên đến 60% so với cách truyền thống.

4.1. Quy Trình Thi Công Và Lắp Ráp

Bước 1: Thiết kế và ký hoạch đồ trên phần mềm Proteus hoặc EasyEDA. Bước 2: In lên tấm đồng bằng phương pháp ủi lên bảng đồng. Bước 3: Ngâm trong bột sắt để tan lớp đồng thừa. Bước 4: Khoan lỗ cắm linh kiện với mũi khoan 0.8mm-1mm. Bước 5: Lắp ráp linh kiện theo sơ đồ, hàn các chân bằng kỹ thuật hàn kỹ. Bước 6: Phun sơn chống rỉ để bảo vệ mạch.

4.2. Kết Quả Hoạt Động Và Hiệu Quả

Sau khi hoàn thành, hệ thống hoạt động ổn định với độ chính xác cảm biến ±1-2%. Thời gian response từ lúc cảm biến phát hiện đến lúc thiết bị ngoại vi hoạt động là dưới 2 giây. Ứng dụng Blynk cập nhật dữ liệu mỗi 5 giây. Hệ thống tự động tưới nước khi độ ẩm đất thấp, tiết kiệm nước 40% và năng lượng 60% so với phương pháp thủ công truyền thống.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG MINH DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ IoT 1.1 Giới thiệu công nghệ IoT IoT ( Internet of Things ) là mạng lưới vạn vật kết nối internet liên mạng, trong đó các thiết bị, phương tiện vận tải (được gọi là "thiết bị kết nối" và "thiết bị thông minh"), phòng ốc và các trang thiết bị khác được nhúng với các bộ phận điện tử, phần mềm, cảm biến, cơ cấu chấp hành cùng với khả năng kết nối mạng máy tính giúp cho các thiết bị này có thể thu thập và truyền tải dữ liệu. 1 Mô tả tương tác của mạng lưới thiết bị kết nối Internet Từ khi lần đầu được giới thiệu cách đây gần 20 năm, cho tới hiện nay các ứng dụng IoT là một trong những mảng công nghệ phát triển nhất trong cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, nó xuất hiện và tác động tích cực tới từng ngành, từng lĩnh vực trong đó có ngành nông nghiệp. Ứng dụng IoT trong nông nghiệp góp phần tạo nên một môi trường sản xuất năng động, khoa học và giải phóng sức lao động, tăng năng suất, mang 3 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Ts. Đào Minh Hưng lại hiệu quả kinh tế cao, giúp nâng cao tính chuyên nghiệp và cải thiện bộ mặt cho cho nền nông nghiệp trong tương lai gần từ đó đã hình thành và ra đời nhiều sản phẩm hỗ trợ cho nông nghiệp đó là các hệ thống tự động, hệ thống điều khiển thông minh bằng nút nhấn, bằng ứng dụng nhờ vào các công nghệ wifi, blutooth, các loại sóng chẳng hạng như là sóng RF.

2 Minh họa về ứng dụng IoT trong nông nghiệp. Về kiến trúc xây dựng nên IoT gồm bốn thành phần cơ bản chính gồm: Vạn vật (Things), Trạm kết nối (Gateways), Hạ tầng mạng (Internet) và cuối cùng là lớp dịch vụ (Service): Hình 1. 3 Bốn thành phần cơ bản của một hệ thống IoT + Vạn vật (Things): Ngày nay có vô vàn vật dụng đang hiện hữu trong cuộc sống, ở trên các khu canh tác, ở trong nhà hoặc trên chính các thiết bị lưu động của người dùng. Giải pháp IoT giúp các thiết bị thông minh được sàng lọc, kết nối và quản lý dữ liệu của đối tượng nông nghiệp một cách cục bộ, còn các thiết bị chưa thông minh thì có thể kết nối được thông qua các trạm kết nối.

Từ đó, các thiết bị, vật dụng sẽ có thể thực hiện nhiệm vụ của mình đối với đối tượng nông nghiệp cần quản lý. 4 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Ts. Đào Minh Hưng + Trạm kết nối (Gateways): Các trạm kết nối sẽ đóng vai trò là một vùng trung gian trực tiếp, cho phép các vật dụng có sẵn này kết nối với điện toán đám mây một cách bảo mật và dễ dàng quản lý. Gateways có thể là một thiết bị vật lý hoặc là một phần mềm được dùng để kết nối giữa Cloud (điện toán đám mây) và bộ điều khiển, các cảm biến, các thiết bị thông minh.

+ Hạ tầng mạng (Internet): Internet là một hệ thống toàn cầu của nhiều mạng IP được kết nối với nhau và liên kết với hệ thống máy tính. Cơ sở hạ tầng mạng này bao gồm thiết bị định tuyến, trạm kết nối, thiết bị tổng hợp, thiếp bị lặp và nhiều thiết bị khác có thể kiểm soát lưu lượng dữ liệu lưu thông và cũng được kết nối đến mạng lưới viễn thông và cáp - được triển khai bởi các nhà cung cấp dịch vụ. + Lớp dịch vụ (Service): Là các ứng dụng được các hãng công nghệ, hoặc thậm chí người dùng tạo ra để dễ dàng sử dụng các sản phẩm IOT một cách hiệu quả và tận dụng được hết giá trị của sản phẩm.2 Những lợi ích mang lại khi sử dụng IoT Những lợi ích mà IoT đem lại được dàn trải hầu hết đến các tất cả các lĩnh vực trong đời sống, kinh doanh… Dưới đây liệt kê ngắn gọn một số tính năng hữu ích của IoT: • Cải thiện việc gắn kết khách hàng - hệ thống IoT giúp phân tích các điểm mù hiện tại, tìm ra những sai sót về độ chính xác. IoT thay đổi điều này để mang lại nhiều sự gắn kết hơn và hiệu quả hơn với người dùng…Bên cạnh đó chúng cũng có khả năng cho phép người dùng chia sẻ các sản phẩm qua mạng xã hội … • Tối ưu hóa công nghệ - giúp nâng cao trải nghiệm của khách hàng cũng như cải thiện việc sử dụng thiết bị và hỗ trợ cải tiến công nghệ.

• Giảm sự hao phí - IoT giúp việc quản lí tài nguyên ở các lĩnh vực được cải thiện 1 cách rõ ràng hiệu quả hơn. • Tăng cường việc thu thập dữ liệu - Thông thường, việc thu thập dữ liệu bị hạn chế do thiết kế hệ thống mang tính thụ động. IoT phá vỡ sự ràng buộc, giới hạn của thiết kế và tạo ra 1 hình ảnh chính xác của tất cả mọi thứ.3 Những ứng dụng thực tế trong cuộc sống của IoT Ứng dụng đầu tiên mà IoT áp dụng hiệu quả nhất đó là phục vụ hỗ trợ cho nông nghiệp. Nông nghiệp công nghệ cao, IoT,….

có lẽ chưa bao giờ hai từ khóa này lại được quan tâm nhiều đến như thế. Cũng phải thôi, nông nghiệp là sở trường của nước ta theo đúng nghĩa đen. Công nghệ thông tin, điện tử, viễn thông cũng đang là sở 5 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Ts. Đào Minh Hưng trường của các kỹ sư Việt Nam trên đấu trường quốc tế.

Như vậy, nếu kết hợp được việc ứng dụng IoT trong nông nghiệp thì đây đúng là một hướng phát triển bền vững và mạnh mẽ của nước ta. Cụ thể, ứng dụng IoT vào nông nghiệp sẽ là: – Áp dụng công nghệ khoa học vào toàn bộ quá trình trong nông nghiệp (khép kín): Cụ thể là áp dụng công nghệ thông tin, điện tử, viễn thông vào các quá trình từ chuẩn bị giống, đất,… → trồng trọt →chăn nuôi →thu hoạch → chế biến→ bảo quản → phân phối → đến bàn ăn. – Dữ liệu thu thập được phải tạo thành database ở quy mô lớn, để dần tự động hóa được cả quá trình (tức là: loại bỏ dần “kinh nghiệm” của con người, chủ động nhận biết vấn đề và đề xuất cách giải quyết). Nôm na, có thể gọi là trí tuệ nhân tạo, thay con người đưa ra quyết định.

– Nhà kính hiện được sử dụng phổ biến ở nước ta, đặc biệt là ở Đà Lạt nơi có lợi thế về khí hậu và thời tiết. Nhà kính ban đầu ra đời với mục đích giúp tách ly cây trồng với điều kiện thời tiết bên ngoài. Dần dần, được bổ xung thêm các hệ thống kiểm soát khí hậu bên trong nhà kính ( nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng,…) và hệ thống điều khiển tưới. Hiểu nôm na hai hệ thống như sau: + Hệ thống điều khiển tưới: Hệ thống bao gồm các thiết bị: đầu tưới nhỏ giọt hoặc đầu tưới phun sương/mưa, bộ châm phân, bộ điều khiển tưới.

hệ thống giúp tưới nước/phân một cách tiết kiệm, hiệu quả và đạt năng suất cao. Giúp người nông dân giảm giá thành chi phí sản xuất. + Hệ thống điều khiển khí hậu: Hệ thống bao gồm các cảm biến nhận biết nhiệt độ, độ ẩm bên trong ( và bên ngoài) nhà kính, hệ thống quạt thông gió để đối lưu không khí, hệ thống đèn chiếu sáng để có thể tăng cường ánh sáng khi cần thiết, trạm đo thời tiết để biết các thông số: cường độ bức xạ mặt trời, cảnh báo mưa, tốc độ gió, lưu lượng mưa,…. Mục đích giúp nhà kính duy trì ở điều kiện mong muốn.

Tất cả những việc áp dụng khoa học công nghệ IoT trong nông nghiệp này góp phần giảm thiểu chi phí nhân công, giá thành đầu vào thông qua việc sử dụng hợp lý phân bón, nguồn nước …và nâng cao chất lượng của cây trồng bên trong, đưa nền nông nghiệp nước nhà lên một tầm cao mới, có vị thế trên thị trường nông sản quốc tế. Ngoài ra thì còn nhiều ứng dụng khác như : • Smart Home • Vật dụng mang theo trên người 6 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Ts. Đào Minh Hưng • Quản lý chất thải, lập kế hoạch quản lý đô thị, môi trường, các thiết bị cá nhân • Phản hồi trong các tinh huống khẩn cấp • Mua sắm thông minh • Đồng hồ đo thông minh • Tự động hóa ngôi nhà 1.4 Các giao thức truyền dẫn trong công nghệ IoT 1.1 MQTT (Message Queuing Telemetry Transport)) MQTT là một giao thức kết nối internet vạn vật trong các ứng dụng M2M. 4 Thế giới kết nối máy móc với máy móc MQTT là một giao thức theo cơ chế xuất bản/đăng ký, ở đó máy client có thể xuất bản hay nhận bản tin.

Nó giúp giao tiếp dễ dàng giữa nhiều thiết bị. MQTT là một giao thức nhắn tin đơn giản được thiết kế cho các thiết bị bị hạn chế và có băng thông thấp, vì vậy nó là một giải pháp hoàn hảo cho các ứng dụng internet vạn vật. MQTT là một giao thức cực kỳ nhẹ cho việc truyền tải bản tin đăng ký/xuất bản. Nó rất hữu ích cho việc kết nối với vị trí ở xa nơi có băng thông không cao.

Đặc điểm của MQTT: - MQTT có một số tính năng độc đáo khó có thể tìm thấy trong các giao thức khác. Dưới đây là một số tính năng của MQTT:  Nó không yêu cầu cả Client và Server phải thiết lập kết nối cùng một lúc. 7 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Ts. Đào Minh Hưng  Nó cho phép Client đăng ký lựa chọn chủ đề để họ có thể nhận được thông tin họ đang tìm kiếm nhanh chóng.

 Nó cung cấp truyền dữ liệu nhanh hơn, giống như cách WhatsApp / messenger cung cấp việc phân phối nhanh hơn. Đó là một giao thức nhắn tin thời gian thực.  Nó được thiết kế như một giao thức nhắn tin đơn giản và nhẹ sử dụng hệ thống xuất bản / đăng ký để trao đổi thông tin giữa Client và Server.  Nó là một giao thức máy với máy, tức là nó cung cấp giao tiếp giữa các thiết bị.

MQTT rất phù hợp với các ứng dụng sử dụng thiết bị M2M và IoT cho các mục đích như phân tích thời gian thực, bảo trì phòng ngừa và giám sát môi trường, bao gồm nhà thông minh, chăm sóc sức khỏe, hậu cần, công nghiệp và sản xuất. Ưu điểm và nhược điểm của MQTT Ưu điểm:  Truyền dữ liệu hiệu quả và thực hiện nhanh chóng do nó là một giao thức nhẹ.  Sử dụng mạng có băng thông thấp, do gói dữ liệu được giảm thiểu.  Phân phối dữ liệu hiệu quả.

 Gửi bản tin nhanh chóng và hiệu quả.  Sử dụng lượng điện năng nhỏ, tốt cho các thiết bị sử dụng pin.  Giảm băng thông mạng, giảm chi phí mạng.