Đồ án: Thiết kế mô hình quản lý giám sát trang trại gà qua Internet

Tải đồ án tốt nghiệp trang trại gà thông minh ứng dụng IoT. Chi tiết thiết kế và thi công mô hình quản lý, giám sát tự động qua Internet bằng STM32.

• Tác giả: Phạm Thanh Bình
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Thanh Hải
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: CNKT Điện Tử - Truyền Thông
• Đề tài: Đề Án Quản Lý Trang Trại Gà Thông Minh Kết Nối Internet
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án quản lý trang trại gà thông minh

Đồ án quản lý trang trại gà thông minh kết nối Internet là một giải pháp hiện đại nhằm tối ưu hóa quy trình chăn nuôi gà bằng công nghệ kỹ thuật tiên tiến. Hệ thống này được thiết kế dựa trên nền tảng vi điều khiển STM32F103C8T6 kết hợp với module LoRa để thực hiện giám sát và điều khiển từ xa. Mục tiêu chính của đồ án là giảm sức lao động, tăng năng suất sản xuất và cải thiện điều kiện sống của gia cầm. Hệ thống tích hợp cảm biến nhiệt độ, độ ẩm và các thiết bị điều khiển thông minh như quạt, đèn, bơm, động cơ bước. Điểm nổi bật là khả năng kết nối Internet cho phép người dùng theo dõi tình hình trang trại mọi lúc, mọi nơi một cách chính xác và kịp thời nhất.

1.1. Ý nghĩa của hệ thống quản lý thông minh

Hệ thống quản lý trang trại gà thông minh mang lại những giải pháp đột phá trong ngành chăn nuôi. Nó giúp giảm chi phí nhân công, tăng hiệu suất sản xuất và cải thiện chất lượng sản phẩm. Công nghệ tự động hóa cho phép điều chỉnh môi trường sống của gà một cách tối ưu, từ đó nâng cao sức khỏe và năng suất đẻ của gia cầm. Hệ thống cảnh báo thông minh giúp phát hiện sớm các vấn đề, bảo vệ trang trại khỏi những tổn thất không đáng có.

1.2. Ứng dụng thực tiễn và tầm quan trọng

Ứng dụng của đồ án rất rộng rãi trong lĩnh vực chăn nuôi hiện đại. Nó có thể được mở rộng từ các trang trại nhỏ lẻ đến các mô hình quy mô lớn. Hệ thống giúp quản lý bệnh dịch tốt hơn, tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường. Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ, những mô hình như vậy đang trở thành xu hướng tất yếu trong nông nghiệp hiện đại.

II. Cơ sở lý thuyết và công nghệ chính

Đồ án này được xây dựng trên nền tảng các công nghệ hàng đầu trong lĩnh vực điều khiển và truyền thông. Vi điều khiển ARM STM32F103C8T6 đóng vai trò là bộ não của hệ thống, xử lý dữ liệu từ các cảm biến và điều khiển các thiết bị ngoại vi. Công nghệ LoRa cung cấp khả năng truyền dữ liệu không dây với phạm vi xa, tiêu thụ điện năng thấp, phù hợp cho các ứng dụng ngoài trời. Giao thức UART được sử dụng để truyền dữ liệu nối tiếp giữa các module. Module ESP8266 tích hợp trong kit NodeMCU cho phép kết nối Internet và gửi dữ liệu lên nền tảng Blynk để theo dõi từ xa. Sự kết hợp những công nghệ này tạo nên một hệ thống hoàn chỉnh, hiệu quả và đáng tin cậy.

2.1. Vi điều khiển và cảm biến

Vi điều khiển STM32F103C8T6 là lựa chọn tối ưu với tốc độ xử lý nhanh và tiêu thụ điện năng thấp. Hệ thống sử dụng cảm biến DHT11 để đo nhiệt độ và độ ẩm, cảm biến PIR phát hiện chuyển động. Các ngõ vào/ra GPIO kết nối với relay module để điều khiển các thiết bị như quạt, đèn, bơm nước.

2.2. Công nghệ truyền thông và kết nối Internet

Công nghệ LoRa cung cấp truyền thông không dây với khoảng cách lên tới vài km. Module ESP8266 cho phép kết nối WiFi và truyền dữ liệu lên nền tảng Blynk trên đám mây. Người dùng có thể theo dõi và điều khiển trang trại thông qua ứng dụng di động từ bất kỳ đâu có kết nối Internet.

III. Thiết kế hệ thống và các thành phần chính

Hệ thống quản lý trang trại gà thông minh được thiết kế theo mô hình khối chức năng rõ ràng. Sơ đồ khối hệ thống bao gồm khối cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm, phát hiện chuyển động), khối xử lý trung tâm (vi điều khiển STM32), khối truyền thông (LoRa, UART, WiFi ESP8266), khối thiết bị điều khiển (relay, động cơ, bơm), khối hiển thị (LCD), và khối cung cấp điện (adapter, pin). Mỗi thành phần được lựa chọn kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu suất cao và độ tin cậy. Sơ đồ mạch nguyên lý toàn bộ hệ thống được thiết kế chi tiết với các đặc tính kỹ thuật rõ ràng. Tính toán công suất được thực hiện cẩn thận để chọn khối nguồn phù hợp, đảm bảo cung cấp điện ổn định cho toàn bộ hệ thống.

3.1. Khối cảm biến và khối xử lý

Cảm biến DHT11 đo nhiệt độ và độ ẩm với độ chính xác cao. Cảm biến PIR phát hiện chuyển động để cảnh báo người lạ. Vi điều khiển STM32F103C8T6 xử lý dữ liệu từ các cảm biến, so sánh với các ngưỡng cài đặt và kích hoạt các hành động điều khiển tương ứng. Hệ thống có khả năng lưu trữ dữ liệu để phân tích xu hướng nhiệt độ, độ ẩm theo thời gian.

3.2. Khối thiết bị điều khiển và cung cấp điện

Relay module kết nối với vi điều khiển để điều khiển quạt, đèn, bơm nước, động cơ bước. Mỗi thiết bị được trang bị cảnh báo tình trạng riêng. Khối nguồn được tính toán để cung cấp điện áp ổn định cho tất cả các thiết bị. Chuông báo động kích hoạt khi phát hiện sự cố hoặc người xâm nhập.

IV. Phần mềm ứng dụng và kết quả thực hiện

Phần mềm của hệ thống được lập trình bằng ngôn ngữ C trên IDE ARM Keil. Firmware cho vi điều khiển STM32 được viết để xử lý các tín hiệu cảm biến, điều khiển các thiết bị ngoại vi, và giao tiếp với các module truyền thông. Cấu hình ESP8266 được thực hiện để kết nối WiFi và tích hợp với nền tảng Blynk. Giao diện ứng dụng Blynk được thiết kế thân thiện với người dùng, cung cấp biểu đồ theo dõi nhiệt độ, độ ẩm theo thời gian thực. Người dùng có thể bật/tắt các thiết bị thông qua ứng dụng di động. Kết quả thực hiện cho thấy hệ thống hoạt động ổn định, chính xác và đáng tin cậy trong các điều kiện thực tế. Chi phí toàn bộ đồ án được tính toán chi tiết, bao gồm linh kiện điện tử, thiết bị cơ khí, lao động.

4.1. Lập trình phần mềm và giao diện ứng dụng

Chương trình STM32 được viết modular, dễ bảo trì và nâng cấp. Hàm xử lý ngắt được sử dụng để xử lý sự kiện từ các cảm biến. Luật điều khiển logic được cài đặt để tự động điều chỉnh môi trường chuồng gà dựa trên dữ liệu cảm biến. Ứng dụng Blynk cung cấp giao diện trực quan với biểu đồ màu sắc, nút điều khiển dễ sử dụng, thông báo push khi có sự cố.

4.2. Kết quả và đánh giá hệ thống

Hệ thống đã được kiểm thử trên mô hình tỷ lệ và cho kết quả chính xác trong ±1°C cho nhiệt độ, ±2% độ ẩm. Độ trễ truyền dữ liệu qua Internet là dưới 5 giây. Chi phí triển khai khoảng 15-20 triệu đồng cho mô hình nhỏ. Hệ thống có khả năng mở rộng dễ dàng cho các trang trại quy mô lớn hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan Trình bày tình hình nghiên cứu, tính cấp thiết của đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, giới hạn của đề tài và bố cục đồ án. Chương 2: Cơ sở lý thuyết Giới thiệu về sơ lược về vi điều khiển, mạng LoRa, module LoRa, module ESP8266, phương pháp cấu hình hệ thống liên kết Internet. Chương 3: Thiết kế hệ thống Từ những cơ sở lý thuyết có được, trình bày về sơ đồ khối, thiết kế sơ đồ mạch và thiết kế từng khối để hoàn thiện hệ thống. Chương 4: Thi công hệ thống Trình bày lưu đồ thuật toán, phương thức kết nối với Internet, thi công phần cứng và phần mềm của hệ thống.

3 KHOA ĐT CLC – ĐH SPKT TPHCM Chương 5: Kết luận và hướng phát triển Cuối cùng, đưa ra kết luận về những gì đã thực hiện và ưu, khuyết điểm cùng hướng phát triển, mở rộng của đề tài. 4 KHOA ĐT CLC – ĐH SPKT TPHCM CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 CÁC TIÊU CHUẨN MÔI TRƯỜNG TRONG CHĂN NUÔI GÀ Các tiêu chuẩn môi trường bao gồm chất độn chuồng, nhiệt độ, độ ẩm, độ sạch không khí, cho đến mật độ thả gà, ánh sáng. Ở đây vì để ứng dụng công nghệ vào lĩnh vực chăn nuôi nên đề tài chỉ nói đến 2 yếu tố là nhiệt độ và độ ẩm. Về nhiệt độ, đối với vật nuôi gia cầm, tùy theo tuần tuổi mà có các mức nhiệt độ khác nhau, tuy nhiên không có nhiều sự chênh lệch.

Vì vậy, nhiệt độ lý tưởng trong chuồng gà nên là 20°C, nếu mức nhiệt ở 10-15°C thì vẫn ở khoảng tốt. Nhiệt độ khi ở mức 5-10°C hoặc 25-30°C thì cần chú ý đề phòng, nếu thấp hơn 5°C hoặc lớn hơn 30°C thì mức nhiệt trong trạng thái nguy hiểm. Khi mức nhiệt nằm ngoài mức độ “lý tưởng” hoặc “tốt” thì cần có các biện pháp điều chỉnh lại nhiệt độ. Về độ ẩm, trong chăn nuôi gà, độ ẩm là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp lên đường hô hấp của gà nhưng lại là yếu tố mà ta có thể chủ động điều chỉnh được trong phạm vi chuồng nuôi.

Nếu độ ẩm quá cao thì gà bài tiết nhiệt khó khăn. Nếu độ ẩm quá thấp thì hanh khô, chuồng dễ bụi, gà dễ mắc bệnh đường hô hấp. Độ ẩm thích hợp là từ 60-70%.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 2.2 Vi điều khiển ARM a) STM32F103 - Chip ARM Cortex-M3 Hiện nay xu hướng chủ yếu trong các thiết kế với vi điều khiển là sử dụng các chip lõi ARM như một vi điều khiển đa dụng. Không nằm ngoài xu hướng đó, hãng sản xuất chip ST Microelectronic đã nhanh chóng đưa ra dòng STM32 dựa trên nền tảng lõi ARM Cortex-M3 thế hệ mới do hãng ARM thiết kế.

Lõi ARM Cortex-M3 là sự cải tiến từ lõi ARM7 truyền thống từng mang lại thành công vang dội cho công ty ARM. Dòng STM32 tiêu thụ năng lượng cực thấp trong khi đó hiệu suất cực cao với những ứng dụng rộng rãi từ điện dân dụng, xe hơi đời mới, game, mobile, laptop, chỗ nào ARM cũng có mặt. b) Board STM32F103C8T6 Kit phát triển STM32F103C8T6 Blue Pill ARM Cortex-M3 là loại được sử dụng để nghiên cứu về ARM nhiều nhất hiện nay do có mức giá rẻ, có chất lượng gia công tốt, độ bền cao. 5 KHOA ĐT CLC – ĐH SPKT TPHCM Hình 2-1: Board STM32F103C8T6 Blue Pill Board STM32F103C8T6 có 1 cổng Micro USB dùng để giao tiếp USB và cấp nguồn, điện áp cấp 5VDC sẽ được chuyển thành 3.3VDC khi qua cổng, board có tích hợp thạch anh chính 8Mhz, thêm thạch anh 32Khz cho các ứng dụng Real Time, ra chân đầy đủ cho tất cả các GPIO và giao tiếp CAN, I2C, SPI, UART/USART, USB.

Ngoài ra còn tích hợp led trạng thái nguồn, led PC13, nút reset. Hình 2-2: Các thành phần chính của Board STM32F103C8T6 c) GPIO của STM32F103C8T6 GPIO (General purpose I/O ports) là nơi giao tiếp chung giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào. Ở STM32, các chân GPIO chia ra làm nhiều Port như PortA, PortB, PortC, PortD. Số lượng Port phụ thuộc vào số lượng chân (pin) và cách gọi phụ thuộc vào nhà sản xuất.

Mỗi Port thường có 16 chân đánh số từ 0 đến 15 tương ứng với mỗi chân là 1bit. Mỗi chân có 1 chức năng khác nhau như analog input, external interrupt hay đơn thuần chỉ xuất tín hiệu on/off ở mức ‘0’, ‘1’. 6 KHOA ĐT CLC – ĐH SPKT TPHCM Các mode của GPIO của STM32F103C8T6  Input floating: cấu hình chân I/O là ngõ vào và để nổi.  Input pull-up: cấu hình chân I/O là ngõ vào, có trở kéo lên nguồn.

 Input-pull-down: cấu hình chân I/O là ngõ vào, có trở kéo xuống GND.  Analog: cấu hình chân I/O là Analog, dùng cho các mode có sử dụng ADC hoặc DAC.  Output open-drain: cấu hình chân I/O là ngõ ra, khi output control = 0 thì N- MOS sẽ dẫn, chân I/O sẽ nối VSS, còn khi output control = 1 thì P-MOS và N-MOS đều không dẫn, chân I/O được để nổi.  Output push-pull: cấu hình chân I/O là ngõ ra, khi output control = 0 thì N- MOS sẽ dẫn, chân I/O sẽ nối VSS, còn khi output control = 1 thì P-MOS dẫn, chân I/O được nối VDD.

 Alternate function push-pull: sử dụng chân I/O vừa là ngõ ra và vừa là ngõ vào, tuy nhiên sẽ không có trở kéo lên và kéo xuống ở input, chức năng output giống Output push-pull. Ngoài ra nó còn để sử dụng cho chức năng remap.  Alternate function push-pull: sử dụng chân I/O vừa là ngõ ra và vừa là ngõ vào, tuy nhiên sẽ không có trở kéo lên và kéo xuống ở input, chức năng output giống Output open-drain. Ngoài ra nó còn để sử dụng cho chức năng remap.3 Khối thiết bị ngõ ra a) Động cơ bước Động cơ bước (Step Motor) là một loại động cơ chạy bằng điện, dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc thành các chuyển động góc quay.

Trên thị trường hiện nay, động cơ bước được sử dụng rất nhiều vì giá thành rẻ và độ bền cao, dễ thay thế. Hình 2-3: Động cơ bước 7 KHOA ĐT CLC – ĐH SPKT TPHCM Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường mà quay theo từng bước một nên có độ chính xác cao. Động cơ bước có thể quay bao nhiêu độ phụ thuộc vào tín hiệu từ vi điều khiển, mỗi lần quay là một bước (step), số bước tùy thuộc vào loại động cơ, động cơ có 2048 bước thì cần quay đủ số bước đó để hoàn thành một vòng. Hình 2-4: Cấu tạo động cơ bước Cấu tạo động cơ bước khá giống với động cơ DC, nó cũng có một nam châm vĩnh cửu là rotor.

Rotor sẽ ở trung tâm và sẽ quay khi lực tác dụng lên nó. Rotor này được bao quanh bởi một số stator được quấn bởi cuộn từ tính trên nó. Stator được đặt càng gần càng tốt với rotor để từ trường trong các stator có thể ảnh hưởng đến chuyển động của rotor. Để điều khiển động cơ bước, mỗi stator sẽ được cấp nguồn lần lượt.

Trong trường hợp này, stator sẽ từ hóa và hoạt động như một cực điện từ tác dụng lực đẩy lên rotor và đẩy nó di chuyển một bước. Thay thế từ hóa và khử từ của các stator sẽ di chuyển rotor từng bước và cho phép nó xoay trong sự kiểm soát. Thông số kỹ thuật:  Loại động cơ: Động cơ bước lưỡng cực.  Điện áp cung cấp: 12~24VDC.

 Dòng trung bình: 2A.  Mô men xoắn: 54Ncm (84oz. b) Mạch điều khiển động cơ bước 8 KHOA ĐT CLC – ĐH SPKT TPHCM Mạch điều khiển động cơ bước DRV8825 với đầy đủ các tính năng của một driver chuyên nghiệp, như điều chỉnh dòng giới hạn, vi bước (1/32 bước), bảo vệ quá dòng, quá nhiệt. Thông số kỹ thuật: - Điện áp cung cấp: 8.

- Dòng trung bình (RMS): 1.5A, dòng đỉnh (Peak) lên đến 2. - 6 độ phân giải bước khác nhau: full, half step, 1/4 step, 1/8 step, 1/16 step, 1/32 step. - Điện áp điều khiển: 3. - Tự động shutdown khi quá nhiệt, quá dòng.

- Bảo vệ ngắn mạch và bảo vệ quá tải. - Mạch 4 lớp,2 lớp phủ đồng giúp cải thiện khả năng tản nhiệt. - Có thể thay thế tốt cho Driver A4988 trong máy in 3D. Hình 2-5: Stepper driver 8825 c) Máy bơm nước mini Trong mô phỏng và trong giới hạn của mô hình sản phẩm sử dụng động cơ một chiều 12V, 0.25A để điều khiển bơm nước.

Máy bơm được thiết kế với một động cơ DC được gắn vào hệ thống kín gồm một ngõ ống vào và một ngõ ống ra, bên trong được gắn cánh quạt nhằm bơm nước một chiều. Công suất máy bơm 3W tạo áp suất nước 0.3Mpa và tốc độ 1. Máy bơm có thể hoạt động khi đặt ở độ cao tối đa 5m. Thông qua relay ta sẽ điều khiển hoạt động của máy bơm, đảm bảo công suất bơm và cách li với mạch điều khiển.

9 KHOA ĐT CLC – ĐH SPKT TPHCM Hình 2-6: Máy bơm nước mini Thông số kỹ thuật:  Điện áp hoạt động từ 6V-12V DC.  Dòng tiêu thụ từ 0.  Công suất từ 5 – 12W.  Nhiệt độ hoạt động ở 80°C.

 Lưu lượng bơm từ 1-2L/phút.  Đẩy nước lên thấp hơn 3m. d) Quạt tản nhiệt Với mô hình có không gian nuôi gà rộng 500cm2 (chiều dài 25cm, chiều rộng 20cm), thì có thể lựa chọn quạt tản nhiệt 12V DC có kích thước 40x40x10mm. Hình 2-7: Quạt tản nhiệt 2.4 Khối hiển thị LCD Màn hình LCD 16x2 có khả năng hiển thị 2 dòng với mỗi dòng 16 ký tự, màn hình có độ bền cao, rất phổ biến, có thể dùng biến trở hoặc PWM điều chỉnh độ tương phản.

10 KHOA ĐT CLC – ĐH SPKT TPHCM Hình 2-8: Màn hình LCD 16x2 Sơ đồ chân  Các chân cấp nguồn: chân số 1 là chân nối mass (0V), chân số 2 là Vdd nối với nguồn +5V. Chân số 3 dùng để chỉnh contrast thường nối với biến trở.  Các chân điều khiển: chân số 4 là chân RS dùng để điều khiển lựa chọn thanh ghi. Chân R/W dùng để điều khiển quá trình đọc và ghi.

Chân E là chân cho phép dạng xung chốt.  Các chân dữ liệu D7 -> D0: chân số 7 đến chân số 14 là 8 chân dùng để trao đổi dữ liệu giữa thiết bị điều khiển và LCD.3 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG LORA 2.1 Giới thiệu về công nghệ truyền thông LoRa LoRa™ (Long Range) là một kỹ thuật điều chế (modulation) dựa trên kỹ thuật Spread-Spectrum và một biến thể của Chirp Spread Spectrum (CSS), cho một khoảng cách xa hơn đáng kể cách kỹ thuật khác. Kỹ thuật không dây LoRa được phát triển bởi Cycleo SAS (sau này được mua lại bởi Semtech).