Đồ án: tốt nghiệp thiết kế và thi công hệ thống tự động giám sát chăm sóc

Đồ án nghiên cứu tốt nghiệp thiết kế và thi công hệ thống tự động giám sát chăm sóc cây trồng, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá tính khả thi dự án.

• Tác giả: Phan Minh Nhựt
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Trường Duy
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Điện Tử Công Nghiệp
• Đề tài: Thiết Kế Và Thi Công Hệ Thống Tự Động Giám Sát Chăm Sóc Cây Trồng
• Loại tài liệu: Graduation Project
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Đồ Án Tốt Nghiệp Thiết Kế Và Thi Công Hệ Thống

Đồ án tốt nghiệp là một phần quan trọng trong quá trình đào tạo các kỹ sư ngành Điện tử công nghiệp. Đề tài thiết kế và thi công hệ thống tự động giám sát chăm sóc cây trồng đại diện cho sự kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn, giúp sinh viên vận dụng các kiến thức đã học vào những ứng dụng thực tế. Hệ thống này được phát triển bởi các sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, dưới sự hướng dẫn của giảng viên chuyên môn. Mục tiêu chính là tạo ra một giải pháp tự động hóa hoàn chỉnh, giúp nông dân theo dõi và quản lý các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự phát triển của cây trồng. Đồ án này không chỉ đánh giá năng lực chuyên môn của sinh viên mà còn thể hiện khả năng giải quyết vấn đề thực tế trong lĩnh vực nông nghiệp hiện đại.

1.1. Mục Tiêu Và Ý Nghĩa Của Đề Tài

Mục tiêu của đồ án tốt nghiệp này là phát triển một hệ thống tự động hóa có khả năng giám sát các thông số quan trọng như độ ẩm đất, ánh sáng, nhiệt độ và độ ẩm không khí. Hệ thống sẽ ghi nhận dữ liệu thực thời qua các cảm biến hiện đại và truyền tải thông tin đến một nền tảng web và ứng dụng Android để người dùng có thể theo dõi từ xa. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài nằm ở việc giúp tối ưu hóa quy trình chăm sóc cây, tiết kiệm nước và tài nguyên, đồng thời nâng cao năng suất sản xuất nông nghiệp.

1.2. Phạm Vi Và Ứng Dụng Thực Tế

Hệ thống giám sát được thiết kế chủ yếu cho cây rau màu ngắn ngày, một loại cây trồng phổ biến ở Việt Nam. Ứng dụng thực tế của hệ thống bao gồm các nông trại quy mô nhỏ đến trung bình, vườn rau hộ gia đình và các mô hình nông nghiệp hiện đại. Với khả năng cảnh báo tự động khi các thông số vượt quá giới hạn cho phép, hệ thống giúp người nông dân can thiệp kịp thời, tránh tổn hại về sản lượng và chất lượng cây trồng.

II. Cấu Trúc Kỹ Thuật Của Hệ Thống Tự Động Hóa

Hệ thống tự động giám sát được xây dựng trên nền tảng các microcontroller hiện đại như Arduino Mega 2560 và module ESP8266, là những thành phần điện tử mạnh mẽ trong lĩnh vực IoT (Internet of Things). Kiến trúc hệ thống bao gồm ba tầng chính: tầng cảm biến (Sensor Layer) có nhiệm vụ đo lường các thông số môi trường, tầng xử lý (Processing Layer) sử dụng Arduino để xử lý dữ liệu, và tầng truyền thông (Communication Layer) với module WiFi ESP8266. Mỗi tầng được thiết kế với các mạch điều khiển chuyên biệt, đảm bảo độ chính xác cao và tính ổn định của hệ thống. Dữ liệu được thu thập liên tục, lưu trữ trong cơ sở dữ liệu, và hiển thị trên webserver cũng như ứng dụng Android cho phép người dùng giám sát mọi lúc mọi nơi.

2.1. Các Thành Phần Phần Cứng Chính

Hệ thống phần cứng bao gồm Arduino Mega 2560 đóng vai trò bộ điều khiển chính, module ESP8266 để kết nối Internet, các cảm biến nhiệt độ DHT22, cảm biến độ ẩm đất, cảm biến ánh sáng, và module thời gian thực RTC. Các linh kiện được lựa chọn dựa trên yêu cầu độ chính xác, độ bền và khả năng tương thích. LCD 20x4 được sử dụng để hiển thị dữ liệu thực thời trên hệ thống, giúp người vận hành dễ dàng quan sát các thông số quan trọng.

2.2. Giao Tiếp Và Kết Nối Mạng

Giao tiếp giữa các thành phần hệ thống được thực hiện thông qua các giao thức UART, I2C và SPI. Module ESP8266 được lập trình để kết nối với mạng WiFi và truyền dữ liệu đến một webserver được xây dựng bằng các ngôn ngữ lập trình web như PHP, HTML, CSS, JavaScript. Dữ liệu từ cảm biến được gửi qua Internet, cho phép người dùng truy cập thông tin từ mọi nơi có kết nối mạng.

III. Phần Mềm Và Ứng Dụng Điều Khiển Hệ Thống

Phần mềm của hệ thống được phát triển trên nhiều nền tảng khác nhau để đáp ứng nhu cầu giám sát và điều khiển linh hoạt. Chương trình điều khiển trên Arduino được viết bằng ngôn ngữ C/C++, có nhiệm vụ đọc dữ liệu từ các cảm biến, thực hiện các tính toán và xử lý logic, cũng như điều khiển các thiết bị đầu ra như hệ thống tưới nước tự động. Webserver cung cấp giao diện người dùng thân thiện, cho phép các nông dân xem biểu đồ thể hiện sự biến đổi của các thông số theo thời gian. Ứng dụng Android được phát triển để cung cấp khả năng truy cập từ smartphone, bao gồm các tính năng cảnh báo thông báo (notification) khi các thông số vượt ngoài phạm vi cho phép. Toàn bộ phần mềm được thiết kế theo các chuẩn lập trình tốt, đảm bảo tính bảo mật và dễ bảo trì.

3.1. Thuật Toán Và Lôgic Điều Khiển

Lôgic điều khiển hệ thống được xây dựng dựa trên các nguyên tắc nếu-thì (if-then) để quyết định khi nào kích hoạt các thiết bị ngoại vi. Ví dụ, nếu độ ẩm đất dưới mức tối thiểu, hệ thống sẽ tự động kích hoạt van tưới nước. Lôi đồ giải thuật được thiết kế cẩn thận để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định, tránh các tình trạng lệch cảm biến hoặc trục trặc hệ thống.

3.2. Giao Diện Người Dùng Trên Web Và Mobile

Giao diện webserver được thiết kế tối giản nhưng đầy đủ chức năng, hiển thị các biểu đồ dữ liệu theo thời gian thực, cho phép người dùng tìm hiểu xu hướng của các thông số. Ứng dụng Android cung cấp các chức năng như xem tóm tắt trạng thái, nhận cảnh báo khi cần can thiệp, và điều khiển một số thông số từ xa. Cả hai giao diện đều được thiết kế với trải nghiệm người dùng (UX) tốt, dễ sử dụng cho những người không có kiến thức kỹ thuật sâu.

IV. Quá Trình Thi Công Và Kiểm Thử Hệ Thống

Giai đoạn thi công là phần quan trọng nhất của đồ án tốt nghiệp, nơi các sinh viên chuyển từ thiết kế lý thuyết sang thực hiện thực tế. Quá trình này bắt đầu với vẽ mạch in (PCB design) sử dụng các phần mềm chuyên dụng như Eagle hoặc Altium Designer, tiếp theo là thi công mạch in thông qua các kỹ thuật như etching hoặc dịch vụ thi công ngoài. Lắp ráp linh kiện được thực hiện cẩn thận để đảm bảo các kết nối điện không bị lỗi. Mô hình hệ thống được xây dựng với các cảm biến thực tế, bao gồm một chậu cây hoặc khay trồng nhỏ, hệ thống tưới nước tự động, và tất cả các thiết bị cảm biến được lắp đặt phù hợp. Kiểm thử chức năng được thực hiện từng bước, bao gồm kiểm tra giao tiếp giữa các thành phần, cân chỉnh các thông số cảm biến, và xác nhận các chức năng điều khiển hoạt động đúng. Chạy thử nghiệm dài hạn giúp xác định độ ổn định của hệ thống trong các điều kiện thực tế khác nhau.

4.1. Thiết Kế Và Sản Xuất Mạch In

Quá trình thiết kế mạch in (PCB) bắt đầu với việc chuyển đổi sơ đồ nguyên lý thành bố trí mạch in thực tế. Các sinh viên phải xem xét các yếu tố như khoảng cách giữa các đường dẫn, cấp nguồn, nối đất, đảm bảo tính bảo mật và hiệu suất của mạch. Mạch in được sản xuất thông qua các quy trình như etching bằng hóa chất hoặc gửi tới nhà cung cấp chuyên nghiệp để tạo mạch in PCB tiêu chuẩn.

4.2. Kiểm Thử Cân Chỉnh Và Hoàn Thiện

Kiểm thử hệ thống được thực hiện theo các bước cụ thể: kiểm tra các kết nối điện, hiệu chuẩn cảm biến, kiểm tra các tín hiệu đầu ra, và xác nhận các chức năng logic. Cân chỉnh bao gồm điều chỉnh các ngưỡng cảnh báo, tối ưu hóa tần suất lấy mẫu dữ liệu, và kiểm tra độ chính xác của các phép đo. Cuối cùng, hệ thống được chạy trong các điều kiện thực tế để đánh giá hiệu suất tổng thể và độ bền lâu dài.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN  Chương 4: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá  Chương 5: Kết Luận và Hướng Phát Triển BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 QUY TRÌNH TRỒNG CÂY RAU MÀU NGẮN NGÀY 2.1 Đặc tính sinh trưởng của cây rau màu ngắn ngày Rau ngắn ngày là những loại rau có thời gian thu hoạch ngắn, dễ chăm sóc và không tốn nhiều công sức. Đây là những loại rau quen thuộc trong bữa ăn hằng ngày của nhiều gia đình, và cực kì bổ dưỡng. Ảnh hưởng của đất lên cây trồng Chất lượng đất có vai trò quyết định đến sinh trưởng, năng suất, chất lượng và khả năng chống chịu sâu bệnh hại của cây trồng. Bộ rễ các loại rau màu nói chung nằm trong khoảng 20-30cm, ở tầng đất mặt, do vậy tính chịu úng, chịu hạn kém và lại rất dễ bị sâu bệnh, cho nên đất trồng rau nhất thiết phải được chuẩn bị cẩn thận.

Đất cần được cuốc lên, làm nhỏ, và làm xốp. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên cây trồng Nhiệt độ có vai trò quan trọng trong quá trình sinh trưởng và phát triển của cây trồng. Khoảng nhiệt độ trung bình thích hợp cho cây rau phát triển là từ 15 – 35 độ C. Tùy thuộc vào từng loại rau mà có yêu cầu về nhiệt độ khác nhau.

Đối với các loại rau xanh, hay rau màu ngắn ngày, nhiệt độ giúp cho các phản ứng sinh hóa diễn ra nhanh hơn, tạo điều kiện cho cây rau phát triển. Sự hô hấp và thoát hơi nước của cây trồng chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi nhiệt độ. Các cây rau màu ngắn ngày là loại rau chịu lạnh trung bình, cây sinh trưởng tốt trong điều kiện nhiệt độ từ khoảng 15 – 35 độ C. Nhiệt độ cao hơn 40 độ C thì cây sẽ ngừng sinh trưởng.

Ngoài ra nhiệt độ còn ảnh hưởng đến từng giai đoạn sinh trưởng của cây:  Giai đoạn nảy mầm: Nhiệt độ tác động lên các tiến trình sinh dưỡng diễn ra bên trong hạt, khi gặp nhiệt độ thích hợp hạt sẽ nảy mầm nhanh. Hầu hết các loại rau đều nảy mầm ở nhiệt độ từ 25 – 30 độ C.  Giai đoạn cây con: Trong thời kì này, thân, lá và rễ cây chưa phát triển hoàn chỉnh nên cần nhiệt độ thấp hơn thời kì nảy mầm để hạn chế tiêu hao vật chất hô hấp. Nếu nhiệt độ quá cao khiến cho cây rau bị tiêu hao nhiều nước dẫn đến cây còi cọc, vàng úa.

Nhiệt độ thích hợp cho giai đoạn này là từ 18 – 20 độ C. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT  Giai đoạn trưởng thành: Khi bước vào giai đoạn trưởng thành cây rau cần nhiệt độ thích hợp để phát triển thân lá với tốc độ nhanh. Ảnh hưởng của độ ẩm lên cây trồng Độ ẩm trong không khí, trong đất có tác động đến các giai đoạn sinh trưởng của cây như sự nảy mầm của hạt, sự ra hoa, kết hạt, thời gian chín của quả, chất lượng rau, sản lượng, sinh trưởng sinh dưỡng, phát sinh sâu bệnh và bảo quản hạt giống. Độ ẩm đất ảnh hưởng không nhỏ đến khả năng phát triển của rau màu, từng giai đoạn phát triển khác nhau dẫn đến nhu cầu cần nước là nhiều hay ít.

Để cây sinh trưởng và phát triển tốt thì độ ẩm đất cần đảm bảo 70 - 80%. Đảm bảo chế độ tưới nước phù hợp với từng loại cây trồng, để cung cấp đủ độ ẩm cho cây theo từng giai đoạn như sau:  Đối với các loại rau ăn lá thì yêu cầu về nước tăng cao ở giai đoạn phát triển thân lá.  Với cây họ bầu bí, cà chua thì nhu cầu nước của cây tăng dần và cần nhiều nhất ở giai đoạn ra hoa đậu quả.  Đối với dưa chuột cần lưu ý trong thời kỳ trổ hoa không để cho cây bị khô hạn hay thiếu nước tưới.

Ảnh hưởng của ánh sáng lên cây trồng Ánh sáng là yếu tố quan trọng nhất cho sự sinh trưởng và sự phát triển của rau màu. Ánh sáng mặt trời là nguồn năng lượng duy nhất, vô tận để cây xanh quang hợp, biến các chất vô cơ, nước và khí cacbonic thành hợp chất hữu cơ tích lũy trong lá, hoa, quả, củ… Các loại rau màu khác nhau có nhu cầu về ánh sáng không giống nhau: các cây rau màu trồng vào mùa hè yêu cầu độ chiếu sáng mạnh thời gian chiếu dài 12 -14 giờ/ngày. Rau màu trồng vào mùa đông cường độ ánh sáng sẽ yếu hơn, thời gian chiếu sáng từ 8 đến 12 giờ/ngày. Cường độ ánh sáng cũng có ảnh hưỏng lớn đến sinh trưởng và phát triển của rau.

Dựa vào cường độ ánh sáng, người ta phân rau ra các nhóm:  Nhóm yêu cầu cường độ ánh sáng mạnh là bí ngô, cà, cà chua, ớt, đậu.  Nhóm yêu cầu cường độ ánh sáng trung bình như cải bắp, cải trắng, cải củ, hành, tỏi. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT  Nhóm yêu cầu cưòng độ ánh sáng yếu: xà lách, rau diếp. Ảnh hưởng của một số yếu tố khác lên cây trồng  Chất khoáng: Rau màu là cây trồng ngắn ngày nên cần lượng chất dinh dưỡng rất lớn, các chất dinh dưỡng này cây lấy từ đất là không đủ, nên cần bổ sung bên ngoài bằng các loại phân bón.

 Nước tưới: thành phần hóa học trong rau màu chủ yếu là nước, chiếm đến 90%. Do đó muốn cây sinh trưởng phát triển tốt cho năng suất cao cần đảm bảo lượng nước đủ theo nhu cầu từng loại rau màu. Nước tưới phải là nước sạch không được dùng nước thải.2 Mô tả quy trình chăm sóc và giám sát cây trồng Các thông số nhiệt độ, độ ẩm đất, độ ẩm không khí, mưa và cường độ ánh sáng được đo thông qua các cảm biến, các giá trị đo được được hiển thị trên LCD20x4, Web và App Android. Từ đó người trồng cây có thể giám sát được một cách trực quan thông qua các giá trị được hiển thị và có biểu đồ thể hiện các giá trị đó trên web, từ đó người trồng cây có thể điều khiển các thiết bị: máy bơm, máy bơm phun sương, đèn, mái che để chăm sóc cây trồng qua Web và App Android và có thể điều khiển trực tiếp trên board mạch của hệ thống.

Mô hình chăm sóc cây trồng có 3 chế độ: chế độ chăm sóc bằng tay, chế độ chăm sóc tự động, chế độ chăm sóc theo thời gian.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG Thiết bị đầu vào: Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11, cảm biến cường độ ánh sáng, cảm biến mưa, cảm biến chuyển động PIR, cảm biến độ ẩm đất, nút nhấn, Module thời gian thực DS1307. Thiết bị đầu ra:  Thiết bị công suất: bơm nước, bơm áp lực, động cơ DC, đèn.  Thiết bị giao tiếp công suất: transistor, opto, relay.  Thiết bị hiển thị: LCD 20x4.

 Thiết bị điều khiển trung tâm: Arduino Mega2560.  Module wifi: Esp8266 NodeMCU.  Các chuẩn truyền dữ liệu: UART, I2C.  Thiết bị giao diện điều khiển: điện thoại Android, Laptop.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT  Web server, app android 2.1 Tổng quan arduino mega 2560 a. Giới thiệu Board Arduino Mega.  Arduino Mega 2560 là board mạch vi điều khiển dựa trên chip xử lý Atmega2560 được mở rộng thêm bộ nhớ và các chân I/O so với các board mạch khác có sẵn trên thị trường.  Có 54 chân I/O digital và 16 chân analog được tích hợp trên board mạch giúp thiết bị này trở nên riêng biệt và nổi bật so với các thiết bị khác.

 Có tất cả 54 chân ra I/O digital, trong đó có 15 chân được sử dụng cho xuất xung PWM.  Một bộ dao động thạch anh có tần số 16 MHz được tích hợp trên board Arduino Mega2560.  Arduino Mega2560 có cổng USB được sử dụng để kết nối và chuyển mã từ máy tính đến mạch Arduino Mega dựa trên phần mềm IDE.  Đầu jack kết nối ICSP (Header đôi gần nút reset) được bổ sung đáng chú ý cho Arduino Mega, sử dụng để lập trình Arduino và tải file lên từ máy tính qua phần mềm IDE.

 Arduino Mega2560 có hai mức điện áp là 5V và 3.  Về phần mềm lập trình, tất cả các loại Arduino đều dùng chung phần mềm IDE.  Tích hợp nút reset trên board mạch và 4 cổng nối tiếp phần cứng được gọi là UART, tạo ra tốc độ tối đa để giao tiếp. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.

Hình Arduino mega2560 b. Thông số kỹ thuật • Vi điều khiển chính: ATmega2560. • IC nạp và giao tiếp UART: ATmega16U2. • Nguồn nuôi mạch: 5VDC từ cổng USB hoặc nguồn ngoài cắm từ jack tròn DC.

• Số chân Digital: 54 (có 15 chân PWM). • Số chân Analog: 16. • Giao tiếp UART: 4 bộ UART. • Giao tiếp SPI: 1 bộ (chân 50 đến 53) dùng với thư viện SPI của Arduino.

• Giao tiếp I2C: 1 bộ. • Ngắt ngoài: 6 chân. • Bộ nhớ Flash: 256 KB, 8KB. • Xung clock: 16 MHz.

 Nguồn cấp cho Arduino: Arduino Mega 2560 có thể được cấp nguồn bằng cổng USB hoặc bằng nguồn ngoài và việc chọn nguồn cấp được diễn ra hoàn toàn tự động. Tức là ta có thể cấp cả 2 nguồn vào cùng lúc, nếu nguồn ngoài không có hoặc quá bé thì Arduino sẽ lấy nguồn từ cổng USB và ngược lại. Nguồn ngoài có thể lấy từ adapter AC-DC thông qua jack cắm 5.5mm hoặc từ pin bằng cách nối cực dương của pin vào chân Vin và cực âm vào chân GND. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chân cấp nguồn gồm những chân sau: - GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino.

Khi ta dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau. - 5V: cấp điện áp 5V đầu ra, dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.3V đầu ra, dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA. - Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino, ta nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND. - IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino có thể được đo ở chân này.

Mặc dù vậy ta không được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn mà chỉ là tham chiếu điện áp hoạt động của vi xử lý.