Đồ án HCMUTE: Thiết kế hệ thống tưới nước tự động ứng dụng công nghệ Zigbee

• Tác giả: Nguyễn Minh Thiện
• Người hướng dẫn: ThS.Huỳnh Hoàng Hà
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thông
• Đề tài: Thiết kế hệ thống tưới nước tự động ứng dụng mạng Zigbee
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
• 1.2.1. Nghiên cứu ngoài nước
• 1.2.2. Nghiên cứu trong nước
• 1.2.3. Đánh giá tổng quan
• 1.3. MỤC TIÊU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 1.3.1. Mục tiêu
• 1.3.2. Phương pháp nghiên cứu
• 1.4. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• 1.5. BỐ CỤC KHÓA LUẬN
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. TỔNG QUAN VỀ ARM CORTEX M3 STM32F103
• 2.1.1. Tóm tắt lịch sử ARM
• 2.1.2. Đặc điểm nổi bật của STM32
• 2.1.3. Các phiên bản cấu trúc ARM
• 2.1.4. Bộ xử lý và đơn vị xử lý trung tâm Cortex
• 2.1.5. Kiến trúc hệ thống
• 2.1.6. Tối đa hiệu năng
• 2.1.7. Kết nối với các giao tiếp khác
• 2.1.8. Chế độ tiêu thụ năng lượng thấp
• 2.2. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ZIGBEE/IEEE 802
• 2.2.1. Sơ lược về Zigbee/IEEE 802
• 2.2.2. Các thiết bị trong mạng cảm biến không dây Zigbee
• 2.2.3. Mô hình mạng Zigbee
• 2.2.4. Kiến trúc tổng quan của mạng Zigbee/IEEE 802
• 2.2.5. Ưu và nhược điểm của Zigbee
• 2.2.6. Các ứng dụng sử dụng Zigbee
• 2.3. TỔNG QUAN VỀ NGÔN NGỮ PYTHON
• 2.3.1. Đăc điểm ngôn ngữ lập trình Python
• 2.3.2. Cấu trúc ngôn ngữ python
• 2.4. NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH WEB
• 2.4.1. Ngôn ngữ HTML
• 2.4.2. Ngôn ngữ PHP
• 2.4.3. Ngôn ngữ SQL
• 2.4.4. Ngôn ngữ JavaScript
• 2.5. HỆ ĐIỀU HÀNH LINUX
• 2.5.1. Các thư mục trên linux
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG
• 3.1. GIỚI THIỆU HỆ THỐNG
• 3.1.1. Sơ đồ khối hệ thống
• 3.1.2. Sơ lược hệ thống và mục đích thiết kế
• 3.2. GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG
• 3.2.1. Giới thiệu về mạch thí nghiệm STM32F103C8T6
• 3.2.2. Giới thiệu về mạch thu phát RF Zigbee DRF1605H
• 3.2.3. Giới thiệu Raspberry Pi B+
• 3.2.4. Giới thiệu cảm biến nhiệt độ, độ ẩm và độ ẩm đất
• 3.2.5. Các mạch hỗ trợ
• 3.3. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
• 3.3.1. Board thu thập dữ liệu và điều khiển động cơ
• 3.3.2. Board truyền dữ liệu Zigbee
• 3.4. THIẾT KẾ PHẦN MỀM
• 3.4.1. Giải thuật chương trình chính
• 3.4.2. Cấu hình board truyền dữ liệu Zigbee
• 3.4.3. Xây dựng hệ thống webserver trên Raspberry Pi
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC HIỆN
• 4.1. THU THẬP DỮ LIỆU
• 4.2. HOẠT ĐỘNG CỦA MẠNG ZIGBEE
• 4.3. TRANG WEB HIỂN THỊ
• 4.4. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ
• 4.4.1. Sự hoạt động của mạng Zigbee trong mô hình thực tế
• 4.4.2. Sự hoạt động của khối web server
• 4.4.3. Sự hoạt động của khối điều khiển động cơ
• 4.4.4. Đánh giá dữ liệu từ cảm biến
• 4.5. KẾT QUẢ THỰC TẾ
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Những vấn đề nghiên cứu
• 5.2. Những vấn đề hoàn thành
• 5.3. Những hạn chế của đề tài
• 5.4. HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• PHỤ LỤC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Hệ thống tưới nước tự động Tổng quan và mục tiêu nghiên cứu

Đề tài tập trung vào thiết kế hệ thống tưới nước tự động ứng dụng công nghệ Zigbee, nhằm giải quyết vấn đề tưới tiêu trong nông nghiệp hiện đại. Nghiên cứu hướng đến một giải pháp hệ thống tưới nước tự động hiệu quả, tiết kiệm, và dễ sử dụng. Hệ thống tưới nước thông minh này tận dụng công nghệ Zigbee để truyền dữ liệu từ các cảm biến đến trung tâm điều khiển, cho phép người dùng giám sát và điều khiển quá trình tưới từ xa. Mục tiêu chính là xây dựng một hệ thống tưới nước tự động tại HCMUTE, một dự án hệ thống tưới nước tự động HCMUTE, đáp ứng tiêu chí tưới nước tự động Zigbee, phục vụ cho việc nghiên cứu hệ thống tưới nước và ứng dụng thực tiễn. Trường Đại học Công nghệ Thông tin - Điện tử - Tự động hóa TP.HCM (HCMUTE) là nơi thực hiện nghiên cứu này. Ứng dụng Zigbee trong tưới nước được xem là giải pháp cốt lõi của dự án.

1.1. Phân tích nhu cầu và xu hướng hệ thống tưới nước thông minh

Nhu cầu về hệ thống tưới nước tiết kiệm nước ngày càng tăng. Hệ thống tưới nước tự động giá rẻ cũng là một yếu tố được xem xét. Giải pháp tưới nước thông minh cần đáp ứng được các yêu cầu về hiệu quả, độ tin cậy và khả năng mở rộng. Hệ thống tưới nước tự động Zigbee được đánh giá cao về khả năng tiết kiệm năng lượng và chi phí. Việc ứng dụng Internet of Things (IoT) trong nông nghiệp, đặc biệt là ứng dụng IoT trong nông nghiệp, đang là xu hướng phát triển toàn cầu. Tự động hóa trong nông nghiệp, bao gồm tự động hóa tưới tiêu, đóng vai trò quan trọng trong việc tăng năng suất và hiệu quả sản xuất. Nông nghiệp thông minh là mục tiêu hướng đến của nhiều quốc gia. Hệ thống tưới nước tự động tại HCMUTE được thiết kế để đóng góp vào xu hướng này. Nghiên cứu so sánh với các hệ thống tưới nước khác cũng được thực hiện để đánh giá hiệu quả của hệ thống. Lợi ích của hệ thống tưới nước tự động là rõ ràng, giảm thiểu nhân công, tiết kiệm nước và tăng năng suất.

1.2. Công nghệ Zigbee và ứng dụng trong hệ thống tưới nước

Công nghệ Zigbee là một công nghệ mạng không dây tiêu thụ điện năng thấp, phù hợp với các ứng dụng trong môi trường nông nghiệp. Module Zigbee được sử dụng rộng rãi nhờ tính năng ổn định và khả năng kết nối nhiều thiết bị. Thiết bị Zigbee có giá thành hợp lý. Mạng lưới Zigbee cho phép thiết lập một hệ thống truyền dữ liệu đáng tin cậy. Thiết kế hệ thống tưới nước sử dụng Zigbee giúp giảm thiểu chi phí. Cấu hình hệ thống tưới nước dựa trên Zigbee tương đối đơn giản. Việc lập đặt hệ thống tưới nước tự động dựa trên Zigbee dễ thực hiện. Bảo trì hệ thống tưới nước tự động cũng dễ dàng hơn. Phần mềm điều khiển tưới nước tương thích với Zigbee được phát triển riêng. Điều khiển tưới nước từ xa là một trong những tính năng nổi bật của hệ thống.

II. Thiết kế và triển khai hệ thống

Phần này trình bày chi tiết về thiết kế hệ thống tưới nước tự động Zigbee. Sơ đồ khối hệ thống được mô tả rõ ràng. Phần cứng hệ thống bao gồm các cảm biến độ ẩm đất, cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm không khí, module Zigbee, và vi điều khiển. Phần mềm điều khiển được lập trình để thu thập dữ liệu từ các cảm biến, xử lý dữ liệu và điều khiển động cơ bơm nước. Mạng lưới Zigbee được cấu hình để đảm bảo kết nối ổn định giữa các thiết bị. Giao diện người dùng thân thiện giúp người dùng dễ dàng theo dõi và điều khiển hệ thống. Lập trình hệ thống tưới nước tự động là một phần quan trọng của dự án. Giải pháp tưới nước thông minh được đề xuất đảm bảo tính hiệu quả và tiết kiệm. Báo giá hệ thống tưới nước tự động cũng được tính toán để đảm bảo tính kinh tế.

2.1. Thiết kế phần cứng

Thiết kế phần cứng tập trung vào sự lựa chọn các linh kiện phù hợp, đảm bảo tính ổn định và độ chính xác cao. Mạch điều khiển được thiết kế tối ưu để tiết kiệm năng lượng. Cảm biến độ ẩm đất được chọn lựa kỹ lưỡng để đảm bảo độ chính xác. Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm được kết nối với vi điều khiển để thu thập dữ liệu. Module Zigbee được lựa chọn dựa trên khả năng kết nối và độ tin cậy. Raspberry Pi được sử dụng làm trung tâm điều khiển và giao tiếp với người dùng. Cấu trúc phần cứng được thiết kế mô đun để dễ dàng bảo trì và nâng cấp. Chọn lựa linh kiện điện tử phải đảm bảo chất lượng và giá thành hợp lý. Vận hành hệ thống phải được đơn giản hóa tối đa.

2.2. Thiết kế phần mềm

Phần mềm điều khiển được viết dựa trên ngôn ngữ lập trình C và Python. Thuật toán điều khiển được tối ưu để đảm bảo hiệu quả tưới tiêu. Giao diện người dùng được thiết kế thân thiện và dễ sử dụng. Cơ sở dữ liệu được sử dụng để lưu trữ dữ liệu lịch sử. Hệ thống giám sát từ xa cho phép người dùng theo dõi trạng thái của hệ thống mọi lúc mọi nơi. Phần mềm điều khiển tương thích với hệ điều hành Linux. Phần mềm được thiết kế để dễ dàng bảo trì và cập nhật. Mã nguồn được viết rõ ràng và dễ hiểu. An ninh mạng cũng được xem xét trong quá trình thiết kế.

III. Kết quả và đánh giá

Phần này trình bày kết quả thử nghiệm và đánh giá hiệu quả của hệ thống tưới nước tự động Zigbee. Kết quả thu thập dữ liệu từ các cảm biến được phân tích. Hiệu quả tưới tiêu được đánh giá dựa trên các chỉ số liên quan. Vận hành hệ thống được đánh giá về sự ổn định và độ tin cậy. Chi phí hệ thống được tính toán để so sánh với các giải pháp khác. So sánh với các hệ thống tưới nước khác cho thấy ưu điểm vượt trội của hệ thống. Những vấn đề gặp phải trong quá trình triển khai được nêu rõ. Hướng phát triển cho hệ thống trong tương lai được đề xuất. Bài học kinh nghiệm được rút ra từ dự án.

3.1. Phân tích dữ liệu và hiệu quả hệ thống

Dữ liệu thu thập được từ các cảm biến được xử lý và phân tích. Hiệu quả tiết kiệm nước được tính toán. Hiệu quả tăng năng suất cũng được đánh giá. Độ chính xác của hệ thống được xác định. Độ tin cậy của hệ thống được đánh giá dựa trên thời gian vận hành. Phân tích thống kê được sử dụng để đánh giá hiệu quả của hệ thống. Biểu đồ được sử dụng để minh họa kết quả. Báo cáo được trình bày đầy đủ và chi tiết. Đánh giá khách quan về hiệu quả của hệ thống được đưa ra.

3.2. Đánh giá tổng quan và hướng phát triển

Hệ thống tưới nước tự động Zigbee tại HCMUTE đạt được các mục tiêu đề ra. Ưu điểm của hệ thống được khẳng định. Nhược điểm của hệ thống cần được khắc phục. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm việc tích hợp thêm các tính năng mới. Nâng cấp phần cứng để tăng hiệu quả hoạt động. Cải tiến phần mềm để tăng độ chính xác và độ tin cậy. Tích hợp với các hệ thống khác để tạo thành một hệ thống nông nghiệp thông minh. Ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau. Thương mại hóa là một hướng phát triển tiềm năng.