Mở đầu I. Sự bùng nổ của các thiết bị, hệ thống và công nghệ thông minh gắn kết và kết nối trong cuộc sống của chúng ta đã tạo ra cơ hội để kết nối mọi điều với internet. Việc thu thập dữ liệu kết quả và kết nối đã tạo ra hiệu quả và giải pháp mà trước đây chỉ mơ ước trong các câu chuyện khoa học viễn tưởng. Hiện nay, hệ thống điều khiển không phải là một khái niệm mới mẻ nữa, nó đã hiện hữu trên tất cả quốc qia trên thế giới và hiện đang đóng một vai trò qua trọng trong các ngành công,nông nghiệp và ngành điện.
IoT được ứng dụng vào nông nghiệp ở hầu hết các giai đoạn từ quá trình sản xuất đến đóng gói và phân phối nông sản đến người tiêu dùng. Việc ứng dụng IoT vào nông nghiệp sẽ mang lại rất nhiều thuận lợi cho người nông dân, quan trọng hơn là nâng cao hiệu quả trồng trọt, cũng như nâng cao hiệu quả kinh tế. Như chúng ta đều biết khí hậu ngày càng trở nên khắc nghiệt, thế nên việc con người tự theo dõi thời tiết và can thiệp, chăm sóc cây trồng sao cho kịp với sự thay đổi của khí hậu, quả thật tốn rất nhiều thời gian công sức, hiệu quả lại không cao. Thế nhưng với sự can thiệp của máy móc, hệ thông cảm biến, sẽ giúp người nông dân giám sát một cách chính xác và hiệu quả nhất.
Cảm biến là mạch điện, hệ thống điện có thể thu nhân thông tin từ bên ngoài. Từ đó, hệ thống máy móc, điện tử tự động mới có thể tự động hiển thị thông tin về đại lượng đang cảm nhận hay điều khiển quá trình định trước có khả năng thay đổi một cách uyển chuyển theo môi trường hoạt động. Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo và xử lý được. Các đại lượng cần đo (m) thường không có tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất.) tác động lên cảm biến cho ta một đặc trưng (s) mang tính chất điện (như điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng đo.
Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo (m): s = F(m) Nhận thấy sự thuận lợi cũng như tính ứng dụng cao của IoT trong ngành nông nghiệp, cụ thể là là trong cây trồng, nhóm chúng em quyết định chọn đề tài “Điều khiển giám sát hệ thống tưới và chiếu sáng đèn qua Wifi”. 9 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Nguyễn Lương Thanh Tùng II. Phạm vi ứng dụng: • Công nghiệp. • Nghiên cứu khoa học.
• Môi trường, khí tượng. • Thông tin viễn thông. Mục tiêu, nhiệm vụ và giới hạn đề tài. Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu và biết cách sử dụng cảm biến nhiệti độ, độ ẩm DHT11, cảm biến ánh sáng, cảm biến độ ẩm đất, cảm biến siêu âm HC-SR04, cảm biến nước mưa và điều khiển máy bơm, đèn qua internet.
Xây dựng hệ thống IOT để giám sát nhiệt độ, độ ẩm đất, nước mưa, cường độ ánh sáng và chiếu sáng đèn qua mạng internet bằng Webservice. Ý tưởng cốt lõi của hệ thống này là các thông tin từ các cảm biến sẽ được thu thập và truyền đến xử lý trung tâm (ESP32), sau đó trung tâm sẽ đưa ra các xử lý cho hệ thống bơm tưới, bơm bồn, hệ thống đèn…hoạt động một cách phù hợp để tạo ra một môi trường thuận lợi nhất cho cây trồng phát triển tối ưu. Đồng thời thu thập và giám sát thông tin lên internet để có thể giám sát và điều khiển các hoạt động của hệ thống. Giới hạn đề tài.
- Mô hình chỉ áp dụng cho phòng thí nghiệm, nghiên cứu và không gian nhỏ. 10 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Nguyễn Lương Thanh Tùng Chương 2: Giới thiệu về Internet of things (IoT) I. Khái niệm về Internet of things. Hiện nay, có rất nhiều cộng đồng và nền tảng phát triển hỗ trợ làm sản phẩm IoT, phân tích và sử dụng những nền tảng đại diện cho từng nhóm công nghệ.
− 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). − Social: Cộng đồng mã nguồn mở dùng ngôn ngữ Arduino – Top 3 ngôn ngữ lập trình thông dụng. − Mobile: Blynk một ứng dụng trên hai nền tảng iOS và Android giúp bạn làm nhanh một ứng dụng trong vòng 5 phút để giám sát và điều khiển các thiết bị IoT. − Analyze: SpeakThing nền tảng mã nguồn mở IoT cho phép bạn hiển thị và phân tích dữ liệu.
− Cloud: Particle Dashboard hỗ trợ lập trình IDE online, lập trình một thiết bị phần cứng như lập trình web với Restful − Thing: Photon và SparkCore là một mạch được thiết kế tích hợp có thể lập trình bằng ngôn ngữ Arduino và kết nối qua mạng. Toàn bộ nền tảng này là OpenSource của hãng Particle. − Hay hiểu một cách đơn giản IOT là tất cả các thiết bị có thể kết nối với nhau. Việc kết nối thì có thể thực hiện qua Wi-Fi, mạng viễn thông băng rộng (3G, 4G), Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại… Các thiết bị có thể là điện thoại thông minh, máy pha cafe, máy giặt, tai nghe, bóng đèn, và nhiều thiết bị khác.
Hình 1 Sơ đồ tổng quát về IOT. 11 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Nguyễn Lương Thanh Tùng II. Kết nối phần cứng. − Photon là một mạch tích hợp bao gồm một chip lõi ARM và một chip Wifi để kết nối Internet.
Phiên bản đầu tiên của nó có tên là Spark Core, được phát triển bởi hãng Particle vào năm 2013 từ dự án trên Kickstart. − Mạch được tích hợp sẵn các thư viện dùng cho việc kết nối mạng, nó dễ dàng được lập trình bằng Arduino chỉ trong mấy phút. − Ví dụ, chỉ cần hai dòng lệnh chúng ta có thể biến Photon thành một server REST API thông qua Particle Cloud để thu thập dữ liệu hoặc điều khiển các thiết bị khác. Module WIFI ESP 32.
Sơ đồ kết nối Module Wifi EPS 32. 12 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Nguyễn Lương Thanh Tùng III. Kết nối phần mềm. − Blynk là một ứng dụng trên iOS và Android hỗ trợ lập trình viên viết các ứng dụng di động cho thiết bị thông minh – IoT chỉ trong vài phút.
− Ứng dụng này dễ dàng kết nối với các mạch tích hợp và nền tảng thông dụng như Arduino, Raspberry Pi, Esp32, Particle (Photon/ SparkCore) thông qua Internet. − Blynk Cloud, người dùng có thể đồng bộ dữ liệu với ứng dụng di động từ thư viện ở các nền tảng khác nhau. − Sản phẩm này có giao diện tương đối dễ dùng, thao tác bằng cách kéo thả và hiện đang miễn phí với dự án thử nghiệm, dùng thử. Riêng đối với một số thiết bị, ứng dụng Blynk đã bắt đầu có hình thức thu phí.
− Các ứng dụng tiêu biểu của Blynk: tay điều khiển Drone, giám sát và ứng dụng trồng cây thông minh qua Arduino. Giao diện của Blynk 13 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Nguyễn Lương Thanh Tùng 2. − ThingSpeak là một mã nguồn mở cho các ứng dụng của “Internet of Things”. − Mã nguồn này hỗ trợ các API lưu trữ, lấy dữ liệu từ các thiết bị, sản phẩm sử dụng HTTP qua Internet hoặc thông qua một Local Area Network.
− Như một HUB đợi các thông tin cảm biến từ thiết bị và có nhiệm vụ lưu trữ và xử lý dữ liệu, với ThingSpeak, bạn có thể tạo ra các ứng dụng phân tích dữ liệu, lưu trữ dữ liệu, quản lý dữ liệu một cách đơn giản. Sơ đồ tổng quát về Thingspeak. ThinkSpeak được phát triển bởi ioBridge và được opensource trên GITHUB https://github.com/iobridge/thingspeak.Ứng dụng của IoT IoT có ứng dụng rộng vô cùng, có thể kể ra một số như sau: ▪ Quản lí chất thải ▪ Quản lí và lập kế hoạch quản lí đô thị ▪ Mua sắm thông minh ▪ Quản lí các thiết bị cá nhân ▪ Đồng hồ đo thông minh ▪ Tự động hóa ngôi nhà ▪ Tác động của IOT rất đa dạng, trên các lĩnh vực: quản lý hạ tầng, y tế, xây dựng và tự động hóa, giao thông…. 14 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Nguyễn Lương Thanh Tùng Chương 3: Tổng quan về các linh kiện được sử dụng I.
Module Wifi NodeMCU ESP32. Kit RFthu phát Wifi BLE ESP32 NodeMCU 32 được phát triển trên nền module trung tâm là ESP32 với công nghệ Wifi, BLE và nhân ARM tích hợp mới nhất hiện nay. Kit có thiết kế phần cứng, firmware và cách sử dụng tương tự Kit NodeMCU ESP8266 với ưu điểm là cách sử dụng dễ dàng, ra chân đầy đủ, tích hợp mạch nạp và giao tiếp UART CP2102, Kit Wifi BLE ESP32 NodeMCU LuaNode32 là sự lựa chọn hàng đầu trong các nghiên cứu, ứng dụng về Wifi, BLE, IoT và điều khiển, thu thập dữ liệu qua mạng.Thông số kỹ thuật. • Module trung tâm: Wifi BLE SoC ESP32 ESP-WROOM-32.
• Nguồn sử dụng: 5VDC từ cổng Micro USB. • Tích hợp mạch nạp và giao tiếp UART CP2102. • Ra chân đầy đủ module ESP32, chuẩn chân cắm 2. • Tích hợp Led Status, nút BOOT và ENABLE.
• Kích thước: 28. Sơ đồ chân Module Wifi NodeMCU ESP32 15 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Nguyễn Lương Thanh Tùng II.Module Relay 8 kênh. − Module 8 relay opto 5V thích hợp cho các ứng dụng đóng ngắt điện thế cao AC hoặc DC và các thiết bị tiêu thụ dòng lớn. − Module thiết kế nhỏ gọn, có opto và transistor cách ly, kích đóng bằng mức thấp (0V) phù hợp với mọi loại MCU và thiết kế có thể sử dụng nguồn ngoài giúp cho việc sử dụng trở nên thật linh động và dễ dàng! − Chân NC là điểm thường đóng.
− Chân NO = là điểm thường mở. − Chân IN nhận tính hiệu đóng ngắt relay. − Chân GND, VCC là nguồn nuôi mạch.Thông số kỹ thuật: • Điện áp sử dụng: 5VDC • Tín hiệu kích: TTL 3.3~5VDC, mức thấp Low Relay đóng, mức cao High Relay ngắt. • Mỗi Relay tiêu thụ dòng khoảng 80mA.
• Điện thế đóng ngắt tối đa: AC250V ~ 10A hoặc DC30V ~ 10A (Để an toàn nên dùng cho tải có công suất <100W). • Tích hợp Opto cách ly, Diod chống nhiễu và đèn báo tín hiệu kích. • Kích thước: 137 x 56 x 20mm Hình 7. Module relay 8 kênh.
16 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Nguyễn Lương Thanh Tùng 3.Các loại Relay và cách xác định trạng thái của nó. Trên thị trường chúng ta có 2 loại module rơ-le: − Module rơ-le ở mứcthấp (nối cực âm vào chân tín hiệu rơ-le đóng). − Modulerơ-leở mức cao (nối cực dương vào chân tín hiệu rơ-le đóng).