Đồ Án HCMUTE: Thiết Kế Mô Hình Tưới Rau Thông Minh

Đồ án nghiên cứu hcmute thiết kế mô hình tưới rau thông minh, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá tính khả thi dự án.

• Tác giả: Lê Võ Trường Giang
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Thanh Hải
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thông
• Đề tài: Thiết Kế Mô Hình Tưới Rau Thông Minh
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU
• 1.1. MỤC ĐÍCH VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
• 1.2. NỘI DUNG THỰC HIỆN
• 2. CHƯƠNG 2: MỘT SỐ MÔ HÌNH TƯỚI RAU PHỔ BIẾN
• 2.1. Mô hình tưới ngập xả cạn
• 2.2. Trồng rau bằng mô hình aquaponics
• 2.3. INTERNET OF THINGS
• 2.4. NHỮNG CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU
• 2.4.1. Chuẩn giao tiếp I2C
• 2.4.2. Chuẩn giao tiếp UART
• 2.4.3. Giới thiệu về MQTT
• 2.4.4. Mô hình MQTT cơ bản
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
• 3.1. GIỚI THIỆU
• 3.2. Sơ đồ khối và chức năng từng khối
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Mô hình tưới rau thông minh tại HCMUTE Tổng quan và mục tiêu

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế Mô hình tưới rau thông minh" tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (HCMUTE) tập trung vào việc thiết kế và triển khai một hệ thống tưới rau tự động, dựa trên công nghệ Internet of Things (IoT). Mục tiêu chính là tạo ra một giải pháp tưới rau tiết kiệm nước, tăng năng suất và chất lượng nông sản, đồng thời giảm thiểu công sức lao động. Hệ thống được thiết kế cho 5 khu vườn rau, diện tích khoảng 4,5m², sử dụng các cảm biến đo độ ẩm, nhiệt độ và cảm biến chuyển động để tối ưu quá trình tưới. Việc ứng dụng công nghệ trong nông nghiệp HCMUTE thể hiện rõ nét trong việc tích hợp các thành phần phần cứng và phần mềm để tạo ra một hệ thống hoạt động hiệu quả và ổn định. Nghiên cứu mô hình tưới rau HCMUTE này đóng góp vào việc ứng dụng công nghệ thông minh vào sản xuất nông nghiệp, hướng tới mục tiêu phát triển nông nghiệp bền vững.

1.1. Hệ thống tưới rau tự động HCMUTE Cơ sở lý thuyết và thiết kế

Đồ án dựa trên việc nghiên cứu và ứng dụng các ứng dụng công nghệ trong nông nghiệp HCMUTE. Cụ thể, hệ thống sử dụng cảm biến độ ẩm đất trong tưới rau để xác định nhu cầu nước của cây trồng. Điều khiển tưới rau từ xa được thực hiện thông qua giao diện web, cho phép người dùng giám sát và điều chỉnh hệ thống mọi lúc mọi nơi. Thiết kế hệ thống tưới rau thông minh này bao gồm các thành phần chính: khối cảm biến (cảm biến độ ẩm, cảm biến nhiệt độ, cảm biến chuyển động), khối xử lý trung tâm (Arduino Mega và Arduino Nano), khối giao tiếp (Wifi, MQTT), và khối công suất (động cơ bơm nước, van xả). Phần mềm điều khiển hệ thống tưới rau được viết để thu thập dữ liệu từ các cảm biến, xử lý và điều khiển các thiết bị. Lập trình hệ thống tưới rau thông minh HCMUTE đòi hỏi sự kết hợp giữa kiến thức về điện tử, lập trình nhúng và công nghệ mạng.

1.2. Giải pháp tưới rau tiết kiệm nước Hiệu quả và ứng dụng thực tiễn

Hệ thống tưới rau thông minh cho sinh viên HCMUTE hướng đến mục tiêu tiết kiệm nước thông qua việc tưới chính xác dựa trên dữ liệu cảm biến. Giải pháp tưới rau tiết kiệm nước này có ý nghĩa quan trọng trong bối cảnh khan hiếm nước và biến đổi khí hậu. Việc ứng dụng IoT trong tưới rau thông minh cho phép giám sát và điều khiển hệ thống từ xa, giảm thiểu sự lãng phí nước do tưới thừa. Đánh giá hiệu quả của hệ thống tưới rau HCMUTE được thực hiện thông qua việc so sánh lượng nước tiêu thụ của hệ thống với phương pháp tưới truyền thống. Kết quả nghiên cứu cho thấy hệ thống giảm đáng kể lượng nước sử dụng mà vẫn đảm bảo năng suất cây trồng. Hiệu quả của hệ thống tưới rau thông minh này có thể áp dụng rộng rãi trong sản xuất nông nghiệp, góp phần vào việc bảo vệ tài nguyên nước và phát triển nông nghiệp bền vững. Chi phí xây dựng hệ thống tưới rau thông minh cũng được xem xét để đảm bảo tính khả thi kinh tế của giải pháp.

II. Ứng dụng IoT trong tưới rau thông minh Phân tích công nghệ

Hệ thống tận dụng ứng dụng IoT trong tưới rau thông minh, cho phép giám sát và điều khiển từ xa thông qua giao diện web. Chuẩn truyền dữ liệu MQTT được sử dụng để đảm bảo tính ổn định và hiệu quả của việc truyền tải dữ liệu giữa các thiết bị. Việc lựa chọn MQTT dựa trên khả năng hoạt động hiệu quả trong môi trường mạng có băng thông thấp và độ trễ cao, phù hợp với các thiết bị nhúng trong hệ thống. Hệ thống tưới nhỏ giọt thông minh này cũng tích hợp các module Wifi để kết nối với mạng Internet. Hệ thống tưới phun mưa thông minh có thể được nghiên cứu và phát triển trong tương lai dựa trên nền tảng này. Việc tích hợp các công nghệ tiên tiến giúp nâng cao hiệu quả hoạt động và khả năng mở rộng của hệ thống.

2.1. Hệ thống tưới nhàn rỗi thông minh Ưu điểm và nhược điểm

Hệ thống tự động hóa hệ thống tưới rau giúp tiết kiệm thời gian và công sức cho người nông dân. Việc sử dụng cảm biến cho phép hệ thống tự điều chỉnh lượng nước tưới cho phù hợp với điều kiện môi trường. Tuy nhiên, bài toán tối ưu hóa hệ thống tưới rau vẫn cần được nghiên cứu thêm để tối ưu hóa việc sử dụng nước và năng lượng. Thách thức và giải pháp của mô hình tưới rau thông minh bao gồm việc lựa chọn các thiết bị phù hợp, lập trình phần mềm hiệu quả và bảo trì hệ thống. So sánh các mô hình tưới rau thông minh khác nhau cũng cần thiết để lựa chọn giải pháp tối ưu nhất cho từng điều kiện cụ thể. Xu hướng phát triển hệ thống tưới rau thông minh đang hướng tới việc tích hợp trí tuệ nhân tạo và học máy để tối ưu hóa quá trình tưới và tăng năng suất.

2.2. Trí tuệ nhân tạo trong nông nghiệp HCMUTE Triển vọng phát triển

Việc ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong nông nghiệp HCMUTE mở ra nhiều tiềm năng trong tương lai. Tương lai của nông nghiệp thông minh tại HCMUTE được định hướng bởi việc tích hợp các công nghệ tiên tiến, bao gồm trí tuệ nhân tạo, học máy và phân tích dữ liệu lớn. Dự án tưới rau thông minh HCMUTE là một bước đầu tiên trong việc ứng dụng các công nghệ này vào sản xuất nông nghiệp. Thiết bị tưới rau thông minh trong tương lai có thể tự học và điều chỉnh dựa trên dữ liệu thu thập được, tự động phát hiện và xử lý các sự cố. Nghiên cứu và phát triển các mô hình nông nghiệp thông minh là một hướng đi quan trọng để nâng cao hiệu quả sản xuất và đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của thị trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG THIẾT KẾ MÔ HÌNH TƯỚI RAU THÔNG MINH GVHD: NGUYỄN THANH HẢI SVTH: LÊ VÕ TRƯỜNG GIANG MSSV: 13141479 SVTH: TRẦN TRỌNG TÀI MSSV: 14141580 SKL 0 0 6 5 3 4 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2018 do an TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀ O TẠO CHẤT LƢỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ MÔ HÌNH TƢỚI RAU THÔNG MINH SVTH: LÊ VÕ TRƢỜNG GIANG MSSV: 13141479 SVTH: TRẦN TRỌNG TÀI MSSV: 14141580 NGÀNH: CNKT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG GVHD: PGS. NGUYỄN THANH HẢI Thành phố Hồ Chí Minh, 16 tháng 7 năm 2018 do an CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc ----***---- Tp. Hồ Chí Minh, ngày 16 tháng 7 năm 2018 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Lê Võ Trƣờng Giang MSSV: 13141479 Trần Trọng Tài MSSV: 14141580 Ngành: Điện tử công nghiệp Lớp: Giảng viên hƣớng dẫn: PGS.

Nguyễn Thanh Hải ĐT: Ngày nhâ ̣n đề tài: Ngày nộp đề tài: 1. Tên đề tài: Thiết Kế Mô Hình Tƣới Rau Thông Minh 2. Các số liệu, tài liệu ban đầu: 3. Nội dung thƣ̣c hiê ̣n đề tài: 4.

Sản phẩm: TRƢỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN i do an CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc ******* PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN Họ và tên Sinh viên: Lê Võ Trƣờng Giang MSSV: 13141479 Trần Trọng Tài MSSV: 14141580 Ngành: Điện tử công nghiệp Tên đề tài: Thiết Kế Mô Hình Tƣới Rau Thông Minh Họ và tên Giáo viên hƣớng dẫn: PGS. Nguyễn Thanh Hải NHẬN XÉT 1. Về nội dung đề tài & khối lƣợng thực hiện:. Đề nghị cho bảo vệ hay không?.

Đánh giá loại:. Hồ Chí Minh, ngày 16 tháng 7 năm 2018 Giáo viên hƣớng dẫn ii do an CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc ******* PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ và tên Sinh viên: Lê Võ Trƣờng Giang MSSV: 13141479 Trần Trọng Tài MSSV: 14141580 Ngành: Điện tử công nghiệp Tên đề tài: Thiết Kế Mô Hình Tƣới Rau Thông Minh Họ và tên Giáo viên hƣớng dẫn: PGS. Nguyễn Thanh Hải Họ và tên Giáo viên phản biện: NHẬN XÉT 1. Về nội dung đề tài & khối lƣợng thực hiện:.

Đề nghị cho bảo vệ hay không?. Đánh giá loại:. Hồ Chí Minh, ngày 16 tháng 7 năm 2018 Giáo viên phản biện iii do an LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên xin gửi lời cảm ơn tới gia đình là nguồn động viên to lớn cả về vật chất và tinh thần, đã luôn bên cạnh ủng hộ, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để có thể hoàn thành đồ án. Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Nguyễn Thanh Hải đã luôn là ngƣời thầy tận tình dạy bảo, hƣớng dẫn, phân tích, giúp chúng em có thể hoàn thiện đồ án trọn vẹn.

Cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện-Điện tử đã cung cấp những kiến thức nền tảng và cơ sở trong những năm học tại ngôi trƣờng thân yêu này. Bên cạnh đó, xin gửi lời chúc sức khỏe, thành công tới các bạn trong lớp đã hỗ trợ bằng nhiều cách trong quá trình thực hiện đồ án. Xin chân thành cảm ơn! Nhóm thực hiện đề tài iv do an TÓM TẮT Nông nghiệp là ngành kinh tế quan trọng và đã gắn bó với ngƣời Việt Nam từ rất lâu. Ngày nay, nhờ áp dụng khoa học kĩ thuật vào trồng trọt, chăn nuôi mà nền nông nghiệp đã gặt hái đƣợc những thành tựu to lớn.

Cùng với cuộc cách mạng thiết bị và mạng kết nối không dây trên toàn cầu nên những thiết bị trồng trọt, chăn nuôi cũng đƣợc phát triển theo và ứng dụng những công nghệ tiên tiến mới. Trong thực trạng kinh tế bất chấp tính mạng ngƣời dùng, chỉ nghỉ đến lợi nhuận cá nhân mà các loại thực phẩm bẩn không rõ nguồn gốc có mặc ở mọi nơi gây ảnh hƣởng nghiêm trọng đến sức khỏe ngƣời tiêu dùng. Nhìn thấy nhu cầu ngƣời tiêu dùng muốn sử dụng thực phẩm sạch, nguồn gốc rõ ràng để đảm bảo cho bửa ăn hàng ngày của gia đình ngon và an toàn nhất nên mô hình trồng rau sử dụng công nghệ IoT đã đƣợc chúng em chọn để tìm hiểu và nghiên cứu. Dựa vào những nhu cầu đã đƣợc để cập trên nên để tài " Mô hình tƣới rau thông minh" của chúng em thực hiện những chức năng nhƣ sau : đo nhiệt độ và độ ẩm , phát hiện chuyển động, đƣa dữ liệu lên mạng, điều khiển động cơ bơm nƣớc, điều khiển van xả.

v do an MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP. i PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN. ii PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN. iii LỜI CẢM ƠN.

vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT. viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU. ix DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH. TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU.

MỤC ĐÍCH VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI. NỘI DUNG THỰC HIỆN. MỘT SỐ MÔ HÌNH TƢỚI RAU PHỔ BIẾN. Mô hình tƣới ngập xả cạn.

Trồng rau bằng mô hình aquaponics (trồng rau kết hợp nuôi cá). INTERNET OF THINGS. NHỮNG CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU. Chuẩn giao tiếp I2C.

Chuẩn giao tiếp UART. Giới thiệu về MQTT. Mô hình MQTT cơ bản. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG.

Sơ đồ khối và chức năng từng khối. Mô tả hoạt động của hệ thống. THIẾT KẾ CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG. Khối cảm biến .10 vi do an 3.

Khối hiển thị. Khối xử lý trung tâm. Khối giao tiếp Wifi. Khối công suất.

Lƣu đồ chƣơng trình chính. Lƣu đồ trang web ThingSpeak. Lƣu đồ trang web MQTT. Lƣu đồ mạch truyền NRF2401.

THI CÔNG HỆ THỐNG. THI CÔNG PHẦN MỀM. Cập nhật nhiệt độ, độ ẩm lên ThingSpeak. Điều khiển thiết bị thông qua web MQTT.

THI CÔNG PHẦN CỨNG. THI CÔNG MẠCH THỰC TẾ. HỘP ĐIỀU KHIỂN VÀ MẠCH NGUỒN XUNG. GIAO DIỆN WEB.

Giao diện ThingSpeak. Giao diện MQTT. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN. HƢỚNG PHÁT TRIỂN .58 TÀI LIỆU THAM KHẢO .60 vii do an DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT MCU: Microprocessor Control Unit IoT: Internet of Things LCD: Liquid Crystal Display UART: Universal Asynchronous Receiver – Transmitter MQTT: Message Queuing Telemetry Transport PCB: Printed Circuit Board PIR: Passive InfraRed pH: potentia hydrogenii viii do an DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của DHT11 .2: Kết quả đo cảm biến DHT11 .3: Thông số kỹ thuật nguồn xung tổ ong .4: Thông số kỹ thuật Module LM2596 ADJ .5: Thông số kỹ thuật Module AMS1117 3.6: Sơ đồ chân của LCD 20x4 .7: Thông số kỹ thuật của Arduino MEGA .8: Thông số kĩ thuật của module ESP-8266 v1.9: Chức năng chân ESP 8266 .10: Thông số kĩ thuật của module NodeMCU.11: Thông số kỹ thuật của Van .12: Thông số kĩ thuật của C1815.1: Bảng tập lệnh AT cho ESP8266 .37 ix do an DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH Hình 2.1: Mô hình tƣới ngập xả cạn .2: Mô hình trồng rau aquaponics .3: Sơ đồ khối một hệ thống IoT cơ bản .4: Cách thức hoạt động của MQTT.5: Mô hình cơ bản của giao thức MQTT.1: Sơ đồ khối của hệ thống .2: Cảm biến DHT11 .3: Quá trình tạo tín hiệu Start .4: Quá trình gửi Bit 0 .5: Quá trình gửi Bit 1 .6:Cảm biến PIR .7: Nguyên lý hoạt động .8: Module cảm biến DS1307.9: Nguồn xung tổ ong thực tế.10: Module LM2596 ADJ.13: Board Arduino MEGA .14: Vi điều khiển ATMEGA 2560 của Arduino MEGA .15: Giao diện Arduino IDE.16: Giao diện vùng lệnh của Arduino IDE.17: Ảnh module WiFi ESP - 8266 V1 thực tế .18: Sơ đồ chân của module WiFi ESP 8266 .19: Ảnh module NodeMCU thực tế .20: Ảnh module nRF24L01 thực tế.22: Van điện từ 12VDC.24: Hình ảnh thực tế và xác định chân E , C , B của transistor .25: Cách chọn điện trở cho C1815 .26: Lƣu đồ chƣơng trình chính .27: Lƣu đồ chƣơng trình cài đặt .28: Lƣu đồ trang web ThingSpeak .29: Lƣu đồ trang web MQTT .30: Lƣu đồ trang mạch truyền .33: Sơ đồ mạch công suất.34 x do an Hình 3.35: Sơ đồ mạch truyền nRF2401, ESp8266 v1 và DHT11 .1: Trang tải phần mềmFlasher.2: Trang tải phần mềm Hercules .3: Kết nối ESP8266 V1 với Arduino Uno R3 .4: Giao diện web MQTT thực tế .5: Tạo kênh riêng từ web MQTT .6: Thông số cho ngƣời dừng lập trình .7: Trang điều khiển thiết bị từ web MQTT .8: Mô hình hệ thống tƣới rau .9: Mạch in PCB mạch xử lý trung tâm .10: Mạch in PCB nRF2401, Arduino Uno R3 và DHT11 .11: Mạch in PCB NodeMCU điều khiển thiết bị bằng Web MQTT.12: Mạch hoàn chỉnh phần sau.13: Mạch hoàn chỉnh phần trƣớc.14: Mạch hoàn 2 mặt nRF2401, Arduino Uno R3 và DHT11 .14: Mạch hoàn Node MCU .1: Màn hình hiển thị và khối nút nhấn .4: Thời gian cài đặt 1 .5: Thời gian cài đặt 2 .6: Trạng thái van .7: Cài đặt thời gian từ nút nhấn Mode, Up, Down .8: Cài đặt ON/OFF cho khu vƣờn từ nút nhấn Mode, Up, Down .9: Màn hình khi nhấn nút Save .10: Trạng thái đèn led báo van mở hoặc đóng .11: Khối nguồn trên board .12: Relay sử dụng nguồn 12V .13: Động cơ bơm và van điện từ .14: Mạch truyền NRF2401 và cập nhật dữ liệu lên ThingSpeak .15: Mạch NodeMCU điều khiển từ xa .16: Khối công suất trên board .17: Ngõ ra công suất điều khiển thông qua Relay 12VDC .18: Kết nối giữa cảm biến DS1307 với mạch chính .19: Kết nối giữa cảm biến PIR với mạch chính .20: Kết nối giữa LCD 20X4 với mạch chính .21: Hộp đựng mạch .22: Mạch DHT11, ESP8266 v1 và Arduino Uno R3 .55 xi do an Hình 5.23: Kết quả nhiệt độ, độ ẩm trên ThingSpeak .24: Mạch điều khiển bằng Node MCU .25: Giao diện điều khiển thiết bị bằng web MQTT .26: Mô hình hoàn thành .57 xii do an Chƣơng 1.

TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU Hệ thống tƣới rau công nghiệp đang đƣợc ƣu tiên và đầu tƣ phát triển rộng rãi ở các nƣớc châu Âu: Mỹ, Pháp, Đức [1]. Một trong những yếu tố quan trọng và nền móng để hƣớng đến phát triển nền nông nghiệp nƣớc ta hiện nay. Nếu việc tƣới rau không hợp lý sẽ gây ô nhiểm môi trƣờng [2]. Bên cạnh đó số lƣợng rau sạch cung cấp ra thị trƣờng để đáp ứng nhu cầu ăn uống của ngƣời dân là rất cần thiết [3].