Đồ Án Thiết Kế và Thi Công Mô Hình Vườn Thông Minh Tại HCMUTE

Đồ án nghiên cứu hcmute thiết kế và thi công mô hình vườn thông minh, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán .

• Tác giả: Phan Hữu Phước
• Người hướng dẫn: ThS. Trương Ngọc Hà
• 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 và Thi Công Mô Hình Vườn Thông Minh
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
• PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
• LỜI CẢM ƠN
• LỜI NÓI ĐẦU
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. GIỚI THIỆU TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY
• 1.2. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.3. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
• 1.4. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
• 1.5. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• 1.6. BỐ CỤC ĐỒ ÁN
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. GIỚI THIỆU VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO UNO
• 2.2. Sơ lược về ARDUINO UNO R3
• 2.3. Thông số kỹ thuật
• 2.4. Các chức năng cơ bản của Arduino Uno R3
• 2.5. ESP8266 VÀ MODULE NODEMCU v1
• 2.5.1. Giới thiệu ESP8266
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG
• 3.1. YÊU CẦU VÀ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG
• 3.2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHẦN CỨNG
• 3.3. THIẾT KẾ PHẦN MỀM HỆ THỐNG
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC HIỆN
• 4.1. KẾT QUẢ PHẦN CỨNG
• 4.2. KẾT QUẢ PHẦN MỀM
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Mô hình Vườn Thông Minh tại HCMUTE

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công mô hình vườn thông minh" tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (HCMUTE) do sinh viên Phan Hữu Phước và Bùi Đức Sang thực hiện, tập trung vào việc thiết kế và xây dựng một hệ thống giám sát và điều khiển tự động cho một mô hình vườn nhỏ. Hệ thống này sử dụng các cảm biến để thu thập dữ liệu về nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất, và điều khiển máy bơm tưới nước thông qua một ứng dụng di động trên nền tảng Android. Công nghệ được sử dụng bao gồm vi điều khiển Arduino Uno R3, module ESP8266, và nền tảng đám mây Firebase. Đồ án nhấn mạnh vào việc ứng dụng công nghệ vào nông nghiệp, giải quyết vấn đề rau sạch và tự động hóa trong canh tác. Ứng dụng di động cho phép người dùng theo dõi các thông số môi trường và điều khiển hệ thống từ xa.

1.1 Mục tiêu và Phạm vi Nghiên cứu

Mục tiêu chính là xây dựng một mô hình vườn thông minh hoạt động hiệu quả. Đồ án đề cập đến việc thiết kế và tích hợp các thành phần phần cứng, bao gồm vi điều khiển, cảm biến, và hệ thống điều khiển máy bơm. Phần mềm bao gồm ứng dụng di động Android và giao tiếp với cơ sở dữ liệu Firebase. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc giám sát và điều khiển các yếu tố môi trường (nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất) để tối ưu hóa quá trình tưới tiêu. Hệ thống được thiết kế để hoạt động với 6 khu vực trồng riêng biệt. Dữ liệu được thu thập và hiển thị trên ứng dụng di động, cho phép người dùng giám sát tình trạng vườn và can thiệp nếu cần thiết. Một điểm nhấn khác là việc ứng dụng công nghệ này vào việc sản xuất rau sạch, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội về thực phẩm an toàn.

1.2 Công nghệ và Phương pháp

Đồ án sử dụng Arduino Uno R3 làm trung tâm điều khiển. ESP8266 kết nối với Arduino để truyền dữ liệu không dây qua Wifi. Cảm biến DHT11 đo nhiệt độ và độ ẩm không khí, cảm biến độ ẩm đất đo độ ẩm đất. Dữ liệu được truyền lên nền tảng đám mây Firebase và hiển thị trên ứng dụng Android do nhóm phát triển. Ứng dụng cho phép giám sát, điều khiển máy bơm tưới nước tự động hoặc thủ công. Google Firebase được sử dụng làm cơ sở dữ liệu thời gian thực, đảm bảo tính cập nhật của dữ liệu. Thiết kế phần mềm sử dụng ngôn ngữ lập trình phù hợp với các nền tảng phần cứng và phần mềm đã chọn. Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực hành, từ việc nghiên cứu các công nghệ liên quan đến việc thiết kế, lắp ráp, lập trình và thử nghiệm hệ thống.

II. Phân tích Kết quả và Đánh giá

Đồ án trình bày kết quả xây dựng thành công mô hình vườn thông minh, bao gồm phần cứng và phần mềm hoạt động ổn định. Hệ thống thu thập và hiển thị dữ liệu chính xác. Ứng dụng Android thân thiện, dễ sử dụng. Tuy nhiên, đồ án chưa đề cập đến các yếu tố như bảo mật dữ liệu hay khả năng mở rộng hệ thống cho quy mô lớn hơn. Việc sử dụng Firebase có thể gây ra chi phí nếu hệ thống được mở rộng. Khả năng tích hợp thêm các loại cảm biến khác cũng cần được xem xét để nâng cao tính năng của hệ thống.

2.1 Đánh giá về tính khả thi

Mô hình vườn thông minh được xây dựng trên nền tảng phần cứng và phần mềm phổ biến, chi phí tương đối thấp, dễ tiếp cận. Thiết kế hệ thống đơn giản, dễ hiểu và dễ dàng triển khai. Ứng dụng Android hoạt động ổn định, giao diện trực quan, người dùng dễ dàng thao tác. Hệ thống cho thấy tính khả thi cao trong việc ứng dụng vào thực tiễn, đặc biệt là trong việc giám sát và điều khiển tự động hệ thống tưới tiêu cho các vườn rau quy mô nhỏ. Tuy nhiên, khả năng mở rộng cho các hệ thống lớn hơn cần được nghiên cứu thêm để đánh giá tính khả thi lâu dài.

2.2 Giá trị ứng dụng thực tiễn

Đồ án có giá trị thực tiễn cao. Mô hình vườn thông minh giúp tự động hóa quá trình tưới tiêu, tiết kiệm nước và nhân công. Việc giám sát từ xa giúp người dùng chủ động hơn trong việc chăm sóc cây trồng. Ứng dụng trong sản xuất rau sạch giúp nâng cao chất lượng sản phẩm. Tuy nhiên, để ứng dụng rộng rãi, cần giải quyết vấn đề về chi phí, bảo mật và khả năng mở rộng hệ thống. Cần nghiên cứu thêm để tích hợp các chức năng khác như điều khiển ánh sáng, phân bón, kiểm soát sâu bệnh… để hệ thống trở nên hoàn thiện hơn. Việc áp dụng cho các mô hình vườn lớn hơn cần thêm nghiên cứu về khả năng quản lý dữ liệu và khả năng mở rộng hệ thống.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan: Trong chương này, nhóm thực hiện đề tài trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu, về mạng Wifi. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết: Giới thiệu về sơ lược về Arduino, mạng Wifi, module NodeMCU, chuẩn giao tiếp UART, hệ quản trị CSDL, các ngôn ngữ để thiết kế website như HTML, PHP, CSS. Chương 3: Thiết kế và thi công: Trong chương này, nhóm thực hiện đề tài sẽ đưa ra các yêu cầu khi thiết kế, các thiết kế về phần cứng và phần mềm.

Chương 4: Kết quả thi công: Đưa ra kết quả mà nhóm đạt được, số liệu, hình ảnh hệ thống sau khi thi công. Chương 5: Kết luận và hướng phát triển: Đưa ra kết luận và hướng phát triển của đề tài. 4 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. GIỚI THIỆU VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO UNO 2.

Sơ lược về ARDUINO UNO R3 Arduino board có rất nhiều phiên bản với hiệu năng và mục đích sử dụng khác nhau như: Arduino Mega, Arduino Uno R3, Aruino LilyPad [4]. Trong số đó, Arduino Uno R3 là một trong những phiên bản được sử dụng rộng rãi nhất bởi chi phí và tính linh động của nó.1 Board Arduino Uno R3 [4] Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là: ATmega8 (Board Arduino Uno r2), ATmega168, ATmega328 (Board Arduino Uno r3) [4]. Thông số kỹ thuật Mạch Arduino UNO R3 với thiết kế tiêu chuẩn sử dụng vi điều khiển ATmega328 với các thông số kỹ thuật như sau [5]:  Điện áp hoạt động: 5V  Điện áp vào khuyên dùng: 7-12V  Điện áp vào giới hạn: 6-20V  Digital I/O pin: 14 (trong đó 6 pin có khả năng băm xung)  PWM Digital I/O Pins: 6  Analog Input Pins: 6 5 do an  Cường độ dòng điện trên mỗi I/O pin: 20 mA  Cường độ dòng điện trên mỗi 3.3V pin: 50 mA  Flash Memory: 32 KB (ATmega328P)  0.5 KB được sử dụng bởi bootloader  SRAM: 2 KB (ATmega328P)  EEPROM: 1 KB (ATmega328P)  Tốc độ: 16 MHz  Chiều dài: 68.6 mm  Chiều rộng: 53.4 mm  Trọng lượng: 25 g Trên board còn có 1 nút reset, 1 ngõ kết nối với máy tính qua cổng USB và 1 ngõ cấp nguồn sử dụng jack 2.1mm lấy năng lượng trực tiếp từ AC-DC adapter hay thông qua ắc-quy nguồn. Các chức năng cơ bản của Arduino Uno R3 Board Arduino Uno R3 [5] có các chức năng cơ bản sau:  Điều khiển động cơ: board Arduino Uno R3 sử dụng các chân 3, 5, 9, 10, 11 cho phép xuất xung PWM (Pulse Width Modulation) với độ phân giải 8 bit dùng để điều khiển động cơ DC.

 Truyền dữ liệu qua các chuẩn như UART, SPI, I2C.  Giao tiếp với cảm biến thông qua các chân ADC từ A0 – A5.  Bộ định thời Timer với 2 bộ 8 bit và 1 bộ 16 bit. Với những chức năng như trên thì chúng ta hoàn toàn có thể sáng tạo, ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau từ những thiết kế đơn giản như điều khiển đèn Led nhấp nháy, điều khiển đèn tín hiệu giao thông… cho đến những ứng dụng phức tạp hơn như nhà thông minh, vườn rau, làm Robot hay máy bay không người lái… 2.

ESP8266 VÀ MODULE NODEMCU v1. Giới thiệu ESP8266 ESP là viết tắt của electronic stability program nghĩa là hệ thống cân bằng điện tử. Module ESP8266 là một module với bộ xử lý 32 bit, dựa trên giao thức TCP/IP, là một chip tích hợp được thiết kế dùng cho chuẩn kết nối mới. Có thể lưu trữ ứng dụng hoặc xử lý các kết nối WiFi từ bộ xử lý tích hợp trên chip, có khả năng tạo kết nối giống như một máy chủ hoặc một cầu nối trung gian và có thể download dữ liệu từ Internet.

6 do an Hình 2.2 ESP8266 [6] Đây là module truyền nhận WiFi đơn giản dựa trên chip ESP8266 SoC (System on Chip) của hãng Espressif. Module ESP8266 V1 thường được sử dụng cho các ứng dụng IoT (Internet of Things). Module này đã được nạp sẵn firmware giúp người dùng giao tiếp với wifi rất dễ dàng qua tập lệnh AT thông qua giao tiếp UART (baudrate mặc định 9600) quen thuộc. Thông số kỹ thuật Module ESP8266 có các thông số kỹ thuật như sau [6]: - Hỗ trợ chuẩn Wifi 802.4 GHz, hỗ trợ WPA/WPA2.

Wi-Fi Direct (P2P), soft-AP - Chuẩn điện áp hoạt động: 3. - Chuẩn giao tiếp nối tiếp UART với tốc độ Baud lên đến115200 Có 3 chế độ hoạt động: Client, Access Point, Both (Client and Access Point). - Hỗ trợ các chuẩn bảo mật như: OPEN, WEP, WPA_PSK, WPA2_PSK, WPA WPA2_PSK. Hỗ trợ cả 2 giao tiếp TCP và UDP - Làm việc như 1 Access Point có thể kết nối với 5 Device.

Công suất đầu ra 19. - Tích hợp giao thức TCP / IP stack. Chức năng của module ESP8266 Module ESP8266 có các chức năng chính như sau [6]: - Hỗ trợ chuẩn 802. - Điện áp hoạt động 3.

7 do an - Wifi 2.4 Ghz, hỗ trợ WPA/WPA2. - Chuẩn giao tiếp UART với tốc độ Baud lên đến 115200. - Giao thức TCP, UDP. - Có ba chế độ hoạt động: Client/ Acesspoint, Both.

- Hỗ trợ các chuẩn bảo mật như: WEP, WPA_PSK, WPA2_PSK. ESP8266 là một chip tích hợp cao, được thiết kế cho nhu cầu của một thế giới kết nối mới, thế giới Internet of thing (Iot). Nó cung cấp một giải pháp kết nối mạng Wi-Fi đầy đủ và khép kín, cho phép nó có thể lưu trữ các ứng dụng hoặc để giảm tải tất cả các chức năng kết nối mạng Wi-Fi từ một bộ xử lý ứng dụng. Ngoài ra, ESP8266 khả năng xử lý và lưu trữ mạnh mẽ cho phép nó được tích hợp với các bộ cảm biến, vi điều khiển và các thiết bị ứng dụng cụ thể khác thông qua GPIOs (General Purpose Input Output) với một chi phí tối thiểu và một PCB (Printed Circuit Board) tối thiểu.0 là kit phát triển dựa trên nền chip Wifi SoC ESP8266 với thiết kế dễ sử dụng và đặc biệt là có thể sử dụng trực tiếp trình biên dịch của Arduino để lập trình và nạp code, điều này khiến việc sử dụng và lập trình các ứng dụng trên ESP8266 trở nên rất đơn giản.

Module hỗ trợ 9 chân GPIO , 1 chân ADC, 1 giao tiếp UART, 1 giao tiếp SPI và hỗ trợ PWM. Tích hợp 2 nút nhấn, IC CH340 chuyển đổi USB -UART. IC chính: ESP8266 Wifi SoC. Chip nạp và giao tiếp UART: CH340G.

Cấp nguồn: 5VDC MicroUSB hoặc V-in. GPIO giao tiếp mức 3. Tích hợp Led báo trạng thái, nút Reset, Flash. Tương thích hoàn toàn với trình biên dịch Arduino.

Cách vào các chế độ boot của NodeMCU: Bảng 2.1 Cách vào chế độ Boot của NodeMCU [7] MTDO GPIO0 GPIO2 Mode Mô tả (GPIO15) L L H UART Download code qua UART L H H Flash Boot from SPI Flash H x x SDIO Boot from SD – card 8 do an Hình 2.3 Sơ đồ chân board NodeMCU v1. MUDULE ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ L298N 2. Giới thiệu Hình 2.4 Module L298N Module điều khiển động cơ (Motor Driver) sử dụng chip cầu H L298N giúp điều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ DC một cách dễ dàng [8], ngoài ra module L298N còn điều khiển được 1 động cơ bước lưỡng cực. Mạch cầu H của IC L298N có thể hoạt động ở điện áp từ 5V đến 35V.

9 do an Module L298N có tích hợp một IC nguồn 78M05 để tạo ra nguồn 5V để cung cấp cho các thiết bị khác. Thông số kỹ thuật Thông số kỹ thuật của mạch điều khiển động cơ L298N [8]:  Driver: L298N tích hợp hai mạch cầu H  Điện áp điều khiển: +5 V ~ +35 V  Dòng tối đa cho mỗi cầu H: 2A  Điện áp tín hiệu điều khiển: +5 V ~ +7 V  Dòng tín hiệu điều khiển: 0 ~ 36mA  Công suất hao phí: 20W (khi nhiệt độ T = 75 ℃)  Nhiệt độ vận hành: -25 ℃ ~ +130 ℃ 2. Giới thiệu Module 1 Relay với opto cách ly nhỏ gọn, có opto và transistor cách ly giúp cho việc sử dụng trở nên an toàn với board mạch chính, mạch được sử dụng để đóng ngắt nguồn điện công suất cao AC hoặc DC, có thể chọn đóng khi kích mức cao hoặc mức thấp bằng Jumper. Tiếp điểm đóng ngắt gồm 3 tiếp điểm NC (thường đóng), NO (thường mở) và COM (chân chung) được cách ly hoàn toàn với board mạch chính, ở trạng thái bình thường chưa kích NC sẽ nối với COM, khi có trạng thái kích COM sẽ chuyển sang nối với NO và mất kết nối với NC.5 Module Relay [9] 10 do an 2.

Thông số kỹ thuật Module Relay có các thông số kỹ thuật như sau [9]:  Sử dụng điện áp nuôi DC 5V.  Dòng mỗi Relay tiêu thụ dòng khoảng 80mA.  Điện thế đóng ngắt tối đa: AC250V ~ 10A hoặc DC30V ~ 10A.  Có đèn báo đóng ngắt trên mỗi Relay.

 Có thể chọn mức tín hiệu kích 0 hoặc 1 qua jumper.  Kích thước: 1. Giới thiệu Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số các loại động cơ điện thông thường. Động cơ bước thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của roto và có khả năng cố định roto vào những vị trí cần thiết.

Động cơ bước làm việc được là nhờ có bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo một thứ tự và một tần số nhất định. Tổng số góc quay của roto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của roto, phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi. Khi một xung điện áp đặt vào cuộn dây stato (phần ứng) của động cơ bước thì roto (phần cảm) của động cơ sẽ quay đi một góc nhất định, góc ấy là một bước quay của động cơ. Khi các xung điện áp đặt vào các cuộn dây phần ứng thay đổi liên tục thì roto sẽ quay liên tục (nhưng thực chất chuyển động đó vẫn là theo các bước rời rạc).

Cách điều khiển động cơ bước Động cơ bước có nhiều cách điều khiển. Có thể điều khiển các dây trực tiếp qua 4 cổng qua MCU thông qua driver đệm công suất. Cách này hơi phức tạp một chút, cần phải hiểu rõ bên trong động cơ và thường chỉ điều khiển được full bước. Cách thông dụng nhất là dùng các IC chuyên dụng điều khiển động cơ bước.