Tải bản đầy đủ

Thiết kế và thi công hệ thống iots chăm sóc vườn cây ăn quả sử dụng pin năng lượng mặt trời

TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TP. HỒ CHÍ MINH
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Y SINH
Tp. HCM, ngày 6 tháng 3 năm 2018

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Ngô Thành Đạt
MSSV: 14141060
Lê Hải Nguyên
MSSV: 14141216
Chuyên ngành:
Điện tử công nghiệp
Mã ngành: 141
Hệ đào tạo:
Đại học chính quy
Mã hệ:
1
Khóa:

2014
Lớp:
14141DT1B
I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG IOTS CHĂM SÓC
VƯỜN CÂY ĂN QUẢ SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT
TRỜI
II. NHIỆM VỤ
Họ tên sinh viên:

1. Các số liệu ban đầu:
 Chọn cây cà chua là đối tượng nghiên cứu.
 Thiết kế mô hình nhà kính có kích thước dài, rộng, cao là 100 x 50 x 65 cm bằng
khung nhôm và bọc nhựa nilong, có mái che.
 Màn hình cảm ứng để thao tác có kích thước 3.2 inch.
 Sử dụng 2 tấm pin năng lượng mặt trời 12V-10W và bộ lưu điện 12V 9Ah để cấp
nguồn hoạt động cho toàn bộ hệ thống.
2. Nội dung thực hiện:
 NỘI DUNG 1: Tìm hiểu và nghiên cứu về cấu tạo phần cứng, nguyên lý hoạt
động, tính năng của các module Arduino, module NODEMCU ESP8266,
module L293, động cơ Servo, động cơ DC, DHT11, BH1750, cảm biến mưa,
cảm biến độ ẩm đất.
 NỘI DUNG 2: Tìm hiểu và nghiên cứu về lập trình Web Server, tìm hiểu về
ngôn ngữ HTML, CSS, PHP, cơ sở dữ liệu MySQL.
 NỘI DUNG 3: Các giải pháp thiết kế hệ thống, thi công mô hình.
 NỘI DUNG 4: Thiết kế hệ thống điều khiển, lưu đồ giải thuật và chương trình
điều khiển mô hình.
 NỘI DUNG 5: Thiết kế hoàn chỉnh mô hình thực tế.
 NỘI DUNG 6: Chạy thử nghiệm hệ thống, cân chỉnh hệ thống.
 NỘI DUNG 7: Viết sách luận văn.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
06/03/2018
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 16/07/2018
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
ThS. Võ Đức Dũng
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH


TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TP. HỒ CHÍ MINH
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Tp. HCM, ngày 23 tháng 3 năm 2018

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1:
Ngô Thành Đạt
Lớp: 14141DT1B
MSSV:14141060
Họ tên sinh viên 2:
Lê Hải Nguyên
Lớp: 14141DT1B
MSSV: 14141216
Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG IoTs CHĂM SÓC VƯỜN
CÂY ĂN QUẢ SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Tuần/ngày

Nội dung
-

1
(19-25/3)

Gặp GVHD để phổ biến quy định: thực hiện
chọn đề tài, tên đề tài, thời gian làm việc.

-

Duyệt đề tài.

-

Viết đề cương cho đề tài.

-

Tìm kiếm các kiến thức, thông tin về đặc
tính. nhiệt độ, độ ẩm của cây ăn quả mong
muốn.

2
(26/3-1/4)

-

Tìm hiểu về Pin năng lượng mặt trời.

-

Tìm hiểu các cảm biến sử dụng trong đề tài.

-

Tìm hiểu về cách thức lập trình ứng dụng
trên điện thoại và thiết kế Web Server.

3
(2/4-8/4)
4
(9/4-15/4)

5
(16/4-22/4)

-

Thiết kế sơ đồ khối, giải thích chức năng.

-

Tính toán lựa chọn linh kiện cho từng khối.

-

Thiết kế sơ đồ nguyên lý và giải thích hoạt
động của mạch.

-

Thiết kế nguồn từ pin năng lượng mặt trời.

-

Thi công mạch cấp nguồn sử dụng pin năng
lượng mặt trời.

-

Thi công mạch, xây dựng mô hình.

Xác nhận
GVHD


-

Lập trình ứng dụng trên điện thoại.

-

Thiết kế Web Server.

-

Thi công mạch cấp nguồn sử dụng pin năng
lượng mặt trời.

6
(23/4-29/4)

-

Thi công mạch, xây dựng mô hình.

-

Lập trình ứng dụng trên điện thoại.

-

Thiết kế Web Server.

-

Thi công mạch cấp nguồn sử dụng pin năng
lượng mặt trời.

7
(30/4-6/5)

-

Thi công mạch, xây dựng mô hình.

-

Lập trình ứng dụng trên điện thoại.

-

Thiết kế Web Server.

-

Thi công mạch nguồn sử dụng pin năng
lượng mặt trời.

8
(7/5-13/5)

9
(14/5-20/5)
10
(21/5-27/5)
11
(28/5-3/6)
12
(4/6-10/6)

-

Thi công mạch, xây dựng mô hình.

-

Lập trình ứng dụng trên điện thoại.

-

Thiết kế Web Server

-

Kiểm tra, hoàn thiện mô hình, chạy thử và
sửa lỗi.

-

Viết báo cáo.

-

Hoàn thiện mô hình, chạy thử và sửa lỗi.
Viết báo cáo.
Hoàn thiện, chỉnh sửa báo cáo gửi cho
GVHD để xem xét góp ý lần cuối trước khi
in báo cáo.

-

Nộp quyển báo cáo và làm Slide báo cáo.
GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)


PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Họ và tên sinh viên: Ngô Thành Đạt
Lê Hải Nguyên

MSSV: 14141060
MSSV: 14141216

Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thông.
Tên đề tài THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG IoTs CHĂM SÓC VƯỜN
CÂY ĂN QUẢ SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: ThS. Võ Đức Dũng
NHẬN XÉT
1. Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
2. Ưu điểm:
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
3. Khuyết điểm:
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
4. Đề nghị cho bảo vệ hay không?
................................................................................................................................
5. Đánh giá loại:
................................................................................................................................
................................................................................................................................
6. Điểm:……………….(Bằng chữ:............................................................................ )
Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng
Giáo viên hướng dẫn

năm 2018


PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
Họ và tên sinh viên: Ngô Thành Đạt
MSSV: 14141060
Lê Hải Nguyên
MSSV: 14141216
Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thông.
Tên đề tài THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG IoTs CHĂM SÓC VƯỜN
CÂY ĂN QUẢ SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Họ và tên Giáo viên phản biện: .............................................................................
................................................................................................................................
NHẬN XÉT
1. Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
2. Ưu điểm:
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
3. Khuyết điểm:
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
4. Đề nghị cho bảo vệ hay không?
................................................................................................................................
5. Đánh giá loại:
................................................................................................................................
................................................................................................................................
6. Điểm:……………….(Bằng chữ:............................................................................ )
Tp. Hồ Chí Minh, ngày
tháng
năm 2018
Giáo viên phản biện


LỜI CAM ĐOAN
Chúng tôi – Ngô Thành Đạt và Lê Hải Nguyên cam đoan Đồ án tốt nghiệp này
là công trình nghiên cứu của bản thân chúng tôi dưới sự hướng dẫn của Thạc Sỹ Võ Đức
Dũng. Các kết quả công bố trong Đồ án tốt nghiệp là trung thực và không sao chép từ
bất kỳ công trình nào khác.
Người thực hiện đề tài
Ngô Thành Đạt

Lê Hải Nguyên

i


LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện đề tài, những người thực hiện được sự giúp đỡ của gia
đình, quý thầy cô và bạn bè nên đề tài đã được hoàn thành. Những người thực hiện xin
chân thành gửi lời cảm ơn đến:
Thầy Võ Đức Dũng, giảng viên trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM đã
trực tiếp hướng dẫn và tận tình giúp đỡ tạo điều kiện để nhóm có thể hoàn thành tốt đề
tài.
Những người thực hiện cũng xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô trong khoa
Điện - Điện tử của trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM đã tận tình dạy dỗ, chỉ
bảo, cung cấp cho những người thực hiện những kiến thức nền, chuyên môn làm cơ sở
để hoàn thành đề tài này.
Cảm ơn gia đình đã động viên và luôn luôn bên cạnh trong những lúc khó khăn
nhất.
Xin gửi lời cảm ơn đến những người bạn sinh viên khoa Điện-Điện tử đã giúp đỡ
những người thực hiện đề tài để có thể hoàn thành tốt đề tài này.
Xin chân thành cảm ơn!
Người thực hiện đề tài:
Ngô Thành Đạt

Lê Hải Nguyên

ii


TÓM TẮT
Hiện nay cùng với sự phát triển của xã hội, cuộc sống ngày càng được nâng cao
thì việc áp dụng công nghệ khoa học kỹ thuật vào đời sống công việc ngày càng cần
thiết. Cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, công nghệ kỹ thuật điện
tử mà trong đó đặc biệt là kỹ thuật điều khiển tự động đóng vai trò quan trọng trong mọi
lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lý, công nghiêp, nông nghiệp, đời sống, quản lý thông
tin,...
Nước ta là một đất nước nông nghiệp, tuy nhiên trong nhiều năm quy mô cũng
như chất lượng và sản lượng nông nghiệp của nước ta luôn thấp hơn so với các nước
khác mà nguyên nhân chính là việc công nghệ sản xuất của nước ta quá lạc hậu, chủ yếu
dựa vào tay chân. Do đó, IoTs đã và đang dẫn đầu trong việc cải thiện chất lượng cũng
như năng suất nuôi trồng nông nghiệp nước ta hiện nay. Tất cả được điều chỉnh và điều
khiển hoàn toàn tự động và áp dụng công nghệ khoa học kỹ thuật vào quy trình giám sát
và sản xuất. Việc sử dụng nhà kính tự động giúp chúng ta có thể tiết kiệm nhân lực, tăng
độ chính xác trong giám sát và điều khiển môi trường nhầm nâng cao chất lượng sản
phẩm.
Với mục đích muốn tiếp cận với các công nghệ đang phát triển trên. Vì vậy, nhóm
thực hiện đồ án với mong muốn chế tạo ra mô hình hệ thống vườn cây ăn quả IoTs sử
dụng kit Arduino được điều khiển, giám sát bằng máy tính thông qua Internet trong đó
bao gồm:
Hệ thống có các chức năng như sau:
 Hệ thống chính là điều khiển vườn cây ăn quả bằng màn hình cảm ứng HMI.
Sau đó, dữ liệu cảm biến, trạng thái hoạt động của các thiết bị sẽ được gửi lên
Internet. Hệ thống có 2 chế độ hoạt động là MANUAL và AUTO. Ở chế độ
MANUAL người dùng có thể điều khiển các thiết bị một cách chủ động, bật
tắt các thiết bị tùy ý mà không cần phụ thuộc vào các điều kiện của môi
trường. Còn ở chế độ AUTO, cho phép người dùng cài đặt các thông giới hạn
của môi trường, từ đó các thiết bị sẽ hoạt động theo các thông số mà môi
trường đo đạc được.
 Hệ thống mở rộng bao gồm:

iii


 Hệ thống điều khiển thiết bị từ xa thông qua Internet, hiển thị trạng thái hoạt
động của các thiết bị, điều khiển bật tắt các thiết tùy trong chế độ MANUAL,
và cho phép người dùng thiết lập các giá trị môi trường giới hạn trong chế độ
AUTO. Khi chuyển chế độ hoạt động trên web thông qua Internet thì phần
cứng sẽ chuyển đổi chế độ hoạt động theo.
Mô hình sử dụng kit Arduino Mega2560 làm vi điều khiển trung tâm để điều
khiển các module mở rộng như màn hình cảm ứng HMI, NODEMCU ESP8266, L293,
DHT11, BH1750,…
Đóng mái cho khu vườn bằng cách sử dụng động cơ Servo khi có mưa, đóng mở
rèm bằng động cơ DC khi cường độ ánh sáng tăng quá cao. Ngoài ra, còn có một số cơ
cấu chấp hành khác như bơm nước, quạt, đèn LED, đèn sưởi,…

iv


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...........................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... ii
TÓM TẮT .................................................................................................................... iii
DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG ................................................................................ viii
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .........................................................................................1
1.1

ĐẶT VẤN ĐỀ .......................................................................................................1

1.2

MỤC TIÊU ............................................................................................................2

1.3

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .................................................................................2

1.4

GIỚI HẠN .............................................................................................................3

1.5 BỐ CỤC .................................................................................................................3
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................5
2.1 GIỚI THIỆU VỀ MÔ HÌNH TRỒNG RAU TRONG NHÀ KÍNH NGOÀI
THỰC TẾ ........................................................................................................................5
2.2

TỔNG QUAN VỀ ARDUINO .............................................................................8

2.3

TỔNG QUAN VỀ IOT .......................................................................................10

2.4

TỔNG QUAN VỀ WEB .....................................................................................11

2.5

CÁC CHUẨN GIAO TIẾP .................................................................................12

2.5.1

CHUẨN GIAO TIẾP UART ........................................................................12

2.5.2

CHUẨN GIAO TIẾP I2C .............................................................................13

2.5.3

CHUẨN GIAO TIẾP ONE-WIRE ...............................................................14

CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ..............................................................16
3.1 GIỚI THIỆU ...........................................................................................................16
3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ............................................................17
3.2.1 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG ...........................................................17
3.2.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ..............................................................19
A. Khối xử lý trung tâm ......................................................................................19
B. Khối giao tiếp wifi ..........................................................................................21
C. Khối webserver ...............................................................................................23
D. Khối điều khiển trực tiếp và hiển thị ..............................................................24
E. Khối cảm biến .................................................................................................27
F. Khối relay ..........................................................................................................34
G. Khối cơ cấu chấp hành .....................................................................................36
H. Khối nguồn .......................................................................................................44
3.2.3

SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CỦA TOÀN MẠCH ...............................................50
v


A. Mạch cấp nguồn................................................................................................50
B. Mạch điều khiển................................................................................................52
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG .....................................................................54
4.1 GIỚI THIỆU ............................................................................................................54
4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG .........................................................................................54
4.2.1 THI CÔNG MẠCH SẠC PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ..........................54
4.2.2 THI CÔNG KẾT NỐI MẠCH GIẢM ÁP CUNG CẤP NGUỒN ...................56
4.2.3 THI CÔNG KẾT NỐI MODULE RELAY ĐIỀU KHIỂN NGÕ RA .............57
4.2.4 THI CÔNG KẾT NỐI NGUỒN VÀ DÂY CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN TRUNG
TÂM ..........................................................................................................................58
4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ................................................................59
4.3.1 ĐÓNG GÓI TỦ ĐIỀU KHIỂN ........................................................................59
4.3.2 THI CÔNG MÔ HÌNH .....................................................................................60
4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG .......................................................................................62
4.4.1 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT ...................................................................................62
A.

Lưu đồ điều khiển chế độ hoạt động ............................................................63

B.

Lưu đồ điều khiển chế độ MANU ................................................................65

C.

Lưu đồ điều khiển chế độ AUTO .................................................................67

D.

Lưu đồ truyền nhận dữ liệu trong chế độ MANU ........................................69

E.

Lưu đồ truyền nhận dữ liệu trong chế độ AUTO .........................................71

F.

Lưu đồ điều khiển web .................................................................................73

4.4.2

PHẦN MỀM LẬP TRÌNH CHO VI ĐIỀU KHIỂN ....................................74

A.

GIỚI THIỆU PHẦN MỀM LẬP TRÌNH ARDUINO IDE .........................74

B.

Công cụ lập trình Webserver ........................................................................79

C.

Công cụ lập trình và thiết kế giao diện cho màn hình HMI UART .............86

4.5 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC ....................................91
4.5.1 HỆ THỐNG CẤP NGUỒN CHO HỆ THỐNG ...............................................91
4.5.2 HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP ............91
4.5.3 HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÔNG QUA MẠNG
INTERNET ................................................................................................................92
CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ................................................93
5.1 KẾT QUẢ ................................................................................................................93
5.2 NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ ...................................................................................105
CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................................106
6.1 KẾT LUẬN ...........................................................................................................106

vi


6.2

HƯỚNG PHÁT TRIỂN ....................................................................................106

TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................107
PHỤ LỤC ...................................................................................................................108

vii


DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG
TRANG
Hình 2.1 Mô hình vườn lưới kín ngoài thực tế ................................................................5
Hình 2.2 Mô hình vườn lưới hở ngoài thực tế .................................................................6
Hình 2.3 Các hình thức trồng tại hộ gia đình ..................................................................6
Hình 2.4 Các loại Board Arduino ....................................................................................8
Hình 2.5 Tổng quan về hệ thống IoT ............................................................................10
Hình 2.6 Giao tiếp UART .............................................................................................12
Hình 2.7 Giao tiếp I2C ...................................................................................................13
Hình 2.8 Giao tiếp One - Wire ......................................................................................14
Hình 2.9 Giao tiếp One - Wire ......................................................................................15
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống ........................................................................................17
Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống thiết bị thực tế................................................................18
Hình 3.3 Khối xử lý trung tâm sử dụng board Arduino Mega 2560 .............................20
Hình 3.4 ESP Node MCU 8266 ....................................................................................21
Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý NODEMCU kết nối Arduino Mega ....................................22
Hình 3.6. Công cụ để tạo máy chủ của Webserver và Database ...................................24
Hình 3.7 Hình ảnh thực tế của màn hình HMI UART LCD .........................................25
Hình 3.8 Kết nối màn hình với Arduino ........................................................................26
Hình 3.9 Hình ảnh thực tế cảm biến DHT11.................................................................27
Hình 3.10 Kết nối cảm biến DHT 11 với Arduino ........................................................28
Hình 3.11 Hình ảnh thực tế cảm biến BH1750 .............................................................29
Hình 3.12 Kết nối cảm biến BH1750 với Arduino .......................................................30
Hình 3.13 Hình ảnh thực tế cảm biến độ ẩm đất ...........................................................31
Hình 3.14 Kết nối cảm biến độ ẩm đất với Arduino .....................................................32
Hình 3.15 Hình ảnh thực tế cảm biến mưa ....................................................................33
Hình 3.16 Kết nối cảm biến mưa với Arduino ..............................................................33
Hình 3.17 Hình ảnh thực tế Relay và cấu tạo bên trong của Relay...............................34
Hình 3.18 Cơ cấu tác động của Relay ...........................................................................35
Hình 3.19 Mạch nguyên lý của Module Relay ..............................................................35
Hình 3.20 Hình ảnh thực tế của bơm.............................................................................36
Hình 3.21 Kết nối của bơm với Relay và Arduino ........................................................37
Hình 3.22 Hình ảnh thực tế Led dây .............................................................................37
Hình 3.23 Kết nối của led dây với Relay và Arduino ...................................................38
Hình 3.24 Hình ảnh thực tế quạt ...................................................................................38
viii


Hình 3.25 Kết nối của quạt hút và quạt thổi với Relay và Arduino ..............................39
Hình 3.26 Hình ảnh thực tế động cơ Servo MG996 ......................................................40
Hình 3.27 Kết nối của 2 động cơ Servo với Arduino ...................................................40
Hình 3.28 Hình ảnh thực tế đèn sưởi .............................................................................41
Hình 3.29 Kết nối của đèn sưởi với Relay và Arduino .................................................41
Hình 3.30 Hình ảnh thực tế Module L293 ....................................................................42
Hình 3.31 Hình ảnh thực tế động cơ DC .......................................................................43
Hình 3.32 Kết nối động cơ DC với Module L293 và Arduino .....................................43
Hình 3.33 Hình ảnh toàn bộ cơ cấu tác động thông qua Relay .....................................44
Hình 3.34 Hình ảnh thực tế Pin năng lượng mặt trời 12V-10W ...................................45
Hình 3.35 Hình ảnh thực tế Acquy 12V-9Ah................................................................46
Hình 3.36 Hình ảnh thực tế bộ hỗ trợ sạc năng lượng mặt trời .....................................47
Hình 3.37 Hình ảnh thực tế mạch hạ áp ........................................................................48
Hình 3.38 Hình ảnh nguyên lý mạch hạ áp LM2596 ....................................................49
Hình 3.39 Hình ảnh nguyên lý mạch nạp điện cho acquy .............................................50
Hình 3.40 Hình ảnh nguyên lý mạch giảm áp cấp điện cho hệ thống ...........................50
Hình 3.41 Hình ảnh nguyên lý mạch giảm áp cấp điện cho hệ thống ...........................51
Hình 3.42 Sơ đồ nguyên lý toàn bộ hệ thống ................................................................52
Hình 4.1 Kết nối mạch sạc với pin năng lượng mặt trời và acquy ................................54
Hình 4.2 Mặt trước hệ thống pin năng lượng mặt trời ..................................................55
Hình 4.3 Hệ thống giảm áp và domino cấp nguồn ........................................................56
Hình 4.4 Hệ thống giảm áp cấp nguồn cho arduino ......................................................57
Hình 4.5 Hệ thống cấp nguồn và nối dây cho mạch relay.............................................58
Hình 4.6 Hệ thống cấp nguồn và nối dây cho bộ điều khiển trung tâm ........................58
Hình 4.7 Tủ điều khiển chính của hệ thống...................................................................59
Hình 4.8 Mặt trước tủ điều khiển với màn hình LCD HMI ..........................................60
Hình 4.9 Tủ điều khiển với màn hình LCD HMI ..........................................................60
Hình 4.10 Mô hình nhìn từ mặt trước............................................................................61
Hình 4.11 Mô hình nhìn từ mặt hông ............................................................................61
Hình 4.12 Mô hình nhìn từ phía trên .............................................................................62
Hình 4.13 Lưu đồ chọn chế độ hoạt động .....................................................................64
Hình 4.14 Lưu đồ chọn chế độ Manual .........................................................................66
Hình 4.15 Lưu đồ chọn chế độ hoạt động auto .............................................................68
Hình 4.16 Lưu đồ truyền nhận trong chế độ manu........................................................70
Hình 4.17 Lưu đồ truyền nhận trong chế độ AUTO .....................................................72
ix


Hình 4.18 Lưu đồ điều khiển web .................................................................................73
Hình 4.19 Quy trình làm việc của Arduino ...................................................................74
Hình 4.20 Giao diện lập trình arduino ...........................................................................75
Hình 4.21 Giao diện menu arduino IDE ........................................................................75
Hình 4.22 Giao diện file menu arduino IDE ................................................................75
Hình 4.23 Giao diện Examples menu arduino IDE .......................................................76
Hình 4.24 Giao diện edit menu arduino IDE .................................................................76
Hình 4.25 Giao diện Tool Menu Arduino IDE .............................................................77
Hình 4.26 Chọn board arduino ......................................................................................77
Hình 4.27 Hiển thị Board và Serial Port đã kết nối .......................................................78
Hình 4.28 Arduino Toolbar ...........................................................................................78
Hình 4.29 Logo của 000webhost ...................................................................................79
Hình 4.30 Đăng ký tài khoản .........................................................................................80
Hình 4.31 Giao diện nơi đăng ký tài khoản ...................................................................81
Hình 4.32 Giao diện nơi email xác nhận đăng ký tài khoản .........................................81
Hình 4.33 Xác nhận thành công ....................................................................................82
Hình 4.34 Tạo database ................................................................................................83
Hình 4.35 Nhập tên database muốn tạo ........................................................................83
Hình 4.36 Quản lý, chỉnh sửa database ........................................................................84
Hình 4.37 Kết quả tạo thành công database .................................................................84
Hình 4.38 Nơi upfile code lên ......................................................................................85
Hình 4.39 Các file code được up lên thành công .........................................................85
Hình 4.40 Màn hình khởi động phần mềm lập trình cho màn hình .............................86
Hình 4.41 Các thành phần chính của phần mềm ..........................................................87
Hình 4.42 Chọn loại màn hình .....................................................................................87
Hình 4.43 Những thành phần chính của màn hình thiết kế ..........................................88
Hình 4.44 Kết quả sau khi thiết kế, lập trình ................................................................88
Hình 4.45 Biên dịch chương trình ................................................................................89
Hình 4.46 Xuất file code ra ngoài máy tình .................................................................89
Hình 4.47 File đã xuất ra dưới dạng .tft .......................................................................90
Hình 5.1 Mặt trước của hệ thống mạch cấp nguồn .......................................................94
Hình 5.2 Đèn báo sạc khi nhận nhận được acquy .........................................................94
Hình 5.3 Đèn báo chế độ sạc .........................................................................................95
Hình 5.4 Màn hình chờ của hệ thống ............................................................................95
Hình 5.5 Màn hình chính của hệ thống .........................................................................96
x


Hình 5.6 Màn hình chọn chế độ của hệ thống ...............................................................96
Hình 5.7 Màn hình chọn chế độ manual........................................................................97
Hình 5.8 Màn hình chọn chế độ auto ............................................................................97
Hình 5.9 Màn hình chọn chế độ auto trong môi trường bình thường ...........................98
Hình 5.10 Màn hình chọn chế độ auto trong môi trường có mưa .................................98
Hình 5.11 Màn hình chọn chế độ auto trong môi trường có nắng ................................99
Hình 5.12 Màn hình khi hệ thống bơm hoạt động ........................................................99
Hình 5.13 Màn hình trang chủ của website .................................................................100
Hình 5.14 Màn hình đăng ký tài khoản .......................................................................100
Hình 5.15 Màn hình đăng nhập tài khoản ...................................................................101
Hình 5.16 Các database đã tạo ....................................................................................101
Hình 5.17 Màn hình tab liên hệ ...................................................................................102
Hình 5.18 Màn hình chế độ auto .................................................................................102
Hình 5.19 Màn hình chế độ manual ............................................................................103
Hình 5.20 Mặt trước mô hình ......................................................................................103
Hình 5.21 Mô hình từ trên cao ....................................................................................104
Hình 5.22 Mô hình từ bên hông .................................................................................104
Bảng 3.1 Bảng tính toán thông số tiêu thụ dòng điện của hệ thống ......................... …47

xi


CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1

ĐẶT VẤN ĐỀ

Hiện nay cùng với sự phát triển của xã hội, cuộc sống ngày càng được nâng cao
thì việc áp dụng công nghệ khoa học kỹ thuật vào đời sống công việc ngày càng cần
thiết. Cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, công nghệ kỹ thuật điện
tử mà trong đó đặc biệt là kỹ thuật điều khiển tự động đóng vai trò quan trọng trong mọi
lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lý, công nghiêp, nông nghiệp, đời sống, quản lý thông
tin,...
Nước ta là một đất nước nông nghiệp, tuy nhiên trong nhiều năm quy mô cũng
như chất lượng và sản lượng nông nghiệp của nước ta luôn thấp hơn so với các nước
khác mà nguyên nhân chính là việc công nghệ sản xuất của nước ta quá lạc hậu, chủ yếu
dựa vào tay chân. Mô hình nhà kính là nền tảng cho tiêu chuẩn về chất lượng, công năng
và giá trị của sản phẩm trong việc sản xuất nông nghiệp theo hướng nông nghiệp công
nghệ cao. Tính linh hoạt của nhà kính giúp cho người trồng trọt có thể trồng trọt trên bất
cứ môi trường nào, diện tích trồng trọt có thể từ vài trăm mét vuông đến hàng chục hécta. Nhà kính có khả năng loại bỏ các điều kiện môi trường bất lợi, cung cấp một môi
trường phát triển tối ưu, tạo ra mùa sinh trưởng dài hơn, có thể trồng các loại cây trái
mùa và các giống cây khác nhau, bảo vệ cây trồng khỏi thời tiết lạnh, mưa đá, gió, mưa...
gây thiệt hại, loại bỏ dịch bệnh, sâu bệnh hại, tăng tốc độ sinh trưởng nhanh hơn và năng
suất cao hơn, chất lượng tốt hơn. Tất cả được điều chỉnh và điều khiển hoàn toàn tự
động và áp dụng công nghệ khoa học kỹ thuật vào quy trình giám sát và sản xuất. Việc
sử dụng nhà kính tự động giúp chúng ta có thể tiết kiệm nhân lực, tăng độ chính xác
trong giám sát và điều khiển môi trường.
Trên cơ sở và yêu cầu từ thực tế, những đòi hỏi ngày càng cao của phát triển nông
nghiệp công nghệ cao, cộng với sự phát triển mạnh của khoa học công nghệ, đặc biệt là
công nghệ thông tin, kỹ thuật điện-điện tử. Phát triển kỹ thuật điều khiển tự động từ
khoảng cách xa trong nông nghiệp đang là xu thế phát triển nông nghiệp cao nói chung
và nhà kính tự động nói riêng. Chúng tôi đề xuất đề tài “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG
BỘ MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

1


CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
HỆ THỐNG IoTs CHĂM SÓC CÂY ĂN QUẢ SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI”.

1.2

MỤC TIÊU

 Tìm hiểu được về sự sinh trưởng của cây ăn quả mong muốn để từ đó nắm
bắt được những điều kiện nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng thích hợp với sự phát của
loại cây đó.
 Tìm hiểu được cơ sở lý thuyết của việc thiết kế và thi công một vườn cây ăn
quả.
 Tìm hiểu được về Pin năng lượng mặt trời và cách chuyển đổi năng lượng
mặt trời thành nguồn điện cung cấp cho hệ thống.
 Thiết kế được hệ thống chăm sóc cây ăn quả.
 Thiết kế được hệ thống tự động chăm sóc thông qua việc giám sát các thông
số nhiệt độ, độ ẩm, cường độ ánh sáng.
 Thiết kế được hệ thống cấp điện bằng pin năng lượng mặt trời cho toàn bộ hệ
thống.
 Thiết kế được giao diện Webserver giám sát, điều khiển các thiết bị thông qua
mạng Internet.
 Thi công được mô hình khu vườn.
 Cân chỉnh, hoàn thiện được mô hình khu vườn.

1.3

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

 NỘI DUNG 1: Tìm hiểu và nghiên cứu về cấu tạo phần cứng, nguyên lý hoạt
động, tính năng của các module Arduino, module NODEMCU ESP8266,
module L293, động cơ Servo, động cơ DC, DHT11, BH1750, cảm biến mưa,
cảm biến độ ẩm đất.
 NỘI DUNG 2: Tìm hiểu và nghiên cứu về lập trình Web Server, tìm hiểu về
ngôn ngữ HTML, CSS, PHP, cơ sở dữ liệu MySQL.
 NỘI DUNG 3: Các giải pháp thiết kế hệ thống, thi công mô hình.

BỘ MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

2


CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
 NỘI DUNG 4: Thiết kế hệ thống điều khiển, lưu đồ giải thuật và chương
trình điều khiển mô hình.
 NỘI DUNG 5: Thiết kế hoàn chỉnh mô hình thực tế.
 NỘI DUNG 6: Chạy thử nghiệm hệ thống.
 NỘI DUNG 7: Cân chỉnh hệ thống.
 NỘI DUNG 8: Viết sách luận văn.
 NỘI DUNG 9: Bảo vệ đề tài tốt nghiệp

1.4

GIỚI HẠN

 Chọn cây cà chua là đối tượng nghiên cứu.
 Thiết kế mô hình nhà kính có kích thước dài, rộng, cao là 100 x 50 x 65 cm
bằng khung nhôm và bọc nhựa nilong, có mái che.
 Màn hình cảm ứng để thao tác có kích thước 3.2 inch.
 Sử dụng 2 tấm pin năng lượng mặt trời 12V-10W và bộ lưu điện 12V 9Ah để
cấp nguồn hoạt động cho toàn bộ hệ thống.
 Sử dụng 2 module hạ áp để giảm áp từ bộ lưu điện 12V.
 Hệ thống chỉ sử dụng điện từ bộ lưu điện, hoàn toàn không dùng nguồn điện
ngoài.
 Dừng lại ở mức độ mô hình học tập chứ chưa đưa vào thực tế để sử dụng.

1.5 BỐ CỤC
 Chương 1: Tổng Quan
Chương này trình bày về đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội
dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án.
 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết
Trong chương này trình bày về các lý thuyết có liên quan đến các vấn đề mà đề
tài sẽ dùng để thực hiện thiết kế, thi công cho đề tài.
 Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế

BỘ MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

3


CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
Chương này giới thiệu tổng quan về các yêu cầu của đề tài mà mình thiết kế và
các tính toán, thiết kế gồm những phần nào. Như: thiết kế sơ đồ khối hệ thống, sơ đồ
nguyên lý toàn mạch, tính toán thiết kế mạch.
 Chương 4: Thi Công Hệ Thống
Chương này trình bày về quá trình vẽ mạch in lắp ráp các thiết bị, đo kiểm tra
mạch, lắp ráp mô hình. Thiết kế lưu đồ giải thuật cho chương trình và viết chương trình
cho hệ thống. Hướng dẫn quy trình sử dụng hệ thống.
 Chương 5: Kết Quả_Nhận Xét_Đánh Giá
Trình bày về những kết quả đã được mục tiêu đề ra sau quá trình nghiên cứu thi
công. Từ những kết quả đạt được để đánh giá quá trình hoàn thành được bao nhiêu phần
trăm.
 Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển
Chương này trình bày về những kết quả mà đồ án đạt được, những hạn chế, từ đó
rút ra kết luận và hướng phát triển để giải quyết các vấn đề tồn đọng để đồ án hoàn thiện
hơn.

BỘ MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

4


CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1

GIỚI THIỆU VỀ MÔ HÌNH TRỒNG RAU TRONG

NHÀ KÍNH NGOÀI THỰC TẾ
Trong thực tế hiện nay, ở nước ta cũng đã đang áp dụng, triển khai nhiều loại hệ
thống trồng rau trong nhà kính cũng như hệ thống trồng rau tại hộ gia đình trong đó nổi
bật là 2 loại hình chính sau:
Trong quy mô công nghiệp, diện tích lớn:
 Loại nhà lưới kín: Là loại nhà lưới được phủ hoàn toàn bằng lưới cả trên mái
cũng như xung quanh, có cửa ra vào cũng được phủ kín bằng lưới. Được sử
dụng để che chắn ngăn ngừa côn trùng thâm. Về thiết kế với kiểu mái bằng
và mái nghiêng hai bên. Khung nhà được làm bằng cột bê tông hoặc bằng
khung sắt hàn hoặc bắt ốc vít. Vật liệu lưới che sản xuất bằng vật liệu trong
nước bằng kỹ thuật dệt lưới đơn giản. lưới hoàn toàn không được xử lý để
tăng khả năng chống chịu tia tử ngoại, nắng, gió… nên độ bền không cao, chỉ
sử dụng tốt từ 6 - 8 tháng là rách, hư hỏng.

Hình 2.1 Mô hình vườn lưới kín ngoài thực tế
 Loại nhà lưới hở: Là loại nhà lưới chỉ được che chủ yếu trên mái hoặc một
phần bao xung quanh chủ yếu để giảm bớt tác hại của mưa và gió giúp cho
cây rau trồng được cả vào mùa mưa. Không có tác dụng ngăn ngừa côn trùng.

BỘ MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

5


CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Thiết kế rất đơn giản với kiểu mái bằng và mái nghiêng hai bên. Về khung
nhà: được làm bằng cột bê tông hoặc bằng khung sắt hàn hoặc bắt ốc vít.

Hình 2.2 Mô hình vườn lưới hở ngoài thực tế
Trong quy mô hộ gia đình nhỏ lẻ:
Do đặc điểm hộ gia đình, đặc điểm riêng của mỗi ngôi nhà, khoảng không nên
mô hình ứng dụng cho quy mô này có rất nhiều hình dạng thiết kế, lắp đặt từ đơn giản
đến phức tạp để đáp ứng tối đa cho nhu cầu của người dân. Một số loại phổ biến như:
trồng rau từ ống nhựa, trồng rau bằng thùng phuy, trồng rau trong túi vải, trồng rau bằng
chai lọ treo, trồng rau bằng thùng xốp,…

Hình 2.3 Các hình thức trồng tại hộ gia đình

BỘ MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

6


CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tuy rằng có những ưu điểm không thể phủ nhận nhưng các mô hình ở trên vẫn
còn nhiều điểm hạn chế như:
 Trong loại nhà lưới kín sẽ tạo ra môi trường có nhiệt độ và độ ẩm cao hơn so
với bên ngoài từ đó nếu không có biện pháp giám sát chặt chẽ sẽ rất dễ bị nấm
mốc,…
 Trong loại hình nhà lưới hở thì do không được che chắn kỹ sẽ rất dễ côn trùng
tấn công.
 Phương pháp trồng tại gia đình thì có quy mô và diện tích nhỏ, khó lắp đặt
hiệu quả.
 Giá thành lắp đặt và đầu tư lớn thường gấp 5 đến 10 lần giá thành của phương
pháp canh tác truyền thống.
 Năng lượng sử dũng vẫn là bằng điện lưới nên phải tiêu tốn một số tiền nhất
định mỗi tháng.
 Hệ thống theo dõi, giám sát vẫn là bằng tay người, bằng kinh nghiệm thực tế
nên sẽ gây khó khăn cho những người không có kinh nghiệm về trồng trọt.
Với những khuyết điểm kể trên, trong đồ án này, nhóm thực hiện sẽ giữ lại những
điểm ưu việt của các phương pháp trên và khắc phục phần nào những khuyết điểm đang
tồn tại như:
 Năng lượng sử dụng sẽ là năng lượng sạch từ năng lượng mặt trời.
 Giá thành sẽ rẻ hơn.
 Có cơ chế giám sát, theo dõi thông qua mạng Internet, từ đó sẽ dễ dàng hơn
cho người sử dụng khi ở xa khu vườn.

BỘ MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

7


CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.2

TỔNG QUAN VỀ ARDUINO

Hình 2.4 Các loại Board Arduino
Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với
nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn. Phần cứng bao gồm một board mạch
nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32bit. Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào
analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau. Các
ứng dụng nổi bật của board mạch Arduino: robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ, phát
hiện chuyển động, game tương tác…
Được giới thiệu vào năm 2005, Những nhà thiết kế của Arduino cố gắng mang
đến một phương thức dễ dàng, không tốn kém cho những người yêu thích, sinh viên và
giới chuyên nghiệp để tạo ra những thiết bị có khả năng tương tác với môi trường thông
qua các cảm biến và các cơ cấu chấp hành. Những ví dụ phổ biến cho những người yêu
thích mới bắt đầu bao gồm các robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ và phát hiện chuyển

BỘ MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

8


CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT
động. Đi cùng với nó là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) chạy trên các máy tính
cá nhân thông thường và cho phép người dùng viết các chương trình cho Aduino bằng
ngôn ngữ C hoặc C++.
Một mạch Arduino bao gồm một vi điều khiển AVR với nhiều linh kiện bổ sung
giúp dễ dàng lập trình và có thể mở rộng với các mạch khác. Một khía cạnh quan trọng
của Arduino là các kết nối tiêu chuẩn của nó, cho phép người dùng kết nối với CPU của
board với các module thêm vào có thể dễ dàng chuyển đổi, được gọi là shield. Vài shield
truyền thông với board Arduino trực tiếp thông qua các chân khách nhau, nhưng nhiều
shield được định địa chỉ thông qua serial bus I²C nhiều shield có thể được xếp chồng và
sử dụng dưới dạng song song. Arduino chính thức thường sử dụng các dòng chip
megaAVR, đặc biệt là ATmega8, ATmega168, ATmega328, ATmega1280, và
ATmega2560. Một vài các bộ vi xử lý khác cũng được sử dụng bởi các mạch Aquino
tương thích. Hầu hết các mạch gồm một bộ điều chỉnh tuyến tính 5V và một thạch anh
dao động 16 MHz (hoặc bộ cộng hưởng ceramic trong một vài biến thể), mặc dù một
vài thiết kế như LilyPad chạy tại 8 MHz và bỏ qua bộ điều chỉnh điện áp onboard do
hạn chế về kích cỡ thiết bị. Một vi điều khiển Arduino cũng có thể được lập trình sẵn
với một boot loader cho phép đơn giản là upload chương trình vào bộ nhớ flash on-chip,
so với các thiết bị khác thường phải cần một bộ nạp bên ngoài. Điều này giúp cho việc
sử dụng Arduino được trực tiếp hơn bằng cách cho phép sử dụng 1 máy tính gốc như là
một bộ nạp chương trình.
Một số loại arduino phổ biến trên thị trường có thể kể đến là: Arduino Nano,
Arduino Uno R3, Arduino Mega 2560 R3, Arduino Due, …Ngoài ra còn có một số dòng
arduino hỗ trợ Internet như Arduino Ethernet, NODEMCU ESP8266,…

BỘ MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

9


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×