TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI XÂY DỰNG HỆ THỐNG IOT GIÁM SÁT VƯỜN CÂY
Giới thiệu
Chương này nhóm em sẽ giới thiệu tổng quan về xây dựng hệ thống IOT giám sát vườn cây và mục tiêu của đề tài.
Đặt vấn đề
Việt Nam, một quốc gia đang phát triển, vẫn duy trì vai trò quan trọng của nông nghiệp trong nền kinh tế Diện tích đất nông nghiệp của Việt Nam chiếm hơn 27,3 triệu ha, tương đương 80,4% tổng diện tích quốc gia, và đóng góp 24% vào GDP.
Ngành nông nghiệp đóng góp hơn 47% lực lượng lao động tại Việt Nam, trong khi gần 70% dân số sinh sống ở nông thôn và miền núi Giá trị thặng dư thương mại của ngành này đạt 10,6 tỷ USD, với nhiều mặt hàng xuất khẩu chủ lực như lúa gạo, cà phê, cao su, điều, gỗ và thủy sản, mỗi mặt hàng đều có giá trị xuất khẩu trên 1 tỷ USD.
Nền nông nghiệp Việt Nam hiện vẫn còn lạc hậu so với thế giới, với nhiều hạn chế trong việc áp dụng tiến bộ khoa học vào chăm sóc cây trồng Công nghệ còn yếu kém, và tỷ lệ giá trị chất xám trong giá thành sản phẩm cây trồng chưa đạt yêu cầu, dẫn đến 90% hàng nông sản Việt Nam chưa được khai thác tối đa giá trị.
Nông nghiệp Việt Nam hiện vẫn chủ yếu dựa vào nguồn nguyên liệu thô, chưa qua chế biến, dẫn đến tỷ lệ thải loại cao và hiệu quả công việc thấp Sản xuất nông nghiệp phụ thuộc nhiều vào các yếu tố tự nhiên như nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng, gây lãng phí nhân công và giảm chất lượng sản phẩm Quá trình hội nhập quốc tế yêu cầu nông sản có chất lượng cao hơn, trong khi diện tích đất nông nghiệp đang thu hẹp do đô thị hóa và biến đổi khí hậu Bên cạnh đó, dân số tăng nhanh làm gia tăng nhu cầu lương thực, tạo ra những thách thức lớn cho sản xuất nông nghiệp.
Chúng ta cần tăng cường áp dụng công nghệ khoa học kỹ thuật trong nông nghiệp để nâng cao năng suất cây trồng và cải thiện chất lượng sản phẩm, đồng thời giảm thiểu sự phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên và lao động thủ công.
Hình 1.1: Nông dân tưới nước thủ công
Là sinh viên khoa Robot và trí tuệ nhân tạo tại Đại học Bình Dương, chúng tôi nhận thấy những vấn đề thực tiễn trong nông nghiệp Với kiến thức đã học và mong muốn thiết kế hệ thống giám sát và tưới cây tự động sử dụng công nghệ IoT, nhóm chúng tôi quyết định chọn đề tài này cho luận văn tốt nghiệp nhằm giảm bớt sức lao động và tăng năng suất sản phẩm.
Mục tiêu đề tài
Năm 2021 là thời điểm quan trọng để ngành nông nghiệp và phát triển nông thôn thực hiện cơ cấu lại nông nghiệp, đổi mới mô hình tăng trưởng và xây dựng nông thôn mới Các mục tiêu và giải pháp cần được triển khai quyết liệt ngay từ đầu năm nhằm đáp ứng nhu cầu hội nhập quốc tế Để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, đồng thời giảm chi phí sản xuất, ngành nông nghiệp Việt Nam cần áp dụng khoa học và công nghệ vào quy trình sản xuất.
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu và thiết kế mạch điều khiển tự động cho hệ thống tưới nước và chiếu sáng, sử dụng thông tin từ cảm biến nhiệt độ, độ ẩm đất và ánh sáng Hệ thống sẽ tự động bật tắt máy bơm tưới nước và đèn dựa trên các ngưỡng thời gian cài đặt, đồng thời cho phép điều khiển thủ công qua nút nhấn hoặc ứng dụng Android được phát triển bằng MIT App Inventor Ứng dụng này cũng hiển thị thông tin trên màn hình LCD 16x2, cho phép người dùng tùy chỉnh thời gian kiểm tra và ngưỡng hoạt động Ngoài ra, hệ thống còn có khả năng tự động tắt máy bơm khi phát hiện mưa và hiển thị biểu đồ nhiệt độ, độ ẩm, giúp người dùng dễ dàng quản lý và chăm sóc cây trồng.
Nội dung thực hiện
Nội dung 1: Nghiên cứu cấu tạo phần cứng và nguyên lý hoạt động của module ESP8266 Node MCU, cảm biến DHT11 đo nhiệt độ và độ ẩm, cảm biến mưa, màn hình LCD 16x2 và module I2C để hiểu rõ tính năng của chúng.
+ Nội dung 2: Giao tiếp Module ESP8266 Node MCU với các cảm biến
+Nội dung 3: Tìm hiểu về cách lấy thời gian thực cho ESP8266 Node MCU +Nội dung 4: Tìm hiểu về Firebase
+Nội dung 5: Tìm hiểu về MIT App Inventor và Thingspeak
+Nội dung 6: Giao tiếp Module ESP8266 với MIT App Inventor và
+Nội dung 7: Thiết kế, lập trình và điều khiển các thiết bị
+Nội dung 8: Thiết kế mô hình sản phẩm
+Nội dung 9: Đánh giá kết quả thực hiện
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ TÌM HIỂU CÁC LINH KIỆN
Giới thiệu chương
Trong chương này, nhóm chúng tôi sẽ trình bày về ứng dụng của IoT trong việc chăm sóc vườn cây, nhấn mạnh vai trò của nhiệt độ và độ ẩm đối với sự phát triển của cây trồng Chúng tôi sẽ cung cấp sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của hệ thống, đồng thời khám phá tổng quan về phần cứng và phần mềm Cuối cùng, chúng tôi sẽ giới thiệu các linh kiện và module có thể ứng dụng vào hệ thống, cùng với việc xây dựng sơ đồ khối cho các chức năng thực hiện.
Ứng dụng IOT trong việc chăm sóc cây trồng
Kể từ khi ra mắt gần 20 năm trước, ứng dụng IoT đã trở thành một trong những công nghệ phát triển nhanh nhất trong cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, ảnh hưởng tích cực đến nhiều ngành nghề, bao gồm cả nông nghiệp Việc áp dụng IoT trong nông nghiệp không chỉ tạo ra môi trường sản xuất năng động và khoa học mà còn giải phóng sức lao động, nâng cao năng suất và mang lại hiệu quả kinh tế cao Điều này giúp cải thiện tính chuyên nghiệp và làm mới bộ mặt của nền nông nghiệp trong tương lai gần.
Hình 2.1: Minh họa về ứng dụng IOT trong nông nghiệp Đồ án tốt nghiệp Chương 2 Cơ sở lý thuyết
2.2.2 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống ứng dụng công nghệ IOT
Kiến trúc của IoT bao gồm bốn thành phần cơ bản: Vạn vật (Things), Trạm kết nối (Gateways), Hạ tầng mạng (Internet) và lớp dịch vụ (Service) Những thành phần này phối hợp chặt chẽ để tạo nên một hệ thống IoT hiệu quả, giúp kết nối và quản lý các thiết bị thông minh trong môi trường mạng.
Ngày nay, có rất nhiều vật dụng hiện hữu trong cuộc sống, từ khu canh tác đến trong nhà và trên các thiết bị di động Giải pháp IoT giúp kết nối và quản lý dữ liệu của các thiết bị thông minh trong nông nghiệp, đồng thời cho phép các thiết bị chưa thông minh kết nối thông qua các trạm kết nối Nhờ đó, các vật dụng này có thể thực hiện hiệu quả nhiệm vụ quản lý đối tượng nông nghiệp.
Trạm kết nối (Gateways) là vùng trung gian quan trọng, cho phép các thiết bị kết nối an toàn và dễ dàng với điện toán đám mây Chúng có thể là thiết bị vật lý hoặc phần mềm, đóng vai trò kết nối giữa Cloud và các bộ điều khiển, cảm biến, cùng các thiết bị thông minh.
Hạ tầng mạng (Internet): Internet là một hệ thống toàn cầu của nhiều mạng
Hệ thống mạng IP kết nối các thiết bị máy tính thông qua cơ sở hạ tầng mạng, bao gồm router, trạm kết nối, thiết bị tổng hợp và thiết bị lặp Những thiết bị này kiểm soát lưu lượng dữ liệu và kết nối với mạng viễn thông cùng cáp, được triển khai bởi các nhà cung cấp dịch vụ.
Lớp dịch vụ (Service) là các ứng dụng do các hãng công nghệ hoặc người dùng phát triển, nhằm tối ưu hóa việc sử dụng sản phẩm IoT một cách hiệu quả và khai thác tối đa giá trị của chúng.
Hình 2.2: Bốn cấu phần cơ bản của một hệ thống IOT
Các yếu tố nhiệt độ, độ ẩm đất ảnh hưởng đến sự phát triển của cây trồng
Nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến sự phát triển của cây trồng, quyết định tới 70% chất lượng và sản lượng canh tác Khoảng nhiệt độ thích hợp cho sự sinh trưởng của phần lớn cây trồng nông nghiệp nằm trong khoảng 15-40oC; ngoài khoảng này, sự sinh trưởng sẽ giảm nhanh chóng Nhiệt độ tối ưu khác nhau tùy theo giống, thời gian tác động, tuổi cây và giai đoạn phát triển Nhiệt độ cao có thể dẫn đến mất nước do thoát hơi, khiến cây bị héo, trong khi nhiệt độ đất thấp có thể ảnh hưởng xấu đến sự hấp thụ nước của rễ Thời tiết nóng bất thường làm tăng tốc độ bốc hơi nước từ mặt đất, và nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến hoạt động của vi sinh vật trong đất, từ đó tác động đến sự chuyển hóa dinh dưỡng và pH đất, ảnh hưởng trực tiếp đến sự sinh trưởng của cây trồng.
2.3.2 Ảnh hưởng của độ ẩm đất đến sự phát triển của cây trồng
Nước là yếu tố thiết yếu cho sự phát triển của cây trồng, giúp cây hấp thụ chất dinh dưỡng hòa tan trong đất qua hệ thống rễ Nước không chỉ hỗ trợ quá trình vận chuyển khoáng chất mà còn tạo điều kiện thuận lợi cho quang hợp, góp phần hình thành sinh khối và thúc đẩy sự sinh trưởng của cây.
Để cây trồng phát triển khỏe mạnh, đất cần có độ ẩm thích hợp, vì đất ngập úng hoặc thiếu nước đều ảnh hưởng xấu đến sự sinh trưởng Ngập nước khiến rễ cây không hô hấp được, dẫn đến thiếu oxy và tích lũy chất độc, làm chết lông hút và không thể hình thành lông hút mới Khi không hút được nước, cây sẽ héo và chết Độ ẩm đất cần thấp hơn sức hút nước của cây và có tính thấm nước tốt, giúp ẩm độ nhanh chóng cung cấp cho cây Độ ẩm thích hợp trong tầng đất bộ rễ thay đổi theo yêu cầu sinh lý của từng loại cây và giai đoạn sinh trưởng Giới hạn trên của độ ẩm thường từ 70-85% độ chứa ẩm tối đa của đất, trong khi giới hạn dưới dao động từ 60-70% Lượng nước tưới cần tăng theo quá trình sinh trưởng, đạt tối đa khi cây có khối lượng thân lá lớn nhất, nhưng mức nước này khác nhau tùy theo loại cây trồng.
+ Những cây lấy hạt nhu cầu nước nhiều nhất ở thời kỳ hình thành các cơ quan sinh sản
+ Những loại cây lấy củ nhu cầu nước nhiều nhất ở thời kỳ phát triển củ Ở thời Đồ án tốt nghiệp Chương 2 Cơ sở lý thuyết
+ Cây rau yêu cầu nước nước trong suốt quá trình sinh trưởng
Tưới nước đóng vai trò quan trọng trong hoạt động sinh học của đất, với độ ẩm phù hợp giúp vi sinh vật hoạt động hiệu quả Khi độ ẩm đạt từ 80 – 95% sức chứa ẩm tối đa, nấm và xạ khuẩn phát triển mạnh mẽ, trong khi vi khuẩn phân giải cellulose hoạt động tốt nhất ở mức độ ẩm 85 – 90% Đặc biệt, độ ẩm cũng ảnh hưởng đến vi khuẩn nốt sần; trong điều kiện khô hạn, chúng gần như không hoạt động, nhưng khi được tưới đủ ẩm, quá trình này diễn ra bình thường, góp phần tăng cường dinh dưỡng đạm cho cây trồng.
Xây dựng sơ đồ khối cho hệ thống
Hình 2.3: Sơ đồ khối của hệ thống
Khối xử lý trung tâm ESP8266
Khối thu thập dữ liệu cảm biến Khối nút nhấn
Khối thiết bị Đồ án tốt nghiệp Chương 2 Cơ sở lý thuyết
Nguyên lý hoạt động của hệ thống
Hệ thống bao gồm khối nguồn cung cấp năng lượng cho toàn bộ hoạt động và các cảm biến để đo lường nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và lượng mưa, gửi dữ liệu đến khối xử lý trung tâm ESP8266 Khối xử lý này sẽ hiển thị thông số lên ứng dụng Android (được phát triển bằng MIT App Inventor) và màn hình LCD 16x2, đồng thời tự động điều khiển bật tắt các thiết bị dựa trên các ngưỡng đã cài đặt Trong trường hợp máy bơm hoạt động và phát hiện trời mưa, hệ thống sẽ tự động tắt bơm Ngoài ra, người dùng có thể điều khiển thiết bị thủ công qua ứng dụng Android hoặc các nút bấm trên mạch, và theo dõi biểu đồ nhiệt độ, độ ẩm qua ứng dụng để quản lý và chăm sóc cây trồng hiệu quả hơn.
THI CÔNG HỆ THỐNG
Vẽ sơ đồ nguyên lý và thi công mạch in bằng phần mềm Attium
3.1.1 Phần mềm mô phỏng Altium
Hình 3.1: Phần mềm Altium Designer
Altium Designer, trước đây được biết đến với tên Protel DXP, là một trong những công cụ thiết kế mạch điện tử hàng đầu hiện nay Phát triển bởi Altium Limited, phần mềm này chuyên dụng cho việc thiết kế mạch điện tử, mang lại nhiều tính năng mạnh mẽ cho người dùng.
Altium hiện nay là phần mềm vẽ mạch điện tử hàng đầu và phổ biến tại Việt Nam Phần mềm không chỉ giúp người dùng dễ dàng thiết kế mạch mà còn hỗ trợ hiệu quả trong việc quản lý mạch và trích xuất file thống kê linh kiện.
Một số điểm vượt trội của Altium:
• Giao diện thiết kế, quản lý và chỉnh sửa thân thiện, dễ dàng biên dịch, quản lý file, quản lý phiên bản cho các tài liệu thiết kế
Hệ thống hỗ trợ thiết kế tự động và đi dây tự động theo thuật toán tối ưu, giúp phân tích lắp ráp linh kiện hiệu quả Nó cho phép tìm kiếm các giải pháp thiết kế mới hoặc chỉnh sửa mạch, linh kiện và netlist hiện có dựa trên các tham số mới Đây là nội dung quan trọng trong đồ án tốt nghiệp Chương 3 về thi công hệ thống.
• Mở, xem và in các file thiết kế mạch dễ dàng với đầy đủ các thông tin linh kiện, netlist, dữ liệu bản vẽ, kích thước, số lượng…
• Hệ thống các thư viện linh kiện phong phú, chi tiết và hoàn chỉnh bao gồm tất cả các linh kiện nhúng, số, tương tự…
Đặt và sửa đối tượng trên các lớp cơ khí, định nghĩa các luật thiết kế, tùy chỉnh các lớp mạch in, chuyển đổi từ sơ đồ nguyên lý sang PCB, và xác định vị trí linh kiện trên PCB là những bước quan trọng trong quy trình thiết kế mạch điện tử.
Mô phỏng mạch PCB 3D cung cấp hình ảnh chân thực của mạch điện trong không gian ba chiều, hỗ trợ tích hợp MCAD-ECAD và liên kết trực tiếp với mô hình STEP Tính năng này cho phép kiểm tra khoảng cách cách điện và cấu hình linh hoạt cho cả hai chiều 2D và 3D.
3.1.2 Sơ đồ nguyên lý của mạch
Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lí của mạch
Khi mạch được cấp điện áp 5 VDC, khối cảm biến sẽ thu thập giá trị nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng để truyền về vi điều khiển xử lý Vi điều khiển sẽ so sánh các giá trị này với các giá trị cài đặt tương ứng Nếu các giá trị thỏa mãn điều kiện đã định, vi điều khiển sẽ phát tín hiệu cho thiết bị, như máy bơm và đèn, để thực hiện bơm nước tự động và bật đèn khi trời tối Tất cả các thông số nhiệt độ, độ ẩm cùng các bước cài đặt sẽ được hiển thị trên màn hình LCD 16x2.
Hình 3.3: Đi dây cho mạch
Hình 3.4: Hình ảnh 3D của mạch Đồ án tốt nghiệp Chương 3 Thi công hệ thống
3.1.4 Gắn linh kiện cho mạch
STT Tên linh kiện Số lượng
6 Module cảm biến độ ẩm đất 1
7 Module cảm biến ánh sáng 1
Bảng 3.1: Gắn linh kiện cho mạch
3.1.5 Mạch in sau khi gắn linh kiện Đồ án tốt nghiệp Chương 3 Thi công hệ thống
Hình3.5: Mạch in sau khi gắn linh kiện
Lập trình hệ thống
3.2.1 Tổng quan về phần mềm Arduino
IDE (Môi trường phát triển tích hợp) là công cụ chuyên dụng để phát triển phần mềm, giúp lập trình viên viết mã nguồn một cách hiệu quả Khác với các phần mềm thông thường, IDE cung cấp các tính năng hỗ trợ như gỡ lỗi, hoàn thành mã và quản lý dự án, nhằm tối ưu hóa quy trình phát triển phần mềm.
IDE không chỉ là công cụ để viết mã nguồn mà còn tích hợp nhiều công cụ hỗ trợ khác như trình biên dịch, trình thông dịch, công cụ kiểm tra lỗi, và các tính năng như định dạng, highlight mã nguồn, tổ chức thư mục và tìm kiếm mã nguồn.
Arduino là nền tảng nguyên mẫu mã nguồn mở, bao gồm bo mạch có thể lập trình và phần mềm Arduino IDE hỗ trợ viết mã và nạp vào bo mạch.
Bạn có thể điều khiển các chức năng của bo mạch của mình bằng cách nạp các Đồ án tốt nghiệp Chương 3 Thi công hệ thống
Hơn nữa, phần mềm Arduino IDE sử dụng phiên bản giản thể của C++, làm việc học lập trình nó trở nên dễ dàng hơn rất nhiều
Bước 1: Dowload trực tiếp phần mềm Arduino tại trang chủ
Link: https://www.arduino.cc/en/Main/Software
Bước 2: Cài đặt và chạy file vừa tải xuống
Hình 3.6: Cài đặt Arduino IDE Đồ án tốt nghiệp Chương 3 Thi công hệ thống
Hình 3.7: Hướng dẫn cài đặt phần mềm Arduino
Hình 3.8: Giao diện Arduino IDE
Vùng lệnh của IDE bao gồm các mục trên menu như File, Edit, Sketch, Tools và Help, cùng với các biểu tượng phía dưới để truy cập nhanh vào những chức năng thường dùng.
Chức năng của các icon: Đồ án tốt nghiệp Chương 3 Thi công hệ thống
Verify Kiểm tra lỗi và biên dịch code
Upload Dịch và upload code vào bo mạch đã được cài đặt sẵn
Open Mở một sketch có sẵn
Serial Monitor Mở serial monitor
Bảng 3.2: Chức năng của các icon
Phần thiết lập (Void Setup) trong Arduino IDE là nơi cấu hình cho chương trình, bao gồm việc xác định tốc độ truyền dữ liệu và thiết lập kiểu chân, cho biết chân đó là chân ra hay chân vào.
• Vòng lặp (Void loop): Dùng để viết các lệnh trong chương trình để mạch Arduino thực hiện các nhiệm vụ mà chúng ta mong muốn
Vùng thông báo (Debug): Hiển thị những thông báo từ IDE
Cài đặt cấu hình cho Arduino IDE:
Bước 1: Tải package cho NodeMCU vào Arduino IDE:
Từ màn hình chính chọn File → Preferences, thêm đường dẫn bên dưới vào mục Addition Boards Manager URLs Đồ án tốt nghiệp Chương 3 Thi công hệ thống
Hình 3.9: Tải package cho NodeMCU
Bước 2: Tải thư viện hỗ trợ
To install the ESP8266 library, navigate to the main screen and select Tool → Board → Board Managers In the search bar of the Board Managers dialog, enter "esp8266" and click "Install" to download and install the library.
Hình 3.10: Hộp thoại Board Manager
Bước 3: Chọn Tool → board → ESP 8266 boards → NodeMCU 1.0 Đồ án tốt nghiệp Chương 3 Thi công hệ thống
Bước 4: Vào menu chọn → Tool → port →chọn cổng COM để kết nối với máy tính
Hình 3.12: Chọn cổng kết nối Đồ án tốt nghiệp Chương 3 Thi công hệ thống
3.2.2.1 Lưu đồ thuật toán chương trình chính
Hình 3.13: Lưu đồ thuật toán chương trình chính
Giải thích nguyên lý hoạt động của chương trình:
Chương trình khởi tạo các module cảm biến để đọc và hiển thị giá trị nhiệt độ, độ ẩm trên LCD và ứng dụng Android Nó có hai chế độ hoạt động: chế độ thủ công và chế độ tự động, cho phép bật tắt máy bơm một cách linh hoạt.
Khởi tạo các module cảm biến Đọc giá trị các cảm biến
Xuất giá trị nhiệt độ, độ ẩm lên LCD, App
Bật chế độ thủ công Thực thi chế độ thủ công
Thực thi chế độ tự động
Kết thúc ĐS Đồ án tốt nghiệp Chương 3 Thi công hệ thống
3.2.2.2 Lưu đồ thuật toán chế độ tự động bật tắt bơm
Hình 3.14: Lưu đồ thuật toán chế độ tự động bật tắt bơm
Giải thích nguyên lý hoạt động của chương trình
Hệ thống kiểm tra nhiệt độ và độ ẩm đất sẽ hoạt động theo các thời gian đã cài đặt trong ngày Nếu độ ẩm đất thấp hơn mức ngưỡng và nhiệt độ cao hơn ngưỡng, máy bơm sẽ tự động bật Trong trường hợp trời mưa, cảm biến mưa sẽ tự động tắt máy bơm Ngược lại, nếu độ ẩm đất cao hơn ngưỡng và nhiệt độ thấp hơn ngưỡng, máy bơm cũng sẽ tự động tắt.
Thời gian kiểm tra Độ ẩm đấtngưỡng
S ĐS Đồ án tốt nghiệp Chương 3 Thi công hệ thống
3.2.2.3 Lưu đồ thuật toán chế đ tự động bật tắt đèn
Hình 3.15: Lưu đồ thuật toán chế độ tự động bật tắt đèn
Giải thích nguyên lý hoạt động của chương trình
Cảm biến ánh sáng tự động đo và so sánh mức ánh sáng với ngưỡng cài đặt trước Nếu ánh sáng thấp hơn ngưỡng, cảm biến sẽ tự động bật đèn; ngược lại, nếu ánh sáng cao hơn ngưỡng, đèn sẽ tự động tắt Người dùng cũng có thể tắt đèn thông qua công tắc khi đèn đã được bật tự động.
Bắt đầu Ánh sáng