Mặc dù có nhiều phương pháp kỹ thuật hiện đại, tuy nhiên, việc thựchiện các quy trình tưới nước vẫn chưa thực sự chính xác và đúng yêu cầu.Trong bối cảnh hiện nay, việc ứng dụng các thiế
GIỚI THIỆU
Đặt vấn đề
Trong thực tế, nền nông nghiệp tại nước ta vẫn đang gặp phải nhiều khó khăn, đặc biệt là trong việc áp dụng các kiến thức và kỹ thuật hiện đại vào hoạt động trồng trọt Đặc biệt, trong cộng đồng hộ gia đình trồng trọt nhỏ, việc quản lý và chăm sóc cây thường chưa được tối ưu hóa theo cách khoa học Mặc dù có nhiều phương pháp kỹ thuật hiện đại, tuy nhiên, việc thực hiện các quy trình tưới nước vẫn chưa thực sự chính xác và đúng yêu cầu. Trong bối cảnh hiện nay, việc ứng dụng các thiết bị tự động trong việc tưới cây đang trở thành một giải pháp quan trọng để nâng cao hiệu suất sản xuất nông nghiệp tại cấp hộ gia đình Đối với những người trồng trọt nhỏ, việc chọn lựa cách tưới nước phù hợp và đảm bảo đúng lượng nước cho cây là vô cùng quan trọng Sử dụng hệ thống tưới tự động giúp người dùng không chỉ tiết kiệm thời gian và công sức mà còn đảm bảo cây trồng luôn được cung cấp nước đúng lúc và đúng lượng Hơn nữa, việc tưới nước theo mô hình tự động giúp người làm vườn không cần phải lo lắng và theo dõi liên tục, từ đó tạo điều kiện tốt cho cây trồng phát triển và cải thiện năng suất. Điều này thực sự hứa hẹn là một giải pháp mang tính đột phá trong việc quản lý và chăm sóc cây trồng tại các hộ gia đình trồng trọt nhỏ, từ đó nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng nông sản.
Lý do chọn đề tài
Hệ thống tưới tự động (tưới nhỏ giọt, phun sương …) là hệ thống thiết bị tưới tốt nhất đáp ứng theo yêu cầu sinh trưởng cây trồng đang được ứng dụng rộng trên các nước phát triển Hệ thống tưới nước tự động là một hình thức tưới nước hợp lý, tiết kiệm sức lao động và chi phí Ở Việt Nam chỉ vài ba năm trở lại đây việc vận dụng hệ thống này mới trở thành xu hướng Hệ thống tưới nước tự động cũng trở nên phổ biến hơn với người nông dân ở nông thôn cùng với quá trình hiện đại hóa nhưng không phải người dân nào cũng mạnh dạn đưa vào xử dụng vì chi phí đầu tư cao.
Mặt khác khoa học kỹ thuật phát triển mạnh mẽ đã làm thay đổi cuộc sống con người, làm cho cuộc sống con người ngày càng trở nên tiện nghi và hiện đại Kỹ thuật điện tử phát triển con người đã tạo ra những thiết bị máy móc hiện đại thay thế cho con người những công việc nặng nhọc và đòi hỏi sự chính xác cao.
Nước ta hiện nay còn phụ thuộc nhiều vào khí hậu tự nhiên, và với những phương pháp sản xuất canh tác truyền thống không mang lại năng suất cao Khi kinh tế xã hội phát triển thì nhu cầu con người càng được nâng cao, đòi hỏi chất và lượng nâng cao Do đó cần đến các thiết bị kỹ thuật tiên tiến có khả năng đo đạc và điều khiển được các thông số của môi trường như: nhiệt độ, độ ẩm không khí, chất dinh dưỡng cung cấp phù hợp với từng giai đoạn phát triển của cây trồng Xuất phát từ những vấn đề thực tiễn trên em đã nghiên cứu và tiến hành thiết kế : “SẢN PHẨM ĐO ĐỘ ẨM ĐẤT’’
Mục đích nghiên cứu
Việc vận dụng kiến thức đã học để nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống tưới tự động là một hướng phát triển mang lại nhiều lợi ích cho việc tưới tiêu cây trồng Nhờ sử dụng kiến thức về vi điều khiển ESP32, giao tiếp I2C, và các modul cảm biến có thể xây dựng các thiết bị tưới tiêu thông minh, linh hoạt và hiệu quả Ứng dụng kiến thức về lập trình IoT cho ESP32 sử dụng ESP-IDF, chúng ta có thể tạo ra các hệ thống tưới tự động dễ dàng kiểm soát và giám sát từ xa, thích ứng với điều kiện thời tiết và nhu cầu của cây trồng Việc tích hợp kiến thức về nông nghiệp và tưới tiêu vào quá trình nghiên cứu và thiết kế sẽ đảm bảo rằng hệ thống tưới tiêu đáp ứng đúng mức độ ẩm và nhu cầu của từng loại cây, từ đó giúp cây trồng phát triển mạnh mẽ và đạt hiệu quả cao trong sản xuất Kết hợp những kiến thức này, chúng ta có thể tạo ra các phương án tưới tiêu mới, hiện đại và tiết kiệm nước, góp phần nâng cao hiệu quả nông nghiệp, bảo vệ tài nguyên nước và tạo ra môi trường bền vững. Phương pháp nghiên cứu Để thực hiện nội dung đề tài, nhóm chúng em tiến hành nghiên cứu cơ sở lý thuyết của các phần mềm lập trình và mô phỏng của các thế hệ sản phẩm tiền nhiệm Bắt đầu từ việc lựa chọn các cảm biến phù hợp và phương pháp thu thập dữ liệu Sau đó chúng em thảo luận về các kỹ thuật xử lý dữ liệu và ứng dụng của các thuật toán phân tích tín hiệu Ngoài ra, chúng em sẽ nghiên cứu và áp dụng các phương pháp để nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của hệ thống.
Kế hoạch thực hiện
Giai đoạn 1: Khám phá và tìm hiểu những thiết kế, nghiên cứu và thiết bị hiện có liên quan đến đề tài Phân tích những hạn chế hiện tại và đề xuất các giải pháp sáng tạo để định hướng cho dự án.
Giai đoạn 2: Tập trung vào việc nghiên cứu và hiểu rõ các linh kiện sẽ sử dụng Đồng thời vẽ sơ đồ khối hệ thống và thiết kế một thiết bị đo nhiệt độ và độ ẩm thông minh Tìm hiểu về vi điều khiển ESP32, giao thức I2C và cách lập trình để có thể hiển thị các thông số đo lường lên màn hình LCD.
Giai đoạn 3: Nghiên cứu để tạo ra một thiết bị tưới tự động thông minh cho nông nghiệp Cần hiểu rõ kiến thức về nông nghiệp để xây dựng một kịch bản tưới tiêu hiệu quả Sau đó sẽ áp dụng các kiến thức này để lập trình thiết bị tự động tưới các loại rau.
Giai đoạn 4: Tiến hành thử nghiệm thiết bị nhiều lần để đảm bảo tính ổn định và chính xác của nó Bằng cách kiểm tra và phát hiện các lỗi có thể xảy ra, hoàn thiện thiết bị một cách tốt nhất Cuối cùng, xây dựng định hướng phát triển cho thiết bị và hoàn thiện báo cáo cũng như slide trình bày thông tin về thiết bị.
Bảng 1: bảng kế hoạch tuần
Kế hoạch chi tiết
Công việc Thành viên Tiến độ
Phân tích vấn đề, xác định nhu cầu, xác định phương pháp nghiên cứu, phương pháp thực hiện đề tài
Nguyễn Trần Dũng Hoàn thành
Tìm hiểu về các thiết kế, nghiên cứu đã có sẵn Nguyễn Trần Dũng Hoàn thành
Phân tích các ưu nhược điểm của các thiết kế đã có sẵn từ đó xác định yêu cầu chức năng, phi chức năng của thiết bị
Nguyễn Mạnh Hùng Hoàn thành
Vẽ sơ đồ khối hệ thống, hoạt động của thiết bị Nguyễn Mạnh Hùng Hoàn thành
Tìm hiểu và xây dựng kịch bản tưới tiêu, vẽ sơ đồ tuần tự các trạng thái
Tìm hiểu về các linh kiện sẽ sử dụng, lập bảng so sánh các linh kiện, lựa chọn linh kiện, mua linh kiện
Vẽ sơ đồ khối hệ thống với các thiết bị đã được chọn, mô phỏng thiết bị bằng fritzing
Nguyễn Nam Anh Hoàn thành
Vẽ biểu đồ tuần tự cho thiết bị Nguyễn Trần Dũng Hoàn thành
Vẽ lưu đồ trạng thái cho vi điều khiển ESP32 Nguyễn Mạnh Hùng Hoàn thành
Viết code espidf cho ESP32 tưới cây theo kịch bản đã được xây dựng
Mai Quang Đăng Hoàn thành
Hoàn thiện thiết bị Cả nhóm Hoàn thành
Thực hiện các bài kiểm tra, kiểm thử thiết bị phát hiện lỗi và sửa, xác định phương hướng phát triển
Viết báo cáo, làm slide, phân tích kết quả các bài kiểm tra
Bảng 2:Bảng kế hoạch chi tiết
Kết luận chương
Chương 1 đã giới thiệu chung về mô hình thực vật ở nước ta và ý nghĩa của việc phát triển hệ thống tưới tiêu tự động Ngoài ra, thông tin sơ bộ về dự án, bao gồm cả mục đích và kế hoạch thực hiện, cũng được trình bày trong chương này.
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG
Khái niệm về hệ thống tự động
Hệ thống điều khiển tự động là hệ thống bao gồm các phần tử tự động nhằm điều khiển các quá trình xảy ra trong thiên nhiên, cuộc sống mà không có sự tham gia trực tiếp của con người.
Hệ thống điều khiển tự động: là tập hợp các thành phần vật lý có mối liên quan và tác động qua lại lẫn nhau để chỉ huy, tự hiệu chỉnh hoặc điều khiển một hệ thống khác.
Vai trò của tự động hóa trong quá trình sản xuất
Lịch sử hoàn thiện của công cụ, phương tiện sản xuất phát triển trên cơ sở cơ giới hóa và điện khí hóa Khi có những đột phá mới trong lĩnh vực công nghệ vật liệu và tiếp theo là điện tử và tin học thì công nghệ tự động có cơ hội phát triển mạnh mẽ, đem lại muôn vàn lợi ích thiết thực cho xã hội Đó là mấu chốt của năng suất, chất lượng, giá thành.
Trong thực tiễn khi áp dụng tự động hóa vào sản xuất sẽ mang lại những hiệu quả không nhỏ cho phép giảm giá thành và nâng cao năng suất lao động, cải thiện điều kiện sản xuất, đáp ứng cường độ cao về sản xuất hiện đại, thực hiện chuyên môn hóa và hoán đổi sản xuất Từ đó sẽ tăng khả năng cạnh tranh, đáp ứng yêu cầu sản xuất.
Trong một tương lai gần tự động hóa sẽ đóng vai trò vô cùng quan trọng và không thể thiếu, bởi vì nó không chỉ ứng dụng trong sản xuất mà còn ứng dụng phục vụ đời sống con người Trong sản xuất nó thay thế con người những công việc cơ bắp nặng nhọc, công việc nguy hiểm, độc hại,công việc tinh vi hiện đại còn trong đời sống con người những công nghệ này sẽ được ứng dụng phục vụ nhu cầu sống Nó sẽ là phương tiện không thể thiếu trong đời sống chúng ta.
Ứng dụng của tự động hóa trong tưới tiêu cho cây trồng
Công trường thực vật là nơi trọng tâm sản xuất nông nghiệp trong quá trình hiện đại hóa Toàn bộ quá trình đều có thể điều khiển tự động để giảm bớt sức người, nâng cao sản lượng…
Mặc dù tự động hóa ứng dụng từ rất lâu cho việc tưới tiêu, song nó chỉ phát triển ở một số nước phát triển, còn đối với các nước chậm phát triển tuy nền nông nghiệp chiếm tỉ lệ lớn nhưng việc ứng dụng tự động hóa cho việc tưới cây vẫn còn rất chậm Hiện nay, được sự trợ giúp của nước ngoài các nước đang phát triển đã đưa dần tự động hóa vào đời sống và sản xuất.
Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ chế tạo thiết bị tự động hóa, kết hợp với thành tựu trong công nghệ vi điện tử và công nghệ thông tin, đã cho phép tạo nên một giải pháp tự động hóa trong mọi lĩnh vực Có thể nói tự động hóa trở thành xu hướng tất yếu cho mọi lĩnh vực cho mọi quốc gia.
PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Nhu cầu người dùng
Ở cấp hộ gia đình trồng trọt nhỏ, nhu cầu của người dùng đối với hệ thống tưới tự động là rất rõ ràng Họ đang tìm kiếm một giải pháp giúp họ quản lý và chăm sóc cây trồng một cách hiệu quả hơn Những người này thường là những người yêu thích trồng cây, nhưng do hạn chế thời gian và kiến thức kỹ thuật, việc quản lý tưới nước trở nên khó khăn.
Với hệ thống tưới tự động, người dùng mong muốn có một cách thức tự động hóa việc tưới cây, từ đó tiết kiệm thời gian và công sức Hệ thống này nên đảm bảo cung cấp đúng lượng nước cần thiết cho từng loại cây, theo yêu cầu nông học, để đảm bảo cây trồng luôn được cung cấp đủ nước để phát triển mạnh mẽ Hơn nữa, hệ thống nên có khả năng điều chỉnh tùy theo điều kiện thời tiết và môi trường, để đảm bảo tối ưu hóa hiệu quả tưới cây.
Từ những nhu cầu này, người dùng hy vọng hệ thống tưới tự động sẽ giúp họ không chỉ quản lý cây trồng tốt hơn mà còn tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của cây, từ đó cải thiện năng suất và chất lượng sản phẩm.
3.2 Giới thiệu một số sản phẩm đã có sẵn trên thị trường
3.2.1 Máy đ o độ ẩ m đấ t Lutron PMS-714
LUTRON PMS-714 là máy đo độ ẩm đất được thiết kế để kiểm tra độ ẩm của đất hoặc các vật liệu tương tự khác Máy đo độ ẩm đất Lutron PMS-
714 có mạch bộ vi xử lý đảm bảo tính chính xác cao và cung cấp các chức năng và tính năng đặc biệt.
Máy đo độ ẩm đất Lutron PMS-714 thường được trang bị các đầu cảm ứng để đo lường độ ẩm đất. Để sử dụng máy, người dùng cần đặt các đầu cảm ứng vào đất cần đo.
Thiết bị sẽ đo lường độ ẩm của đất và hiển thị kết quả trên màn hình hoặc bằng cách sử dụng đèn LED hoặc âm thanh để hiển thị mức độ ẩm.
Hình 1: Máy đo PMS-714 Đặc tính kỹ thuật Máy đo độ ẩm đất Lutron PMS-714: Đặc tính kỹ thuật Giá trị
Thời gian lấy mẫu 0.8 giây
Nhiệt độ, độ ẩm hoạt động 0 – 50°C , dưới 80 % RH Độ chính xác ± ( 5 % + 5 d ) toàn thang tại 23 °C
Dòng tiêu thụ 220mm x 10mm
Thân đầu dò 220mm x 10mm
Giá thành 3.700.000 VNĐ Đánh giá sản phẩm máy đo độ ẩm đất Lutron PMS-714:
Máy đo độ ẩm đất Lutron PMS-714 mang đến nhiều ưu điểm Trước tiên, thiết bị được thiết kế nhỏ gọn và dễ sử dụng, cho phép người dùng dễ dàng cầm nắm và thực hiện các đo đạc một cách thuận tiện Độ chính xác của máy cũng đáng chú ý, giúp cung cấp kết quả đo chính xác và tin cậy về độ ẩm đất Sự đa năng của máy là một lợi thế, vì nó có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực như nông nghiệp, làm vườn, xây dựng và kiểm tra chất lượng đất trong các dự án khác Điều này giúp máy trở thành một công cụ hữu ích và tiện ích cho những người làm việc liên quan đến quản lý và chăm sóc đất.
Tuy nhiên, máy đo độ ẩm đất Lutron PMS-714 cũng có một số nhược điểm cần xem xét Đầu tiên là giá thành, máy có thể có giá cao hơn so với một số thiết bị đo độ ẩm đất khác có tính năng tương tự Điều này có thể khiến máy trở nên không phù hợp với người dùng có ngân sách hạn chế.Ngoài ra, máy đòi hỏi nguồn điện liên tục hoặc pin hoạt động, điều này có thể gây phiền hà nếu người dùng không có nguồn điện dự phòng hoặc làm việc ở nơi không có nguồn điện dễ dàng Thiết bị này có thể yêu cầu người dùng có kiến thức và kỹ năng sử dụng, vì vậy không phù hợp cho người không quen thuộc với các thiết bị đo lường phức tạp Mặc dù có nhược điểm nhất định,tuy nhiên, máy đo độ ẩm đất Lutron PMS-714 vẫn mang lại giá trị và hiệu quả trong việc đo đạc độ ẩm đất chính xác và đáng tin cậy.
3.2.2.Máy đo pH, độ ẩm, nhiệt độ đất Shinwa 72716
Sản phẩm được thiết kế với màn hình hiển thị LCD rõ ràng, tích hợp ba chức năng quan trọng: Đo pH, đo độ ẩm và đo nhiệt độ của lòng đất Chỉ cần cắm vào lòng đất và kết quả sẽ được hiển thị ngay lập tức., Máy đo pH, độ ẩm, nhiệt độ đất SHINWA 72716 là thiết bị hoàn hảo cho những ai yêu thích chăm sóc cây cảnh và muốn kiểm soát chính xác điều kiện môi trường Thiết kế nhỏ gọn, dễ sử dụng và hiệu quả.
Cách sử dụng của máy đơn giản, người dùng chỉ cần cắm đầu đo vào đất hoặc nước cần kiểm tra, sau đó đọc kết quả trên màn hình hiển thị Để đo pH, người dùng chỉ cần đặt đầu đo vào đất hoặc dung dịch cần kiểm tra và máy sẽ hiển thị giá trị pH Để đo độ ẩm đất, người dùng đơn giản là đặt đầu đo vào đất và máy sẽ hiển thị độ ẩm đất theo phần trăm Còn để đo nhiệt độ đất, người dùng cũng chỉ cần cắm đầu đo vào đất và máy sẽ hiển thị nhiệt độ đất theo đơn vị Celsius hoặc Fahrenheit.
Hình 2;Hình 3:Máy đo Shinwa 72716 Đặc tính kỹ thuật Máy đo Shinwa Đặc tính kỹ thuật Giá trị
Kích thước phần thân máy 122 × 63 × 36mm
Kích thước đầu dò 5 x 200 mm
Khoảng đo nhiệt độ đất -9 đến 50°C (Độ chia: 1°C, Độ chính xác: ±0.1°C)
Nhiệt độ làm việc 5 đến 40°C
Nguồn cấp Pin 9V (1 chiếc) hoạt động liên tục
Giá thành 1.216.000 VNĐ Đánh giá sản phẩm Máy đo pH, độ ẩm, nhiệt độ đất Shinwa 72716
Máy đo pH, độ ẩm, nhiệt độ đất Shinwa 72716 có nhiều ưu điểm giúp nâng cao hiệu quả trong việc đo lường và giám sát môi trường đất và nước. Đầu tiên, thiết bị tích hợp các chức năng đo pH, độ ẩm và nhiệt độ trong một, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí Người dùng không cần phải sử dụng nhiều thiết bị riêng biệt, thuận tiện và tiết kiệm không gian trong quá trình sử dụng. Thứ hai, máy đo Shinwa 72716 dễ sử dụng với các đầu đo tiếp xúc đơn giản. Chỉ cần cắm đầu đo vào đất hoặc dung dịch, người dùng có thể đọc kết quả trên màn hình hiển thị dễ nhìn Thứ ba, máy có thiết kế nhỏ gọn, giúp di chuyển và sử dụng linh hoạt ở nhiều vị trí khác nhau trong vườn hoặc trang trại Cuối cùng, máy đo Shinwa 72716 cung cấp kết quả đo đạc đáng tin cậy và chính xác, giúp người dùng đánh giá môi trường đất và nước một cách chính xác và hiệu quả.
Mặc dù có nhiều ưu điểm, máy đo pH, độ ẩm, nhiệt độ đất Shinwa
72716 cũng có một số nhược điểm cần lưu ý Đầu tiên, máy có thể gặp khó khăn khi đo các loại đất có cấu trúc phức tạp hoặc chứa nhiều đá và chất cứng, dẫn đến giảm độ chính xác của kết quả đo Thứ hai, hạn chế độ sâu đo đạc trong đất cũng là một điểm yếu của máy đo này Điều này có thể làm hạn chế việc đo ở những vị trí sâu trong đất hoặc nước ngầm, khiến cho việc theo dõi môi trường trong những vùng sâu hoặc khó tiếp cận trở nên khó khăn.Cuối cùng, máy đo Shinwa 72716 cần được hiệu chuẩn thường xuyên để đảm bảo độ chính xác và tin cậy của dữ liệu đo được Sự thiếu hiệu chuẩn định kỳ có thể làm giảm độ tin cậy và độ chính xác của thiết bị, đòi hỏi sự chú ý và bảo dưỡng thường xuyên từ người dùng.
3.2.3 Ưu nhược điểm chung của các thiết bị Ưu điểm: Với kích thước nhỏ gọn, thiết bị dễ dàng được tích hợp vào nhiều môi trường khác nhau Đáp ứng với mức chính xác cao, các thiết bị này cung cấp thông tin đo chính xác về nhiệt độ và độ ẩm đất, giúp người dùng hiểu rõ hơn về môi trường xung quanh.
Nhược điểm: Có những thiết bị có giá thành khá cao và yêu cầu sử dụng nhiều nguồn tài nguyên như pin hoặc nguồn điện liên tục Một số máy đo yêu cầu kiến thức sử dụng để hiểu và giải thích đúng các dữ liệu đo Trong trường hợp các thông số đo được phức tạp, việc hiểu rõ và áp dụng đúng thông tin có thể đòi hỏi sự nắm vững kiến thức và kỹ năng Điều này có thể tạo ra rào cản cho người dùng không có kinh nghiệm hoặc kiến thức liên quan Các máy đo cũng có tính nhạy cảm và dễ bị hỏng nếu không được sử dụng hoặc bảo quản đúng cách Một số thiết bị có thể phụ thuộc vào điều kiện môi trường xung quanh, gây ra sai số hoặc biến đổi trong dữ liệu đo, tạo ra những khó khăn không mong muốn trong việc đo lường.
Tóm lại, vì sự hạn chế về hiểu biết và chi phí khá lớn, nhiều người vẫn chưa thể tiếp cận sử dụng sản phẩm Do đó, nhóm chúng em đã tập trung vào nghiên cứu và phát triển một hệ thống tưới cây tự động với chi phí thấp, thiết kế đơn giản và khả năng dễ dàng sửa chữa.
Thiết kế mạch điều khiển
Dựa trên việc nghiên cứu về những thiết bị tương tự hiện đã xuất hiện trên thị trường, yêu cầu chức năng cũng như phi chức năng của thiết bị tự động đo nhiệt độ và độ ẩm, thể hiện trên màn hình LCD, và tự động tưới cây theo nhu cầu riêng biệt của từng loại cây được xác định.
Máy đo nhiệt độ và độ ẩm đột phá này mang đến sự tiện dụng và chính xác cho người dùng Giao diện người dùng thông minh, đơn giản và dễ sử dụng giúp hiển thị thông tin đo lường một cách rõ ràng và dễ hiểu Với khả năng ổn định cao, máy không bị ảnh hưởng bởi yếu tố môi trường như nhiệt độ, ánh sáng hoặc áp suất Công nghệ tiên tiến và cảm biến độc quyền đảm bảo cung cấp kết quả đo nhiệt độ và độ ẩm chính xác và đáng tin cậy Máy đo này là công cụ quan trọng cho nhiều lĩnh vực và giúp người dùng theo dõi môi trường xung quanh một cách hiệu quả.
Thiết kế giao diện người dùng của sản phẩm đơn giản, trực quan và thân thiện để tối ưu hóa trải nghiệm của người dùng Giao diện được thiết kế sao cho dễ sử dụng và dễ hiểu, giúp người dùng tương tác với sản phẩm một cách tự nhiên và thuận tiện.
Sản phẩm cung cấp các hướng dẫn chi tiết và dễ hiểu, giúp người dùng nắm bắt và sử dụng các tính năng một cách chính xác Hướng dẫn trình bày một cách cụ thể và dễ theo dõi, giúp người dùng giải quyết các vấn đề và thắc mắc một cách nhanh chóng và dễ dàng.
Thu thập và phân tích dữ liệu độ ẩm.
Yêu cầu thiết kế cần một hệ thống thu thập và phân tích dữ liệu độ ẩm hiệu quả Hệ thống này sẽ có khả năng thu thập dữ liệu từ cảm biến hoặc thiết bị đo độ ẩm trong môi trường Dữ liệu thu thập sau đó được xử lý và phân tích để xác định các kiểu và xu hướng của độ ẩm trong thời gian Qua việc phân tích dữ liệu, nhận định các mô hình và xu hướng của độ ẩm trong thời gian, từ đó tạo ra các kịch bản tưới tiêu hiệu quả.
Hệ thống sẽ sử dụng các phương pháp và thuật toán phân tích được tối ưu hóa để phát hiện và dự đoán kịch bản tưới tiêu phù hợp Các thuật toán này sẽ giúp hệ thống nhận biết các tín hiệu và biến đổi độ ẩm quan trọng, từ đó dự đoán các thời điểm và lượng nước cần tưới để đảm bảo cây trồng nhận đủ nước mà không bị lãng phí Việc sử dụng các thuật toán phân tích tối ưu hóa sẽ giúp cải thiện hiệu suất và đáng tin cậy của hệ thống tưới tiêu tự động. Đa dạng hóa sản phẩm
Sản phẩm với mục tiêu đa dạng hóa để đáp ứng nhu cầu phân tích độ ẩm của nhiều loại sản phẩm khác nhau Thiết bị hỗ trợ phân tích độ ẩm cho nhiều loại sản phẩm khác như vật liệu xây dựng, ngũ cốc, dược liệu … Điều này đảm bảo rằng sản phẩm có thể được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp và ứng dụng khác nhau.
Cung cấp các tùy chọn tùy chỉnh để đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật cụ thể của từng sản phẩm và ứng dụng đo Cho phép người dùng linh hoạt lựa chọn các tính năng và chức năng phù hợp với nhu cầu sử dụng
Tùy chỉnh và điều chỉnh
Tạo giao diện người dùng thân thiện và dễ sử dụng, giúp người dùng có thể dễ dàng tùy chỉnh và cấu hình các thông số về độ ẩm theo nhu cầu riêng của họ Sản phẩm được cung cấp để người dùng đặt ngưỡng và điều chỉnh các giá trị mục tiêu phù hợp với từng sản phẩm và môi trường sử dụng. Người dùng có thể đặt các ngưỡng an toàn hoặc điều kiện tối ưu cho việc giám sát độ ẩm và sẽ nhận được thông báo khi giá trị đo vượt quá hoặc dưới ngưỡng người dùng mong muốn
3.3.3 Yêu cầu phi chức năng
Dựa trên yêu cầu nhu cầu sử dụng, chúng ta có thể thiết kế một thiết bị cảm biến nhiệt độ và độ ẩm sử dụng cảm biến kỹ thuật số BME280 Thiết bị này sẽ hoạt động trong khoảng nhiệt độ từ -40°C đến 85°C và độ ẩm từ 0% đến 100% RH Độ chính xác của cảm biến là ±1°C cho nhiệt độ và ±3% RH cho độ ẩm tương đối, đảm bảo dữ liệu thu thập chính xác và tin cậy.
Thiết bị sẽ được trang bị giao tiếp kỹ thuật số, cho phép tương tác thông qua giao thức I2C hoặc SPI(chế độ 3 hoặc 4 dây), giúp kết nối với các thiết bị khác một cách dễ dàng Màn hình hiển thị sẽ là một màn LCD có kích thước 16x2, giúp hiển thị nhiệt độ và độ ẩm đọc được từ cảm biến một cách rõ ràng và dễ đọc.
Về thiết kế sẽ tập trung vào việc tạo kích thước nhỏ gọn và di động cho thiết bị, giúp dễ dàng mang theo và sử dụng ở bất kỳ nơi nào Thiết bị sẽ được thiết kế bền vững và đáng tin cậy để đảm bảo tuổi thọ trung bình 5 năm và khả năng sử dụng trong thời gian dài.
Khả năng chịu nước tốt cũng là một yếu tố quan trọng trong thiết kế Vỏ ngoài của thiết bị sẽ được làm chắc chắn và chống thấm nước, giúp bảo vệ các bộ phận bên trong khỏi sự tác động của môi trường ẩm ướt.
Tóm lại, thiết bị cảm biến nhiệt độ và độ ẩm BME sẽ là một sản phẩm tiện ích, đáng tin cậy và dễ sử dụng Với khả năng giao tiếp kỹ thuật số, màn hình LCD, nó sẽ giúp người dùng dễ dàng quan sát và theo dõi các thông số nhiệt độ và độ ẩm một cách chính xác và thuận tiện.
Sơ đồ khối hệ thống
Thiết kế mạch điều khiển có chức năng thực hiện điều khiển đóng ngắt thiết bị điện tự động thông qua các cảm biến BME280 (cảm biến nhiệt độ và độ ẩm).
Hệ thống được thiết kế gồm các khối:
Khối thu gồm cảm biến nhiệt độ và độ ẩm BME280: Nhận dữ liệu từ cảm biến nhiệt độ, độ ẩm rồi cung cấp dữ liệu thu được cho khối xử lý trung tâm Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm: Chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ, độ ẩm sang điện áp
Khối xử lý trung tâm (vi điều khiển) sử dụng ESP32: Điều phối và quản lý hoạt động của các khối khác.
Khối hiển thị sử dụng LCD: Hiển thị nhiệt độ, độ ẩm, thời gian tưới cây và các thông báo khác.
Khối điều khiển thiết bị: Điều khiển các thiết bị tưới cây, nhận lệnh điều khiển từ khối xử lý trung tâm và kích hoạt các thiết bị tưới cây.
Hình 3: Sơ đồ khối thiết bị Tín hiệu nhiệt độ và độ ẩm sẽ được cảm biến nhiệt độ không khí và cảm biến độ ẩm đất gửi về vi điều khiển Sau đó vi điều khiển sẽ xử lý và gửi dữ liệu nhiệt độ không khí và độ ẩm đất hiển thị lên màn hình LCD Đồng thời dữ liệu nhiệt độ không khí và độ ẩm đất thu được sẽ được so sánh với các giá trị đã được cài đặt trước đó Nếu độ ẩm đất và nhiệt độ không khí trong môi trường đạt đến ngưỡng được định trước, hệ thống sẽ tự động kích hoạt máy bơm tưới nước.
Kết luận chương
Chương này đã đi sâu vào các khía cạnh khác nhau của đo độ ẩm, xây dựng hệ thống, các sản phẩm có sẵn trên thị trường và cuối cùng đề xuất một mô hình toàn diện cho hệ thống đo độ ẩm
CHƯƠNG 4 KỊCH BẢN TƯỚI TIÊU
Tưới đúng và hiệu quả là yếu tố quan trọng nhất trong việc trồng cây, đảm bảo cung cấp đủ nước, khuyến khích rễ phát triển mạnh mẽ, tăng trưởng và sản xuất, ngăn ngừa hạn hán và giảm lãng phí nước, cùng với khả năng chống chịu biến đổi khí hậu Trong chương này chúng em nghiên cứu về tầm quan trọng của việc tưới cây và lưu ý khi thực hiện việc này để xây dựng một kịch bản tưới tiêu hợp lý nhất.
4.1 Tìm hiểu về cây trồng và tưới tiêu
Tưới tiêu là một khía cạnh vô cùng quan trọng đối với sự phát triển và tạo ra những cây trồng khỏe mạnh và mùa màng bội thu Việc cung cấp đủ nước cho cây giúp duy trì quá trình quang hợp, hấp thụ chất dinh dưỡng và hoạt động của các quá trình sinh học cần thiết để cây phát triển Nước đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển chất dinh dưỡng từ đất đến cây, đồng thời cũng giúp điều hòa nhiệt độ của cây trong môi trường thay đổi. Việc tưới tiêu hợp lý không chỉ giúp cây vượt qua hạn hán mà còn cải thiện chất lượng và sản lượng của cây trồng, góp phần tạo ra nền nông nghiệp bền vững và đáp ứng nhu cầu dinh dưỡng của con người.
Khi nhiệt độ đất quá nóng (trên 30-35 độ C): Khi nhiệt độ đất quá cao, cây có thể mất nước nhanh chóng và gặp khó khăn trong việc hấp thụ dinh dưỡng Trong trường hợp này, chúng ta nên tưới cây.
Khi nhiệt độ đất quá thấp (dưới 5 độ C): Đất quá lạnh có thể làm ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ nước và dinh dưỡng của cây Tuyệt đối tránh tưới cây vào thời kỳ này để tránh làm tổn thương rễ.
Khi độ ẩm đất quá thấp (dưới 65-70%): Đất quá khô làm cho cây khó khăn trong việc hấp thụ nước và dinh dưỡng Khi độ ẩm đất dưới mức này, cần tưới cây để đảm bảo rễ có đủ nước.
Khi độ ẩm đất quá cao (trên 70-80%): Đất quá ẩm có thể gây mục nát rễ cây và tạo môi trường thuận lợi cho vi khuẩn và nấm gây bệnh Tránh tưới cây vào thời kỳ này để không làm gia tăng tình trạng ẩm ướt.
Xây dựng bài toán cho hệ thống tưới tiêu
Hệ thống tưới cây tự động là một giải pháp phổ biến được sử dụng rộng rãi trong việc duy trì và quản lý cây trồng một cách hiệu quả Hệ thống này bao gồm nhiều thành phần quan trọng, đảm bảo việc cung cấp nước tự động và đúng lượng cho cây trồng Các thành phần chính của hệ thống tưới cây tự động bao gồm:
1 Nguồn nước cấp cho hệ thống: Đây là nguồn cung cấp nước chính cho hệ thống tưới cây, có thể là nước máy, nước giếng hay nước chứa trong bể chứa.
2 Máy bơm nước và các van điện từ: Máy bơm nước được sử dụng để đẩy nước từ nguồn cung cấp tới các đường ống và đầu phun tưới Các van điện từ được điều khiển bởi bộ điều khiển tự động để mở hoặc đóng lưu lượng nước tới các vùng tưới khác nhau.
3 Hệ thống đường ống chính và phụ: Đường ống chính là đường ống lớn dẫn nước từ máy bơm tới các khu vực tưới, trong khi đường ống phụ là các chi tiết nhỏ hơn nối từ đường ống chính đến các đầu phun tưới.
4 Các đầu phun tưới: Các đầu phun tưới được gắn vào các đường ống phụ và dùng để phun nước lên cây trồng Có nhiều loại đầu phun tưới phù hợp với các phương pháp tưới khác nhau như tưới trên mặt đất, tưới dưới mặt đất hay tưới phun sương.
5 Bộ điều khiển tự động đóng ngắt máy bơm hoặc các van điện từ: Bộ điều khiển tự động quản lý việc bật và tắt máy bơm nước và các van điện từ dựa trên các thông số như độ ẩm đất, nhiệt độ và lịch trình tưới được thiết lập trước Điều này giúp tối ưu hóa việc sử dụng nước và đảm bảo rằng cây trồng luôn nhận đủ lượng nước cần thiết để phát triển khỏe mạnh. Đề xuất phương án để ra quyết định đóng mở hệ thống tưới dựa trên mức độ độ ẩm xung quanh cây trồng Để đảm bảo việc cung cấp nước một cách hiệu quả và tiết kiệm, nên chúng em đã áp dụng các thông số sau: Độ ẩm > 90%: Trong trường hợp độ ẩm vượt quá 90%, hệ thống sẽ tự động không hoạt động để tránh tình trạng cây trồng quá ẩm, gây hại cho hệ thống rễ và ảnh hưởng đến sự phát triển của cây. Độ ẩm 85-90%: Khi độ ẩm nằm trong khoảng từ 85 đến 90%, hệ thống tưới sẽ được kích hoạt trong thời gian 10 phút để đảm bảo cây nhận được lượng nước cần thiết. Độ ẩm 80-84%: Trong trường hợp độ ẩm dao động từ 80 đến 84%, hệ thống tưới sẽ hoạt động trong thời gian 15 phút để đáp ứng nhu cầu cung cấp nước cho cây. Độ ẩm 75-79%: Nếu độ ẩm nằm trong khoảng từ 75 đến 79%, hệ thống tưới sẽ hoạt động trong thời gian 20 phút để đảm bảo cây trồng có đủ nước cần thiết cho sự phát triển. Độ ẩm < 74%: Khi độ ẩm nhỏ hơn 74%, hệ thống tưới sẽ hoạt động trong thời gian 25 phút để đáp ứng nhu cầu nước của cây trồng.
Các phương án lựa chọn trên có thể điều chỉnh tùy thuộc vào vùng miền, loại cây, mùa và thời tiết Để thực hiện việc tự động hóa quyết định đóng mở hệ thống tưới, thiết kế một bộ hẹn giờ tự động là giải pháp tốt Hệ thống sẽ hoạt động dựa trên giờ cài đặt trước đó và các thông số độ ẩm môi trường, từ đó kích hoạt bơm để cung cấp nước một cách chính xác và hiệu quả Việc áp dụng bộ hẹn giờ tự động giúp tiết kiệm công sức và đảm bảo rằng cây trồng luôn nhận được lượng nước thích hợp và phù hợp với điều kiện thời tiết thực tế.
Kịch bản tưới tiêu chi tiết
Thông thường, những loại cây này thường là loại cây ưa bóng râm chỉ cần tưới 2 - 3 lần trong tuần là cây có thể phát triển xanh tốt và ít khi gặp phải các vấn đề về sâu bệnh Tuy nhiên, cũng có những cần cần được tưới nước 2 lần/ ngày Thế nên, tùy thuộc vào đặc tính của cây mà bạn sẽ bổ sung lượng nước thích hợp với cây.
Khi xem xét về nhiệt độ không khí, Khi nhiệt độ đất quá nóng (trên 30-
35 độ C), cây có thể mất nước nhanh chóng và gặp khó khăn trong việc hấp thụ dinh dưỡng dẫn đến chết cây Khi nhiệt độ đất quá thấp (dưới 5 độ C): Đất quá lạnh có thể làm ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ nước và dinh dưỡng của cây Dựa vào các ngưỡng nhiệt độ ở trên, Nhóm chúng em giới hạn nhiệt độ trong khoảng từ 10 C – 35 C để quyết định việc tưới cây tùy theo độ ẩm o o của đất Các giới hạn nhiệt độ ngoài khoảng này không được xem xét để thực hiện việc tưới cây.
Sau khi xem xét về độ ẩm đất có tác động rất lớn đến đất, chúng em đã nghiên cứu các loại cây trồng và nhận thấy rằng Độ ẩm quá thấp hoặc quá cao đều ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng Độ ẩm thích hợp cho các loại cây trồng dao động trong khoảng từ 60% – 70% Do đó, để đảm bảo sự thích nghi cho nhiều loại cây, chúng tôi đã chọn mức độ ẩm 65% như giá trị cơ sở cho thiết lập ban đầu trên thiết bị Khi độ ẩm dưới 65%, hệ thống sẽ thực hiện việc tưới cây; ngược lại, khi độ ẩm vượt quá 65%, hệ thống sẽ không tiến hành tưới để đảm bảo điều kiện tốt nhất cho cây trồng.
THIẾT KẾ CHI TIẾT
Chi tiết linh kiện
5.1.1.1 So sánh ESP32 và ESP8266
ESP32 và ESP8266 đều là các mô-đun IoT phổ biến và linh hoạt Chúng cung cấp khả năng kết nối WiFi và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng IoT.
So sánh ESP32 và ESP8266
CPU Xtensa Dual-Core LX6 microprocessor 32-bit
Xtensa Single-Core LX106 microprocessor 32-bit
Clock Speed Up to 240MHz 80MHz
Kết nối Wifi 802.11 b/g/n and Bluetooth
GPIO 34 programmable GPIO pins 17 programmable GPIO pins ADC 18 kênh 12-bit SAR ADC 1 kênh 10-bit SAR ADC
Giao tiếp 4 SPI, 2 I2C, 2 I2S and 3 UART 2 SPI, 1 I2C, and 1 UART Enthernet MAC Hỗ trợ DMA, IEEE 1588
Bảng 3 So sánh vi điều khiển ESP32 và ESP8266
Có thể thấy rằng ESP32 cung cấp CPU lõi kép mạnh hơn, tần số xung nhịp cao hơn, bộ nhớ lớn hơn và ADC đa kênh, khiến nó trở thành lựa chọn tuyệt vời để thu thập dữ liệu so với ESP8266 Do đó, ESP32 là lựa chọn tốt nhất cho sản phẩm dự án.
Vi điều khiển ESP32 là một vi điều khiển nhúng mạnh mẽ và đa chức năng được phát triển bởi Espressif Systems Nó được xây dựng dựa trên vi xử lý Xtensa LX6 với hai nhân, tích hợp Wi-Fi và Bluetooth, giúp nó trở thành một trong những lựa chọn phổ biến cho các ứng dụng IoT ESP32 có tốc độ xử lý nhanh, bộ nhớ lớn, hỗ trợ nhiều giao thức và chức năng phong phú Nó được sử dụng rộng rãi trong các dự án liên quan đến viễn thông, tự động hóa, đo lường, đánh giá và nhiều ứng dụng khác.
Hình 4; Hình 6: Sơ đồ chân vi điều khiển ESP32
Một số môi trường lập trình ESP32 thường dùng: o Arduino IDE o PlatformIO o ESP-IDF (Espressif IoT Development Framework) o Micropython o Blockly for ESP32 o Visual Studio Code với ESP32 Extension
ESP-WROOM-32 là một module WiFi và Bluetooth tiên tiến dựa trên vi điều khiển ESP32 của Espressif Systems Nó tích hợp mạch chính ESP32, anten, bộ nhớ và các linh kiện cần thiết để kết nối với các thiết bị ngoại vi ESP-WROOM-32 cung cấp khả năng kết nối Internet và giao tiếp không dây thông qua WiFi và Bluetooth, làm cho nó trở thành lựa chọn phổ biến trong các ứng dụng IoT, tự động hóa, điều khiển từ xa và các dự án thông minh khác Với hiệu năng mạnh mẽ và khả năng linh hoạt, ESP-WROOM-32 đã thu hút sự quan tâm và sử dụng rộng rãi trong cộng đồng phát triển phần cứng và phần mềm
Ngoài những đặc điểm nổi bật đã được đề cập, ESP32 còn có một số đặc điểm nổi bật, quan trọng khác Khả năng hoạt động ở mức điện áp từ 2,2V đến 3,6V với mức tiêu thụ điện năng thấp, giúp tiết kiệm năng lượng và tăng tuổi thọ pin trong ứng dụng di động
Hơn nữa, ESP32 có được sự hỗ trợ mạnh mẽ từ cộng đồng lập trình, vì vậy người dùng có thể lựa chọn nhiều ngôn ngữ và môi trường lập trình khác nhau, bao gồm Arduino IDE và ESP-IDF của Espressif, giúp dễ dàng phát triển ứng dụng IoT đa dạng Bên cạnh đó, việc lập trình và flash firmware cho ESP-WROOM-32 cũng rất thuận tiện, người dùng có thể sử dụng Arduino IDE hoặc ESP-IDF và hỗ trợ bởi Công cụ tải xuống ESP Flash để flash chương trình một cách đơn giản và hiệu quả
Từ những đặc điểm này, ESP32 trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho các dự án IoT và phát triển ứng dụng có yêu cầu về hiệu năng, linh hoạt và tiết kiệm năng lượng.
Cảm biến DHT11 DHT22 LM35 DS18B20 BME280 BMP180 Đo lường
Nhiệt độ, Độ ẩm, Áp suất
Giao thức one-wire one- wire analo g one-wire I2C, SPI I2C Điện 3 đến 3 đến 4đến 3 đến 1.7đến3 1.8đến3.6 áp nguồn 5.5V DC 6V DC 30V
6V(cho chip) và 3.3 đến 5V (cho bo)
V (cho chip) và 3.3 đến 5V (cho bo)
(ở 25ºC) Bảng 4: Lựa chọn cảm biến
Cảm biến BME280 được lựa chọn vì tích hợp đa chức năng và hiệu suất cao trong một thiết bị nhỏ gọn BME280 kết hợp các chức năng đo lường chính xác như nhiệt độ, độ ẩm và áp suất không khí, giúp đo lường môi trường một cách toàn diện Điểm mạnh của BME280 là tiêu thụ điện năng thấp, giúp tiết kiệm năng lượng và phù hợp cho các ứng dụng sử dụng pin như IoT và các thiết bị không dây Khả năng giao tiếp linh hoạt qua các giao thức như I2C hoặc SPI cũng là một lý do quan trọng khi chọn cảm biến BME280 cho dự án.
5.1.2.2 Cảm biến Soil moisture sensor
Soil moisture sensor là một cảm biến độ ẩm đất có sử dụng nguyên lý điện trở đặc biệt (soil moisture sensor) Cảm biến này được thiết kế để đo lượng nước trong đất thông qua đo điện trở giữa hai đầu cảm biến khi nằm trong đất Độ ẩm đất càng cao thì điện trở giữa hai đầu cảm biến càng thấp, và ngược lại Soil moisture sensor là một giải pháp đơn giản, chi phí thấp và phù hợp cho các ứng dụng đo độ ẩm đất trong nông nghiệp, tự động tưới cây, và các dự án IoT liên quan đến giám sát môi trường đất.
Hình 7:Cảm biến Soil moisture sensor Điều kiện hoạt động 3.3 ~ 5.5V
Thời gian lấy mẫu 3 ~ 5 giây
Màn hình LCD 1602 128×64 Oled Oled 0.91
Kích thước 80 x 36 x 12.5mm 0.96 Inch 0.91 Inch
Dòng điện tiêu thụ 2.2~5.5VDC 2.2~5.5VDC 2.2~5.5VDC
Bảng 5: Lựa chọn màn hình Lựa chọn màn LCD vì giá thành rẻ, với cùng dòng điện tiêu thụ và chức năng không cần thiết thì LCD là lựa chọn tốt nhất.
LCD 1602 là một màn hình hiển thị LCD có 16 cột và 2 hàng ký tự trên mỗi hàng Trong việc đo độ ẩm đất, LCD 1602 có thể được sử dụng để hiển thị các giá trị đo được từ cảm biến độ ẩm đất Khi kết hợp với cảm biến độ ẩm đất như Soil moisture sensor và vi điều khiển như ESP32, thông tin về độ ẩm đất có thể được hiển thị một cách rõ ràng và dễ dàng theo dõi LCD 1602 là một giải pháp hữu ích để đưa thông tin đo lường độ ẩm đất trực tiếp đến người dùng và giúp tăng tính thẩm mỹ và tương tác trong các ứng dụng giám sát và tự động hóa việc chăm sóc cây cối và vườn tược.
Giao thức I2C (Inter-Integrated Circuit) là một giao thức truyền thông được sử dụng để kết nối các thiết bị điện tử trong một hệ thống Nó sử dụng hai dây truyền dẫn, gồm dây dữ liệu (SDA) và dây đồng hồ (SCL), để truyền dữ liệu giữa các vi điều khiển, cảm biến, bộ nhớ và các thành phần khác I2C đơn giản và dễ triển khai, hỗ trợ tích hợp nhiều thiết bị trên cùng một dây, và cho phép tùy chỉnh tốc độ truyền dữ liệu theo yêu cầu ứng dụng.
Giao thức I2C có rất nhiều ứng dụng hữu ích Nó được sử dụng để đọc và ghi dữ liệu từ các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, áp suất và nhiều loại cảm biến khác Nó cũng được dùng để giao tiếp với các bộ nhớEEPROM, FRAM và các thiết bị lưu trữ khác Thêm vào đó, I2C có thể tương tác với các vi điều khiển và phụ kiện như màn hình LCD, LED, và các mô-đun bổ sung Tính linh hoạt và tích hợp của I2C giúp nó trở thành một lựa chọn phổ biến trong các ứng dụng nhúng, IoT và điều khiển hệ thống phức tạp
Hình 8: Module I2C giao tiếp LCD1602
Sơ đồ hệ thống với các linh kiện đã được chọn
Hình 11: Sơ đồ khối hệ thống với linh kiện xác định
Cảm biến nhiệt độ không khí và cảm biến độ ẩm đất sẽ đo nhiệt độ không khí, và độ ẩm của đất rồi gửi dữ liệu về ESP32, sau đó dữ liệu sẽ được đưa hiển thị lên màn hình LCD Ngoài ra dữ liệu sẽ được dùng với những điều kiện thích hợp để tự động kích hoạt máy bơm nước và tự động tưới nước cho cây.
Thiết kế phần cứng
5.3.1 Sơ đồ kết nối chân
ESP32 BMP280 Soil moisture sensor LCD1602
Bảng 6 Sơ đồ kết nối chân
5.3.2 Mô phỏng sản phẩm trên Fritzing
Hình 12 Mô phỏng trên fritzing
Thiết kế phần mềm
Hình 13 Biểu đồ tuần tự của sản phẩmBiểu đồ tuần tự mô tả rõ ràng toàn bộ quy trình hoạt động của hệ thống,trong đó việc tự động thu thập dữ liệu về nhiệt độ không khí và độ ẩm đất thông qua các cảm biến Sau đó, thông tin này sẽ được trình bày một cách trực quan trên màn hình hiển thị Khi các tiêu chí đã được thiết kế trước đạt được, đèn LED sẽ báo sáng
Cấu trúc folder chương trình để có thể hoạt động trên SDK ESP_IDF v4.4.5 Để có thể thực thi chương trình dùng SDK, folder lưu trữ cần có file build của SDK để build chương trình bằng câu lệnh “idf.py build” trên
“powerShell” của SDK Sau khi “build” thành công ta có thể nạp chương trình vào esp32 bằng câu lệnh “idf.py -p flash” hoặc “idf.py -p
Các file hệ thống khác như “sdkconfig”, “sdkconfig.ci”,
“dependencies.lock”, “example_test.py” là những file lưu trữ cấu hình của SDK để thực hiện các câu lệnh trên “powerShell”.
Các file “CMakeLists.txt” và “Makefile” có tác dụng liên kết các thư viện trong SDK để có thể sử dụng cho dự án trong folder “main” cũng như thực hiện các file “.c” có trong “main”
Folder “main” là folder chính của dự án, đây là folder lưu trữ chương trình chính của sự án Cụ thể trong đó lưu trữ chương trình code C chính và các thành phần thư viện bên ngoài được thêm vào.
5.4.3 Khai báo các thư viện được sử dụng
Các thư viện được sử dụng như sau:
Các thưu viện được sử dụng gồm các thư viện sẵn có trong SDK ESP- IDF v4.4.5, bên cạnh đó còn có một vài thư viện được thêm vào :
- “bme280.h” : là thư viện để xử lý các thông tin từ cảm biến BME280. -”lcd_I2c.h” : là thư viện để điều khiển lcd bằng phương thức giao tiếp I2C.
5.4.4 Tiền xử lý Định nghĩa SENSOR_PIN cho cảm biến độ ẩm đất
Trong chương trình, ta định nghĩa một macro tên là
“SENSOR_PIN” và gán giá trị là “ADC1_CHANNEL_4” Ở đây, việc định nghĩa này có ý nghĩa là ta cấu hình cho vi xử lý biết được dòng dữ liệu analog mà vi xử lý sẽ nhận đuược ở kênh nào Cụ thể là, ta cần xử lý dữ liệu nhận được từ cảm biến đo độ ẩm đất, và dữ liệu đó sẽ đi vào vi xử lý bằng pin D32 (GPIO32) vì trong SDK, channel4 của phầnADCs(bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC - Analog-to-DigitalConverter) ADCs được sử dụng để chuyển đổi các tín hiệu tương tự) được định nghĩa chính là pin GPIO32 của ESP32DEVKITV1. Định nghĩa các chân ADCs của SDK ESP_IDF
5.4.5 Khởi tạo các thành phần của 2 cảm biến và LCD
5.4.5.1 Khởi tạo cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm không khí BME280
Cấu trúc đọc dữ liệu từ cảm biến BME280
Trong thư viện “bme280.h”, dữ liệu từ cảm biến BME280 được khởi tạo là một cấu trúc gồm 2 thành phần là temperature và humidity cùng được khai báo với kiểu dữ liệu là “uint8_t”, cấu trúc này có kiểu dữ liệu được định nghĩa là ‘bme280_data_t” Ta khởi tạo
“bme280_data” = {0}, đồng nghĩa với việc khởi tạo giá trị của nhiệt độ và độ ẩm đều bằng 0
Cấu trúc khởi tạo lcd
Trong thư viện “lcd_i2c.h” đã khởi tạo một cấu trúc gồm các thành phần là “backlight” kiểu giá trị là boolean để bật hoặc tắt đèn nền của lcd (1 là bật, 0 là tắt) Tiếp đến là “dcb”, “entrymode”, “i2caddr”,
“i2cchan” đều có kiểu dữ liệu là uint8_t, nhiệm vụ của những thành phần này lần lượt là hiển thị ký tự ở mỗi ô trên lcd, dịch tưng ô để hiển thị, lưu địa chỉ i2c của lcd, lưu kênh i2c của ESP32 để giao tiếp (ESP32DEVKITV1 có 2 kênh i2c mặc định) Ở đây, ta sử dụng kênh 12c 0 (channel0) có chân “sda” là chân “GPIO21” và chân “scl” là chân
5.4.5.3 Khởi tạo cảm biến đo độ ẩm đất
Khởi tạo cảm biến độ ẩm đất
Trong thư viện “driver/adc.h”đã khởi tạo các “enum” để phục vụ cho việc xử lý các dữ liệu analog tức thời từ cảm biến mà ESP32 nhận được Cụ thể ở đây, ta khai báo biến “atten” với kiểu dữ liệu adc_atten để lưu giá trị khuếch đại điện áp từ cảm biến Sau đó, truyền thành phần
“SENSOR_PIN” và “atten” vào hàm
“adc1_config_channel_atten(adc1_channel_t channel, adc_atten_t atten), nó có ý nghĩa rằng ta báo với vi xử lý sẽ đưa tín hiệu vào chân
“GPIO32”(như đã nói ở trên) với giá trị điện áp sẽ được khuếch đại 11 dB Hàm “adc_config_width” có ý nghĩa quyết định ta sẽ sử dụng bao nhiêu bit để biểu diễn giá trị thu được từ cảm biến, cụ thể ở đây là 12bit.
5.4.6 Vòng lặp của chương trình
5.4.6.1 Lấy dữ liệu độ ẩm đất
Lấy dữ liệu độ ẩm đất Để xử lý được dữ liệu từ cảm biến độ ẩm đất, ta khai báo một biến “sensor_analog” để lưu giá trị đó từ hàm “adc_get_raw” trong thư viện “driver/adc.h” và truyền vào hàm giá trị là chân kết nối dữ liệu giữa ESP32 và cảm biến, cụ thể ở đây là “GPIO32”.
Khởi tạo một biến tên là “moisture” có kiểu dữ liệu là float để lưu giá trị độ ẩm đất đã được quy đổi thành giá trị với đơn vị là “%” Công thức quy đổi như trên Để phục vụ cho việc hiển thị giá trị ra màn hình lcd, ta tạo một mảng tên là “mois_str” kiểu char với 16 phần tử tương đương với 16 ký tự để lưu giá trị độ ẩm đất, sử dụng hàm hàm “sprintf” để đổi giá trị từ kiểu float sang char và lưu vào mảng mois_str
5.4.6.2 Lấy dữ liệu nhiệt độ và độ ẩm không khí từ cảm biến BME280
Lấy dữ liệu từ cảm biến BME280
Sử dụng hàm “bme280_get_data” từ thư viện “bme280.h” để lấy dữ liệu từ cảm biến BME280 Tạo 2 mảng với kiểu char có 16 phần tử để phục vụ cho việc hiển thị giá trị nhiệt độ và độ ẩm có tên là
“temp_str” và “humi_str” Hai biến “temperature” và “humidity” kiểu dữ liệu int để lưu giá trị nhiệt độ và độ ẩm từ cảm biến bằng cấu trúc
“bme280_data” đã được khởi tạo ở trên Sử dụng hàm hàm “sprintf” để đổi giá trị từ kiểu int sang char và lưu vào mảng “temp_str” và
5.4.6.3 Hiển thị dữ liệu lên LCD
Hiển thị dữ liệu lên LCD 1602
Từ thư viện “lcd_i2c.h”, hàm “lcd1602_set_pos” và truyền vào các giá trị lần lượt là khởi tạo lcd như thế nào, vị trí hàng, vị trí cột để bắt đầu hiển thị ký tự từ vị trí đó Hàm “lcd1602_send_string” và truyền vào các giá trị lần lượt là khởi tạo lcd như thế nào, chuỗi ký tự muốn hiển thị để hiển thị chuỗi ký tự.
Kịch bản tưới tiêu ddddđ
Lưu đồ thuật toán
Hình 14: Lưu đồ thuật toán
Kết luận
Trong quá trình thiết kế phần cứng, nhóm chúng em đã tiến hành so sánh và lựa chọn một tập hợp các linh kiện thích hợp để đảm bảo hiệu suất tốt cho thiết bị Chúng em đã tạo ra một sơ đồ hệ thống chi tiết hơn, bao gồm cả các linh kiện đã được chọn, và sau đó thực hiện một mô phỏng trực quan của thiết bị sử dụng phần mềm Fritzing.
Trong phần thiết kế phần mềm, chúng em đã xây dựng sơ đồ khối, biểu đồ tuần tự để minh họa cách các phần mềm tương tác với nhau Ngoài ra,chúng em cũng trình bày đến việc đo nhiệt độ, độ ẩm cũng như cách thiết bị truyền và nhận dữ liệu Các hàm quan trọng trong mã nguồn của thiết bị cũng được nêu rõ để thể hiện cách chúng tương tác và đóng góp vào hoạt động toàn bộ của thiết bị.
KẾT QUẢ SẢN PHẨM VÀ KIỂM THỬ
Kết quả sản phẩm
Sau khi hoàn thành lắp đặt sản phẩm, chúng em thu được kết quả khi để sản phẩm trong nhiệt độ phòng, chậu cây được tưới nước
Trên màn hình LCD hiển thị các thành phần như sau:
Temp: nhiệt độ không khí, cụ thể ở trường hợp hợp này thu được kết quả
H/M: là viết tắt của Humidity/Moisure (Độ ẩm không khí/Độ ẩm đất), cụ thể ở trường hợp này thu được độ ẩm không khí là 76% và độ ẩm đất là 74.0%.
Hình 15: Hoàn thành sản phẩm
Sau khi hoàn thiện và hoàn tất quá trình kiểm thử, thiết bị đã thể hiện hiệu suất ổn định Nó có khả năng đo nhiệt độ và độ ẩm, đồng thời hiển thị kết quả trên màn hình LCD Sử dụng dữ liệu nhiệt độ và độ ẩm đã thu thập, thiết bị đã tiến hành phân tích so sánh với các giá trị chuẩn trước đó, từ đó thực hiện việc tưới nước cho cây theo đúng kịch bản đã được thiết kế trước đó.
Chạy sản phẩm
Video chạy sản phẩm: https://drive.google.com/file/d/1UZmZ97Axo8puSqohdlx-DA801oyM6- ip/view?usp=sharing
Kiểm thử sản phẩm
Để kiểm thử sản phẩm và mong muốn có sản phẩm tốt thì nhóm chúng em đã đưa ra các bài kiểm tra cho thiết bị như sau:
Kiểm tra tính chính xác trong việc đo nhiệt độ.
Kiểm tra tính chính xác trong việc đo độ ẩm. Đánh giá độ ổn định của nguồn cung cấp 5V từ adapter.
Vì lí do máy kiểm tra độ ẩm trên thị trường có giá thành khá đắt đỏ, do đó chúng em chưa thể thực hiện bài kiểm tra về tính chính xác của việc đo độ ẩm trong báo cáo này Dưới đây là kết quả của ba bài kiểm tra: độ chính xác khi đo nhiệt độ, độ ổn định của nguồn cung cấp 5V từ adapter, và điện áp hoạt động của thiết bị.
6.3.1 Kiểm tra tính chính xác trong việc đo nhiệt độ.
Trong bài kiểm tra này, chúng em chọn sử dụng máy đo nhiệt kế URGO để kiểm tra độ chính xác của thiết bị cảm biến nhiệt độ Máy đo nhiệt kế URGO được lựa chọn vì khả năng cung cấp độ chính xác cao cũng như sự ổn định trong việc đo nhiệt độ Giao diện dễ sử dụng và sự dễ dàng trong việc thực hiện các thao tác kiểm tra, ghi lại kết quả và theo dõi tiến trình đo giúp đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong quá trình thực hiện kiểm tra. Thống số cấu hình của máy đo
Tên sản phẩm URGO Non-contact Thermometer
Kích thước máy 150mm x 75mm x 50mm
Thời gian đo khoảng 6 giây
Thời gian trả kết quả 1 giây / Nhiệt độ Độ chính xác 0.0 ~ 33.9 oC: ± 2 oC
Hình 16 Sản phẩm máy đo URGO
Tiến hành 15 lần đo và phân tích so sánh, kết quả cho thấy rằng, nhiệt độ không khí đo được bởi thiết bị và máy đo nhiệt độ URGO hầu như tương đương nhau, với một sai số trung bình chỉ khoảng 0.2 C Từ đó nhận thấy o thiết bị hoạt động tốt, đo được nhiệt độ không khí chính xác.
Hình 17 Thực hiện kiểm tra đo nhiệt độ không khí
6.3.2 Đánh giá độ ổn định của nguồn cung cấp 5V từ adapter. Để Đánh giá độ ổn định của nguồn cung cấp 5V từ adapter Nhóm chúng em đã sử dụng đồng hồ đo vạn năng tự động VICTOR VC921 Sau đó, chúng em tiến hành tính toán sai số trong điện áp nguồn Kết quả sau khi thực hiện 15 lần đo và tiến hành phân tích so sánh cho thấy giá trị thực tế đạt khoảng 4.843 ± 0.1872V, gần bằng giá trị lý thuyết là 5V Chênh lệch giữa hai giá trị thực tế và lý thuyết không lớn, không chênh lệch đáng quá lớn giữa chúng.
Hình 18 kiểm tra điện áp nguồn adapter 5V
PHẦM MỀM SỬ DỤNG
ESP-IDF
Sử dụng phầm mềm ESP-IDF để phát triển sản phẩm
ESP-IDF (Espressif IoT Development Framework) là một bộ công cụ phần mềm mã nguồn mở được phát triển bởi Espressif Systems, dành cho vi xử lý ESP32 và ESP8266 Được xây dựng trên nền tảng FreeRTOS, ESP-IDF cung cấp môi trường lập trình phong phú để phát triển ứng dụng IoT cho các vi điều khiển của Espressif.
ESP-IDF đi kèm với các thư viện, API, công cụ mô phỏng và hỗ trợ phát triển phong phú, giúp lập trình viên dễ dàng tạo ra các ứng dụng nâng cao trênESP32 và ESP8266 Nó hỗ trợ các tính năng như Wi-Fi, Bluetooth, giao tiếpGPIO, SPI, I2C, UART và nhiều tính năng khác để kết nối và điều khiển các thiết bị IoT.
Visual Studio Code (VS Code)
Visual Studio Code (VS Code) là một trình soạn thảo mã nguồn mở phổ biến được sử dụng rộng rãi cho việc phát triển các ứng dụng nhúng và IoT, bao gồm cả vi xử lý ESP32 VS Code cung cấp môi trường phát triển tối ưu hóa và mở rộng thông qua các tiện ích mở rộng (extensions) Đối với vi xử lý ESP32, có nhiều tiện ích mở rộng hỗ trợ, từ việc lập trình và nạp firmware đến gỡ lỗi và kiểm tra mã VS Code cung cấp khả năng tích hợp nền tảng Espressif (ESP-IDF) để phát triển ứng dụng ESP32, điều này giúp đơn giản hóa quy trình phát triển và tạo điều kiện tốt cho việc thực hiện dự án IoT VS Code cũng đóng vai trò quan trọng trong việc thuận tiện cho việc lập trình ESP32 Tích hợp Git cho phép quản lý mã nguồn dễ dàng, và tích hợp gỡ lỗi cùng với chức năng hoàn thiện mã giúp tăng năng suất trong quá trình phát triển.
Fritzing
Fritzing là một phần mềm mô phỏng và thiết kế mạch điện tử hỗ trợ người dùng tạo ra sơ đồ mạch và mô phỏng các thành phần điện tử một cách dễ dàng. Fritzing là một công cụ phổ biến cho cả người mới bắt đầu và chuyên gia trong lĩnh vực điện tử và IoT.
Fritzing cung cấp một thư viện chứa các thành phần điện tử phổ biến, từ linh kiện cơ bản đến mạch tích hợp phức tạp Fritzing cũng hỗ trợ tạo ra mô hình3D cho các mạch điện tử, giúp người dùng có cái nhìn rõ ràng hơn về cách các thành phần được kết nối và sắp xếp trên mạch.
