TỔNG QUAN
TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU
Trong những năm gần đây, vấn đề dư lượng thuốc bảo vệ thực vật, chất kích thích tăng trưởng và chất cấm trong thực phẩm đang thu hút sự chú ý của nhiều quốc gia Người tiêu dùng ngày nay ngày càng quan tâm đến nguồn gốc thực phẩm để đảm bảo bữa ăn của gia đình mình vừa ngon miệng vừa an toàn.
Với sự phát triển của khoa học và công nghệ, các thiết bị điện tử thông minh ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày, đặc biệt là các thiết bị sử dụng công nghệ Internet of Things (IoT) Mặc dù khái niệm IoT đã xuất hiện từ lâu, nhưng trong những năm gần đây, nó đã thực sự bùng nổ với tỷ lệ sử dụng tăng cao trong cộng đồng và sự quan tâm mạnh mẽ từ nhiều doanh nghiệp trong việc phát triển các giải pháp IoT.
Nhóm thực hiện đề tài đã chọn nghiên cứu "Thiết kế hệ thống chăm sóc cây trồng và nuôi cá" với công nghệ đầu tư phát triển Hệ thống sử dụng các loại cảm biến như DS18B20, FC28, DHT22 và pH để thu thập dữ liệu, sau đó dữ liệu được xử lý qua board Arduino Mega 2560 Các thông số được hiển thị trên màn hình TFT LCD, kết hợp với công nghệ IoT, tạo ra mô hình trồng rau và nuôi cá an toàn, được giám sát chặt chẽ mọi lúc mọi nơi.
1.2 MỤC ĐÍCH VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI a Mục đích
Mô hình "Thiết kế hệ thống chăm sóc cây trồng và nuôi cá" sử dụng board Arduino Mega 2560 để theo dõi các thông số như nhiệt độ, độ ẩm và nồng độ pH của nước Hệ thống cho phép quản lý qua web nhờ vào mô-đun wifi ESP8266, tạo ra một mô hình trồng rau và nuôi cá khép kín Công nghệ IoT giúp người dùng quản lý từ xa, phù hợp với không gian nhỏ hẹp của gia đình, nhằm cung cấp thực phẩm sạch và an toàn cho người tiêu dùng.
Do hạn chế về khoảng cách hoạt ộng của module WiFi-ESP8266 ở chế ộ Access Point nên chỉ có iều khiển vườn rau ở chế ộ này trong vòng bán kính là 15m
Các cảm biến tầm hoạt ộng thấp nên không thể áp dụng vào mô hình nuôi trồng quy mô lớn
Hệ thống cần duy trì kết nối liên tục với mạng WiFi để tối ưu hóa việc điều khiển và truyền nhận dữ liệu từ hệ thống đến trang web điều khiển.
Mạng WiFi của hệ thống cần ƣợc cố ịnh v tránh thay ổi sau khi thiết lập
Chỉ trồng ược các loại cây thủy sinh phù hợp với môi trường ất ẩm
Thiết kế sơ ồ khối cho toàn hệ thống
Thiết kế và thi công mạch nguồn cho hệ thống
Viết chương trình o thông số chất lượng của nước: o nhiệt ộ LM35, o nồng ộ pH
Viết chương trình o thông số của vườn cây: o ộ ẩm của ất dùng cảm biến FC28, o nhiệt ộ, ộ ẩm dùng cảm biến DHT22, o nhiệt ộ dùng cảm biến 1 dây DS18B20
Thực hiện chạy chương trình o các cảm biến ngõ vào với board Arduino Mega 2560
Thiết kế và lập trình giao tiếp module ESP8266 ể nhập và gửi dữ liệu
Thiết kế và lập trình web ể có thể quản lý theo dõi thông tin dữ liệu
Thiết kế giao diện giao tiếp với người dùng qua màn hình cảm ứng
Thiết kế mạch công suất ngõ ra
Tiến hành tổng hợp kết nối các khối lại vào trong mô hình
Chỉnh sửa các lỗi iều khiển, lỗi lập trình của các thiết bị
Thi công mô hình và cân chỉnh.
Chạy thử và hiệu chỉnh
NỘI DUNG THỰC HIỆN
Thiết kế sơ ồ khối cho toàn hệ thống
Thiết kế và thi công mạch nguồn cho hệ thống
Viết chương trình o thông số chất lượng của nước: o nhiệt ộ LM35, o nồng ộ pH
Viết chương trình o thông số của vườn cây: o ộ ẩm của ất dùng cảm biến FC28, o nhiệt ộ, ộ ẩm dùng cảm biến DHT22, o nhiệt ộ dùng cảm biến 1 dây DS18B20
Thực hiện chạy chương trình o các cảm biến ngõ vào với board Arduino Mega 2560
Thiết kế và lập trình giao tiếp module ESP8266 ể nhập và gửi dữ liệu
Thiết kế và lập trình web ể có thể quản lý theo dõi thông tin dữ liệu
Thiết kế giao diện giao tiếp với người dùng qua màn hình cảm ứng
Thiết kế mạch công suất ngõ ra
Tiến hành tổng hợp kết nối các khối lại vào trong mô hình
Chỉnh sửa các lỗi iều khiển, lỗi lập trình của các thiết bị
Thi công mô hình và cân chỉnh.
Chạy thử và hiệu chỉnh
CƠ SỞ LÝ THUY T
MỘT SỐ MÔ HÌNH TRỒNG RAU NUÔI CÁ PHỔ BI N
Mô hình trồng rau nuôi cá đang ngày càng phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu, đặc biệt là tại Việt Nam Nhiều mô hình này đã được đánh giá cao và trở thành xu hướng đáng chú ý trong nông nghiệp hiện đại.
2.1.1 Mô h nh tưới ngập xả cạn
Giá thể trồng rau có thể sử dụng các viên xốp nhỏ và viên sét, với đặc điểm nhẹ, dễ nổi trên nước và khả năng giữ nước lâu dài Nước từ bể cá được bơm hoặc chảy theo trọng lực để tưới cho khu trồng rau, tùy thuộc vào vị trí của bể cá.
- Mô hình tưới ngập xả cạn ơn giản mà phù hợp với mọi loại cây, từ rau ăn lá ến cây kích thước lớn hơn như c chua, c tím
- Chi phí dựng mô hình thấp
- Nhờ có lớp giá thể rắn nên các mảnh vụn, chất không tan bị mắc lại và ược lọc trước khi nước trở lại bể cá
Không khí có thể thẩm thấu giữa các viên ất, giúp cung cấp ôxy cho rễ cây Việc nuôi giun ất trong lớp giá thể cũng góp phần tăng cường khả năng phân giải chất thải hiệu quả.
Hình 2.1: Mô hình tưới ngập xả cạn
- Để ầu tƣ lớp giá thể tốt hơi tốn kém
- Khả năng các khoảng trống trong lớp giá thể sẽ bị tắc theo thời gian
- Cần thiết thường xuyên vệ sinh lớp giá thể
- Môi trường nước dễ bị thay ổi pH do tính chất giá thể
2.1.2 Trồng rau bằng mô hình aquaponics (trồng rau kết hợp nuôi cá)
Mô hình trồng rau này hoạt động như một hệ sinh thái thu nhỏ, nơi có sự tuần hoàn tự nhiên giữa trồng rau và nuôi cá mà không cần sử dụng phân bón hay hóa chất Đất trồng rau được tạo ra từ đất sét nung, chứa vi sinh vật giúp phân giải chất hữu cơ, giúp cây dễ dàng hấp thụ dinh dưỡng Nước thải từ hồ cá được sử dụng để tưới rau, trong khi rau hấp thụ dinh dưỡng và lọc sạch nước, trả lại nguồn nước trong sạch cho hồ cá.
Hình 2.2: Mô hình trồng rau aquaponics 2.1.3 Mô hình trồng rau nuôi cá nước cạn
Mô hình nuôi cá kết hợp với trồng rau thủy canh trong ống nhựa PVC cho phép nước được lọc và chảy qua các ống, trong đó mặt trên của ống được khoét lỗ tròn để trồng cây Rễ cây được thả treo lơ lửng trong nước, với một phần rễ chìm trong nước hấp thụ ni-tơ từ bể cá, trong khi phần rễ còn lại tiếp xúc với không khí để lấy ôxy.
Mô hình này thích hợp cho cây có bộ rễ nhỏ như rau ăn lá và thảo mộc, trong khi những cây lớn như cà chua cần một kết cấu vững chắc và dinh dưỡng cao hơn.
Hình 2.3: Mô hình trồng rau nuôi cá nước cạn
Mô hình cho phép làm sạch nước liên tục, một phần rễ ược phơi b y ể hấp thụ oxy
Các ống hẹp dễ bị tắc nghẽn, dẫn đến tình trạng cây thiếu nước cho quá trình trao đổi chất, gây ảnh hưởng tiêu cực đến năng suất mùa vụ Điều này đặc biệt không phù hợp cho các loại cây trồng có kích thước lớn hơn.
2.1.4 Mô hình trồng rau nuôi cá nước sâu
Mô hình trồng rau nuôi cá nước sâu mang lại hiệu quả kinh tế cao và dễ thu hoạch Rau có thể được trồng trên bề mặt nổi của bể cá hoặc trong khu vực riêng, sử dụng miếng xốp có lỗ để cố định cây và cho rễ ngâm trong nước Độ sâu của khoang chứa nước khoảng 30 cm, và khi trồng rau trên bể cá, chỉ cần thiết lập hệ thống lọc đơn giản Lựa chọn loại cá nuôi cũng cần đảm bảo không gây hại cho rau.
Hình 2.4: Mô hình trồng rau nước sâu
- Năng suất cao và không tốn nhiều sức lao ộng
- Hầu hết rễ ược tiếp xúc với chất dinh dưỡng trong nước
- L mô hình ơn giản và tiết kiệm nhất
- Tận dụng không gian lắp ặt khi khay trồng ƣợc ặt ngay trên bể cá
- Hệ thống này khá phổ biến cho sản xuất diện tích rộng hay nh vườn
- Cây trồng dễ thu hoạch hơn vì rễ ược cắm trong nước thay vì trong giá thể hoặc ất
- Cho phép thả cá nhiều hơn vì sự thanh lọc ược diễn ra thường xuyên
- Hạn chế loại cây trồng
- Rễ cây dễ bị vi khuẩn tấn công hoặc cá ăn cỏ phá hại rau trồng
Cây có nguy cơ bị tổn hại khi bộ rễ bị che phủ bởi các chất bẩn trong bể Quá trình lọc nước không chỉ làm tăng chi phí mà còn đòi hỏi nhiều công sức để vệ sinh bộ lọc.
- Cần phải bố trí bộ lọc vì rễ hoàn toàn bị ắm trong nước.
INTERNET OF THINGS
Internet of Things (IoT) được giới thiệu vào năm 1999 bởi Kevin Ashton, nhà sáng lập Trung tâm Auto-ID tại Đại học MIT IoT là một mạng lưới thiết bị kết nối Internet, cho phép mỗi vật thể và con người có một định danh riêng, từ đó có khả năng truyền tải và trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần tương tác trực tiếp giữa người với người hay giữa người với máy tính.
IoT, hay Internet of Things, đã phát triển từ sự kết hợp của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet Đơn giản mà nói, IoT là một hệ thống gồm các thiết bị có khả năng kết nối lẫn nhau, kết nối với Internet và tương tác với môi trường bên ngoài để thực hiện các nhiệm vụ cụ thể.
Kết nối có thể thực hiện thông qua nhiều phương thức như Wi-Fi, mạng viễn thông băng rộng (3G, 4G), Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại, và các thiết bị như điện thoại thông minh, máy pha cà phê, máy giặt, tai nghe, bóng đèn, cùng nhiều thiết bị khác.
Hình 2.5: Sơ ồ khối một hệ thống IoT cơ bản
Những ứng dụng đầu tiên của IoT chủ yếu tập trung vào việc điều khiển các thiết bị thông qua mạng Internet, bao gồm cả thiết bị công cộng và thiết bị gia đình.
Trong các tài liệu về Internet of Things (IoT), một ví dụ tiêu biểu thường được nhắc đến là chiếc máy bán nước giải khát tự động tại Đại học Carnegie Mellon, Mỹ, được ra mắt vào đầu những năm 1980.
Vào năm 1980, một thiết bị tiên phong đã mở ra xu hướng mới trong công nghệ, đó là chiếc máy được lập trình có khả năng kết nối với người điều khiển qua Internet Thiết bị này cho phép kiểm tra tình trạng máy và tự động bổ sung nước khi cần thiết, mà không cần phải tiếp xúc kiểm tra trực tiếp.
NHỮNG CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU
Truyền dữ liệu là phương thức giao tiếp và trao đổi thông tin giữa các thiết bị Có hai hình thức chính để truyền dữ liệu: truyền dữ liệu nối tiếp và truyền dữ liệu song song Mặc dù chỉ có hai cách truyền, nhưng có rất nhiều chuẩn truyền dữ liệu khác nhau, trong đó One-Wire và UART là những chuẩn phổ biến hiện nay.
2.3.1 Chuẩn giao tiếp One-Wire
Hệ thống One-Wire, được thiết kế bởi Dallas, là một bus giao tiếp cho phép kết nối với các thiết bị Chuẩn này cung cấp khả năng truyền dữ liệu với tốc độ thấp, đồng thời cho phép truyền tín hiệu và cung cấp nguồn nuôi qua cùng một dây.
One-Wire là một giao thức truyền thông tương tự như I2C, nhưng có tốc độ truyền dữ liệu thấp hơn và khoảng cách truyền xa hơn Giao thức này thường được sử dụng để kết nối với các thiết bị nhỏ giá rẻ như nhiệt kế kỹ thuật số và công cụ đo thời tiết Một mạng lưới các thiết bị One-Wire kết nối với một thiết bị điều khiển chính được gọi là MicroLAN.
Một trong những tính năng đặc biệt của bus One-Wire là chỉ cần sử dụng hai dây tín hiệu: Data và Gnd Để hoạt động hiệu quả, các thiết bị One-Wire được trang bị một tụ điện 800pF, giúp lưu trữ điện và cung cấp nguồn trong quá trình truyền dữ liệu.
UART là một phương thức truyền thông tin nối tiếp không đồng bộ, thường được sử dụng để truyền dữ liệu giữa máy tính và các thiết bị ngoại vi Nhiều vi điều khiển hiện nay đã tích hợp sẵn UART, và công nghệ này thường thấy trong máy tính công nghiệp, truyền thông, vi điều khiển, cũng như nhiều thiết bị truyền tin khác.
UART là một giao thức truyền tín hiệu quan trọng, cho phép trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị như Laptop và Modem, hoặc giữa các vi điều khiển Trong phương thức truyền này, có một đường phát dữ liệu và một đường nhận dữ liệu, với tín hiệu xung clock có cùng tần số, thường được gọi là tốc độ truyền dữ liệu (baud).
TÌM HIỂU VỀ PHP
PHP (Hypertext Preprocessor) là ngôn ngữ lập trình kịch bản phía server, được sử dụng để tạo mã HTML cho client Qua nhiều phiên bản, PHP đã được tối ưu hóa cho ứng dụng web với cú pháp rõ ràng, tốc độ nhanh và dễ học, khiến nó trở thành một trong những ngôn ngữ lập trình web phổ biến và được ưa chuộng nhất.
PHP hoạt động trên môi trường Webserver và lưu trữ dữ liệu thông qua hệ quản trị cơ sở dữ liệu Do đó, PHP thường được kết hợp với Apache, MySQL và hệ điều hành Linux, tạo thành bộ công nghệ LAMP.
Apache là phần mềm máy chủ web chịu trách nhiệm nhận yêu cầu từ trình duyệt người dùng, sau đó chuyển giao cho PHP để xử lý và gửi phản hồi lại cho trình duyệt.
MySQL cũng tương tự như các hệ quản trị cơ sở dữ liệu khác (Postgress, Oracle, SQL server ) óng vai trò l nơi lưu trữ và truy vấn dữ liệu
Ngôn ngữ lập trình web bằng PHP có các ƣu iểm nhƣ sau:
PHP chạy trên nhiều nền tảng khác nhau: Windows, Linux, MacOS X, Android,
PHP tương thích với hầu như tất cả các máy chủ sử dụng hiện nay: Apache, IIS,
PHP Hỗ trợ rất nhiều cơ sở dữ liệu: MySQL, MS SQL server, Redis, MongoDB, Oracle,
PHP l mã nguồn mở, download miễn phí
PHP có cộng ồng mạnh mẽ, có rất nhiều t i liệu ể học
PHP chạy hiệu quả ở phía máy chủ
Khi người dùng truy cập vào trang PHP, Web Server sẽ kích hoạt PHP Engine để xử lý và thông dịch mã nguồn PHP, sau đó trả kết quả cho người dùng.
Hình 2.6: Cách thức hoạt ộng của PHP
Cách viết code PHP cơ bản bắt đầu bằng “” Đây là cú pháp phổ biến nhất và được sử dụng rộng rãi trong lập trình PHP.
//Code ƣợc viết tại ây
Trong PHP, comment được sử dụng để chèn các dòng chú thích vào mã nguồn, giúp giải thích hoặc đánh dấu phần mã cụ thể mà không hiển thị trên trình duyệt Việc sử dụng comment không chỉ giúp người lập trình dễ dàng tìm kiếm và chỉnh sửa mã sau này, mà còn làm cho mã nguồn trở nên dễ hiểu hơn Để chú thích một dòng, bạn có thể sử dụng dấu “//”, trong khi để chú thích nhiều dòng, bạn có thể bắt đầu bằng “/*” và kết thúc bằng “*/”.
Trong PHP, có hai cách để xuất nội dung ra trình duyệt là echo và print Cả hai phương pháp này đều phục vụ mục đích giống nhau, nhưng có sự khác biệt: echo không trả về giá trị và có thể chứa nhiều tham số, trong khi print trả về một giá trị và chỉ nhận một tham số; ngoài ra, echo cũng nhanh hơn print Về định nghĩa biến, trong PHP, biến được viết với ký tự $ theo sau là tên biến, tên biến phải bắt đầu bằng chữ cái hoặc dấu gạch dưới, không được bắt đầu bằng chữ số, và có thể chứa chữ cái, số và dấu gạch dưới Lưu ý rằng PHP phân biệt chữ hoa và chữ thường, vì vậy $name và $Name là hai biến khác nhau Đối với hằng, hằng được xác định cho một giá trị cố định và giữ nguyên giá trị trong suốt quá trình lập trình Tên hằng bắt đầu bằng ký tự hoặc dấu gạch ngang và có giá trị toàn cục mặc định Cấu trúc định nghĩa hằng là: define(tên, giá trị, đúng/sai).
Kiểu dữ liệu trong PHP: PHP có tất cả 7 kiểu dữ liệu Integer, Float, String, Array, Boolean, Object, NULL
Integer: Kiểu dữ liệu integer (viết tắt l int) l kiểu dạng số nguyên, không l số thập phân, có ít nhất 1 ký tự, giá trị nằm trong khoảng:- 2,147,483,648 và 2,147,483,647
Float: Kiểu dữ liệu float l kiểu số thực, l dạng số thập phân hay dạng lũy thừa
String: Kiểu dữ liệu string l kiểu dạng chuỗi các ký tự, ƣợc chứa bên trong dấu ngoặc ơn hoặc ngoặc kép
Array: Kiểu dữ liệu array l kiểu dữ liệu lưu trữ nhiều giá trị trong một biến duy nhất
Boolean: Kiểu dữ liệu boolean l kiểu dữ liệu ại diện cho 2 trạng thái úng (true) v sai (false), Boolean thường ược dùng ể trong iều kiện kiểm tra
Object: Opject l một kiểu dữ liệu lưu trữ dữ liệu v thông tin của ối tƣợng
Null là một kiểu dữ liệu đặc biệt với giá trị duy nhất là null Khi một biến được tạo ra mà không có giá trị nào, nó sẽ tự động được gán giá trị null.
Các lệnh trong PHP là các biểu thức ƣợc kết thúc bởi dấu chấm phẩy “;” Bên cạnh ó, PHP còn có hai phương thức quan trọng ó l GET v POST
Phương thức GET: Gửi thông tin người dùng ã ược mã hóa
Phương thức GET tạo ra một chuỗi kí tự dài xuất hiện trong Server log của bạn, trong Location: box của trình duyệt
Phương thức GET ược giới hạn gửi tối a chỉ 1024 ký tự
Không bao giờ sử dụng phương thức GET nếu gửi password hoặc thông tin nhay cảm lên Server
GET không thể gửi dữ liệu nhị phân, ví dụ nhƣ hình ảnh hoặc tài liệu word lên Server
Dữ liệu gửi bởi phương thức GET có thể ược truy cập bằng cách sử dụng biến môi trường QUERY_STRING
PHP cung cấp mảng liên hợp $_GET ể truy cập tất cả các thông tin ã ược gửi bởi phương thức GET
Phương thức POST cho phép truyền tải thông tin qua HTTP header, với dữ liệu được mã hóa trong QUERY_STRING Khác với phương thức GET, POST không bị giới hạn về kích thước dữ liệu gửi đi.
Phương thức POST có thể sử dụng ể gửi mã ASCII cũng như dữ liệu nhị phân
Dữ liệu được gửi qua phương thức POST thông qua HTTP header, do đó, mức độ bảo mật phụ thuộc vào giao thức HTTP Sử dụng Secure HTTP sẽ giúp đảm bảo an toàn cho thông tin của bạn.
PHP cung cấp mảng liên hợp $_POST ể truy cập tất cả các thông tin ược gửi bằng phương thức POST
Kết nối PHP với MySQL là bước cơ bản cho mọi thao tác liên quan đến MySQL Từ phiên bản PHP 5.5 trở đi, thư viện MySQL không còn được hỗ trợ, và từ PHP 7 trở lên, thư viện này đã bị gỡ bỏ hoàn toàn Thay vào đó, hai thư viện mới được sử dụng là MySQLi và PDO.
TÍNH TOÁN VÀ THI T K HỆ THỐNG
GIỚI THIỆU
Mô hình thiết kế hệ thống chăm sóc vườn cây và nuôi cá cho phép điều khiển linh hoạt qua tín hiệu từ người dùng hoặc giá trị thiết lập sẵn Hệ thống này giúp xác định các thông số tối ưu, từ đó nâng cao năng suất và hiệu quả trong việc chăm sóc cây trồng và nuôi cá, như minh họa trong hình 3.1.
3.1.1 Sơ đồ khối và chức năng từng khối a Sơ đồ khối
KHỐI HIỂN THỊ, CẢNH BÁO
H nh 3 1: Sơ ồ khối của hệ thống b Chức năng từng khối
Khối cảm biến: thu thập dữ liệu o ƣợc rồi gửi tín hiệu về khối xử lý trung tâm dưới dạng số hay tương tự
Khối giao tiếp WiFi: Nhận dữ liệu o ược lên web Sever khi người dùng muốn quan sát
Khối xử lý trung tâm: Nhận dữ liệu từ các khối truyền dữ liệu vào rồi thực hiện quá trình xử lý, tính toán, sau ó l xuất ra tín hiệu
Khối hiển thị, cảnh báo: Hiển thị kết quả o ạc của hệ thống giúp người dùng quan sát dễ dàng
Khối công suất: Điều khiển các thiết bị sử dụng công suất lớn.
THI T K CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG
Khối nguồn: Cung cấp nguồn iện cho các thiết bị hoạt ộng với các mức iện áp 3.3V, 5V, 12V
3.1.2 Mô tả hoạt động của hệ thống
Hệ thống sẽ theo dõi các thông số của môi trường không khí, độ ẩm và chất lượng nước Sau đó, những thông tin này sẽ được hiển thị trên màn hình TFT LCD và trang web Người dùng có thể sử dụng màn hình hoặc trang web để điều khiển và cài đặt giá trị hoạt động của hệ thống.
3.2 THIẾT KẾ CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG
3.2.1 Khối cảm biến a Cảm biến nhiệt 1 dây DS18B20
Cảm biến nhiệt độ DS18B20 là lựa chọn lý tưởng cho những ứng dụng ở xa bo mạch điều khiển hoặc trong môi trường ẩm ướt Với bộ chuyển đổi ADC tích hợp và giao tiếp một dây (one wire), cảm biến này cung cấp thông tin chính xác và dễ dàng kết nối.
Chỉ sử dụng một dây giao tiếp
Có thể cấp nguồn từ ƣờng tín hiệu, iện áp từ 3V-5.5V
Sai số 0.5 o C cho tầm o từ -10 o C ến +85 o C
Có thể chọn ộ phân giải bằng phần mềm từ 9 ến 12 bit
Thời gian chuyển ổi lớn nhất cho 12 bit là 750ms
Thiết bị này có nhiều dạng chân: loại 3 chân, 8 chân hay loại dán
H nh 3 2: Cảm biến DS18B20 dạng dây o
Hoạt ộng của cảm biến DS18B20:
- Chức năng chính của DS18B20 là cảm biến nhiệt ộ chuyển ổi trực tiếp sang dữ liệu số Độ phân giải của cảm biến có thể ịnh cấu hình là 9, 10,
11 hoặc 12 bit tương ứng với hệ số chuyển ổi theo thứ tự là 0.5 o C, 0.25 o C, 0.125 o C và 0.0625 o C Độ phân giải mặc nhiên là 12bit
- Dữ liệu nhiệt ộ thuộc theo hệ số Celsius, nếu muốn theo hệ số Fahrenheit thì phải thực hiện chuyển ổi
Thử nghiệm o thực tế nhiệt ộ nước ở hai môi trường nước khác nhau ược miêu tả nhƣ trong hình 3.3 v 3.4
Nước sinh hoạt đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sự sống của cây trồng và cá trong bồn Để bảo vệ môi trường sống cho các sinh vật trong mô hình, việc xác định nhiệt độ của nước là cần thiết.
Hình 3.3: Nhiệt ộ nước bình thường
Nước lạnh: Trong hình 3.3, nhiệt độ nước sinh hoạt bình thường đo được là 28.25°C Để kiểm tra hoạt động của cảm biến, chúng ta tiếp tục thử nghiệm nhiệt độ nước trong điều kiện ly nước có thêm đá.
Hình 3.4: Nhiệt ộ của nước lạnh
Nước lạnh có nhiệt độ thấp hơn nước bình thường, với kết quả đo được là 5 độ C thấp hơn so với nhiệt độ trong nước bình thường Cảm biến đo nồng độ pH là thiết bị quan trọng trong việc xác định tính axit hoặc kiềm của nước.
Cảm biến pH là thiết bị dùng để đo lường độ pH của nước Thuật ngữ "pH" có nguồn gốc từ tiếng Latinh, viết tắt của "potentia hydrogenii," nghĩa là sức mạnh của hydro.
pH đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp, đặc biệt trong việc kiểm tra chất lượng nước Đầu tiên, pH là chỉ số đo lường nồng độ ion hydro trong các dung dịch nước, giúp xác định tính axit và độ kiềm của chúng.
Đầu dò pH bao gồm điện cực, màng thủy tinh và vỏ bọc, với kết nối đơn giản và tiện lợi Đầu dò được kết nối qua đầu nối BNC với module đi kèm, và từ module này sẽ kết nối tới đầu vào analog trên vi điều khiển để đo pH.
- Đo iện cực: Phần thứ nhất l iện cực o ƣợc tạo thành từ iện cực thủy tinh v cũng ƣợc ề cập ến nhƣ l iện cực hoạt tính
- Điện cực tham khảo: Điện cực thứ hai ƣợc sử dụng ể nhận iện áp cung cấp, l iện cực tham chiếu v cũng ƣợc chỉ ra l iện cực tiêu chuẩn
Để đo pH, cần xác định giá trị giữa hai điện cực bên trong màng thủy tinh Một điện cực là điện cực tham chiếu cung cấp điện áp tham chiếu, trong khi điện cực còn lại là điện cực nhạy ứng với giá trị pH Các điện cực bao gồm điện cực thủy tinh pH và bạc (Ag) hoặc bạc clorua (AgCl), được gọi là các yếu tố đo pH, giúp đo lường giá trị pH của nước hoặc dung môi khác.
Hình 3.5: Que o pH Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật cảm biến o pH
Dải o pH 0~14 Độ chính xác Chỉ ± 0.1 pH (tại 25 o C)
Thời gian áp ứng Nhỏ hơn 60s
17 Để o nồng ộ pH, bên cạnh que o pH, cần thêm board pH meter tùy theo các phiên bản khác nhau, trên board ph meter sẽ bao gồm các thành phần:
- Chân A: Kết nối tới ngõ vào analog của arduino
- Chân +: Kết nối với nguồn 5V
- Chân -: Kết nối với GND
- Biến trở: Điều chỉnh ộ nhạy của cảm biến
- Đầu nối BNC: Kết nối v o que o pH
Thử nghiệm ầu ọc pH với các dung dịch khác nhau:
Dung dịch nước cam có độ pH khác nhau tùy thuộc vào tính chất của từng loại dung dịch Một số dung dịch như nước biển và thuốc giặt quần áo có tính kiềm, trong khi các dung dịch như dấm và nước chanh lại có tính axit Đặc biệt, độ pH của dung dịch nước cam được đo là 4.42, cho thấy tính axit nhẹ của nó.
Hình 3.7: Đo ộ pH với dung dich nước cam
Dung dịch nước chanh có giá trị pH thấp hơn so với dung dịch nước cam, cho thấy nước chanh có tính axit mạnh hơn nước cam.
Hình 3.8: Đo ộ pH với dung dịch nước chanh c Cảm biến nhiệt độ,độ ẩm DHT22
Khối cảm biến phải có khả năng ọc nhiệt ộ, ộ ẩm chính xác, tầm o rộng, nhỏ gọn
Dùng cảm biến nhiệt ộ DS18B20
- Ƣu iểm: Giá thành rẻ, tầm o rộng, ít sai số và tốc ộ xử lí nhanh
- Khuyết iểm: Chỉ o ƣợc nhiệt ộ
Dùng cảm biến ộ ẩm HR202
- Ƣu iểm: Giá thành rẻ, iều khiển ơn giản, xử lí nhanh
- Khuyết iểm: Chỉ o ƣợc ộ ẩm
Dùng cảm biến nhiệt ộ v ộ ẩm DHT22
- Ƣu iểm: Đo ƣợc nhiệt ộ, ộ ẩm, tầm o rộng, sai số ít
- Khuyết iểm: Giá thành cao
Cảm biến DHT22 là lựa chọn lý tưởng cho việc theo dõi nhiệt độ và độ ẩm trong vườn rau, vì nó đáp ứng tốt nhu cầu quan tâm đến cả hai yếu tố này.
Cảm biến DHT22 là một lựa chọn kinh tế và cơ bản cho việc thu thập dữ liệu nhiệt độ và độ ẩm Thiết bị này bao gồm hai thành phần chính: một cảm biến độ ẩm điện dung và một cảm biến nhiệt độ bằng điện trở Với khả năng đo lường chính xác, DHT22 rất phù hợp cho các ứng dụng cần thông tin về môi trường.
Cảm biến DHT cung cấp dữ liệu ngõ ra dưới dạng số, cho phép sử dụng với bất kỳ vi điều khiển nào để thu thập thông tin Độ ẩm mà cảm biến có thể đo được nằm trong khoảng từ 20% đến 90%, với thời gian trả dữ liệu nhanh chóng dưới 50ms.
Hình 3.9: Cảm biến DHT22 Nguyên lý hoạt động
Cảm biến DHT22 sử dụng chế độ 1-wire để truyền và nhận dữ liệu trên cùng một chân tín hiệu Để giao tiếp với DHT22 theo chuẩn 1-wire, cần thực hiện hai bước quan trọng.
Bước 1: Gửi tín hiệu start ến cảm biến DHT22 và chờ cảm biến xác nhận
Hình 3.10: Quá trình tạo tín hiệu Start
- Arduino thiết lập chân DATA là Output, kéo chân DATA xuống 0 trong khoảng thời gian >800às Khi ú DHT22 sẽ hiểu arduino muốn o giỏ trị nhiệt ộ v ộ ẩm
- Tiếp ó ƣa chân DATA lên 1 rồi thiết lập lại chân DATA là chân input
- Sau khoảng 20-40às, DHT22 sẽ kộo chõn DATA xuống thấp Nếu > 40às m chõn DATA khụng ƣợc kộo xuống thấp nghĩa l khụng giao tiếp ƣợc với DHT22
LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT
3.3.1 Lưu đồ chương tr nh chính
Chương trình chính thực hiện các bước quan trọng của hệ thống, khi cấp nguồn cho mạch Arduino, module WiFi ESP-8266 V1, LCD TFT sẽ bắt ầu hoạt
Arduino khởi tạo các thư viện cần thiết và cảm biến để thu thập dữ liệu Sau khi nhận dữ liệu từ cảm biến, hệ thống sẽ xử lý thông tin, lựa chọn các giá trị cảnh báo đã được định trước và hiển thị kết quả trên màn hình LCD Đồng thời, nó cũng xuất tín hiệu cảnh báo tương ứng.
Khởi tạo thƣ viện, cảm biến, khai báo các biến
TFT LCD, tab hiển thị
Hiển thị tab cài đặt
Hiển thị tab kết quả 1
Hiển thị tab kết quả 2
Hình 3.31: Lưu ồ chương trình chính 3.3.2 Lưu đồ hiển thị cài đặt
Khi cài đặt tab, bạn cần thiết lập giá trị ngưỡng cho độ ẩm, nhiệt độ, pH và nhiệt độ của chất bằng cách nhấn nút mode để chọn giá trị từ một đến bốn Sau khi chọn loại giá trị, sử dụng nút UP để tăng và nút DW (DOWN) để giảm giá trị Để khôi phục lại giá trị cài đặt ban đầu cho từng loại, bạn chỉ cần nhấn nút RST (RESET).
Khởi tạo các giá trị ngƣỡng đặt trước
Hình 3.32: Lưu ồ chương trình c i ặt 3.3.3 Lưu đồ trang web
Giao diện trang web sẽ hiển thị kết quả để người dùng có thể quan sát và điều khiển từ xa Trang đầu tiên sẽ cung cấp nội dung giới thiệu về các chức năng và tiện ích của hệ thống.
Người dùng cần đăng nhập bằng tài khoản và mật khẩu để truy cập trang hiển thị Tại đây, họ có thể theo dõi giá trị từ cảm biến, vẽ biểu đồ, xuất dữ liệu và điều khiển hoạt động của bơm, bao gồm cả bật và tắt.
Nhấn ON bat bom tat bom
Xuất dữ liệu Nhấn OFF Đ Đ
Hình 3.33: Lưu ồ các trang web
SƠ ĐỒ MẠCH NGUYÊN LÝ
Màn hình LCD TFT đã được kết nối với mạch ra chân của TFT LCD Mega Shield, cho phép sử dụng dễ dàng chỉ bằng cách cắm nối trực tiếp Dựa trên datasheet và thông số kỹ thuật của các thành phần trong sơ đồ khối, sau khi thực hiện kết nối, ta có được sơ đồ mạch nguyên lý như đã mô tả.
Hình 3.34: Sơ ồ mạch nguyên lí
THI CÔNG HỆ THỐNG
THI CÔNG PHẦN MỀM
Để hiển thị kết quả và xử lý trên web, trước tiên cần tạo một trang web đáp ứng yêu cầu như hiển thị giá trị, xuất dữ liệu và điều khiển Hiện nay, có nhiều phần mềm hỗ trợ lập trình web như Notepad++ và Dreamweaver, tùy thuộc vào điều kiện và cách lập trình của từng người Thay vì phải gửi dữ liệu lên trang web để kiểm tra mã lập trình, việc sử dụng phần mềm tạo localhost giúp đơn giản hóa quá trình này Một số chương trình hỗ trợ tạo localhost bao gồm XAMPP và WampServer, trong đó bài viết này sử dụng WampServer để thực hiện.
4.1.1 Phần mềm WampServer tạo localhost
Bước 1: Tải chương trình wampserver từ website của nhà cung cấp tại ịa chỉ: http://www.wampserver.com/
Hình 4.1: Trang tải phần mềm Bước 2: C i ặt phần mềm, nhấn v o file mới tải về ể chạy chương trình c i ặt, thực hiện các bước c i ặt giống như trong hướng dẫn
Hình 4.2: C i ặt phần mềm wampsever
4.1.2 Lập trình Web trên Dreamware hoặc Notepad++ a Sơ đồ thực hiện tạo các trang và giao diện của trang
Trang giới thiệu (index.php)
Trang đăng nhập (login.php)
Trang hiển thị (hienthi.php)
Trang biểu đồ (bieudo.php)
Trang xuất dữ liệu (export.php)
Trang điều khiển bơm (BOM.html)
Trang đăng xuất (logout.php)
Trang điều khiển van (VAN.html)
Trang đọc giá trị (conn.php)
Hình 4.3: Sơ ồ tạo các trang và các thành phần của trang
Người dùng chỉ cần chú ý đến ba trang chính: trang giới thiệu, trang đăng nhập và trang hiển thị Trong đó, trang hiển thị đóng vai trò quan trọng nhất, thực hiện các chức năng như điều khiển bơm, van, vẽ biểu đồ, ghi giá trị vào bảng và xuất dữ liệu Bên cạnh đó, việc thay đổi thông tin người sử dụng cũng được thực hiện trên trang này.
Trang chính đóng vai trò quan trọng trong việc tương tác với người dùng, giới thiệu mô hình trồng rau và nuôi cá Đồng thời, nó cũng là cầu nối để người dùng truy cập vào trang Đăng Nhập và trang quản lý hệ thống Để bắt đầu, hãy tạo một file với định dạng index.php hoặc index.html, trong đó thực hiện các bước để xây dựng giao diện.
- Chọn hình nền cho trang giới thiệu: Thay ổi hình nền cho trang web bằng cách ƣa ƣờng dẫn v o thƣ mục chứa hình ảnh mong muốn trong url ()
body { background-image: url(images/Green-presentation-backgrounds.jpg); }
Sử dụng bảng để phân chia khu vực màn hình giúp người dùng dễ dàng quan sát và hiểu rõ hơn Bảng không chỉ nâng cao tính thẩm mỹ mà còn cho phép thay đổi chiều dài, đường viền và khoảng cách giữa các ô, tạo ra một trải nghiệm trực quan hơn cho người dùng.
Việc tạo ra đường dẫn đến các trang mới là rất quan trọng, vì không thể hiển thị tất cả thông tin trên một trang duy nhất Điều này giúp người dùng dễ dàng tìm kiếm thông tin cần thiết hơn, đồng thời tối ưu hóa nội dung hiển thị qua cú pháp.
Log In c Lập trình trang Log In
Trang đăng nhập đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ hệ thống khỏi sự truy cập của người lạ, đồng thời cho phép người dùng thay đổi mật khẩu theo nhu cầu Giao diện trang được thiết kế bằng HTML và sử dụng CSS để trang trí và sắp xếp các phần tử một cách tùy ý, mang đến sự đơn giản và dễ sử dụng.
Hình 4.4: Đăng nhập tài khoản
Đầu tiên, chúng ta cần tạo một tài khoản và mật khẩu để đăng nhập vào cơ sở dữ liệu Tiếp theo, tạo bảng có tên là "userpass" với ba thành phần chính: mã người dùng (id), tên tài khoản (user) và mật khẩu (pass) Cuối cùng, người dùng nhập tài khoản và mật khẩu theo ý muốn của mình.
Hình 4.5: Tài khoản người dùng
Sau khi hoàn tất việc tạo bảng đăng nhập, hãy sử dụng lệnh session_start() để bắt đầu quá trình Tiếp theo, thực hiện việc nhập dữ liệu và kiểm tra thông tin Nếu có dữ liệu từ biểu mẫu được gửi đi, sử dụng điều kiện if(isset($_POST['submit'])) để xác định xem nút gửi đã được nhấn hay chưa Trong trường hợp thông tin người dùng hoặc mật khẩu để trống, hãy kiểm tra và thông báo kết quả đúng hay sai.
$error = "Username or Password is Invalid";
Để kiểm tra dữ liệu, cần so sánh thông tin nhập vào với giá trị trong bảng userpass đã tạo Nếu dữ liệu khớp, chương trình sẽ tiếp tục thực hiện các công việc tiếp theo; ngược lại, nếu không khớp, sẽ xuất ra cảnh báo rằng giá trị nhập vào không đúng Cần viết chương trình để kết nối tới bảng userpass trong cơ sở dữ liệu.
$conn = mysqli_connect("localhost","root","","test");
$db = mysqli_select_db($conn, " test ");
//sql query to fetch information of registerd user and finds user match
$query = mysqli_query($conn, "SELECT * FROM userpass WHERE pass='$pass' AND user='$user'");
$rows = mysqli_num_rows($query); d Sau khi đăng nhập thành công, giao diện chính sẽ hiện ra
Hình 4.6: Giao diện quản lí hệ thống trồng rau và nuôi cá
Chúng ta có thể theo dõi các thông số kỹ thuật và biểu đồ thời gian của các cảm biến mà chúng ta sử dụng, đồng thời xuất dữ liệu sang file Excel Bên cạnh đó, chúng ta cũng có khả năng điều khiển máy bơm nước theo chế độ ON-OFF.
Để lập trình đọc giá trị cảm biến, cần cập nhật dữ liệu hiển thị liên tục vì cảm biến có giá trị thay đổi Để thực hiện điều này, hãy tạo một file PHP mới có tên là refreshda.php, thực hiện việc gọi giá trị độ ẩm sau mỗi ba giây và lưu lại kết quả.
$(document).ready( function (){ setInterval( function (){
- Trong màn hình hiển thị sử dụng h m “fopen” ể mở file refreshda.php và xuất dữ liệu ra hiển thị tại vị trí trong bảng
$openfile = fopen("refresh_nd.php", "r") or die("Can't open file");
$x = fread($openfile,filesize("refresh_nd.php")); fclose($openfile);
Để xuất dữ liệu từ cơ sở dữ liệu sang file Excel, chúng ta cần kết nối đến cơ sở dữ liệu và sử dụng các lệnh tạo bảng Sau khi hoàn tất quá trình xuất, file Excel sẽ được tải xuống và mở ra để quan sát dữ liệu một cách dễ dàng.
Hình 4.7: File Excel ghi dữ liệu o
Lập trình vẽ biểu đồ giúp người dùng dễ dàng quan sát và nhận xét dữ liệu, từ đó phân tích và dự đoán kết quả hiệu quả hơn Có nhiều loại biểu đồ như miền, cột, đường và tròn, tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể để lựa chọn dạng hiển thị phù hợp Hình 4.13 minh họa kết quả từ cảm biến được hiển thị dưới ba dạng biểu đồ khác nhau.
Hình 4.8: Biểu ồ: a) Biểu ồ ƣờng, b) Biểu ồ cột, c) Biểu ồ miền
ThingSpeak là một mã nguồn mở cho các ứng dụng của “Internet of Things”
Mã nguồn này cung cấp hỗ trợ cho các API lưu trữ, cho phép lấy dữ liệu từ thiết bị và sản phẩm thông qua giao thức HTTP qua Internet hoặc mạng cục bộ Chức năng chính của nó là lưu trữ và xử lý dữ liệu, đồng thời tạo ra các ứng dụng phân tích, lưu trữ và quản lý dữ liệu một cách đơn giản và hiệu quả.
ThingSpeak tích hợp phần mềm MATLAB từ MathWorks, cho phép người dùng phân tích và hình dung dữ liệu tải lên bằng MATLAB Với các công cụ của MATLAB, người dùng có thể vẽ biểu đồ, tạo bảng dữ liệu, xuất và cập nhật giá trị dưới định dạng JSON, XML, CSV.
THI CÔNG PHẦN CỨNG
Mô hình trồng rau nuôi cá được thiết kế với khung sắt có kích thước 62x43cm và chiều cao 70cm, cho phép đặt bồn nuôi cá ở bên dưới và khay trồng rau ở trên Khung sắt này có tính năng tháo lắp dễ dàng, thuận tiện cho việc vận chuyển và lắp đặt.
Khay trồng rau được thiết kế với một ế nhựa cách ly phần ất sét nung, giúp ngăn ngừa tình trạng ngập nước do hệ thống thoát nước không kịp xử lý, từ đó bảo vệ cây trồng Khay có kích thước 60x40cm, được đặt trên khung sắt và có một lỗ thoát nước ở dưới đáy khay, cùng với hai lỗ khoan bên thân khay để tạo thành hệ thống tưới cho cây.
Bồn nuôi cá có kích thước 58x38cm được đặt trong khung sắt vững chắc, có hai lỗ nhỏ: một lỗ để bơm nước từ bồn lên tưới cho cây trồng và lỗ còn lại giúp nước chảy trở lại bồn.
Hình 4.11: Mô hình trước khi trồng rau và nuôi cá b Thi công mạch in
Từ sơ ồ mạch nguyên lí ã nêu ở phần 3.4, sử dụng phần mềm vẽ mạch ta ƣợc sơ ồ mạch in PCB nhƣ hình sau:
