Tài liệu Ứng dụng công nghệ cảm biến iot vào mô hình thủy canh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC TẾ SÀI GÒN NGUYỄN HUY ĐỨC HỒNG THÁI BÌNH PHẠM HOÀNG THIỆN VỸ ĐỒ ÁN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ CẢM BIẾN IOT VÀO MÔ HÌNH THỦY CANH CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÁY TÍNH TPHCM – 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC TẾ SÀI GÒN ĐỒ ÁN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ CẢM BIẾN IOT VÀO MÔ HÌNH THỦY CANH Chuyên ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH Mã số: 7480101 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: KS.Nguyễn Hoàng Duy SINH VIÊN THỰC HIỆN: Họ và tên: Nguyễn Huy Đức - Hồng Thái Bình - Phạm Hoàng Thiện Vỹ Mã số sinh viên: 91011901627 - 91012001864 - 81011901640 TPHCM – 2021 i LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đồ án nghiên cứu khoa học với đề tài "Ứng dụng công nghệ cảm biến IoT vào mô hình thủy canh". Lời đầu tiên chúng em xin được bày tỏ lời biết ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Hoàng Duy đã giúp đỡ tận tình chúng em trong suốt thời gian qua. Hơn nữa, đồ án của chúng em sẽ không thể hoàn thành tốt nếu không có sự hỗ trợ về cơ sở vật chất của Trường Đại học Quốc tế Sài Gòn. Thời gian thực hiện tuy ngắn, nhưng nhờ sự hướng dẫn của thầy, đã tạo cơ hội cho em áp dụng nền tảng các môn học ngành khoa học máy tính vào công tác nghiên cứu. Trong suốt thời gian hoàn thành đồ án, em đã có cơ hội rèn luyện được các kỹ năng làm việc và nâng cao hiểu biết của mình trong việc thực hiện viết báo cáo và xây dựng chương trình, từ đó nhận thức rõ hơn về tầm quan trọng của kiến thức cũng như kỹ năng thực hiện nghiên cứu khoa học. ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i MỤC LỤC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1 1.1 Lý do chọn đề tài . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Mục đích nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.3 Đối tượng sử dụng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.4 Phương pháp nghiên cứu 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 3 Công nghệ IoT (Internet of Things) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.1.1 Khái niệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.1.2 Xu hướng và tính chất của IoT . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.1.3 Sự phát triển . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Các yếu tố ảnh hưởng đến cây trồng . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.2.1 Nhiệt độ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.2.2 Ánh sáng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.2.3 Nước . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.3 Đề xuất giải pháp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.4 Ưu điểm giải pháp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.5 Nhược điểm giải pháp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.2 CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH THIẾT KẾ 7 3.1 Sơ đồ giải thuật của hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 3.2 Sơ đồ khối hệ thống tưới tự động . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 iii 3.3 Nội dung nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3.4 Xây dựng các module thành phần của hệ thống . . . . . . . . . . . 9 CHƯƠNG 4. TÌM HIỂU LINH KIỆN 4.1 4.2 Node MCU ESP 8266 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 4.1.1 Mô tả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 4.1.2 Thông số kỹ thuật . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 4.1.3 Sơ đồ chân . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Arduino Uno R3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 4.2.1 4.3 10 Mô tả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Cảm biến độ ẩm đất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 4.3.1 Mô tả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 4.3.2 Sơ đồ chân . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 CHƯƠNG 5. GIAO DIỆN HIỂN THỊ CỦA BLYNK 16 5.1 Giới thiệu chung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 5.2 Cách hoạt động . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 5.3 Cấu hình app Blynk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 5.4 Ưu điểm Blynk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 CHƯƠNG 6. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 18 6.1 Giao diện hiển thị của Blynk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 6.2 Mô hình thực tế . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 CHƯƠNG 7. KẾT LUẬN 21 7.1 Kết quả đạt được . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 7.2 Nhược điểm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 7.3 Hướng phát triển . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 TÀI LIỆU THAM KHẢO 23 iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 2.1 Sự phát triển của IoT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống tưới tự động . . . . . . . . . . . . . . . . 8 v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 4.1 Bảng thông số kỹ thuật của board Arduino Uno R3 . . . . . 14 Bảng 4.2 Bảng sơ đồ chân cảm biến độ ẩm đất . . . . . . . . . . . . . 15 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Lý do chọn đề tài Với sự phát triển của xã hội ngày nay, con người ngày càng cuốn vào vòng xoáy của công việc vì vậy việc chăm sóc một vườn rau tại nhà là một điều dường như bất khả thi. Biết được điều này, chúng em đã áp dụng công nghệ IoT và giúp việc trồng rau được thuận lợi và góp phần tăng năng suất, giảm công sức tiêu tốn để chăm sóc nhưng vẫn mang lại kết quả đáng mong đợi, em tìm cách tự động hóa một số công việc như chiếu sáng, tưới nước... để tối ưu quy trình sản xuất. Việc theo dõi nhiệt độ, độ ẩm, tình trạng thời tiết của vườn rau sẽ giúp người trồng có thể chủ động quyết định việc chăm sóc vườn một cách hợp lý từ xa mà vẫn đảm bảo hiệu quả sản xuất.. . Cách làm này sẽ tiết kiệm công sức, thời gian lao động đồng thời tăng tính hiệu quả kinh tế vì có thể tưới theo một lưu lượng nhất định, phù hợp với chu trình sinh trưởng của cây và tránh gây lãng phí không cần thiết trong suốt quá trình chăm sóc cây trồng. 1.2. Mục đích nghiên cứu Giảm được công sức, thời gian chăm sóc và cho năng suất vượt trội. Hệ thống cảm biến sẽ thu thập thông tin về môi trường như nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất.... từ đó có những điều chỉnh phù hợp với sự phát triển của cây trồng dựa vào chu kỳ sinh trưởng của cây. Dữ liệu thu thập được sẽ được hiển thị qua ứng dụng, giúp người dùng dễ dàng theo dõi được quá trình sinh trưởng của cây. 2 1.3. Đối tượng sử dụng Các hộ gia đình có mô hình vườn rau quy mô vừa và nhỏ. 1.4. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu được tiến hành như sau : Tìm hiểu cách thức hoạt động của board mạch Arduino. Tìm hiểu về các cảm biến cần thiết và cách kết nối các cảm biến với board mạch chính để thu thập dữ liệu. Xây dựng sơ đồ giải thuật, nguyên lý hoạt động của hệ thống dựa vào chu kỳ sinh trưởng của cây trồng cùng các yếu tố môi trường thu thập được. Xây dựng mô hình thực tế. Tiến hành chạy thử và đánh giá tính hiệu quả của mô hình. 3 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Công nghệ IoT (Internet of Things) 2.1.1. Khái niệm Internet Vạn Vật, hay cụ thể hơn là Mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc là Mạng lưới thiết bị kết nối Internet (tiếng Anh: Internet of Things, viết tắt IoT) là một khái niệm được đưa ra bởi Kenvin Ashton vào năm 1999 dùng để chỉ các thiết bị có thể nhận biết cũng như chỉ ra sự tồn tại của chúng trong một khối kiến trúc mang tính kết nối. Trong đó các thiết bị, phương tiện vận tải (được gọi là "thiết bị kết nối" và "thiết bị thông minh"), phòng ốc và các trang thiết bị khác được nhúng với các bộ phận điện tử, phần mềm, cảm biến, cơ cấu chấp hành cùng với khả năng kết nối mạng máy tính giúp cho các thiết bị này có thể thu thập và truyền tải dữ liệu. Ở môi trường này, mỗi một con người, thiết bị hay con người đều được gắn với một mã số định danh riêng. Chúng giao tiếp với nhau qua mã số này mà không cần đến sự tác động của con người. Hiểu một cách đơn giản, Internet of Things là môi trường mà ở đó mọi vật được kết nối với internet và "giao tiếp" với nhau. Thông qua đó, con người có thể theo dõi, giám sát và điều khiển các thiết bị thông qua các thiết bị thông minh như điện thoại di động, máy tính bảng,... được kết nối với internet. 4 2.1.2. Xu hướng và tính chất của IoT 2.1.2.1. Thông minh Mục tiêu khi thực hiện hệ thống IoT là xây dựng được mạng lưới các thực thể có khả năng tự tổ chức và hoạt động theo từng tình huống, môi trường khác nhau. Đồng thời giữa các thực thể cũng có sự kết nối, chia sẻ dữ liệu qua lại lẫn nhau. 2.1.2.2. Kiến trúc dựa trên sự kiện Các thiết bị hoạt động trong hệ thống IoT sẽ phản hồi các sự kiện diễn ra trong lúc chúng hoạt động theo thời gian thực. Một mạng lưới các sensor chính là một thành phần cơ bản của hệ thống IoT. 2.1.2.3. Phức tạp IoT là một hệ thống cực kỳ phức tạp khi đòi hỏi rất nhiều thiết bị kết nối với nhau. Mạng lưới IoT có thể chứa từ 50 đến 100 nghìn tỉ đối tượng được kết nối mạng và mạng lưới này sẽ theo dõi hoạt động của từng đối tượng cụ thể. 2.1.2.4. Vấn đề không gian, thời gian Về lý thuyết, IoT sẽ là hệ thống thu thập rất nhiều dữ liệu, trong đó có dữ liệu về vị trí chính xác của một vật nào đó. So với Internet được quản lý và xử lý thông tin bởi con người, hệ thống IoT sẽ thu thập thêm rất nhiều dữ liệu thừa không cần thiết trong quá trình xử lý thông tin. Ngoài ra, việc xử lý một khối lượng dữ liệu lớn trong một khoảng thời gian ngắn để đáp ứng nhu cầu của các đối tượng cũng là thách thức không nhỏ hiện 5 nay khi áp dụng hệ thống IoT với quy mô lớn. 2.1.2.5. Các hệ thống phụ Ngoài ra, việc xử lý một khối lượng dữ liệu lớn trong một khoảng thời gian ngắn để đáp ứng nhu cầu của các đối tượng cũng là thách thức không nhỏ hiện nay khi áp dụng hệ thống IoT với quy mô lớn. 2.1.3. Sự phát triển Trên thế giới hiện nay, tác động của IoT rất đa dạng ở nhiều lĩnh vực như kinh tế, giáo dục, dịch vụ y tế, kỹ thuật, giao thông, xây dựng, quản lý cơ sở hạ tầng... IoT được coi là chìa khóa của sự thành công, là bước ngoặt và cơ hội lớn của tương lai để tối ưu hóa mọi vấn đề đang hiện hữu, phục vụ để nâng cao giá trị cuộc sống của người dùng. Hình 2.1: Sự phát triển của IoT 6 2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến cây trồng 2.2.1. Nhiệt độ Gồm có nhiệt độ không khí và nhiệt độ đất. Nhiệt độ tác động lên cây trồng bằng nhiều cách : + Bằng số lượng, trị số nhiệt; + Bằng biến động của trị số nhiệt độ; 2.2.2. Ánh sáng Gồm có thành phần ánh sáng, cường độ ánh sáng, thời gian chiếu sáng. 2.2.3. Nước Gồm có độ ẩm không khí, độ ẩm đất. Nước tác động lên cây trồng thông qua khối lượng và chất lượng. 2.3. Đề xuất giải pháp Chủ động tưới nhỏ giọt nếu độ ẩm đất < 50%. 2.4. Ưu điểm giải pháp Tiết kiệm nước, tránh gây ứ đọng không cần thiết. Tưới nhỏ giọt tiết kiệm 40 - 50% nước so với phương pháp tưới mặt. Nước tác động lên cây trồng thông qua khối lượng và chất lượng. 2.5. Nhược điểm giải pháp Giá thành đầu tư ban đầu cao. 7 CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH THIẾT KẾ 3.1. Sơ đồ giải thuật của hệ thống 3.2. Sơ đồ khối hệ thống tưới tự động Tại đây chúng em mô tả sơ đồ giải thuật khi nhận được dữ liệu đầu vào (độ ẩm đất). Sau đó chúng em xét điều kiện nếu độ ẩm đất < 60% thì nước sẽ tự động tưới. Tỷ lệ 60% chúng em rút ra được từ việc nghiên cứu độ ẩm đất của nhiều loại đất khác nhau, ở môi trường khác nhau. Nếu độ ẩm đất > 60% thì nước sẽ không tưới mà quay lại nhận dữ liệu. 8 Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống tưới tự động 9 3.3. Nội dung nghiên cứu Nội dung thực hiện đề tài nghiên cứu được phân chia theo một trật tự nhất định và xây dựng dựa trên các nền tảng kiến thức cơ bản đi từ mức độ đơn giản và nâng dần sự phức tạp trong việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống. Các nội dung nghiên cứu chính của đề tài có thể được phân chia như sau: - Nghiên cứu board mạch Arduino và những chức năng liên quan. - Nghiên cứu về phương thức truyền wifi thông qua ESP8266 . - Nghiên cứu các loại cảm biến cần thiết phục vụ cho nội dung đề tài. - Xây dựng các yêu cầu của các loại cây trồng khác nhau. - Xây dựng việc hiển thị, điều khiển hệ thống từ xa qua app. - Tiến hành xây dựng mô hình thực tế dựa vào các nội dung đã nghiên cứu, xây dựng và phát triển. 3.4. Xây dựng các module thành phần của hệ thống Dựa trên các loại cảm biến cũng như mục đích của đề tài, đề tài sẽ được chia thành các module thành phần như sau: - Module thông tin đầu vào là thông tin từ các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm,... - Module thông tin đầu ra là bật/ tắt van nước điện tử dựa vào các thông số thu thập được cho phù hợp với mục đích. - Module điều khiển trung tâm của hệ thống là Node MCU ESP8266 và Arduino. - Ứng dụng hiển thị thông tin thu thập được module đầu vào để người dùng theo dõi cũng như đưa ra quyết định tương ứng. 10 CHƯƠNG 4. TÌM HIỂU LINH KIỆN 4.1. Node MCU ESP 8266 4.1.1. Mô tả Kít ESP8266 là kít phát triển dựa trên nền chíp Wifi SoC ESP8266 với thiết kế dễ dàng sửa dụng vì tích hợp sẵn mạch nạp sử dụng chíp CP2102 trên borad. Bên trong ESP8266 có sẵn một lõi vi sử lý vì thế bạn có thể trực tiếp lập trình cho ESP8266 mà không cần thêm bất kì con vi sử lý nào nữa. Hiện tại có hai ngôn ngữ có thể lập trình cho ESP8266, sử dụng trực tiếp phần mềm IDE của Arduino để lập trình với bộ thư viện riêng hoặc sử dụng phần mềm node MCU. 4.1.2. Thông số kỹ thuật Ic chính ESP8266 Wifi SoC Chip nạp CP2102 Nguồn cấp 5vdc GPIO giao tiếp mức logic 3.3v 4.1.3. Sơ đồ chân Có hỗ trợ Flash ngoài 64 Kb RAM thực thi lệnh 96 Kb RAM dữ liệu 64 Kb boot ROM Hỗ trợ WPA/WPA2, Open Netwwork Chuẩn IEEE 802.11 b/g/n , Wifi 2.4 Ghz 11 Tích hợp sẵn giao thức TCP/IP Hỗ trợ kết nối nhiều loại angten Hỗ trợ nhiều giao thức khác nhau: UART, SPI, I2C, PWM... Dải nhiệt rộng: -40 oC 125oC 12 13 4.2. Arduino Uno R3 4.2.1. Mô tả Arduino Uno R3 là dòng sản phẩm thông dụng nhất trong họ Arduino. Arduino Uno R3 được xây dựng với vi điều khiển trung tâm là chip ATMega328 phù hợp với hầu hết các ứng dụng điện tử hiện nay và được hỗ trợ toàn bộ thư viện lập trình của Arduino.