(Đồ án tốt nghiệp) THIẾT kế hệ THỐNG điều KHIỂN và GIÁM sát PHÂN tán vườn THÔNG MINH sử DỤNG VI điều KHIỂN THÔNG QUA MẠNG LORA và INTERNET 2
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.14 MB, 162 trang )
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC
KHIỂN THÔNG QUA MẠNG LORA VÀ INTERNET 2022
TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT PHÂN TÁN VƯỜN THÔNG MINH SỬ DỤNG VI ĐIỀU
Họ và tên sinh viên: Đặng Quốc Dũng – Huỳnh Tấn Vũ
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ
ĐỘNG HÓA
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ
GIÁM SÁT PHÂN TÁN VƯỜN THÔNG MINH
SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN THÔNG QUA
MẠNG LORA VÀ INTERNET.
Người hướng dẫn:
TS. Phạm Thanh Phong
Sinh viên thực hiện: Đặng Quốc Dũng
Huỳnh Tấn Vũ
Mã sinh viên:
1811505520114
1811505520163
Lớp:
18TDH1
18TDH1
Đà Nẵng, 05/2022
TIEU LUAN MOI download :
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC
NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ
ĐỘNG HÓA
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ
GIÁM SÁT PHÂN TÁN VƯỜN THÔNG MINH
SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN THÔNG QUA
MẠNG LORA VÀ INTERNET.
Người hướng dẫn:
TS. Phạm Thanh Phong
Sinh viên thực hiện: Đặng Quốc Dũng
Huỳnh Tấn Vũ
Mã sinh viên:
1811505520114
1811505520163
Lớp:
18TDH1
18TDH1
Đà Nẵng, 05/2022
TIEU LUAN MOI download :
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
TIEU LUAN MOI download :
NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
TIEU LUAN MOI download :
TĨM TẮT
Đề tài này trình bày về kết quả thiết kế hệ thống điều khiển, giám sát phân tán
vườn thông minh thơng qua mạng Lora và Internet. Mơ hình được thiết kế sát với các
điều kiện thực tế, sử dụng vi điều khiển ESP8266 làm bộ điều khiển của trạm điều
khiển trung tâm, Arduino làm bộ điều khiển tại các trạm khu vực. Trạm điều khiển
trung tâm giao tiếp với Server thông qua Internet, đồng thời trạm điều khiển trung tâm
giao tiếp, truyền nhận dữ liệu với các trạm khu vực thông qua mạng Lora. Kết cấu của
hệ thống được thiết kế để đáp ứng được mơ hình thực tế của vườn thơng minh… Mơ
hình hệ thống vận hành tốt, ổn định, chứng minh được hiệu quả của phương án được
đề xuất trong đề tài. Ngoài ra, kết quả đưa ra cho thấy khi sử dụng hệ thống này cho
thấy có nhiều ưu điểm như: giảm nhân cơng, tăng năng suất cũng như giảm chi phí sản
xuất …Với các ưu điểm trên chúng ta có thể thấy việc sử dụng hệ thống tự động này
phục vụ trong thực tế vừa tận dụng được nguồn nhân công và năng suất, chất lượng đạt
mong muốn. Hệ thống dễ dàng giám sát cũng như điều khiển. Việc tiến hành cải tạo hệ
thống đơn giản nhưng mang lại hiệu quả thiết thực, tiết kiệm được khoảng chi phí
cũng như cắt giảm được lượng lớn nhân công.
TIEU LUAN MOI download :
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
CỘNG HỊA XÃ HƠI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Giảng viên hướng dẫn: TS. Phạm Thanh Phong
Sinh viên thực hiện:
Đặng Quốc Dũng
Huỳnh Tấn Vũ
Mã SV: 1811505520114
1811505520163
1. Tên đề tài:
Thiết kế hệ thống điều khiển và giám phân tán vườn thông minh sử dụng vi điều
khiển thông qua mạng Lora và Internet.
2. Các số liệu, tài liệu ban đầu:
− Tham khảo sách và các tài liệu liên quan đến đề tài.
− Tìm hiểu, tham khảo các đề tài liên quan đến đề tài của nhóm.
3. Nội dung chính của đồ án:
Khảo sát về vườn thơng minh và các thơng số cần có của một vườn thơng minh.
Đưa ra các chức năng chính của hệ thống, yêu cầu thiết kế và phạm vi sử dụng.
Thiết kế mơ hình tồn hệ thống.
Thiết kế các trạm thu thập dữ liệu và điều khiển tại các khu vực nhỏ của vườn
sử dụng vi điều khiển Arduino.
5. Thiết kế trạm thu thập dữ liệu và điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển
1.
2.
3.
4.
ESP8266, kết nối với các trạm khu vực thông qua mạng Lora và truyền thông
với Server bằng Internet.
6. Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển vườn.
7. Báo cáo, thuyết minh đề tài.
4. Các sản phẩm dự kiến
− Mơ hình vườn thơng minh.
− Chương trình điều khiển.
TIEU LUAN MOI download :
− Giao diện giám sát, điều khiển.
− Báo cáo, thuyết minh đề tài.
5. Ngày giao đồ án: 21/02/2022
6. Ngày nộp đồ án: 30/05/2022
Đà Nẵng, ngày 20 tháng 04 năm 2022
Trưởng Bộ môn
Người hướng dẫn
TIEU LUAN MOI download :
LỜI NĨI ĐẦU
Vườn thơng minh là một bài tốn đã và đang được ứng dụng rất nhiều trong thực
tế hiện nay. Dùng sức người, công việc này đỏi hỏi nhân cơng và có tính lặp đi lặp lại
nên các cơng nhân khó đảm bảo được sự chính xác trong cơng việc. Chưa kể đến có
những cơng việc chăm sóc vườn cần một lượng lớn nhân cơng. Điều đó sẽ ảnh hưởng
trực tiếp tới tiến độ, chất lượng sản phẩm và uy tín của nhà sản xuất. Vì vậy, hệ thống
vườn thông minh ra đời là một sự phát triển tất yếu nhằm đáp ứng nhu cầu cấp bách
này.
Sau khi tham quan gián tiếp trên mạng các hệ thống vườn thông minh, nhóm
chúng em nhận thấy cơng nghệ điều khiển tự động hóa được áp dụng chiếm khoảng
80-90%. Giảm được một lượng lớn nhân cơng, đồng thời sự chính xác gần như hồn
hảo trong q trình làm việc đã mang tới năng suất rất cao cho đơn vị sản xuất.
Hơn nữa, các hệ thống vườn thông minh này sử dụng các dây dẫn để truyền tín
hiệu cảm biến thu thập được về bộ xử lý trung tâm để xử lý. Điều này làm cho hệ
thống trở nên phức tạp, rườm rà. Đồng thời, ở các khu nông trại hoặc những khu vườn
rộng lớn, việc truyền tín hiệu bằng dây dẫn rất khó thực hiện vì chi phí cho dây dẫn
khá lớn. Tuy nhiên, ta có thể sử dụng các phương án khác như truyền bằng tín hiệu
khơng dây, vừa an tồn mà chi phí lại thấp.
Bên cạnh đó, nhiều khu vườn cũng như nông trại tại nước ta chưa áp dụng các
mơ hình vườn thơng minh do giá cả hoặc lý do khác. Vì lẽ đó, chúng em đã lên ý
tưởng và thực hiện đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát phân tán vườn
thông minh sử dụng vi điều khiển thông qua mạng Lora và Internet”.
Là sinh viên ngành Tự động hóa, việc trang bị cho mình những kiến thức về điều
khiển tự động là một điều cần thiết. Và Đồ án tốt nghiệp là một công cụ hữu hiệu để
em bổ sung, mở rộng và tổng kết kiến thức căn bản về điện, về ngành tự động. Mặc dù
vậy, với vị trí là một sinh viên còn đang ngồi trên ghế nhà trường, với kiến thức và
kinh nghiệm thực tế chưa nhiều chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em
rất mong nhận được nhiều ý kiến góp ý của q thầy cơ trong hội đồng để chúng em
có thêm những kiến thức quý báu. Chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến thầy
TS. Phạm Thanh Phong, người đã tận tình hướng dẫn chúng em trong suốt quá trình
thực hiện đồ án này.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
-i
TIEU LUAN MOI download :
CAM ĐOAN
Nhóm chúng em xin cam đoan
1. Sẽ cố gắng dùng những kiến thức đã có và học trên trường, cũng như được thầy
TS. Phạm Thanh Phong hướng dẫn tận tình để nghiên cứu thiết kế ra hệ thống vườn
thơng minh này, cũng như thiết kế đưa ra ý tưởng hệ thống này và kết quả cuối cùng là
hoàn thiện mô hoạt động theo ý muốn đã đề ra và dễ dàng điều khiển, giám sát.
2. Những nội dung trong đồ án này là do nhóm chúng em thực hiện dưới sự hướng
dẫn trực tiếp của thầy TS. Phạm Thanh Phong. Mọi tham khảo tài liệu dùng trong đồ
án đều được nhóm chúng em trích dẫn rõ ràng tên tác giả, thời gian, địa điểm công bố.
Sinh viên thực hiện
Đặng Quốc Dũng
Huỳnh Tấn Vũ
-ii
TIEU LUAN MOI download :
MỤC LỤC
DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ .........................................................................vi
DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT .........................................................ix
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG VƯỜN THÔNG MINH ..........................2
1.1. Tổng quan sơ lược về hệ thống vườn thông minh .............................................2
1.2. Lợi ích của vườn thông minh .............................................................................3
1.2.1. Đạt hiệu quả cao. .........................................................................................3
1.2.2. Nhân rộng nông nghiệp. ..............................................................................3
1.2.3. Tiết kiệm tài nguyên, nhân cơng và chi phí sản xuất. .................................3
1.2.4. Quy trình sạch, nhanh chóng .......................................................................4
1.2.5. Nâng cao năng suất, chất lượng và hiệu quả sản xuất. ............................... 4
1.3. Một số mô hình về vườn thơng minh trong và ngồi nước ............................... 4
1.3.1.
Tình hình ngồi nước......................................................................................4
1.3.2.
Tình hình trong nước ......................................................................................6
1.4. Lý do chọn đề tài................................................................................................ 7
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH VƯỜN THƠNG MINH TRONG
ĐỀ TÀI ............................................................................................................................ 9
2.1. Các điều kiện, đặc tính sinh trưởng của cây trồng. ............................................9
2.1.1.
Đặc tính quang hợp của cây xanh ...................................................................9
2.1.2. Ảnh hưởng của ánh sáng đến quang hợp ....................................................9
2.1.3. Ảnh hưởng của nồng độ CO2 ....................................................................10
2.1.4. Ảnh hưởng của nước .................................................................................11
2.1.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ ............................................................................11
-iii
TIEU LUAN MOI download :
2.1.6. Ảnh hưởng của nguyên tố khoáng ............................................................ 12
2.2. Tăng năng suất cây trồng .................................................................................12
2.3. Các phương án có thể áp dụng .........................................................................12
2.3.1.
Hệ thống điều khiển, giám sát tập trung .......................................................13
2.3.2.
Hệ thống điều khiển, giám sát phân tán .......................................................14
2.4. Kết luận ............................................................................................................15
CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH VƯỜN THƠNG MINH PHÂN TÁN TRONG ĐỀ TÀI ......17
3.1. Sơ đồ khối và chức năng của tồn bộ hệ thống ...............................................17
3.2. Tính tốn lựa chọn linh kiện phần cứng .......................................................... 19
3.2.1. Phần cứng trạm điều khiển trung tâm .......................................................19
3.2.2. Phần cứng trạm thu thập dữ liệu khu vực .................................................23
3.3. Các chuẩn truyền thơng chính được chọn trong đề tài ....................................32
3.3.1. Chuẩn truyền thông Lora ..........................................................................32
3.3.2. Chuẩn truyền thông Internet......................................................................37
3.3.2.5.
Kết luận ..................................................................................................39
3.3.3. Chuẩn truyền thông không dây Wi-Fi.......................................................39
3.3.4. Dữ liệu JSON ............................................................................................ 41
3.4. Quy trình hoạt động của mơ hình vườn thơng minh điều khiển phân tán .......44
3.4.1. Lựa chọn quy trình cơng nghệ ..................................................................44
3.4.2. Ngun lý hoạt động .................................................................................45
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MẠCH PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM CHO CÁC TRẠM
THU THẬP DỮ LIỆU KHU VỰC VÀ TRUNG TÂM TRONG ĐỀ TÀI...................46
4.1. Trạm điều khiển trung tâm. ..............................................................................46
4.1.1. Thiết kế phần cứng. ...................................................................................46
4.1.2. Lưu đồ thuật toán. .....................................................................................48
4.2. Trạm thu thập dữ liệu khu vực. ........................................................................56
4.2.1. Thiết kế phần cứng ....................................................................................56
-iv
TIEU LUAN MOI download :
4.2.2. Lưu đồ thuật toán ......................................................................................59
CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ GIAO DIỆN GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN ......................63
5.1. Thiết kế Server của đồ án.................................................................................63
5.2. Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển .......................................................65
5.3. Xây dựng cơ sở dữ liệu (Database) ..................................................................68
5.3.1. Tạo Database ............................................................................................. 68
5.3.2. Tạo các trường lưu dữ liệu ........................................................................70
KẾT LUẬN ...................................................................................................................73
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 1
PHỤ LỤC ........................................................................................................................3
-v
TIEU LUAN MOI download :
DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ
Bảng 2. 1: So sánh hai phương án xây dựng mơ hình hệ thống ....................................15
Bảng 3. 1: Sơ đồ chân và chức năng của mạch RF. [7]. Error! Bookmark not defined.
Bảng 3. 2: Bảng sơ đồ chân cảm biến độ ẩm đất [11] ...................................................26
Bảng 3. 3: Thông số của Arduino Uno R3. [12] ........................................................... 28
Bảng 3. 4: Thông số kỹ thuật Arduino Nano [13] .........................................................30
Bảng 3. 5: Kết nối các chân ICSP với vi điều khiển khác khi Arduino là mạch nạp [13]
.......................................................................................................................................32
Hình 1. 1: Minh họa về ứng dụng IoT trong nông nghiệp [1] .........................................2
Hình 1. 2 Mơ hình vườn rau thẳng đứng tại Nhật Bản [3] ..............................................5
Hình 1. 3: Hình ảnh giao diện người dùng, thiết bị và khu vực làm việc .......................6
Hình 1. 4 Hệ thống tưới cây tự động của kỹ sư Vi Tồn Nghĩa [3] ................................ 7
Hình 2. 1: Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng đến cường độ quang hợp .......................9
Hình 2. 2: Cường độ hấp thụ ánh sáng của các loại sắc tố quang hợp [5] ....................10
Hình 2. 3:Sự phụ thuộc của quang hợp vào nồng độ CO2 [5] .......................................10
Hình 2. 4: Sự phụ thuộc của quang hợp vào nồng độ CO2 [5] ......................................11
Hình 2. 5: Sơ đồ mơ hình điều khiển tập trung của hệ thống thời gian thực ................13
Hình 2. 6 Cấu trúc điều khiển phân tán .........................................................................14
Hình 3. 1: Sơ đồ tồn bộ hệ thống vườn thơng minh ....................................................17
Hình 3. 2 Sơ đồ khối của tồn bộ mơ hình hệ thống .....................................................17
Hình 3. 3: Mạch thu phát sóng RF SPI Lora SX1278 433Mhz Ra-02 Ai-Thinker [7] .19
-vi
TIEU LUAN MOI download :
Hình 3. 4: Module ESP-01 [8] .......................................................................................22
Hình 3. 5: Module thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua CH340 [9] .......................22
Hình 3. 6: Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 [10] ........................................................24
Hình 3. 7: Sơ đồ kết nối cảm biến DHT11 với vi điều khiển [10] ................................ 25
Hình 3. 8: Cảm biến độ ẩm đất (Soil Moisture Sensor) [11].........................................25
Hình 3. 9: Arduino Board [12] ......................................................................................27
Hình 3. 10: Arduino IDE ............................................................................................... 27
Hình 3. 11: Sơ đồ chân Arduino Nano [13] ..................................................................31
Hình 3. 12: Chân ICSP của Arduino Nano [13] ............................................................ 32
Hình 3. 13: Khoảng cách sử dụng của Lora [14] .......................................................... 33
Hình 3. 14: Radio Packet của Lora [15] ........................................................................35
Hình 3. 15: LoraWAN ...................................................................................................36
Hình 3. 16 Nguyên tắc hoạt động của mạng Wi-Fi .......................................................40
Hình 4. 1: Sơ đồ mạch nguyên lý của trạm điều khiển trung tâm .................................46
Hình 4. 2: Mạch in phần cứng trạm điều khiển trung tâm ............................................47
Hình 4. 3: Hình ảnh mạch điều khiển trung tâm thực tế ...............................................47
Hình 4. 4: Lưu đồ thuật tốn của chương trình trạm điều khiển trung tâm...................48
Hình 4. 5: Hình ảnh Webserver thực tế khi kết nối Wi-Fi ............................................50
Hình 4. 6: Lưu đồ thuật tốn việc nhận dữ liệu thơng qua Lora ...................................51
Hình 4. 7: Lưu đồ thuật toán nhận dữ liệu từ CSDL .....................................................53
Hình 4. 8: Lưu đồ thuật tốn nhận dữ liệu từ trạm khu vưc ..........................................54
Hình 4. 9: Lưu đồ thuật tốn chương trình xác định chế độ hoạt động của hệ thống ...55
Hình 4. 10: Sơ đồ mạch điều khiển chính trạm khu vực sử dụng Arduino Uno ...........57
Hình 4. 11: Sơ đồ mạch điều khiển chính trạm khu vực sử dụng Arduino Nano .........57
Hình 4. 12: Sơ đồ mạch điện cơ cấu chấp hành của các khu vực trung tâm .................58
Hình 4. 13: Sơ đồ mạch in sử dụng Arduino Uno .........................................................58
-vii
TIEU LUAN MOI download :
Hình 4. 14: Sơ đồ mạch in sử dụng Arduino Nano .......................................................59
Hình 4. 15: Lưu đồ thuật tốn chương trình chính của trạm khu vực ........................... 59
Hình 4. 16: Lưu đồ thuật toán nhận dữ liệu Lora của trạm khu vực ............................. 60
Hình 4. 18: Sơ đồ mạch điện thực tế ở trạm khu vực sử dụng Arduino Nano ..............61
Hình 4. 17: Sơ đồ mạch điện thực tế ở trạm khu vực sử dụng Arduino Uno ................62
Hình 5. 1: Thơng tin dịch vụ Hosting của đồ án ........................................................... 64
Hình 5. 2: Free Hosting của đồ án .................................................................................64
Hình 5. 3: Thư mục public_html trong cPanel của Hosting ..........................................65
Hình 5. 4: Trang đăng nhập vào giao diện giám sát của hệ thống ................................ 66
Hình 5. 5: Giao diện giám sát của hệ thống ..................................................................67
Hình 5. 6: Giao diện điều khiển thiết bị của hệ thống. ..................................................67
Hình 5. 7: Biểu đồ giám sát nhiệt độ, độ ẩm .................................................................68
Hình 5. 8: Mục DATABASE trong cPanel ...................................................................69
Hình 5. 9: Vùng nhập liệu tạo mới database .................................................................69
Hình 5. 10: Tạo tên đăng nhập và mật khẩu truy cập Database ....................................69
Hình 5. 11: Cấp quyền truy cập Database .....................................................................70
Hình 5. 12: Giao diện quản lý Database ........................................................................70
Hình 5. 13: Giao diện tạo mới bảng lưu dữ liệu ............................................................ 71
Hình 5. 14: Bảng sau khi đã tạo các trường lưu dữ liệu ................................................71
-viii
TIEU LUAN MOI download :
DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
CHỮ VIẾT TẮT:
Chữ viết tắt
Tên đầy đủ
Ý nghĩa
IoT
Internet of Things
Kết nối vạn vật
CSDL
Cơ sở dữ liệu
Nơi lưu dữ liệu
JSON
Javascript Object Nation
Kiểu định dạng dữ liệu
Lora
Long Range Radio
Công nghệ không dây tầm xa
LoraWAN
Long Range Wide
Mạng không dây tầm xa
Database/
Area Network
Wi-Fi
Truy cập Internet không dây
Wireless Fidelity
Server-Client
Máy chủ - Máy khách
Hosting
Nơi chứa cơ sở dữ liệu, giao diện
HTTP/HTTPS HyperText Transfer Protocol
Giao thức truyền tải siêu văn bản
-ix
TIEU LUAN MOI download :
Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát phân tán vườn thông minh sử dụng vi điều khiển thông qua mạng Lora
và Internet
MỞ ĐẦU
Hiện nay, việc phát triển của thế giới điện tử số ngày càng nhanh chóng và
mạnh mẽ, điện tử số - cụ thể là vi xử lí ngày càng trở nên đa dạng và các ứng dụng
cũng gần gũi với chúng ta hơn. Cùng với sự phát triển đa dạng của ngành cơng nghệ
vi xử lí nên tài nguyên của vi xử lý cũng được nâng cao để đáp ứng các ứng dụng
khác trong thực tế. Mạng Internet ngày càng ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực
của đời sống xã hội. Công nghệ ngày càng phát triển địi hỏi nhu cầu ứng dụng vào
ngành cơng nghiệp nhằm giảm lao động, giúp con người kiểm tra và giám sát một
cách nhanh chóng và hiệu quả, đảm bảo sức khỏe nhân công để không ảnh hướng
xấu đến chất lượng sản phẩm, yêu cầu xử lý vấn đề nhanh chóng đạt mục tiêu mình
mong muốn, … đem lại hiệu quả cao cho nền công nghiệp và nông nghiệp ngày càng
tiên tiến. Sự phát triển của kĩ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với đặc
điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ là những yếu tố cần thiết
cho hoạt động của con người, đạt hiệu quả cao và tiện lợi. Một trong những ứng
dụng quan trọng trong công nghệ điện tử là kỹ thuật điều khiển từ xa. Nó đã góp
phần rất lớn trong việc điều khiển các thiết bị từ xa nhằm đáp ứng nhu cầu của con
người, giúp tiết kiệm thời gian và quản lý dễ dàng hơn.
Bắt nguồn từ cảm hứng và những nhu cầu cần thiết đó nhóm em đã quyết định
chọn đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển và giám phân tán vườn thông minh sử
dụng vi điều thông qua mạng Lora và Internet”.
SVTH: Đặng Quốc Dũng, Huỳnh Tấn Vũ
Người hướng dẫn: TS. Phạm Thanh Phong
TIEU LUAN MOI download :
1
Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát phân tán vườn thông minh sử dụng vi điều khiển thông qua mạng Lora
và Internet
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG VƯỜN THÔNG MINH
1.1. Tổng quan sơ lược về hệ thống vườn thông minh
Thời đại mới cùng với sự phát triển của kĩ thuật công nghệ. Ngày nay con người
với sự hỗ trợ của công nghệ đã biến cuộc sống của mình trở nên thuận tiện và dễ dàng
hơn. Một trong những bước tiến quan trọng trong nông nghiệp phải kể đến đó là việc
ứng dụng IoT vào hệ thống nơng nghiệp (Hình 1.1). Một trong những phát minh tạo ra
bước tiến lớn cho lĩnh vực nơng nghiệp đó là vườn thơng minh.
Hình 1. 1: Minh họa về ứng dụng IoT trong nông nghiệp [1]
Tuy nhiên, nền nông nghiệp của nước ta vẫn cịn lạc hậu cũng như chưa có nhiều
ứng dụng khoa học kĩ thuật được áp dụng vào thực tế. Rất nhiều quy trình kĩ thuật
trồng trọt, chăm sóc được tiến hành một cách chủ quan và không đảm bảo được đúng
u cầu. Có thể nói trong nơng học, ngồi những kĩ thuật trồng trọt, chăm sóc thì tưới
nước là một trong các khâu quan trọng nhất trong trồng trọt, để đảm bảo cây sinh
trưởng và phát triển bình thường, tưới đúng và tưới đủ theo yêu cầu nông học của cây
trồng sẽ không sinh bệnh, hạn chế thuốc trừ sâu cho sản phẩm an toàn, đạt năng suất
cao, hiệu quả cao.
Đồng thời, hiện nay nước ta đang trong giai đoạn cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa
các thiết bị máy móc tự động được đưa vào phục vụ thay thế sức lao động của con
người ngày càng nhiều hơn. Vì vậy thiết bị giám sát, vận hành tự động đang được
nghiên cứu, thiết kế chế tạo đưa vào sử dụng thực tiễn được áp dụng ngày càng nhiều.
SVTH: Đặng Quốc Dũng, Huỳnh Tấn Vũ
Người hướng dẫn: TS. Phạm Thanh Phong
TIEU LUAN MOI download :
2
Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát phân tán vườn thông minh sử dụng vi điều khiển thông qua mạng Lora
và Internet
Việc tính tốn để lựa chọn thiết bị cho hệ thống giám sát các thông số trong vườn
cũng như các các thiết bị tưới tiêu, chiếu sáng phù hợp với các loại cây trồng, điều
kiện kinh tế, kỹ thuật là việc cần thiết. [1]
Thiết kế một hệ thống giám sát, tưới tiêu tự động giúp người trồng khơng phải
tốn chi phí nhân cơng cũng như cơng sức lao động. Với hệ thống này, việc giám sát,
tưới tiêu sẽ là tự động theo nhiệt, độ ẩm cao hay thấp, … Hoặc người dùng có thể giám
sát cũng như điều khiển các thiết bị trong khu vườn của mình thơng qua một thiết bị
thơng minh có kết nối Interet như điện thoại thơng minh, laptop, máy tính bảng, …
1.2. Lợi ích của vườn thơng minh
1.2.1. Đạt hiệu quả cao.
Việc áp dụng IoT (Internet of Things – kết nối các thiết bị vật lý thông qua
Internet, giúp thu thập và chia sẽ dữ liệu với nhau) vào vườn thông minh giúp đạt được
năng suất cao trong thời gian ngắn, cây trồng phát triển và sinh trưởng trong môi
trường lý tưởng với các hệ thống tự động. Việc trồng trọt số lượng lớn cây nơng
nghiệp với diện tích đất ngày càng thu hẹp cũng như sự biến đổi khí hậu tồn cầu đang
là bài tốn đối với những người nơng dân. Vì vậy mà việc ứng dụng IoT vào việc trồng
trọt giúp nắm bắt kịp thời các nhân tố ảnh hưởng tới sự sinh trưởng và phát triển của
cây trồng là điều phi thường cần thiết, giúp ta có thể xử lý sớm cũng như dự phịng
tình huống tiếp theo có thể xảy ra một cách chính xác hơn.
1.2.2. Nhân rộng nơng nghiệp.
Nếu trước kia người làm nơng phải có diện tích đất lớn để gieo trồng, ngày nay,
với cơng nghệ IoT cùng nhiều phương pháp trồng như khí canh, thủy canh, nhà kính,
có thể canh tác tại trong thành phố. Việc diện tích đất ở ngày càng tăng, đồng nghĩa
với việc diện tích đất trồng trọt nơng sản cũng ngày càng giảm. Bên cạnh đó, số lượng
người dân sinh sống tại các khu vực đô thị ngày càng nhiều. Do đó, áp lực về chất
lượng và giá của nơng sản ngày càng cao. Vì vậy, việc trồng trọt, canh tác trong các hệ
thống thủy canh hay nhà kính dựa trên IoT sẽ là một sự lựa chọn hoàn hảo để giải
quyết các vấn đề trên. Việc canh tác trong một hệ thống khép kín, tự động cho phép
mọi người có thể trồng trọt các các nông sản cần thiết tại nơi mong muốn như trên sân
thượng, trong vườn, ban công hay là các khu vực hẹp khác, …
1.2.3. Tiết kiệm tài ngun, nhân cơng và chi phí sản xuất.
SVTH: Đặng Quốc Dũng, Huỳnh Tấn Vũ
Người hướng dẫn: TS. Phạm Thanh Phong
TIEU LUAN MOI download :
3
Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát phân tán vườn thông minh sử dụng vi điều khiển thông qua mạng Lora
và Internet
Nhờ khả năng tối ưu hóa tài nguyên nước, đất đai, năng lượng, … nên vườn
thông minh trong nông nghiệp hiện đại tiết kiệm rất nhiều tài nguyên mà vẫn đảm bảo
năng suất cao. Việc canh tác bằng hệ thống IoT sẽ giúp ta tiết kiệm rất nhiều chi phí
sản xuất dựa trên các kết quả giám sát được thu thập từ các cảm biến. Từ đó sẽ giúp ta
phán đốn chính xác việc sinh trưởng của cây trồng và mức tài nguyên cần cung cấp
để cây trồng có thể sinh trưởng và phát triển một cách tốt nhất.
1.2.4. Quy trình sạch, nhanh chóng
Với sự hỗ trợ của cơng nghệ và IoT, quy trình trồng và chăm sóc cây phát triển
nhanh hơn, hạn chế tối đa việc dùng các chất độc hay phân bón hóa học. Từ đó, sẽ
giúp các nhà sản suất giảm chi phí, nước, … làm cho nông nghiệp xanh, sạch hơn. Đây
là một yếu tố rất quan trọng, bởi vì có thể ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người
trong thời điểm các sản phẩm có hàm lượng phân bón hóa học cao như hiện nay khi
canh tác bằng phương pháp truyền thống. Đồng thời việc sinh trưởng của cây trồng
được giám sát và thay đổi thông qua các kết quả giám sát được từ hệ thống IoT để
người nơng dân có thể đưa ra các quyết định chính xác cho sự phát triển của cây trồng.
Đồng thời người nông dân cũng có thể canh tác các loại nơng sản trong điều kiện thời
tiết biến đổi bất thường như hiện nay khi ứng dụng các cơng nghệ cao vào quy trình
canh tác.
1.2.5. Nâng cao năng suất, chất lượng và hiệu quả sản xuất.
Với sự chăm sóc liên tục, nhanh chóng dựa trên các ứng dụng công nghệ thông
minh, nông sản được nâng tầm chất lượng, tăng giá trị dinh dưỡng cũng như giảm giá
thành sản phẩm. Nông nghiệp xanh sẽ cho ra các sản phẩm có chất lượng tốt dựa trên
nền tảng công nghệ.
Nhu cầu của con người về lương thực, thực phẩm khơng bao giờ giảm, đặt biệt là
trong tình hình hiện nay. Vì vậy mà việc phát triển của lĩnh vực nơng nghiệp khơng
bao giờ ngừng lại. Do đó, ứng dụng IoT sẽ là một bước tiến, bước ngoặc quan trọng
trong việc thay đổi nền nông nghiệp nước ta.
1.3. Một số mơ hình về vườn thơng minh trong và ngồi nước
1.3.1. Tình hình ngồi nước
Từ những năm ở thế kỉ XX, việc xây dựng các khu nông nghiệp ứng dụng công
nghệ cao giúp kinh tế phát triển đã được các nước quan tâm đến. Đầu những năm 80
của thế kỉ trước, Hoa Kỳ đã có hơn 100 khu khoa học cơng nghệ cao. Năm 1988, đã có
SVTH: Đặng Quốc Dũng, Huỳnh Tấn Vũ
Người hướng dẫn: TS. Phạm Thanh Phong
TIEU LUAN MOI download :
4
Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát phân tán vườn thông minh sử dụng vi điều khiển thông qua mạng Lora
và Internet
38 khu vườn khoa học, công nghệ cao và tiên tiến với sự tham gia của trên 800 doanh
nghiệp ở Anh quốc. Phần lớn các khu công nghiệp ở đây đều phân bố tại nơi tập trung
các trường đại học, viện nghiên cứu để nhanh chóng ứng dụng những thành tựu khoa
học công nghệ cải tiến và kết hợp với các kinh nghiệm kinh doanh từ trước để hình
thành nên một khu khoa học với các chức năng sản xuất, nghiên cứu ứng dụng, tiêu
thụ và dịch vụ. [2]
Bên cạnh đó, khơng chỉ là các nước tiên tiến, nhiều nước và khu vực lãnh thổ ở
Châu Á cũng đã chuyển sang nền nông nghiệp chất lượng từ nền nông nghiệp theo số
lượng. Ứng dụng các công nghệ tự động hóa, cơng nghệ sinh học, cơ giới hóa, tin học
hóa, … để tạo ra sản phẩm có chất lượng cao, an tồn và hiệu quả.
Có thể nói Israel, Singapore và Nhật Bản là những quốc gia đi tiên phong trong
phát triển nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao với những cơng nghệ chăm sóc cây
trồng vơ cùng độc đáo như hệ thống tưới nhỏ giọt, hệ thống tưới phun sương, phun
mưa hay hệ thống tưới cảnh quan và ngay cả hệ thống thủy canh trồng cây không đất.
Và gần đây nhất, hướng đến nhu cầu trồng cây trong những diện tích nhỏ hẹp (xem
Hình 1.2) đang là điều rất được quan tâm tại nhiều nơi hiện nay bởi vừa tận dụng tối
đa diện tích canh tác, vừa cho rau sạch với sản lượng lớn, phục vụ nhu cầu cho nhiều
hộ gia đình. [3]
Hình 1. 2 Mơ hình vườn rau thẳng đứng tại Nhật Bản [3]
SVTH: Đặng Quốc Dũng, Huỳnh Tấn Vũ
Người hướng dẫn: TS. Phạm Thanh Phong
TIEU LUAN MOI download :
5
Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát phân tán vườn thông minh sử dụng vi điều khiển thông qua mạng Lora
và Internet
Một ví dụ thực tế đó là một hệ thống điều khiển, giám sát việc trồng trọt cây
trồng trong nhà kính đã được thực hiện bởi nhóm sinh viên trường đại học Chiết
Giang, Hàng Châu, Trung Quốc. Việc giám sát các dữ liệu trong nhà kính thực hiện
thông qua các khối cảm biến gắn bên trong nhà kính thu thập dữ liệu và gửi về khối xử
lý trung tâm là một PC thông qua giao thức Modbus RS-485. Người dùng sẽ giám sát
và điều khiển các thiết bị cần thiết trong nhà kính thơng qua giao diện trên PC như
Hình 1.3:
Hình 1. 3: Hình ảnh giao diện người dùng, thiết bị và khu vực làm việc
trong nhà kính [4]
Trên đây là một ví dụ về một hệ thống điều khiển, giám sát vườn thơng minh
trong nhà kính tại nước ngồi. Nói tóm lại, việc áp dụng mơ hình “Vườn thơng minh”
tại nước ngồi đã diễn ra từ rất lâu và rất nhiều nơi, thậm chí tại các hộ gia đình. Bởi vì
sự tiện lợi mà nó đem lại, vườn thông minh đang ngày càng được áp dụng phổ biến
trên tồn thế giới.
1.3.2. Tình hình trong nước
Khi mơ hình vườn thơng minh ngày càng phổ biến trên tồn thế giới, thì Việt
Nam cũng là một nước đang nghiên cứu áp dụng mơ hình vào sản xuất nơng nghiệp.
Với thế mạnh là một nước đi lên từ ngành nông nghiệp, nước ta có nhiều kinh nghiệm
trong sản xuất, chăm sóc cây trồng. Do đó việc nghiên cứu, phát triển và ứng dụng mơ
hình vườn thơng minh vào sản xuất là điều dễ dàng. Tuy nhiên, mơ hình chưa được
nhân rộng, phổ biến do chi phí đầu tư khá cao do phải nhập chủ yếu từ ngước ngoài.
Tuy vậy trong nước cũng có rất nhiều nghiên cứu như hệ thống tưới cây tự động
của kỹ sư Vi Toàn Nghĩa năm 2013 được thể hiện trong Hình 1.4, sau đó là hàng loạt
SVTH: Đặng Quốc Dũng, Huỳnh Tấn Vũ
Người hướng dẫn: TS. Phạm Thanh Phong
TIEU LUAN MOI download :
6
Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát phân tán vườn thông minh sử dụng vi điều khiển thông qua mạng Lora
và Internet
cơng trình nghiên cứu hệ thống trồng cây điều khiển từ xa, hệ thống trồng cây tự động.
Nhưng hạn chế của các nghiên cứu này là chưa tận dụng được cơ sở hạ tầng Internet
hiện có để mở rộng hệ thống giám sát điều khiển từ xa với giao diện người dùng, kể cả
khi khơng có thời gian. Bên cạnh đó, việc sử dụng đây điện để truyền nhận dữ liệu từ
các cảm biến đến bộ xử lý trung tâm làm cho hệ thống trở nên rườm rà, có thể sẽ
truyền khơng chính xác. [3]
Hình 1. 4: Hệ thống tưới cây tự động của kỹ sư Vi Tồn Nghĩa [3]
1.4.
Lý do chọn đề tài
Hiện nay, ta có thể đã thấy được rất nhiều công nghệ thông minh trong ngôi nhà,
hoặc là cả một ngôi nhà ứng dụng các cơng nghệ thơng minh. Tuy nhiên, việc tự động
hóa các khu vườn, khu nơng nghiệp vẫn cịn ít phổ biến hơn. Đối với việc làm vườn
truyền thống, người trồng sẽ phải quan sát vườn hằng ngày để giám sát các yếu tố
nhiệt độ, độ ẩm cũng như trạng thái cây trồng trong vườn. Việc tưới tiêu cũng như
giám sát đều do người trồng thực hiện bằng tay chân, tốn nhân cơng, chi phí sản xuất.
Nhận thấy nhu cầu của các gia đình về mặt thực phẩm xanh ngày càng tăng cao,
và việc trồng trọt của người nông dân vẫn cịn thủ cơng, vừa tốn nhân cơng, chi phí sản
SVTH: Đặng Quốc Dũng, Huỳnh Tấn Vũ
Người hướng dẫn: TS. Phạm Thanh Phong
TIEU LUAN MOI download :
7
Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát phân tán vườn thông minh sử dụng vi điều khiển thông qua mạng Lora
và Internet
xuất mà năng suất cũng như chất lượng sản phẩm không đạt được hiệu quả cao. Do
vậy ý tưởng về một khu vườn thông minh đã ra đời.
Để ứng dụng được mơ hình này vào bối cảnh nơng nghiệp ở nước ta, cần có sự
hỗ trợ của các thiết bị kỹ thuật có khả năng đo đạc, điều khiển các thông số môi trường
như: nhiệt độ, độ ẩm đất, độ ẩm khơng khí phù hợp với các loại cây trồng. Đồng thời,
việc tiến bộ của khoa học kĩ thuật đã đem lại cho con người rất nhiều thành tựu khoa
học kĩ thuật thiết yếu, trong đó có mạng không dây, tiêu biểu là Internet và Lora. Và
việc ứng dụng được thành tựu khoa học kĩ thuật này vào hệ thống vườn thông minh là
một việc thiết yếu, và là một hướng đi quan trọng. Việc sử dụng mạng Lora và Internet
sẽ giúp ta ứng dụng được mô hình vào các khu vườn rộng lớn hàng Km.
Xuất phát từ thực tiễn trên, nhóm em đã tiến hành nghiên cứu và thiết kế: “Hệ
thống điều khiển và giám sát phân tán vườn thông minh sử dụng vi điều khiển thông
qua mạng Lora và Internet”.
Việc áp dụng IoT vào ngành nông nghiệp là bước đi mới mẻ trong thời đại kỷ
nguyên số. Đề tài được xây dựng trên nền tảng IoT và được ứng dụng công nghệ mạng
diện rộng công suất thấp – LoRa cùng mạng toàn cầu - Internet sẽ giúp giảm nhân
công, tăng năng suất và mang lại hiệu quả cao trong việc canh tác nông nghiệp. Hệ
thống có thể giúp người dùng giám sát được đối tượng canh tác của mình ở xa mà
khơng cần phải đến nơng trại thường xun. Người dùng có thể tự mình điều chỉnh các
yếu tố môi trường sao cho phù hợp với đối tượng canh tác.
SVTH: Đặng Quốc Dũng, Huỳnh Tấn Vũ
Người hướng dẫn: TS. Phạm Thanh Phong
TIEU LUAN MOI download :
8
Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát phân tán vườn thông minh sử dụng vi điều khiển thông qua mạng Lora
và Internet
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH VƯỜN THƠNG MINH
TRONG ĐỀ TÀI
2.1. Các điều kiện, đặc tính sinh trưởng của cây trồng.
2.1.1. Đặc tính quang hợp của cây xanh
Quang hợp ở cây xanh là quá trình trong đó năng lượng ánh sáng mặt trời được
diệp lục hấp thụ để tạo ra cacbonhidrat từ khí CO2 và nước.
Như vậy đặc tính quang hợp của cây trồng phụ thuộc vào các yếu tố chính như:
cường độ ánh sáng, nhiệt độ, lượng CO2 và nước.
2.1.2. Ảnh hưởng của ánh sáng đến quang hợp
Ánh sáng ảnh hưởng đến quang hợp về hai mặt: cường độ sáng và quang phổ
sáng.
2.1.2.1. Cường độ sáng
Hình 2. 1: Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng đến cường độ quang hợp
khi nồng độ CO2 tăng [5]
Có hai trị số liên quan đến quang hợp đó là điểm bù sáng và điểm bão hòa ánh sáng.
− Điểm bù sáng: là cường độ sáng mà tại đó cường độ quang hợp cân bằng với
cường độ hô hấp.
SVTH: Đặng Quốc Dũng, Huỳnh Tấn Vũ
Người hướng dẫn: TS. Phạm Thanh Phong
TIEU LUAN MOI download :
9
