Hệ thống tưới tự động cho cây cà phê

MỤC LỤC
Trang bìa ............................................................................................................................................. i
Phần A................................................................................................................................................. i
Nhiệm vụ đồ án ..................................................................................................................................ii
Lịch trình.......................................................................................................................................... iii
Lời mở đầu ........................................................................................................................................ iv
Cam đoan ........................................................................................................................................... v
Lời cảm ơn ........................................................................................................................................ vi
Mục lục ............................................................................................................................................vii
Liệt kê Hình ảnh................................................................................................................................ xi
Liệt kê bảng …………………………………………………………………… .......................... xiii
Phần B ............................................................................................................................................. xiv

Chƣơng 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI ...................................................................................................1
1.1.Giới thiệu tình Hình nghiên cứu hiện nay .................................................................................1
1.2.Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................................1
1.3.Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................................................2
1.4.Nhiệm vụ nghiên cứu ................................................................................................................3
1.5.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.............................................................................................3
1.6.Phương pháp nghiên cứu ..........................................................................................................3
1.7.Bố cục đồ án..............................................................................................................................3
Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................................................................................................5
2.1.Kit Arduino Uno R3..................................................................................................................5
2.1.1.Lịch sử ra đời của Arduino ................................................................................................5
2.1.2.Các loại board mạch của Arduino ......................................................................................6
2.1.3.Một số ứng dụng nổi bật của Board Arduino .....................................................................7
2.1.4.Tổng quan về Kit Arduino Uno R3 ....................................................................................8
2.1.4.1.Thông số của Arduino Uno R3 ................................................................................10
2.1.5.Tổng quan kit arduino mega 2560 ...................................................................................11
2.1.6.Cấu trúc phần mềm và lập trình cho Arduino ..................................................................13
2.1.6.1.Download cài cài đặt Arduino IDE ..........................................................................13

2.1.6.2.Lập trình cho Arduino ..............................................................................................13
2.2.Module Internet Shield ...........................................................................................................14
2.2.1. Hình ảnh thực tế ..............................................................................................................14

vi


2.2.2. Tổng quan về arduino Ethernet Shield............................................................................15
2.2.3. Cấu Hình phần cứng .......................................................................................................16
2.2.4 Mô tả Chức Năng.............................................................................................................16
2.3. Giới thiệu về module truyền phát NRF24l01 .........................................................................17
2.3.1. Thông số kỹ thuật ...........................................................................................................17
2.3.2 Phân tích ..........................................................................................................................18
2.4. Opto Moc3020 và Triac Bta16 ...............................................................................................18
2.4.1. Opto Moc3020 ................................................................................................................19
2.4.2. Triac Bta16 .....................................................................................................................19
2.5. Cảm biến độ ẩm đất ...............................................................................................................19
2.6.Van điện từ. .............................................................................................................................20
2.6.1. Giới thiệu ........................................................................................................................20
2.6.2. Cấu tạo ............................................................................................................................21
2.7 Giao diện SPI ..........................................................................................................................22
2.7.1 Giới thiệu .........................................................................................................................22
2.7.2 Chuẩn truyền thông SPI ...................................................................................................23
2.7.2.1 Cấu trúc SPI ................................................................................................................23
2.8 Tổng quan về Ethernet ............................................................................................................25
2.8.1 Cấu trúc khung tin Ethernet .............................................................................................25
2.8.2 Cấu trúc địa chỉ Ethernet..................................................................................................27
2.8.3 Đặc tính điện ....................................................................................................................27
2.8.4 Các loại khung Ethernet ...................................................................................................28
2.8.4.1 Các loại khung Uniscat ...............................................................................................28

2.8.4.2 Các loại khung Boardcast............................................................................................29
2.8.4.3 Các khung Multicast....................................................................................................29
2.8.5 Truy cập bus .....................................................................................................................29
2.8.6 Các loại Ethernet. .............................................................................................................31
2.8.6.1 Các hệ thống Ethernet 10Mb/s ....................................................................................31
2.8.6.2 Các hệ thống Ethernet tốc độ 100Mb/s- Ethernet cao tốc(fast Ethernet) ....................31
2.8.6.3 Các hệ thống Giga Ethernet ........................................................................................32
2.8.6.4 Chuẩn IEEE 802 ..........................................................................................................32
2.9 Kỹ thuật mở mạng NAT PORT ..............................................................................................33
2.9.1 Nat Port cho modem Gpon sử dụng trong đề tài ..............................................................34
2.10 Hệ điều hành Android ...........................................................................................................35
2.10.1 Giới thiệu về hệ điều hành Android ...............................................................................35
2.10.2 Thiết kế ứng dụng Android ............................................................................................37
Chƣơng 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG...............................................................................................41

vii


3.1 Cơ sở thiết kế ..........................................................................................................................41
3.2 Thiết kế phần cứng..................................................................................................................41
3.2.1 Yêu cầu thiết kế................................................................................................................40
3.2.2 Phương án thiết kế ...........................................................................................................42
3.2.3 Chức năng từng khối ........................................................................................................43
3.2.3.1 Khối nguồn ..................................................................................................................43
3.2.3.2 Khối thu thập dữ liệu ...................................................................................................43
a. sơ đồ nguyên lí . ...............................................................................................................44
b. Kết nối với module thu phát sóng NRF24L01 .................................................................45
c. Kết nối với cảm biến độ ẩm đất . .....................................................................................45
d. Kết nối với pin .................................................................................................................46
3.2.3.3 Khối điều khiển trung tâm..........................................................................................46

a. sơ đồ nguyên lí . ..............................................................................................................47
b. Kết nối với module Ethernet Shiled ................................................................................48
c. Kết nối với module thu phát song nrf-24l01 . .................................................................48
d. Kết nối với khối công suất ..............................................................................................48
3.2.3.4 Khối công suất............................................................................................................49
3.2.3.5 Khối ngoại vi ..............................................................................................................49
3.3 THIẾT KẾ PHẦN MỀM ........................................................................................................50
3.3.1 Mục tiêu thiết kế ..............................................................................................................50
3.3.2 Thiết kế chương trình .......................................................................................................50
3.3.2.1 Lưu đồ cho các chương trình trong đề tài ...................................................................50
a. Lưu đồ xử lí tín hiệu nhận của khối thu thập dữ liệu gửi về ............................................50
b. Lưu đồ chính của đề tài ở khối điều khiển trung tâm ......................................................51
c. Lưu đồ chế độ điều khiển tự động....................................................................................52
d. Lưu đồ chế độ điều khiển bằng tay ..................................................................................53
e. Lưu đồ của ứng dụng Android trong đề tài ......................................................................54
Chƣơng 4 KẾT QUẢ ......................................................................................................................55
4.1 Kết quả nghiên cứu .................................................................................................................55
4.1.1 Kết quả đạt được ..............................................................................................................55
Chƣơng 5 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ...................................................................59
5.1 Kết luận ...................................................................................................................................59
5.2 Kết quả đạt được .....................................................................................................................59
5.2.1 ý nghĩa ..............................................................................................................................59
5.3 Hạn chế và hướng phát triển ..................................................................................................59
Tài liệu tham khảo ...........................................................................................................................61
Phụ Lục ............................................................................................................................................63

viii


DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Những thành viên khởi xướng Arduino ..........................................................................5
Hình 2.2 Arduino Uno....................................................................................................................6
Hình 2.3 Arduino Mega2560 R3 ....................................................................................................7
Hình 2.4 Arduino Mega. ................................................................................................................7
Hình 2.5 Máy in 3D Makerbotđiều khiển bằng Arduino Mega2560. ............................................8
Hình 2.6 Thiết bị bay khơng người lái UAV..................................................................................8
Hình 2.7 Robot di động tránh vật cản dùng Arduino nano và camera CMUCam..........................8
Hình 2.8 Kit arduino r3.. ..............................................................................................................10
Hình 2.9 Phần mềm lập trình cho Arduino.. ................................................................................13
Hình 2.10 Arduino Ethernet Shiel ................................................................................................14
Hình 2.11 Board Arduino và Arduino Ethernet Shiel sau khi được ghép nối.. ............................15
Hình 2.12 Cấu hình phần cứng Arduino Ethernet Shield .............................................................16
Hình 2.13 Module NRF24L01 .....................................................................................................17
Hình 2.14 Moc3020......................................................................................................................19
Hình 2.15 Triac Bta16a ................................................................................................................19
Hình 2.16 Cảm biến độ ẩm...........................................................................................................20
Hình 2.17 Một số loại van điện từ ................................................................................................21
Hình 2.18 cấu tạo của van điện từ ................................................................................................21
Hình 2.19 van điên từ được sử dụng trong hệ thống ....................................................................22
Hình 2.20 Giao diện SPI .............................................................................................................24
Hình 2.21 Mã hóa Manchester .....................................................................................................28
Hình 2.22 Mơ hình truyền thơng unicast. .....................................................................................28
Hình 2.23 Minh họa phương pháp CSMA/CD............................................................................29
Hình 2.24 Mơ Hình NAT .............................................................................................................33
Hình 2.25 Giao diện đăng nhập vào modem FPT GPON ............................................................35
Hình 2.26 Giao diện khi vào nat modem......................................................................................35
Hình 2.27 Mơ tả hình ảnh android ...............................................................................................36
Hình 2.28 thiêt bị điện thoại LG được sử dụng hệ điều hành android. ........................................37
Hình 2.29 đăng nhập vào Gmail...................................................................................................38
Hình 2.30 giao diện khi mới vừa đăng nhập ................................................................................38

Hình 2.31 Tạo project...................................................................................................................39
Hình 2.32 Giao diện cơ bản của để viết chương trình. .................................................................39
Hình 2.33 Giao diện khi đã tạo.....................................................................................................40
Hình 2.34 Các khối khi được kết nối ...........................................................................................40
Hình 3.1 Sơ đồ khối tổng thể của đề tài ......................................................................................42

ix


Hình 3.2 Sơ đồ ngun lí khối thu thập dữ liệu ..........................................................................44
Hình 3.3 Sơ đồ chân module NRF24L01 .....................................................................................45
Hình 3.4 Sơ đồ ngun lí của khối trung tâm...............................................................................47
Hình 3.5 Sơ đồ ngun lí khối cơng suất .....................................................................................49
Hình 3.6 Lưu đồ xử lí tín hiệu từ NRF24L01 .............................................................................50
Hình 3.7 Lưu đồ chính của đề tài .................................................................................................51
Hình 3.8 Lưu đồ điều khiển tự động ............................................................................................52
Hình 3.9 Lưu đồ điều khiển bằng tay ..........................................................................................53
Hình 3.10 Lưu đồ ứng dụng Android sử dụng trong đề tài .........................................................54
Hình 4.1 Van điện từ ở ngồi thực tế ...........................................................................................56
Hình 4.2 Béc tưới cây...................................................................................................................56
Hình 4.3 Khối điều khiển trung tâm .............................................................................................57
Hình 4.4 Khối thu thập dữ liệu .....................................................................................................57
Hình 4.5 Wesite điều khiển hệ thống ...........................................................................................58
Hình 4.6 Ứng dụng trên điện thoại di động Android ...................................................................58

x


DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2. 1 Một số thông số của Arduino R3 .....................................................................................10

Bảng 2. 2 Một số thông số của Arduino mega 2560 ........................................................................12
Bảng 2. 3 Chức năng các chân của cảm biến ...................................................................................20
Bảng 2. 4 Tóm tắt các tín hiệu của giao diện SPI .............................................................................24
Bảng 2. 5 Cấu trúc khung MAC theo IEEE 802.3/ Ethernet ............................................................25
Bảng 3. 1 Bảng kết nối chân Arduino uno với NRF24L01 ..............................................................45
Bảng 3. 2 Bảng kết nối chân Arduino với cảm biến độ ẩm đất ........................................................45
Bảng 3. 3 Bảng kết nối chân Arduino Mega với NRF24L01 ...........................................................48
Bảng 3. 4 Sơ đồ kết nối arduino Mega với khối công suất...............................................................48

xi


PHẦN B

NỘI DUNG

xii


Đồ án tốt nghiệp
CHƢƠNG I
TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1.

Tổng quan chung về đề tài nghiên cứu
Ngày nay với sự phát triểu mạnh mẽ của nền công nghệ kỹ thuật một cách
không ngừng nghỉ,từ đó các ưng dung về khoa học kỹ thuật được con người ứng
dụng và phát triển một cách không ngừng nghỉ để áp dụng vào trong cuộc sống
giúp đỡ con người nhiều trong mọi lĩnh vực,và hơn thế nữa công nghệ ngày càng
gần gũi với con người và giúp họ được nhiều lợi ích to lớn.

Ngày nay với sự phát triển mạnh của nền khoa học kỹ thuật, việc công nghệ
khoa học kỹ thuật được áp dụng và sử dụng hiểu quả trong việc hỗ trợ người nông
dân để tăng năng suấthiệu quả cao đã khơng cịn gì là xa lạ nữa. Người nơng dân
có thể dễ dàng áp dụng công nghệ kỹ thuật tiên tiến vào ngay chính nơng trại của
mình để đạt được năng suất hiệu quả cao mà it tốn công sức như ngày xưa nữa mà
vẫn đạt được kết quả tốt.
Với sự phát triển không ngừng nghỉ của nền kỹ thuật viễn thông, mạng Wifi trở
nên thơng dụng thì việc điều khiển các thiết bị từ xa đã khơng cịn gì là xa vời nữa,
với chiếc điện thoại thơng minh hoặc chiếc máy tính có kết nối Internet chúng ta
có thể dễ dàng điểu khiển thiết bị từ xa, và việc này càng ý nghĩa hơn nếu như
người nơng dân có thể áp dụng nó vào để thực hiện các cơng việc mà xưa nay thực
hiện tốn thời gian và sức lực thì với các thao tác đơn giản thì ta cũng có thể làm
được rời.
Vì vậy em quyết định sử dụng các kiến thức đã học để phát triển và xây dựng
hệ thống tưới nước cho cây cà phê từ xa qua Internet bằng việc sử dụng kit
Arduino. Kết hợp với module Ethernet Shield để xây dựng và thu thập dữ liệu qua
đó điều khiển hệ thống tưới tiêu cho phù hợp.
1.2.

Tính cấp thiết của đề tài

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1


Đờ án tốt nghiệp
Đối với một đât nước có nên kinh tế dựa vào nên nông nghiệp là chủ yếu như
nước ta nền nơng nghiệp này đã có từ ngàn đời rời,mỗi vùng mỗi địa phương đều
có những nền kinh tế riêng biêt, đặc biệt là vùng đất tây nguyên đầy nắng gió gắn

liền với những cánh đờng cà phê hồ tiêu và cao su, nền kinh tế chủ yếu dựa vào các
cây công nghiệp là chủ yếu. Nhưng hầu hết ở đây đều sử dụng sức lao động để
chăm sóc vườn cây là chủ yếu. Điều đó mất rất nhiều cơng sức và đơi khi cịn gặp
khó khăn về tiền bạc.
Với xuât thân từ vùng quê nghèo này, muốn đóng góp và giúp cho q hương
và gia đình tiện lợi và đỡ phải cực khổ nên em đã quyết định nghiên cứu và thực
hiện đề tài “Hệ Thông Tưới Tiêu Cho Cây Cà Phê” thuộc phạm vi các vấn đề đã
nêu để làm khóa luận tốt nghiệp nhằm góp phần đáp ứng yêu cầu nghiên cứu lí
luận cũng như những lợi ích mà đề tài này mang lại cho q hương. Nó khơng chỉ
giúp cho tiết kiệm cơng sức, tiền bạc, mà nó cịn giúp cho năng suất ngày càng cải
thiện để đạt được lợi ích kinh tế cao.
Đề tài sẽ đáp ứng được các nhu cầu sau đây:
 Hệ thống sẽ xử dụng các vi điều khiển ở mỗi vùng trong vườn cà phê để thu
thập độ ẩm ở các vùng đó từ đó gửi về vi điều khiển trung tâm để xử lý, đưa ra
hướng giải quyết.
 Vi điều khiển trung tâm nhận giá trị đồ ẩm từ các vi điều khiển ở các vùng bằng
việc truyền nhận dữ liệu không dây sử dụng modul truyền phát NRF24l01.
 Vi điều khiển trung tâm sẽ đưa gửi giá trị đó lên Websever, người dùng có thể
dễ dàng truy cập vào và biết được độ ẩm từng vùng thông qua các thiết bị di
dộng hoặc máy tính có kết nối mạng.
 Vi điều khiển trung tâm sau khi nhận tín hiệu sẽ cho tưới nước nếu phát hiện
như vùng nào đó có độ ẩm thấp hơn so với quy định, hoặc người dùng có thể
điều khiển tưới từ xabằng cách điều khiển qua web.
Hệ thống tưới cây cà phê tự động đảm bảo tính linh hoạt, tiện lợi trong việc sử
dụng, tiết kiệm công sức, tiền bạc, sức khỏe của người nông dân.
1.3.

Mục tiêu nghiên cứu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

2


Đồ án tốt nghiệp
 Nghiên cứu về ứng dụng cũng như tính thực tiễn đề tài mang lại trong cuộc
sống.
 Vận dụng các kiến thức có được cũng như tìm tòi, tham khảo, nghiên cứu, thiết
kế.
 Viết được Websever điểu khiển được hệ thống và ứng dụng Android đơn giản
liên kết với hệ thống.
1.4.

Nhiệm vụ nghiên cứu

 Nghiên cứu các vấn đề lý luận chung về Board Arduino và ứng dụng của nó.
 Tìm hiểu về mơi trường và đặc điểm của cây cà phê ở địa phương và đặc điểm
của nền khí hậu địa phương.
 Nghiên cứu việc sử dụng truyền nhận dữ liệu được gửi từ xa bằng sóng RF.
 Nghiên cứu về Android và ứng dụng của điện thoại thông minh.
 Nguyên cứu về mạng Ethernet và kỹ thuật Nat Port.
1.5.

Đối tƣợng nghiên cứu

 Kit Arduino Uno R3, Arduino mega2560.
 Module Arduino Ethernet Shield.
 Module cảm biến độ ẩm.
 Module thu phát sóng RF NRF24l01.
 Chuẩn kết nối internet.

 Mạch Optp-Triac.
 Cảm biến độ ẩm đất.
 Contacter.
1.6.

Phƣơng pháp nghiên cứu

 Phương pháp nghiên cứu tài liệu.
 Phương pháp nghiên cứu sản phẩm thực tế.
 Phương pháp phân tích, tổng hợp.
1.7.

Bố cục đồ án

Bố cục được chia ra làm 5 chương :
Chƣơng 1: Tổng quan

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

3


Đồ án tốt nghiệp
Chương này xoay quanh giới thiệu chung về đề tài, lý do chọn đề tài, mục
tiêu của đề tài.
Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết
Giới thiệu tổng quan về lý thuyết liên quan cũng như các thiết bị phần cứng
sử dụng trong hệ thống.
Chƣơng 3: Thiết kế hệ thống
Chương này đề cập đến các yêu cầu và chức năng của phần cứng, chi tiết sơ

đồ khối, chức năng từng khối và sơ đồ nguyên lý từng khối, xây dựng lưu đồ
giải thuật cho phần cứng và phần mềm.
Chƣơng 4: Kết quả
Trình bày kết quả đạt được của đề tài.
Chƣơng 5: Kết luận và hướng phát triển
Đưa ra kết luận, ưu điểm, nhược điểm, hướng phát triển của đề tài.

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

4


Đồ án tốt nghiệp
CHƢƠNG II
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1.

Kit Arduino

2.1.1. Lịch sử ra đời của Arduino
Arduino thực sự đã gây sóng gió trên thị trường người dùng DIY (là những
người tự chế ra sản phẩm của mình) trên tồn thế giới trong vài năm gần đây, gần
giống với những gì Apple đã làm được trên thị trường thiết bị di động. Số lượng
người dùng cực lớn và đa dạng với trình độ trải rộng từ bậc phổ thông lên đến đại
học đã làm cho ngay cả những người tạo ra chúng phải ngạc nhiên về mức độ phổ
biến.

Hình 2.1 Những thành viên khởi xướng Arduino.
Arduino là gì mà có thể khiến ngay cả những sinh viên và nhà nghiên cứu tại
các trường đại học danh tiếng như MIT, Stanford, Carnegie Mellon phải sử dụng

hoặc ngay cả Google cũng muốn hỗ trợ khi cho ra đời bộ kit Arduino Mega ADK
dùng để phát triển các ứng dụng Android tương tác với cảm biến và các thiết bị
khác.
Arduino thật ra là một bo mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác với
các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hoặc các thiết bị khác. Đặc điểm
nổi bật của Arduino là môi trường phát triển ứng dụng cực kỳ dễ sử dụng, với một
ngơn ngữ lập trình có thể học một cách nhanh chóng ngay cả với người ít am hiểu
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

5


Đờ án tốt nghiệp
về điện tử và lập trình. Và điều làm nên hiện tượng Arduino chính là mức giá rất
thấp và tính chất ng̀n mở từ phần cứng tới phần mềm. Chỉ với khoảng $30,
người dùng đã có thể sở hữu một bo Arduino có 20 ngõ I/O có thể tương tác và
điều khiển chừng ấy thiết bị.
Arduino ra đời tại thị trấn Ivrea thuộc nước Ý và được đặt theo tên một vị vua
vào thế kỷ thứ 9 là King Arduin. Arduino chính thức được đưa ra giới thiệu vào
năm 2005 như là một công cụ khiêm tốn dành cho các sinh viên của giáo sư
Massimo Banzi, là một trong những người phát triển Arduino, tại trường
Interaction Design Instistute Ivrea (IDII). Mặc dù hầu như không được tiếp thị gì
cả, tin tức về Arduino vẫn lan truyền với tốc độ chóng mặt nhờ những lời truyền
miệng tốt đẹp của những người dùng đầu tiên.
2.1.2. Các loại board mạch của Arduino
Phần cứng Arduino gốc được sản xuất bởi công ty Italy tên là Smart Projects.
Một vài board dẫn xuất từ Arduino cũng được thiết kế bởi công ty của Mỹ tên là
SparkFun Electronics, 9 phiên bản phần cứng của Arduino cũng đã được sản xuất
thương mại tính đến thời điểm hiện tại.
Về mặt chức năng, các bo mạch Arduino được chia thành hai loại: loại Board

mạch chính có chip Atmega và loại mở rộng thêm chức năng cho bo mạch chính
(thường được gọi là Shield).
Các bo mạch chính về cơ bản là giống nhau về chức năng, tuy nhiên về mặt cấu
hình như số lượng I/O,dung lượng bộ nhớ, hay kích thước có sự khác nhau. Một số
Board có trang bị thêm các tính năng kết nối như Ethernet và Bluetooth.

Hình 2.2Arduino UNO.
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

6


Đờ án tốt nghiệp

Hình 2.3Arduino Mega 2560 R3.

Hình 2.4Arduino Mega.
2.1.3. Một số ứng dụng nổi bật của Board Arduino
Arduino được chọn làm bộ não xử lý của rất nhiều thiết bị từ đơn giản đến phức
tạp. Trong số đó có một vài ứng dụng thực sự chứng tỏ khả năng vượt trội của
Arduino do chúng có khả năng thực hiện nhiều nhiệm vụ rất phức tạp. Sau đây là
danh sách một số ứng dụng nổi bật của Arduino:
 Arduinome: một thiết bị điều khiển MIDI bắt chước Monome.
 OBDuino: một máy tính hành trình sử dụng giao diện chẩn đoán On-Board
được tìm thấy trong hầu hết các loại xe hơi hiện đại.
 Thiết bị đọc sách cho con người: thiết bị điện tử giá rẻ với đầu ra TV có thể
chứa một thư viện năm ngàn cuốn sách (ví dụ như các biên soạn offline
Wikipedia) trên một thẻ nhớ microSD.
 Ardupilot: Software / Hardware máy bay không người lái.
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

7


Đờ án tốt nghiệp
 ArduinoPhone.
 Thiết kế Robot đơn giản.

Hình 2.5 Máy in 3D Makerbotđiều khiển bằng Arduino Mega2560.

Hình 2.6 Thiết bị bay khơng người lái UAV.

Hình 2.7 Robot di động tránh vật cản dùng Arduino nano và camera CMUCam.
2.1.4. Tổng quan về Kit Arduino Uno R3
Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác
với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn. Phần cứng bao gồm một board
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

8


Đồ án tốt nghiệp
mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM
Atmel 32-bit. Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6
chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng
khác nhau.
Những nhà thiết kế của Arduino cố gắng mang đến một phương thức dễ dàng,
không tốn kém cho những người yêu thích, sinh viên và giới chuyên nghiệp để tạo
ra những nhiết bị có khả năng tương tác với môi trường thông qua các cảm biến và
các cơ cấu chấp hành. Những ví dụ phổ biến cho những người u thích mới bắt

đầu bao gờm các robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ và phát hiện chuyển động. Đi
cùng với nó là một mơi trường phát triển tích hợp (IDE) chạy trên các máy tính cá
nhân thơng thường và cho phép người dùng viết các chương trình cho Aduino bằng
ngơn ngữ C hoặc C++.
Hiện tại có rất nhiều loại vi điều khiển và đa số được lập trình bằng ngơn ngữ
C/C++ hoặc Assembly nên rất khó khăn cho những người có ít kiến thức sâu về
điện tử và lập trình. Nó là trở ngại cho mọi người muốn tạo riêng cho mình một
món đờ mang tính cơng nghệ. Do vậy đó là lí do Arduino được phát triển nhằm
đơn giản hóa việc thiết kế, lắp ráp linh kiện điện tử cũng như lập trình trên vi xử lí
và mọi người có thể tiếp cận dễ dàng hơn với thiết bị điện tử mà không cần nhiều
về kiến thức điện tử và thời gian. Sau đây là những thế mạnh của Arduino so với
các nền tảng vi điều khiển khác:
 Chạy trên đa nền tảng: Việc lập trình Arduino có thể thực hiện trên các hệ điều
hành khác nhau như Windows, Mac OS, Linux trên desktop, Android trên di
động.
 Ngôn ngữ lập trình đơn giản dễ hiểu.
 Nền tảng mở: Arduino được phát triển dựa trên nguồn mở nên phần mềm chạy
trên Arduino được chia sẻ dễ dàng và tích hợp vào các nền tảng khác nhau.
 Mở rộng phần cứng: Arduino được thiết kế và sử dụng theo dạng module nên
việc mở rộng phần cứng cũng dễ dàng hơn.
 Đơn giản và nhanh: Rất dễ dàng lắp ráp, lập trình và sử dụng thiết bị.

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

9


Đồ án tốt nghiệp
 Dễ dàng chia sẻ: Mọi người dễ dàng chia sẻ mã nguồn với nhau mà không lo
lắng về ngơn ngữ hay hệ điều hành mình đang sử dụng.

Giá của các Board Arduino dao động xung quanh €20, hoặc $27 hoặc
574.468VNĐ, nếu được "làm giả" thì giá có thể giảm xuống thấp hơn $9. Các
Board Arduino có thể được đặt hàng ở dạng được lắp sẵn hoặc dưới dạng các kit tự
làm lấy. Thông tin thiết kế phần cứng được cung cấp công khai để những ai muốn
tự làm một mạch Arduino bằng tay có thể tự mình thực hiện được (mã ng̀n mở).
Người ta ước tính khoảng giữa năm 2011 có trên 300.000 mạch Arduino chính
thức đã được sản xuất thương mại, và vào năm 2013 có khoảng 700.000 mạch
chính thức đã được đưa tới tay người dùng.

Hình 2.8 Kit Arduino Uno R3.
2.1.4.1.Thơng số của Arduino Uno R3
Bảng 2.1 Một số thông số của Arduino R3
Vi điều khiển

Atmega328 ( họ 8 bit )

Điện áp hoạt động

5V – DC ( chỉ được cấp qua cổng USB )

Tần số hoạt động

16 MHz

Dòng tiêu thụ

30mA

Điện áp vào khuyên dùng

7 – 12V – DC

Điện áp vào giới hạn

6 – 20V – DC

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

10


Đồ án tốt nghiệp
Số chân Digital I/O

14 ( 6 chân PWM )

Số chân Analog

6 ( độ phân giải 10 bit )

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O

30mA

Dòng ra tối đa ( 5V )

500mA

Dòng ra tối đa ( 3.5 )

30mA

Bộ nhớ Flash

32 KB ( ATmega328 ) với 0.5 KB dùng bởi
bootloder

SRAM

2 KB ( Atmega328 )

EEPROM

1 KB ( Atmega328 )

2.1.5. Tổng quan về Kit Arduino Mega 2560
Arduino Mega 2560 là 1 bo mạch thiết kế với bộ xử lý trung tâm là vi điểu
khiển AVR Atmega2560. Cấu tạo chính của Arduino Mega 2560 bao gồm các
phần sau:
-

Cổng USB: đây là loại cổng giao tiếp để ta upload code từ PC lên vi điều khiển.
Đờng thời nó cũng là giao tiếp serial để truyền dữ liệu giữa vi điều khiển và
máy tính.

-

Jack ng̀n: để chạy Arduino thỉ có thể lấy ng̀n từ cổng USB ở trên, nhưng
khơng phải lúc nào cũng có thể cắm với máy tính được. Lúc đó ta cần một
ng̀n từ 9V đến 12V.

-

Có 54 chân vào/ra số đánh số thứ tự từ 0 đến 13, ngồi ra có một chân nối đất
(GND) và một chân điện áp tham chiếu (AREF).

-

Vi điều khiển AVR: đây là bộ xử lí trung tâm của toàn bo mạch. Với mỗi mẫu
Arduino khác nhau thì con chip là khác nhau. Ở Arduino Mega2560 này thì sử
dụng vi điều khiểnATMega2560.

-

Các thơng số chi tiết của Ardiuno Mega 2560:

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

11


Đồ án tốt nghiệp
Bảng 2.2 Một số thông số của Arduino Mega 2560
Vi điều khiển

Atmega2560 ( họ 8 bit )

Điện áp hoạt động

5V – DC ( chỉ được cấp qua cổng USB )

Tần số hoạt động

16 MHz

Dòng tiêu thụ

30mA

Điện áp vào khuyên dùng

7 – 12V – DC

Điện áp vào giới hạn

6 – 20V – DC

Số chân Digital I/O

54 ( 6 chân PWM )

Số chân Analog

16 ( độ phân giải 10 bit )

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O

30mA

Dòng ra tối đa ( 5V )

500mA

Dòng ra tối đa ( 3.5 )

30mA

Bộ nhớ Flash

256 KB ( ATmega328 ) với 0.5 KB dùng bởi
bootloder

SRAM

8 KB ( Atmega328 )

EEPROM

4 KB ( Atmega328 )

Các Mega 2560 có 16 đầu vào tương tự, mỗi ngõ vào tương tự đều có độ phân
giải 10 bit (tức là 1024 giá trị khác nhau).Theo mặc định đo từ 0 đến 5 volts, mặc
dù là nó có thể thay đổi phần trên của phạm vi bằng cách sử dụng chân Aref và
AnalogReference chức năng.
Các Atmega 2560 có 256 KB bộ nhớ Flash để lưu trữ mã (trong đó có 8 KB
được sử dụng cho bộ nạp khởi động), 8 KB SRAM và 4 KB của EEPROM.

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

12

Đồ án tốt nghiệp
2.1.6. Cấu trúc phần mềm và lập trình cho Arduino
2.1.6.1.Download cài cài đặt Arduino IDE
Để có thể lập trình cho Board Arduino, trước hết ta cần tải xuống và cài đặt mơi
trường viết chương trình cho Arduino.
 Download tại: /> Hướng dẫn cài đặt cho người dùng Windows(người sử dùng hệ điều hành Mac
OS thì khơng cần phải cài driver).
 Kết nối board Arduino với máy tính, và để máy tính tự động cài đặt Driver
USB. Tuy nhiên việc tự động cài đặt driver sẽ không thành cơng.
 Nếu khơng thành cơng thì: Mở Device Manager của Windows trên Control
Panel.
 Ở mục Ports (COM & LPT) bạn sẽ thấy mục Arduino UNO (COMxx).
 Nhấp chuột phải vào mục Arduino UNO (COMxx) và chọn Update Driver
Software.
 Trên cửa sổ hiện ra, chọn Browse my computer for driver softwave.
2.1.6.2. Lập trình cho Arduino

Hình 2.9 Phần mềm lập trình cho Arduino.
Thiết kế Board mạch nhỏ gọn, trang bị nhiều tính năng thông dụng mang lại
nhiều lợi thế cho Arduino, tuy nhiên sức mạnh thực sự của Arduino nằm ở phần
mềm. Mơi trường lập trình đơn giản dễ sử dụng, ngơn ngữ lập trình Wiring dễ hiểu
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

13


Đồ án tốt nghiệp
và dựa trên nền tảng C/C++ rất quen thuộc với người làm kỹ thuật. Và quan trọng

là số lượng thư viện code được viết sẵn và chia sẻ bởi cộng đồng nguồn mở là cực
kỳ lớn.
Môi trường lập trình Arduino IDE có thể chạy trên ba nền tảng phổ biến nhất
hiện nay là Windows, Mac OSX và Linux. Do có tính chất ng̀n mở nên mơi
trường lập trình này hồn tồn miễn phí và có thể mở rộng thêm bởi người dùng có
kinh nghiệm.
Ngơn ngữ lập trình có thể được mở rộng thơng qua các thư viện C++. Và do
ngơn ngữ lập trình này dựa trên nền tảng ngơn ngữ C của AVR nên người dùng
hồn tồn có thể nhúng thêm code viết bằng AVR C vào chương trình nếu muốn.
Một số đặc điểm của Arduino IDE:
 Hỗ trợ Windows, Mac OS X, Linux.
 Giao diện đơn giản dễ sử dụng.
 Có thể chạy ngay khơng cần cài đặt.
 Mã ng̀n mở.
2.2 Module Arduino Ethernet Shiel.
2.2.1 Hình ảnh thực tế.

Hình 2.10 Arduino Ethernet Shield.

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

14


Đồ án tốt nghiệp
2.2.2 Tổng quan về Arduino Ethernet Shiel
Arduino Ethernet shiel kết nối Arduino với internet chỉ trong vài phút. Chỉ cần
cắm module này lên bảng Arduino, kết nối nó với mạng thơng qua một dây cáp
RJ45 và theo dõi một vài thao tác hướng dẫn đơn giản để có thể bắt đầu kiểm sốt
thế giới của bạn thơng qua mạng internet. Như thường lệ với Arduino, các yếu tố

của nền tảng này đó là - phần cứng, phần mềm và tài liệu hướng dẫn – đều được
miễn phí có sẵn và nó là một mã ng̀n mở. Điều này có nghĩa là chúng ta có thể
biết chính xác thực hiện thực hiện nó như thế nào và sử dụng thiết kế của nó như là
một điểm khởi đầu cho mạch của chúng ta. Hiện tại trên thế giới có hàng trăm ngàn
bảng Arduino đã thúc đẩy sự sáng tạo của người dân trên toàn thế giới.
Để Arduino Internet Shield hoạt động cần có những yếu tố sau:
 Một Board Arduino (trong đồ án người thực hiện báo cáo sử dụng Board
Arduino mega 2560).
 Nguồn cung cấp điện áp 5V(cung cấp từ Board Arduino).
 Bộ điều khiển ethernet : W5100 với bộ đệm trong 16K.
 Tốc độ kết nối : 10/100Mb.
 Kết nối với Arduino thông qua cổng SPI.
 Modem mạng dùng để kết nối với Ethernet Shield

Hình 2.11 Board Arduino và Arduino Ethernet Shiel sau khi được ghép nối.
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

15


Đờ án tốt nghiệp
2.2.3 Cấu hình phần cứng

Hình 2.12 Cấu hình phần cứng Arduino Ethernet Shield.
 RJ45 : Cổng Ethernet.
 IC HX1198: cổng tín hiệu 10 / 100BASE-T;
 IC W5200: IP Ethernet Controller;
 U3: IC CJ117, điều chỉnh sụt áp tuyến tính mức thấp;
 U6: IC 74VHC125PW, đệm quad;
 Đặt lại KEY: Reset Arduino Ethernet và Arduino khi nhấn;

 Thẻ SD: hỗ trợ thẻ nhớ Micro SD 2 định dạng FAT16 hoặc FAT32; lưu trữ tối
đa là 2GB.
 D4: chọn thẻ nhớ SD.
 D10: W5200 Chip Select
 D11: SPI MOSI
 D12: SPI MISO
 D13: SPI SCK
2.2.4 Mô tả chức năng.
 Ethernet Shiel W5100 thích hợp đối với Arduino 2009, UNO, Mega 1280 2560
 Nhãn hiệu mới và chất lượng cao.
 Với Ethernet Shiel này, BoardArduino của bạn có thể được sử dụng để kết nối
với internet.
 Có thể được sử dụng như máy chủ hoặc khách.
 Trực tiếp cắm lên board Arduino màkhông yêu cầu hàn.
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

16


Đồ án tốt nghiệp
 Bộ điều khiển: W5100.
 Đây là phiên bản mới nhất của Shield Ethernet.
 Đây Arduino Ethernet khiên mà là dựa trên Wiznet W5100 Ethernet Chip cung
cấp cho bạn một cách dễ dàng để có thể thiết đặt Arduino của bạn.
 Nó được hỗ trợ trực tiếp bởi Thư viện Arduino Ethernet.
 Nó cho biết thêm một khe cắm thẻ Micro-SD, có thể được sử dụng để lưu trữ
các tập tin để phục vụ qua mạng.
 Nó tương thích với Arduino Duemilanove (168 hoặc 328), Uno cũng như Mega
(1280/2560) và có thể được truy cập bằng cách sử dụng thư viện SD.
 Các Wiznet W5100 cung cấp một địa chỉ mạng (IP) có khả năng giao tiếp cả

hai giao thức TCP và UDP.
 Nó có khả năng truyền song song cùng lúc 4 luồng dữ liệu giúp Board có khả
năng nhận dữ liệu từ internet với tỉ lệ lỗi thấp hơn (nguyên nhân thường là do
mất dữ liệu trên đường truyền hoặc do thời gian truyền vượt quá giới hạn - time
out..
 Địa chỉ MAC: 0xDE, 0xAD, 0xBE, 0xEF, 0xFE, 0xED byte mac [] = {0xDE,
0xAD, 0xBE, 0xEF, 0xFE, 0xED}.
 Kích thước: 73 * 53 * 23mm.
 Trọng lượng tịnh: 31g.
2.3.

Giới thiệu về module truyền phát NRF24L01

2.3.1.

Thông số kỹ thuật

Hình 2.13 Module NRF24L01
-Radio:
+Hoạt động ở giải tần 2.4Ghz
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

17


Đờ án tốt nghiệp
+ Có 126 kênh
+Truyền và nhận dữ liệu
+ Truyền tốc độ cao lMbps hoặc 2Mbps.
-

Công suất phát:
+ Có thể cài đặt được 4 cơng suất ng̀n phát: 0,-6,-12,-18dBm

-

Thu:
+ Có bộ lọc nhiễu tại đầu thu
+ Khuếch đại bị ảnh hưởng bởi nhiễu thấp (LNA)

-

Nguồn cấp:
+ Hoạt động từ 1.9-3.6V
+ Các chân IO chạy được cả 3.3 lẫn 5V

-

Giao tiếp:
+ 4 chân giao tiếp theo giao thức SPI
+ Tốc độ tối đa 8Mbps
+ 3-32 bytes trên 1 khung truyền nhận.

2.3.2. Phân tích
-

Module NRF24L01 hoạt động ở tần số sóng ngắn 2.4G nên Module này khả
năng truyền dữ liệu tốc độ cao và truyền nhận dữ liệu trong điều kiện mơi
trường có vật cản.

-

Module NRF24L01 có 126 kênh truyền. Điều này giúp ta có thể truyền nhận dữ
liệu trên nhiều kênh khác nhau.

-

Module khả năng thay đổi công suất phát bằng chương trình, điều này giúp nó
có thể hoạt động trong chế độ tiết kiệm năng lượng.

Chú ý: Điện áp cung cấp cho là 1.9V đến 3.6V. Điện áp thường cung cấp là 3.3V.
Nhưng các chân có thể tương thích với chuẩn 5V. Điều này giúp nó giao tiếp rộng
dãi với các dòng vi điều khiển.
2.4.

Opto Moc3020 và Triac Bta16
Opto hay là cách ly quang được dùng trong những mạch cần cách ly, thông

thường để ngăn cách giữa phần điều khiển và phần công suất. Tạo ra sự đảm bảo
an toàn trong mạch, với một số trường hợp dùng nó có thể tránh nhiễu cho vi điều
khiển khi điều
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

18