Đồ án tốt nghiệp Hệ thống chăm sóc hoa cảnh ứng dụng IoTs

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ
MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT
CHĂM SĨC HOA CẢNH ỨNG DỤNG IOTs

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2022


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ
MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT
CHĂM SĨC HOA CẢNH ỨNG DỤNG IOTs

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2022


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành báo cáo đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật
Điện tử - Viễn thơng trước hết nhóm thực hiện xin gửi đến q Thầy Cơ bộ mơn kỹ
thuật Máy tính – Viễn thơng, trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh
lời cảm ơn chân thành. Đặc biệt, thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, truyền đạt
kiến thức cần thiết và tạo điều kiện thuận lợi cho nhóm trong suốt q trình thực
hiện đề tài, nhóm thực hiện xin gửi đến thầy lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất.
Đồng thời, cũng gửi lời cảm ơn đến bạn bè đã hỗ trợ, đóng góp ý kiến cũng
như chia sẻ kinh nghiệm để nhóm hồn thành tốt đề tài. Và nhóm xin gửi lời cảm ơn

đến gia đình đã tạo điều kiện tốt nhất, hỗ trợ về mặt kinh tế cũng như tinh thần, để
từng thành viên trong nhóm chuyên tâm thực hiện đề tài lần này.
Mặc dù đã cố gắng tốt nhất, nhưng cũng không thể tránh khỏi những thiếu
sót. Do vậy, nhóm rất mong nhận được sự góp ý q báu từ thầy cơ để có thể hồn
thiện tốt hơn cũng như tích lũy kinh nghiệm để hồn thành tốt những dự án trong
công việc sau này.
Sau cùng, nhóm thực hiện kính chúc q thầy cơ dồi dào sức khỏe, luôn tràn
đầy nhiệt huyết cùng với thành công trong sự nghiệp cao quý.
Xin chân thành cảm ơn!

Nhóm thực hiện đề tài

3


TÓM TẮT
IoTs (Kết nối vạn vật qua internet) là một công nghệ đang được ứng dụng
trong nhiều lĩnh vực công, nông nghiệp. Trong nông nghiệp, các ứng dụng của IoTs
được áp dụng ở các mơ hình nhà kính, trong các hệ thống tưới tiêu tự động,…Công
nghệ này bao gồm các thiết bị được kết nối mạng internet giao tiếp với nhau. Cho
phép các thiết bị thu thập và trao đổi các thông số, dữ liệu với người dùng.
Trong đồ án tốt nghiệp này nhóm sẽ tìm hiểu, nghiên cứu và thiết kế mơ hình
hệ thống chăm sóc hoa cảnh dựa trên các ứng dụng công nghệ IoTs. Vậy tại sao hệ
thống này dựa trên các ứng dụng IoTs? Hiện nay nhiều người trồng các loài hoa
cảnh trong vườn nhà hoặc những người trồng hoa ở các vườn với diện tích lớn đang
rất quan tâm đến việc theo dõi, chăm sóc từ xa, hệ thống tự động để chăm sóc cho
cây. Nhận thấy vấn đề trên nên đề tài này nhóm chọn sử dụng Arduino Mega2560
làm khối xử lý trung tâm kết hợp với module ESP8266 giao tiếp với mạng internet,
cảm biến nhiệt độ - độ ẩm, cảm biến đo ẩm đất, các thiết bị bơm tưới,….và nhóm
cịn sử dụng nguồn dự phòng bằng pin năng lượng mặt trời nhằm đảm bảo hệ thống

hoạt động liên tục khi mất nguồn điện, nhằm khuyến khích và nâng cao việc sử
dụng năng lượng xanh nhiều hơn trong cơng đồng. Bên cạnh đó, nhóm còn phát
triển App trên điện thoại Android và Website, để người dùng có thể giám sát, theo
dõi và điều khiển các thiết bị như máy bơm, phun sương, mái che,….thích hợp
trong việc chăm sóc từ xa. Ở mơ hình cịn có chức năng tự động bật các thiết bị
bơm tưới, phun sương,…dựa vào so sánh các giá trị cài đặt trước với các giá trị các
cảm biến đo được.
Hệ thống này rất thích hợp cho những người trồng hoa nhưng khơng có
nhiều thời gian chăm sóc thì có thể giám sát điều khiển chăm sóc cho khu vườn từ
xa và hệ thống có thể được quản lý cũng như chăm sóc dễ dàng bởi tất cả mọi
người.

4


MỤC LỤC
TRANG

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

5


ADC hay A/D
DC
I2C
I/O
IC
I2C
IEEE

IDE
IoTs
IDE
NO
NC
RX
TX
SDK
UART
WIFI

6


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

7


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

8


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 GIỚI THIỆU
Xu hướng hiện nay là số hóa các hệ thống trong nơng nghiệp để phù hợp với
sự phát triển về khoa học công nghệ của xã hội. Ngày nay, ngành nơng nghiệp nói
chung và ngành trồng trọt hoa cảnh nói riêng cũng đang dần phát triển với các mơ
hình trồng nhiều lồi hoa cảnh như hoa lan, hoa mai, hoa hồng,…vừa mang giá trị

trang trí, vừa mang giá trị kinh tế cho người trồng.
Song đối với các lồi hoa có giá trị kinh tế cao lên đến hàng chục triệu đồng
như hoa lan thì việc giám sát, chăm sóc, tưới nước, bón phân thuốc cũng là một vấn
đề nan giải. Nhận thấy những vấn đề trên nhóm đã chọn sử dụng các ứng dụng của
IoT như đo các thông số nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng,… từ đó hiển thị ra thơng tin cần
thiết đến người trồng để giám sát và điều chỉnh chế độ chăm sóc hợp lý. Bên cạnh
đó nhờ có ứng dụng kết nối vạn vật IoT, người trồng có thể điều khiển hoặc cài đặt
chế độ cho hệ thống từ xa thông qua ứng dụng trên điện thoại được kết nối internet.
Đây là một ưu điểm cho những người trồng hoa nhưng khơng có nhiều thời gian
chăm sóc vẫn có thể theo dõi quan sát và chăm sóc khu vườn từ xa.
Từ các cơ sở và yêu cầu thực tế trên nhóm quyết định thực hiện đề tài
“THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT, CHĂM SĨC HOA
CẢNH ỨNG DỤNG IoT”. Việc áp dụng hệ thống điều khiển tự động này giúp
người trồng giảm chi phí th mướn nhân cơng đối với các mơ hình trồng hoa diện
tích lớn, tiết kiệm được thời gian, thuận tiện hơn trong việc chăm sóc nhưng vẫn
mang lại hiệu quả cao.
1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Thiết kế và thi công hệ thống giám sát, chăm sóc hoa cảnh sử dụng các cảm
biến như cảm biến độ ấm đất, cảm biến độ ẩm, nhiệt độ môi trường, cảm biến
cường độ ánh sáng,…giám sát mơ hình 2 chậu hoa lan và đo các thông số môi
trường đưa dữ liệu đến người chăm sóc để điều khiển các thiết bị tưới nước, phun
sương tạo độ ẩm,… thông qua Web và ứng dụng điện thoại di động. Đề tài sử dụng
module Arduino Mega2560 làm bộ xử lý trung tâm, module tích hợp giao tiếp wifi
NodeMCU ESP8266 làm trung gian kết nối internet và các loại cảm biến phù hợp,
màn hình LCD hiển thị, đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu các ứng dụng IoT
để thực hiện.
1.3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Đối với phần cứng nhóm nghiên cứu về các thiết bị như Arduino, module
NodeMCU ESP8266, các module cảm biến và một số thiết bị ngoại vi phù hợp với
đề tài.

9


Về phần mơ hình nhóm chọn hoa lan để nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng
đến hoa lan, quy trình chăm sóc, từ đó đưa ra giải pháp thiết lập thơng số chăm sóc
phù hợp.
1.4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đề tài thực hiện và dừng lại ở mức độ thiết kế mơ hình giám sát khu vực
trồng 2 chậu hoa phong lan bao gồm:
• Arduino Mega2560 làm bộ xử lý trung tâm để kết nối với các cảm biến các
module và các thiết bị động cơ.
• Module tích hợp wifi NodeMCU ESP8266 giao tiếp với mạng internet.
• Giao diện Web và ứng dụng điện thoại được kết nối với internet để giao
tiếp với người dùng.
• Hệ thống được thiết kế với 2 chế độ điều khiển gồm: chế độ tự động và chế
độ nhấn trực tiếp bằng nút nhấn trên board mạch.
• Hiển thị thơng số đo được từ các cảm biến lên màn hình LCD, ứng dụng
điện thoại và giao diện web.
1.5 BỐ CỤC ĐỀ TÀI
Trong đề tài nhóm chia thành 6 chương để nghiên cứu và thực hiện như sau:
Chương 1: Tổng quan: Giới thiệu chung về đề tài. Sự phát triển lĩnh vực
trồng hoa cảnh từ đó đưa ra lý do chọn đề tài, xác định mục tiêu, đối tượng và phạm
vi nghiên cứu cho đề tài.
Chương 2: Cở sở lý thuyết: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng và quy trình
chăm sóc cây lan, trình bày tổng quan về thiết bị, module phần cứng phần cứng sử
dụng trong đề tài, các chuẩn giao tiếp, dẫn dắt chi tiết cụ thể để xây dựng hồn
chỉnh về mơ hình.
Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống: Từ yêu cầu đề tài, trình bày về sơ
đồ khối hệ thống. Tính tốn và chọn lựa linh kiện phù hợp từ đó thiết kế mơ hình.
Chương 4: Thi cơng hệ thống: Thi công mạch in, kết nối các linh kiện đã

chọn ở chương 3. Thi cơng mơ hình và lập trình cho hệ thống.
Chương 5: Kết quả - nhận xét – đánh giá: Trình bày kết quả thu được sau
khi thi cơng mơ hình thơng qua hình ảnh, video. Từ đó nhận xét và đánh giá sản
phẩm dựa trên các yêu cầu đặt ra.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển: Dựa vào kết quả có được từ
chương 5, đưa ra kết luận về ưu, nhược điểm hệ thống. Từ đó đưa ra định hướng để
cải thiện, phát triển hệ thống.

10


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 GIỚI THIỆU VỀ MỘT SỐ LỒI HOA CẢNH
Trong thế giới thực vật nói chung và thế giới hoa cảnh nói riêng, hiện có rất
nhiều loài hoa như hoa lan, hoa hồng, hoa cúc,….với các đặc điểm màu sắc, vẻ đẹp,
hương thơm và ý nghĩa khác nhau.
Về đề tài này, nhóm thực hiện sẽ tìm hiểu về hoa lan. Một loài hoa những
năm gần đây đang được nhiều người lựa chọn trồng để trang trí trong khơng gian
vườn nhà. Ngồi ra các giống hoa lan quý hiếm còn được những người chuyên chơi
hoa cảnh săn đón giúp mang lại giá trị kinh tế cao cho người trồng. Mặt khác hoa
lan được ưa chuộng rất nhiều bởi vì mỗi lồi hoa lan có vẻ đẹp, ý nghĩa đặc trưng
riêng, đa dạng màu sắc, mùi hương,…Nhưng để có một chậu hoa lan ln tươi tốt
và cho ra hoa đẹp thì vấn đề chăm sóc là việc cần thiết.
2.1.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển cây lan [1]
a. Yếu tố nhiệt độ
Nhiệt độ ảnh hưởng rất nhiều đến quá trình phát triển của cây lan vì lan là
một lồi thực vật khơng ưa nóng cũng khơng ưa lạnh, đặc biệt là trong q trình hoa
nở. Tùy vào giống lan chúng sẽ có những yêu cầu về nhiệt độ khác nhau. Tuy nhiên
nhìn chung thì tất cả loại lan được trồng hiện nay ở Việt Nam thì nhiệt độ thích hợp
nằm trong khoảng từ 18 - 35 độ C. Sự dao động từ 10 đến 20 độ giữa nhiệt độ ban

ngày và ban đêm là điều cần thiết cho tất cả hoa phong lan để kích thích lan nở hoa.
b. Yếu tố độ ẩm
Độ ẩm là một trong những yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến hoa lan. Hầu hết các
giống lan có thể sống được ở mơi trường nhiệt đới ẩm. Độ ẩm khơng khí phù hợp
để lan sinh trưởng tốt thường ở mức 40 – 70%.
Việc chọn địa điểm thích hợp đặt chậu trồng lan sẽ giúp ta giảm được rất
nhiều công sức chăm sóc cho lan. Q trình quang hợp và hơ hấp rất cần nước cho
nên cần để lan trong môi trường có độ ẩm thích hợp.
c. Một số yếu tố khác
Tuy lan là một loài ưa ẩm nhưng nếu lượng nước tưới quá nhiều thì sẽ dễ bị
úng và thối rễ. Vậy nên nước tưới cũng là 1 yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng
cây lan. Tùy vào giai đoạn và điều kiện thời tiết mà người trồng điều tiết lượng
nước tưới cho phù hợp.
Ánh sáng cũng là một yếu tố rất cần thiết cho quá trình quang hợp của cây
lan. Ánh sáng giúp cây quang hợp và tạo ra chất dinh dưỡng. Vào những ngày mưa
hay thiếu ánh sáng thì cây khơng thể tạo đủ chất dinh dưỡng cho cơ thể. Tuy nhiên
không để lan trực tiếp dưới ánh nắng mặt trời mà cần có mái che. Tuỳ mỗi giống lan

11


sẽ cần lượng ánh sáng khác nhau. Bên cạnh việc tạo ra chất dinh dưỡng cho cây,
ánh sáng còn chi phối đến việc ra hoa ở một số giống lan, nếu thiếu ánh sáng thì lan
sẽ khơng ra hoa.
Yếu tố về mặt thơng thống trong vườn lan cũng là một điều kiện để lan phát
tốt. Mơi trường thơng thống giúp lan được làm mát, cây dễ quang hợp và càng
không bị bệnh do nấm mốc. Tuy nhiên độ thơng thống q lớn sẽ làm q trình
thốt hơi nước nhanh và gia tăng sự bốc hơi làm giảm độ ẩm trong mơi trường dẫn
đến cây chậm phát triển.
2.1.2 Quy trình giám sát và chăm sóc cây hoa lan [2]

Qua q trình tìm hiểu về đặc tính và các yếu tố ảnh hưởng đến cây lan thì
giải pháp đặt ra để giám sát và chăm sóc cây lan là sử dụng các cảm biến chuyên
dụng để thu thập các thông số môi trường, hiển thị các thông số thu thập được lên
màn hình LCD, giao diện Web, App giúp người trồng có thể quan sát ở mọi nơi. Từ
đó người trồng điều khiển các thiết bị: bơm tưới, bơm phun sương, đèn, quạt, mái
che thông qua Web, App hoặc nút nhấn trực tiếp trên board mạch. Hệ thống cịn có
quy trình tự động bật tắt các thiết bị dựa vào các giá trị được cài đặt trước như: nhiệt
độ, độ ẩm đất, độ ẩm khơng khí,…đảm bảo cho cây lan được phát triển tốt.
2.2 TỔNG QUAN CÁC PHẦN CỨNG SỬ DỤNG
2.2.1 Module thời gian thực DS1307 [11]
Trên thị trường linh kiện điện tử hiện nay, có rất nhiều loại module về thời
gian thực như RTC DS1307, RTC DS1302, RTC DS3231,…các module này đều có
chức năng như cung cấp thời gian thực, làm đồng hồ báo thức, mạch đếm,....
Module thời gian thực sử dụng IC DS1307 để cung cấp thông tin thời gian:
thứ, ngày, tháng, năm, giờ, phút, giây. Điểm nổi bật của RTC là trên mạch có sẵn
pin dự phịng 3V để duy trì thời gian trong trường hợp mất nguồn cung cấp. IC
DS1307 cịn có thạch anh ngồi 32.768KHz để tạo dao động nội. Ngồi ra trên
module cịn được tích hợp thêm IC EEPROM AT24C32 với dung lượng lên đến
32Kbit để lưu trữ thơng tin khi cần, thích hợp cho các ứng dụng điều khiển hoặc
đồng bộ dữ liệu thời gian thực RTC. IC EEPROM và IC DS1307 sử dụng giao tiếp
I2C để kết nối với các vi điều khiển.
Hình ảnh thực tế module RTC DS1307, sơ đồ chân IC DS1307 và sơ đồ
nguyên lý module RTC DS1307 được thể hiện như hình 2.1, 2.2, 2.3
Các bảng theo thứ tự 2.1, 2.2 trình bày về thơng số kỹ thuật DS1307, thơng
tin về các chân IC DS1307.

12


Hình 2.1: Module thời gian thực RTC DS1307

Bảng 2.1: Thơng số kỹ thuật cho DS1307
ST
T

Ký
hiệu

Thông số

1.

Vcc

2.

VIH

Điện áp cung cấp
Điện áp vào mức cao

3.
4.
5.

VIL
VBAT
ICCA

Điện áp vào mức thấp
Nguồn dự phòng

Dòng tiêu thụ

Nom
Min
(Chuẩn
(nhỏ nhất)
)
4.5
5
2.2
-0.3
2

3

Max
(tối đa)
5.5
Vcc+0.
3
+0.8
3.5
1.5

Đơn vị
V
V
V
V
mA

Hình 2.2: Sơ đồ chân IC DS1307
Bảng 2.2: Bảng thông số các chân DS1307
Châ
Tên
Chức năng
n
1
X1
Kết nối với thạch anh 32.768KHz. Để kích hoạt dao động
2
nội cho IC.
X2
3

VBAT

Nguồn pin đầu vào 3V dự phòng cho mạch.

4

GND

Chân nối đất.

5

SDA

Chân SDA truyền dữ liệu theo chuẩn giao tiếp I2C và cần có

1 điện trở kéo lên bên ngồi.

13


6

SCL

7

SQW/OU
T
VCC

8

Chân tín hiệu xung Clock theo chuẩn giao tiếp I2C. Chân
SCL cũng phải kéo lên 5V sử dụng điện trở ngồi khoảng
3K3Ω.
Ngõ ra xung vng (1Hz, 4kHz, 8kHz, 32kHz)
Cấp nguồn cho module.

Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý Module thời gian thực RTC DS1307
Về hoạt động của module thời gian thực DS1307, DS1307 hỗ trợ 56byte
SRAM với các thanh ghi RTC có địa chỉ từ 00h đến 07h và các thanh ghi RAM có
địa chỉ từ 08h – 3Fh được thể hiện ở bảng 2.3.
Bảng 2.3: Địa chỉ và chức năng thanh ghi RTC

14

Thơng tin về thời gian thực có được thơng qua việc đọc các byte thanh ghi
thích hợp. Giá trị thanh ghi thời gian và lịch, sử dụng định dạng BCD. Bit 7 của
thanh ghi 0 là bit dừng (CH), khi bit này bằng 1 thì bộ dao động bị vơ hiệu hóa và
dừng đồng hồ, khi xóa về 0 thì bộ dao động được bật. Thời gian DS1307 có thể hoạt
động ở 2 chế độ là chế độ 12 giờ hoặc 24 giờ. Để chọn chế độ ta tác động vào bit 6
của thanh ghi 2 (khi ở mức cao chế độ 12 giờ được chọn) trong chế độ 12 giờ bit 5
của thanh ghi giờ sẽ là bit AM hoặc PM. Khi ở chế độ 24 giờ bit 5 sẽ là bit 10 giờ
thứ hai (20 – 23 giờ). RTC chỉ sử dụng 8 địa chỉ thanh ghi cho chức năng đọc/ghi
thời gian thực và ô địa chỉ thanh ghi trống còn lại dùng để lưu trữ dữ liệu khác khi
cần thiết.
Module thời gian thực DS1307 đọc và ghi dữ liệu qua chuẩn I2C với địa chỉ
I2C của DS1307 mặc định là 0x68 khi giao tiếp với Arduino hoặc các vi điều khiển
khác. Thư viện <RTClib.h> sẽ giúp việc lập trình cho cho module RTC DS1307 trở
nên đơn giản nhờ các hỗ trợ bên trong thư viện.
2.2.2 Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11 [12]
Để đo giá trị nhiệt độ và độ ẩm mơi trường ngày nay có rất nhiều loại cảm
biến như DHT11, DHT22, AHT10, DS18B20,....nhưng để thuận tiện trong q trình
sử dụng nên nhóm chọn nghiên cứu module DHT11 vì module được tích hợp cảm
biến đo nhiệt độ và độ ẩm trên cùng 1 mạch.
Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11 là cảm biến nhỏ gọn được sử dụng rất
nhiều hiện nay. Cảm biến bao gồm một NTC (điện trở nhiệt) để đo nhiệt độ và
thành phần cảm biến đo độ ẩm gồm 1 tấm nền kim loại giữ ẩm được kẹp giữa hai
điện cực. DHT11 giao tiếp dữ liệu với Arduino thông qua giao tiếp một dây. Trong
cảm biến có bộ tiền xử lý nên dữ liệu nhận được chính xác và khơng cần tính tốn
thêm. Khoảng cách truyền tối đa của cảm biến đến 20m.

Hình 2.4: Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11
Thông số kỹ thuật và thông tin các chân cảm biến DHT11 được mô tả ở bảng

2.4 và 2.5

15


Bảng 2.4: Thông số kỹ thuật cho DHT11
ST
T

Ký hiệu

1.

Vcc

Thông số

Nom
Min
(Chuẩn
(nhỏ nhất)
)
3
5

Điện áp hoạt động
Dịng điện trung
2.
Itb
0.2

bình
3.
I
Dịng tiêu thụ
0.5
- Tốc độ lấy mẫu: 1Hz
- Độ ẩm có thể đó: 20% - 90% , sai số ±5%
- Nhiệt độ có thể đo: 0°C - 50°C, sai số ±2°C

Max
(tối đa)

Đơn vị

5.5

V

1

mA

2.5

mA

Bảng 2.5: Thông tin chân cảm biến DHT11
Châ
Tên
Mô tả

n
1
Vcc
Chân cung cấp nguồn 3V(DC) - 5V(DC)
2
Data
Chân giao tiếp dữ liệu
3
GND
Chân nối đất.
Khi hoạt động, DHT11 giao tiếp và đồng bộ dữ liệu giữa cảm biến và vi điều
khiển qua chuẩn truyền 1 dây. Dữ liệu bao gồm 40 bit tương ứng với 5 byte:
• Byte 1: giá trị phần nguyên của độ ẩm 8 bit
• Byte 2: giá trị phần thập phân độ ẩm 8 bit
• Byte 3: giá trị phần nguyên của nhiệt độ 8 bit
• Byte 4: giá trị phần thập phân nhiệt độ 8 bit
• Byte 5: tổng kiểm tra.
Nếu Byte 5 = (byte1 + byte2 + byte3 + byte4) thì giá trị nhiệt độ và độ
ẩm chính xác.

Hình 2.5: Quy trình giao tiếp dữ liệu DHT11 với MCU
Quy trình giao tiếp dữ liệu được thể hiện như hình 2.5 khi ở trạng thái bình
tín hiệu DHT11 ở chế độ tiêu thụ điện năng thấp. Khi MCU gửi tín hiệu bắt đầu
16


DHT11 chuyển sang chế độ khởi chạy. Sau khi MCU hồn thành tín hiệu khởi
động, 40bit dữ liệu sẽ gửi đi từ DHT11, vi điều khiển sẽ đọc 5 byte đó. Nếu khơng
có tín hiệu bắt đầu từ MCU, DHT11 sẽ khơng đưa ra tín hiệu phản hồi. Khi dữ liệu
được thu thập DHT11 sẽ chuyển về chế độ tiêu thụ điện năng thấp cho đến khi nhận

lại tín hiệu bắt đầu từ MCU.
Về phần lập trình, hiện nay thư viện <DHT.h> là thư viện hỗ trợ cho rất
nhiều loại cảm biến nhiệt độ - độ ẩm như DHT11, DHT22,... để giao tiếp với
Arduino hoặc các vi điều khiển khác.
2.2.3 Cảm biến độ ẩm đất FC-28 [13]
Cảm biến độ ẩm đất loại FC-28 dùng để đo độ ẩm đất thường được sử dụng
trong các mơ hình nhà kín, hệ thống tưới cây, tưới hoa tự động,… Module cảm biến
đo độ ẩm đất bao gồm hai phần:
• Đầu dị cảm biến: phần đầu đo của cảm biến được cắm trực tiếp vào khu vực đất
cần đo để phát hiện độ ẩm. Đầu dò được cấu tạo gồm hai miếng đệm dẫn điện và
hoạt động như một chiết áp có giá trị thay đổi.
• Module xử lý: sử dụng một IC LM393 dùng để số hóa tín hiệu tương tự nhận được
từ đầu dị. Có thể tùy chọn mức ngưỡng cảm biến thông qua biến trở trên mạch
chuyển đổi. Khi mức ngưỡng cài đặt cao hơn độ ẩm hiện tại module sẽ xuất ra mức
cao ngược lại là mức thấp.
Module xử lý và đầu dị được thể hiện như hình 2.6 bên dưới, thông số kỹ
thuật cũng như thông tin các chân cảm biến đo độ ẩm đất được mô tả ở bảng 2.6 và
2.7

Hình 2.6: Module cảm biến độ ẩm đất FC-28.
Bảng 2.6: Thông số kỹ thuật cảm biến độ ẩm đất
ST
T

Ký hiệu

1.
2.

Vcc

I

Thơng số
Điện áp hoạt động
Dịng tiêu thụ

Nom
Min
(Chuẩn
(nhỏ nhất)
)
3.3

Max
(tối đa)

Đơn vị

5
15

V
mA

17


Độ bao phủ của cảm biến từ 20 – 30cm.

Bảng 2.7: Thông tin các chân của module cảm biến độ ẩm đất

Châ
Tên
Mô tả
n
1
Vcc
Chân cung cấp nguồn 3.3V(DC) - 5V(DC)
2
GND
Chân nối đất. Thường được nối chung GND của Arduino
Đầu ra digital. Nếu điện áp thấp hơn ngưỡng đầu ra là mức
3
DO
thấp và ngược lại là mức cao và đèn led trạng thái bật.
Đầu ra Analog. Module sẽ cung cấp một tín hiệu tương tự
4
AO
giữa nguồn cung cấp và gnd. Được sử dụng để đo thơng số.

Hình 2.7: Sơ đồ ngun lý module xử lý tín hiệu cảm biến độ ẩm đất
Sơ đồ nguyên lý module xử lý tín hiệu cảm biến độ ẩm đất như hình 2.7 hoạt
động sử dụng Op-amp LM393 với điện áp bù thấp công suất nhỏ được cấp nguồn
3V3 hoặc 5V. Giá trị điện áp ở ngõ ra tương tự sẽ phụ thuộc vào điện áp cung cấp.
Trong mạch này Op-amp có chức năng so sánh điện áp 2 mức tín hiệu cho đầu ra
DO. Trên module cịn có hai đèn led một đèn sáng khi cấp được cấp nguồn và đèn
còn lại sáng khi đạt đến ngưỡng thiết lập. Khi độ ẩm đất thấp (ít nước) điện trở lớn
dẫn đến điện áp ngõ vào lớn do đó V+ > V- tín hiệu sau khi so sánh cho ngõ ra mức
cao làm led tắt, khi độ ẩm đất cao (nhiều nước) điện áp ngõ vào nhỏ V+ < V- tín
hiệu ngõ ra bộ so sánh ở mức thấp đèn led sáng. Mức ngưỡng có thể được điều
chỉnh thông qua biến trở 10 KΩ.

2.2.4 Cảm biến mưa YL-83 [14]
Khi nói đến những điều kiện tự nhiên trong thời tiết chúng khá khó đốn
trước điển hình như mưa. Đối với các hệ thống vườn hoa thì việc phát hiện mưa để

18


đóng mái che là cần thiết. Trong đề này nhóm chọn nghiên cứu cảm biến mưa là
một thiết bị dùng để phát hiện mưa.
Module cảm biến mưa gồm một bảng kim loại để phát hiện mưa thường
được đặt ngoài trời và một module xử lý tín hiệu để so sánh giá trị nhờ IC so sánh
LM393. Cảm biến phát hiện mưa được sử dụng trong các trang trại, các vườn hoa
kiểng để đóng mở mái che tự động, trong lĩnh vực ô tô để điều khiển cần gạt
nước,....
Bảng kim loại phát hiện mưa và module xử lý được thể hiện như hình 2.8

Hình 2.8: Module cảm biến mưa
Bảng 2.8 và 2.9 mô tả về thông số kỹ thuật và thông tin các chân module
cảm biến phát hiện mưa
Bảng 2.8: Thông số kỹ thuật cảm biến mưa
Nom
ST
Min
Max
Ký hiệu
Thông số
(Chuẩn
Đơn vị
T
(nhỏ nhất)

(tối đa)
)
1
Vcc
Điện áp hoạt động
3
5
V
2
I
Dịng điện tối đa
150
260
mA
Bảng 2.9: Thơng tin các chân module cảm biến mưa
Châ
Tên
Mô tả
n
1
Vcc
Chân cấp nguồn 3.3V(DC) - 5V(DC) cho module
2
GND
Chân nối đất. Thường được nối chung GND của Arduino
Đầu ra digital. Đầu ra mức thấp cho biết đang phát hiện mưa
3
DO
và ngược lại mức cao không phát hiện mưa
Đầu ra Analog. Module sẽ cung cấp một tín hiệu tương tự

4
AO
giữa nguồn cung cấp và gnd.
Sơ đồ nguyên lý module xử lý tín hiệu cảm biến phát hiện mưa được cấu tạo
tương tự như sơ đồ nguyên lý module xử lý tín hiệu cảm biến độ ẩm đất được trình
bày ở hình 2.7.

19


Về hoạt động, module cảm biến phát hiện mưa hoạt động khá đơn giản, bảng
kim loại phát hiện mưa được thiết kế theo dạng các đường kim loại hình lưới và đặt
ngoài trời. Ở module phát hiện mưa sử dụng chân DO để đọc tín hiệu. Khi trời
khơng mưa chân DO sẽ được giữ ở mức cao (5V). Khi phát hiện mưa điện trở dẫn
thấp dẫn đến điện áp ngõ vào bộ so sánh mức thấp (V+ < V-) ngõ ra bộ so sánh ở
mức thấp (0V) đồng thời led hiển thị trạng thái sáng. Tương tự như module cảm
biến độ ẩm đất, mức ngưỡng so sánh có thể điều chỉnh bằng biến trở 10K được tích
hợp trên module.
2.2.5 Cảm biến cường độ ánh sáng GY30-BH1750 [15]
Trên thị trường hiện nay có nhiều loại cảm biến cường độ ánh sáng như:
BH1750-GY30, TSL2561- GY-2561, MAX44009-GY49,....Để phù hợp với đề tài
nhóm chọn module cường độ ánh sáng BH1750-GY30 để nghiên cứu.
IC cảm biến ánh sáng BH1750 phù hợp cho việc cảm nhận ánh sáng xung
quanh. Module có cường độ phân giải cao từ 1-65535 lx. IC giao tiếp dữ liệu với vi
điều khiển thông qua chuẩn giao tiếp I2C. Trên module được tích hợp bộ chuyển
đổi AD 16bit tạo tín hiệu số. Đơn vị đo cường độ ánh sáng là Lux.

Hình 2.9: Cảm biến cường độ ánh sáng GY-30 BH1750
Bảng 2.10: Thông số kỹ thuật cảm cường độ ánh sáng
ST

T

Ký hiệu

Thông số

1.
Vcc
Điện áp hoạt động
2.
I
Dòng điện
Một số giá trị về độ rọi của ánh sáng
• Trời nhiều mây: 50 – 500 Lux
• Trời nắng: 100000 – 110000 lux
• Trời mát: 20000 Lux

Min
(nhỏ nhất)
3

Nom
(Chuẩn
)

Max
(tối đa)

Đơn vị

5
7

V
mA

20


• Buổi tối: 0.001 – 0.02 Lux

Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý cảm biến cường độ ánh sáng GY-30 BH1750
Để lập trình cho thiết bị cần một số thư viện hỗ trợ như: thư viện <Wire.h>
để thiết lập giao tiếp I2C giữa cảm biến và Arduino (địa chỉ I2C đối với module
GY-30 BH1750 là 0x23), thư viện <BH1750.h> được sử dụng để đọc dữ liệu cảm
biến BH1750.
2.2.6 Màn hình hiển thị LCD 20x4
Để thuận tiện trong việc giao tiếp giữa người dùng với các module, thiết bị
thì màn hình hiển thị cũng là thiết bị đóng vai trị khá quan trọng. Hiện nay, trên thị
trường có rất nhiều loại màn hình hiển thị với độ đồ họa phức tạp và kích thước
khác nhau. Trong đề tài này LCD 20x4 nền màu xanh dương là thiết bị hiển thị
nhóm chọn tìm hiểu.
Màn hình LCD 20x4 được sử dụng rộng rãi và phổ biến trong nhiều ứng
dụng của vi điều khiển. LCD 20x4 hiển thị được tối đa 80 ký tự gồm 4 hàng, 20 cột
với khả năng hiển thị các ký tự khác nhau mỗi ký tự có 5x8 pixel hoặc 8x10 pixel.
Việc kiểm soát các pixel được thực hiện nhờ mạch điều khiển hiển thị HD44780
được tích hợp trên module LCD. Màn hình LCD 20x4 có thể giao tiếp với Arduino
theo cả hai cách dựa giao tiếp chuẩn I2C (thông qua module chuyển đổi I2C) hoặc
dựa trên kết nối trực tiếp.

Hình 2.11: Màn hình hiển thị LCD 20x4
21


Thông số kỹ thuật, thông tin các chân của màn hình LCD 20x4 được trình
bày ở bảng 2.11 và 2.12
Bảng 2.11: Thông số kỹ thuật LCD 20x4
Nom
ST
Min
Max
Ký hiệu
Thông số
(Chuẩn
Đơn vị
T
(nhỏ nhất)
(tối đa)
)
1
Vcc
Điện áp hoạt động
5
V
2
I
Dịng điện tối đa
2
4
mA

Bảng 2.12: Thơng tin các chân LCD 20x4
Châ
Tên
Mô tả
n
1
Vss
Chân nối đất
2
VDD
Chân cấp nguồn 5V cho LCD hoạt động
Thường được để trống hoặc nối đất (chỉnh độ tương phản cho
3
V0
LCD)
Chân chọn thanh ghi (Register select). Nối chân RS với logic
4
RS
“0” (GND) hoặc logic “1” (VCC) để chọn thanh ghi.
Chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write). Nối chân R/W với logic
5
R/W
GND để ghi hoặc VCC để đọc.
6
E
Là chân cho phép (Enable).
Các bus dữ liệu để LCD giao tiếp với vi điều khiển. Có 2 chế
độ giao tiếp:
7-14 DB0-DB7 - Chế độ 8 bit: Dữ liệu được truyền trên cả 8 đường
- Chế độ 4 bit: Dữ liệu được truyền trên 4 đường (DB4 DB7)

15
A
Nguồn cho đèn nền
16
K
GND cho đèn nền
2.2.7 Module chuyển đổi I2C [16]
Thông thường để sử dụng màn hình LCD cần rất nhiều chân trên Arduino để
giao tiếp điều khiển. Do vậy để đơn giản giảm bớt số chân kết nối với Arduino thì
các nhà sản xuất đã tạo ra một loại mạch để điều khiển màn hình LCD và giao tiếp
với vi điều khiển thông qua chuẩn I2C.
Nếu sử dụng các chân trực tiếp thì LCD yêu cầu 6 chân của vi điều khiển để
kết nối (RS, EN, DB4 - DB7) giao tiếp ở chế độ 4 bit. Với module chuyển đổi I2C
PCF8574 chỉ cần sử dụng 4 chân để kết nối gồm 2 chân tín hiệu (SCL, SDA) giao
tiếp theo chuẩn I2C và 2 chân VCC, GND. Module chuyển đổi hỗ trợ các loại LCD

22


(LCD 16x2, LCD 20x4…). Module chuyển đổi I2C sử dụng cho màn hình LCD
được thể hiện như hình 2.13

Hình 2.12: Module chuyển đổi I2C PCF8574
Bảng 2.13: Thông số kỹ thuật module chuyển đổi I2C PCF8574
Nom
ST
Min
Max
Ký hiệu
Thông số

(Chuẩn
Đơn vị
T
(nhỏ nhất)
(tối đa)
)
1
Vcc
Điện áp hoạt động
2.5
5
6
V
2
I
Dịng điện
2.5
µA
Có thể điều chỉnh độ sáng đèn nền và độ tương phản qua biến trở.
Việc thiết lập giao tiếp giữa màn hình LCD và Arduino được hỗ trợ từ thư
viện <LiquidCrystal.h>. Địa chỉ giao tiếp I2C của LCD 20x4 là 0x27.
2.2.8 Module Relay 4 kênh và module relay 1 kênh [29]
Việc điều khiển bật tắt các thiết bị nhóm nghiên cứu sử dụng relay để đóng
ngắt mạch điện. Nhằm đơn giản độ phức tạp trong mơ hình, ngày nay các relay
được thiết kế tích hợp thành các module như moulde 4 relay, module 1 relay,
module 2 realy,….
Module 1 relay 5VDC sử dụng nguồn cung cấp 5V để hoạt động và có thể
điều khiển các tải thiết bị điện AC 220V lên đến 10A. Đối với module 4 relay
5VDC cũng được thiết kế tương tự như module 1 relay nhưng gồm 4 relay trên một
module. Trên module relay được tích hợp opto cách ly PC817 dùng để cách ly mạch

ngăn chặn các khả năng tiếp xúc điện hoặc loại trừ nhiễu giúp an tồn trong q
trình sử dụng. Thơng qua Jumper trên module có thể chọn tín hiệu kích mức cao
hoặc thấp cho relay. Ngõ ra module có 3 chân gồm: COM: chân chung, NC (ở trạng
thái relay hở chân NC được nối với chân COM), NO (ở trạng thái relay đóng chân
NO được nối với chân COM)
Module 1 relay và module 4 relay được thể hiện ở hình 2.13 và thơng số kỹ
thuật các module được mơ tả ở bảng 2.14

23


Hình 2.13: Module 4 Relay và Module 1 Relay 5VDC
Bảng 2.14: Thông số kỹ thuật Module relay 5V
ST
T

Ký hiệu

1

Vcc

Thông số

Min
(nhỏ nhất)

Nom
(Chuẩn
)

5

Max
(tối đa)

Điện áp hoạt động
Dòng điện tối đa
2
I
20
/1 Relay (4 kênh)
Dịng điện tối đa
3
I
80
/1 Relay (1 kênh)
- Điện áp đóng ngắt tải tối đa: 250VAC hoặc 30VDC với dòng tối đa 10A
- Có đèn led hiển thị đóng ngắt trên mỗi Relay.

Đơn vị
V
mA
mA

Hình 2.14: Sơ đồ nguyên lý module 4 relay 5VDC

24


Nguyên lý hoạt động module relay: khi cấp tín hiệu điều khiển mức logic

thấp opto PC817 dẫn, dẫn đến transistor phân cực làm cho relay đóng, trên mạch
cịn sử dụng một diode để tránh hiện tượng điện áp ngược tăng điện áp đột ngột gây
hại cho mạch.
2.2.9 Module tích hợp NodeMCU ESP8266 [17]
NodeMCU ESP8266 là một mạch tích hợp dùng để thu thập, truyền nhận dữ
liệu, điều khiển thông qua Wifi. Module được thiết kế dựa trên chip wifi
ESP8266EX SoC (System on Chip) bên trong có module ESP-12E để kết nối với
Wifi. Ngồi ra, board cịn được tích hợp IC CP2102 giúp giao tiếp với máy tính
thơng qua cổng USB. Ngày nay ESP8266 được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực
IOT như vườn thông minh, nhà tự động, điều khiển thiết bị thơng qua internet,....
Hình ảnh thực tế NodeMCU ESP8266, chip Wifi ESP8266 và hình ảnh sơ đồ
các chân module được thể hiện ở hình 2.15, 2.16 và 2.17

Hình 2.15: NodeMCU ESP8266
Bảng 2.15 và 2.16 mô tả về thông số kỹ thuật và thông số chip ESP8266
Bảng 2.15: Thông số kỹ thuật Module NodeMCU ESP8266
ST
Thông số
Giá trị
T
1. Điện áp đầu vào
5V
2.
Điện áp trên chân GPIO
3.3V
3. Bộ nhớ Flash
4MB
4. SRAM
128KB
5.

Tốc độ xung Clock
80MHz/160MHz
6. Wifi
802.11b/g/n Wi-Fi transceiver
7.
Giao tiếp với máy tính
Cable Micro USB

25