Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển mô hình trồng rau và nuôi cá

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CNKT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN
MƠ HÌNH TRỒNG RAU VÀ NI CÁ

GVHD: THS. PHAN VÂN HỒN
SVTH: NGUYỄN VĂN VŨ
VÕ TRẦN TRÍ

SKL009699

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 3/2023


BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH
---------------------------------

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT
VÀ ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH TRỒNG

RAU VÀ NI CÁ

GVHD : ThS. Phan Vân Hồn
SVTH1 : Nguyễn Văn Vũ
MSSV : 17141266
SVTH2 : Võ Trần Trí
MSSV : 17141250

Tp. Hồ Chí Minh - 03/2023

I


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP - Y SINH

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
Tp. HCM, ngày 29 tháng 12 năm 2022

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:
Chuyên ngành:
Hệ đào tạo:
Khóa:

Nguyễn Văn Vũ
Võ Trần Trí
Cơng nghệ kỹ thuật Điện Tử - Truyền Thơng

Đại học chính quy
2017

MSSV: 17141266
MSSV: 17141250
Mã ngành: 41
Mã hệ:
1
Lớp: 17141DTA

I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN MƠ
HÌNH KẾT HỢP TRỒNG RAU VÀ NI CÁ
II. NHIỆM VỤ
1. Các số liệu ban đầu:
- Vi điều khiển: ESP32.
- Các loại module: AHT20, YF - S401, Loadcell, cảm biến độ ẩm đất….
- Màn hình hiển thị: LCD TFT RA8875.
- Điều khiển tải ngõ ra : máy bơm, động cơ bước, relay.
2. Nội dung thực hiện:
- Nghiên cứu, tham khảo các đề tài, luận văn liên quan đã có.
- Tìn hiểu về HTML và CSS.
- Kết nối các cảm biến và tải với bộ xử lý trung tâm.
- Lập trình ESP32 hiển thị dữ liệu căm biến đo được lên màn hình cảm ứng RA8875.
- Thiết kế các icon đại diện cho dữ liệu đo được từ cảm biến.
- Viết code HTML và CSS để tạo web server.
- Truyền dữ liệu cảm biến đo được lên web server.
- Xây dựng mơ hình.
- Vẽ mạch in.
- Viết báo cáo.
- Báo cáo đề tài tốt nghiệp.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

13/09/2022
29/12/2022
ThS. Phân Vân Hoàn
II


CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y

III


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP - Y SINH

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
Tp. HCM, ngày 29 tháng 12 năm 2022

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1: Nguyễn Văn Vũ...................................................................................
Lớp: 17141DTA.............................................................MSSV: 17141266.......................
Họ tên sinh viên 2: Võ Trần Trí..........................................................................................
Lớp: 17141DTA.............................................................MSSV: 17141250.......................

Tên đề tài: Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển mơ hình kết hợp trồng rau và nuôi
cá.........................................................................................................................................
Tuần/ngày

Nội dung

Tuần 1
(13/9 – 18/9)

- Gặp GVHD để nghe phổ biến quy định, thực
hiện chọn đề tài, thời gian báo cáo tiến độ.
- Duyệt đề tài.
- Tìm kiếm các kiến thức.
- Chọn các cảm biến phù hợp với đề tài.
- Thiết kế màn hình hiển thị các giá trị cảm biến.
- Kết nối cảm biến với vi điều khiển.
- Thiết kế sơ đồ ngun lý.
- Tìm hiểu về ngơn ngữ HTML & CSS.
- Vẽ mạch in, thiết kế mô hình.
- Lập trình hồn thiện phần hiển thị LCD.
- Tạo web server.
- Viết báo cáo.
- Hiển thị dữ liệu lên web server.
- Làm silde thuyết trình

Tuần 2 - 3
(19/9 – 2/10)
Tuần 4 - 6
(2/10 – 23/10)
Tuần 7 - 9

(24/10 –13/11)
Tuần 10-12
(14/11 – 4/12)
Tuần 12 - 15
(5/12 –29/12)

Xác nhận
GVHD

GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)

IV


LỜI CAM ĐOAN
Đề tài này là do chúng em tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và
khơng sao chép từ tài liệu hay cơng trình đã có trước đó.

Người thực hiện đề tài
Nguyễn Văn Vũ
Võ Trần Trí

V


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Phan Vân Hoàn. Cảm
ơn Thầy đã dành thời gian quý báu của mình để hướng dẫn và tận tình giúp đỡ
nhóm, nếu khơng có sự giúp đỡ và cố vấn từ Thầy, nhóm đã khơng thể hồn thành

tốt đồ án. Bên cạnh đó, nhóm cũng xin chân thành cảm ơn các giảng viên trường
Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh nói chung và q thầy cơ khoa
Điện – Điện tử nói riêng, các thầy cô đã truyền đạt lại cho chúng em những kiến
thức vô cùng quý báu bằng tri thức cũng như tâm huyết của mình trong cơng việc
giảng dạy. Nhờ đó chúng em đã được những kiến thức cần thiết để có thể tạo dựng
được nền móng vững chắc cho bản thân và cũng là tiền đề quan trọng để chúng em
có thể hồn thành được đồ án tốt nghiệp.
Và em cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn đến những người bạn cùng ngành
đã trao đổi kiến thức, chia sẻ kinh nghiệm q báu của mình để góp phần giúp
nhóm hồn thành đề tài tốt hơn. Cuối cùng, nhóm xin phép được cảm ơn gia đình,
bạn bè đã ln bên cạnh hỗ trợ, động viên cả về mặt tinh thần lẫn tài chính trong
suốt thời gian thực hiện đề tài.
Xin chân thành cảm ơn !

Người thực hiện đề tài
Nguyễn Văn Vũ
Võ Trần Trí

VI


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP....................................................................I
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP....................................... III
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ IV
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... V
MỤC LỤC.................................................................................................................... VI
LIỆT KÊ HÌNH..........................................................................................................VIII
LIỆT KÊ BẢNG..........................................................................................................XII
TĨM TẮT.................................................................................................................. XIII

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN.............................................................................. 1
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ......................................................................................................1
1.2. MỤC TIÊU...........................................................................................................1
1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU................................................................................2
1.4. GIỚI HẠN............................................................................................................2
1.5. BỐ CỤC............................................................................................................... 3
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT............................................................................4
2.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG IOT...................................................................4
2.1.1 Khái niệm...................................................................................................... 4
2.1.2 Cấu trúc của hệ thống IOT............................................................................ 4
2.1.3 Đặc điểm của IOT......................................................................................... 4
2.1.4 Ứng dụng của IOT.........................................................................................5
2.2 CÁC CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU....................................................................6
2.2.1 Chuẩn giao tiếp I2C....................................................................................... 6
2.2.2 Chuẩn giao tiếp SPI........................................................................................7
2.3 KHÁI QUÁT VỀ HTML & CSS......................................................................... 9
2.3.1 Khái niệm....................................................................................................... 9
2.3.2 JSON............................................................................................................ 10
CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ.............................................................12
3.1 GIỚI THIỆU....................................................................................................... 12
3.2 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG............................................................. 12
VII


3.3 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG....................................................... 13
3.3.1 Khối xử lý trung tâm và giao tiếp WIFI...................................................... 13
3.3.2 Khối cảm biến.............................................................................................. 18
3.3.3 Khối hiển thị.................................................................................................35
3.3.4 Khối ngõ ra...................................................................................................38

3.3.5 Khối hiển thị và giao tiếp từ xa................................................................... 60
3.3.6 Khối nguồn...................................................................................................60
3.4 SƠ ĐỒ NGUN LÝ TỒN MẠCH...............................................................65
CHƯƠNG 4. THI CƠNG HỆ THỐNG ................................................................. 66
4.1 GIỚI THIỆU.........................................................................................................66
4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG......................................................................................66
4.2.1 Thi cơng mạch in........................................................................................... 66
4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra........................................................................................70
4.3 ĐĨNG GĨI VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH............................................................. 73
4.3.1 Đóng gói bộ hiển thị...................................................................................... 73
4.3.2 Thi cơng mơ hình...........................................................................................73
4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG.................................................................................... 76
4.4.1 Lưu đồ giải thuật............................................................................................ 76
4.4.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển........................................................... 83
4.4.3 Phần mềm lập trình cho web..........................................................................84
4.5 TÀI LIÊU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC...........................................85
4.5.1 Tài liệu hướng dẫn sử dụng........................................................................... 85
4.5.2 Quy trình thao tác...........................................................................................86
CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ............................................ 90
5.1 GIỚI THIỆU. .......................................................................................................90
5.2 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC.......................................................................................90
5.3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM............................................................................... 91
5.4 ĐÁNH GIÁ.........................................................................................................102
CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN..................................... 104
6.1 KẾT LUẬN ....................................................................................................... 104
6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN..................................................................................... 104
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................... 105
PHỤ LỤC

......................................................................................................... 107

VIII


LIỆT KÊ HÌNH VẼ
Hình

Trang

Hình 2.1: Mơ hình mạng I2C......................................................................................... 7
Hình 2.2: Kết nối master với các slave qua giao thức SPI ........................................... 8
Hình 2.3: Truyền nhận dữ liệu trong giao thức SPI.......................................................9
Hình 2.4: Logo của HTML.............................................................................................10
Hình 2.5: Logo của CSS................................................................................................. 10
Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống................................................................................. 12
Hình 3.2: ESP32............................................................................................................. 16
Hình 3.3: Sơ đồ chân của ESP32....................................................................................16
Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý của vi điều khiển................................................................. 18
Hình 3.5: Module AHT20.............................................................................................. 19
Hình 3.6: Sơ đồ kết nối ESP32 với module AHT20......................................................20
Hình 3.7: GY-68 BMP180............................................................................................. 20
Hình 3.8: Sơ đồ kết nối ESP32 với module BMP180................................................... 22
Hình 3.9: BH1750FVI.................................................................................................... 22
Hình 3.10: Sơ đồ kết nối ESP32 với module BH1750FVI............................................24
Hình 3.11: Cảm biến độ ẩm đất......................................................................................24
Hình 3.12: Sơ đồ kết nối ESP32 với cảm biến độ ẩm đất..............................................25
Hình 3.13: Cảm biến pH.................................................................................................26
Hình 3.14: Sơ đồ kết nối ESP32 với cảm biến pH.........................................................26
Hình 3.15: Cảm biến nồng độ chất tan...........................................................................27
Hình 3.16: IC DS18B20................................................................................................. 28
Hình 3.17: Sơ đồ kết nối ESP32 với cảm biến nồng độ chất tan và IC DS18B20........28

Hình 3.18: Cảm biến siêu âm HC-SR04........................................................................ 29
Hình 3.19: Sơ đồ kết nối ESP32 với cảm biến siêu âm HC-SR04................................ 29
Hình 3.20: Cảm biến lưu lượng nước YF-S401.............................................................30
Hình 3.21: Cảm biến Hall...............................................................................................30
Hình 3.22: Sơ đồ kết nối ESP32 với cảm biến lưu lượng nước YF-S401.....................31
Hình 3.23: Cảm biến cân nặng Load Cell...................................................................... 32
Hình 3.24: Mạch cảm biến cân nặng HX711.................................................................32
Hình 3.25: Sơ đồ kết nối ESP32 với HX711................................................................. 33
IX


Hình 3.26: DS3231......................................................................................................... 34
Hình 3.27: Sơ đồ kết nối ESP32 với DS3231................................................................ 34
Hình 3.28: Module LCD TFT RA8875..........................................................................36
Hình 3.29: Sơ đồ kết nối ESP32 với RA8875................................................................38
Hình 3.30: Module Buzzer............................................................................................. 39
Hình 3.31: Sơ đồ kết nối ESP32 với module Buzzer.....................................................39
Hình 3.32: PCF8574....................................................................................................... 40
Hình 3.33: Sơ đồ kết nối ESP32 với PCF8574T............................................................40
Hình 3.34: TXS0108E.................................................................................................... 41
Hình 3.35: Sơ đồ kết nối PCF8574T với TXS0108E.................................................... 42
Hình 3.36: Module 4 relay..............................................................................................42
Hình 3.37: Sơ đồ kết nối bus điều khiển với module 4 relay........................................ 43
Hình 3.38: Module 8 relay..............................................................................................43
Hình 3.39: Sơ đồ kết nối bus điều khiển với module 8 relay........................................ 44
Hình 3.40: Động cơ bơm CD-2205................................................................................ 45
Hình 3.41: Sơ đồ kết nối module 8 relay với CD-2205................................................. 46
Hình 3.42: Bơm DB-521 phun sương............................................................................ 46
Hình 3.43: Sơ đồ kết nối module 8 relay với DB-521................................................... 47
Hình 3.44: Máy bơm nước R385....................................................................................48

Hình 3.45: Sơ đồ kết nối module 8 relay với R385 (ngõ ra 3)...................................... 49
Hình 3.46: Sơ đồ kết nối module 8 relay với R385 (ngõ ra 4)...................................... 49
Hình 3.47: TEC1-12706................................................................................................. 50
Hình 3.48: Tản nhiệt cho sị nóng lạnh.......................................................................... 51
Hình 3.49: Sơ đồ kết nối module 8 relay với TEC1-12706 (làm nóng)........................52
Hình 3.50: Sơ đồ kết nối module 8 relay với R385 (ngõ ra 6)...................................... 52
Hình 3.51: Quạt tản nhiệt sị nóng lạnh..........................................................................53
Hình 3.52: Sơ đồ kết nối module 8 relay với TEC1-12706 (làm lạnh)......................... 54
Hình 3.53: Sơ đồ kết nối module 8 relay với R385 (ngõ ra 8)...................................... 54
Hình 3.54: Sơ đồ kết nối module 8 relay với quạt tản nhiệt.......................................... 54
Hình 3.55: Đèn led dạng thanh.......................................................................................55
Hình 3.56: Sơ đồ kết nối module 8 relay với đèn led dạng thanh................................. 56
Hình 3.57: Sơ đồ kết nối module 8 relay với R385 (ngõ ra 11).................................... 56
Hình 3.58: RS390........................................................................................................... 57
Hình 3.59: Động cơ bước............................................................................................... 58
X


Hình 3.60: ULN2003...................................................................................................... 59
Hình 3.61: Sơ đồ kết nối PCF8574T với ULN2003...................................................... 59
Hình 3.62: Sơ đồ kết nối module 8 relay với RS390..................................................... 60
Hình 3.63: Nguồn xung.................................................................................................. 62
Hình 3.64: Mạch ổn áp LM2596.................................................................................... 63
Hình 3.65: Sơ đồ nguyên lý mạch ổn áp LM2596.........................................................63
Hình 3.66: Mạch ổn áp 3.3V.......................................................................................... 64
Hình 3.67: Sơ đồ nguyên lý mạch ổn áp 3.3V.............................................................. 64
Hình 3.68: Mạch chống nhiễu Snubber..........................................................................65
Hình 3.69: Sơ dồ nguyên lý mạch đầu vào có chống nhiễu Snubber............................65
Hình 4.1: Top Layer mạch điều khiển chính..................................................................67
Hình 4.2: Bottom Layer mạch điều khiển chính............................................................67

Hình 4.3: Top Layer mạch điều khiển relay.................................................................. 69
Hình 4.4: Bottom Layer mạch điều khiển relay.............................................................69
Hình 4.5: Hình ảnh thực tế bottom layer mạch điều khiển chính..................................70
Hình 4.6: Hình ảnh thực tế top layer mạch điều khiển chính........................................ 71
Hình 4.7: Hình ảnh thực tế bottom layer mạch điều khiển relay...................................71
Hình 4.8: Hình ảnh thực tế top layer mạch điều khiển relay......................................... 72
Hình 4.9: Hình ảnh thực tế mạch có hộp bảo vệ............................................................73
Hình 4.10: Hình ảnh thực tế tải ngõ ra của mạch.......................................................... 74
Hình 4.11: Hình ảnh thực tế cảm biến của mạch........................................................... 74
Hình 4.12: Hình ảnh thực tế tồn bộ mạch.................................................................... 75
Hình 4.13: Lưu đồ chương trình chính...........................................................................76
Hình 4.14: Lưu đồ chương trình khởi tạo hệ thống....................................................... 77
Hình 4.15: Lưu đồ chương trình con khởi tạo màn hình LCD...................................... 78
Hình 4.16: Lưu đồ chương trình con khởi tạo kết nối wifi............................................79
Hình 4.17: Lưu đồ chương trình con khởi tạo khối cảm biến và khối ngõ ra............... 80
Hình 4.18: Lưu đồ chương trình con gửi và nhận dữ liệu với các thiết bị ................... 81
Hình 4.19: Lưu đồ chương trình con gửi và nhận dữ liệu với webserver..................... 82
Hìnhi4.20:iLogoicủaiphầnimềmiArduinoiIDE.............................................................. 83
Hình 4.21: GiaoidiệnicủaiArduinoiIDE......................................................................... 83
Hìnhi4.22:iLogoicủaiphầnimềmiVisualiStudioiCode................................................... 84
Hìnhi4.23:iGiaoidiệnicủaiVisualiStudioiCode.............................................................. 85
Hìnhi4.24:iSơiđồivậnihànhihệithống............................................................................. 86
XI


Hìnhi4.25:iMàn hình LCD khi mới cấp nguồn..............................................................87
Hìnhi4.26:iMàn hình chính của LCD khi hệ thống hoạt động...................................... 87
Hìnhi4.27:iMàn hình setting của LCD...........................................................................88
Hìnhi4.28:iNhập địa chỉ IP của ESP 32 vào trình duyệt............................................... 88
Hìnhi4.29:iMàn hình web server khi mới cấp nguồn.................................................... 89

Hìnhi4.30:iMàn hình web server khi hệ thống hoạt động............................................. 89
Hình 5.1: Hình ảnh mơ hình khi mới cấp nguồn............................................................91
Hình 5.2a: Hình ảnh hiển thị các thơng số cảm biến trên LCD.....................................92
Hình 5.2b: Hình ảnh hiển thị các thơng số cảm biến trên Web..................................... 92
Hình 5.3a: Hình ảnh web khi máy bơm 2 tự kích hoạt tưới cho vườn rau lúc phát
hiện nhiệt độ mơi trường cao..........................................................................................93
Hình 5.3b: Hình ảnh LCD khi máy bơm 2 tự kích hoạt tưới cho vườn rau lúc phát
hiện nhiệt độ mơi trường cao..........................................................................................93
Hình 5.4a: Hình ảnh web tự động giảm nhiệt độ nước khi nhiệt độ nước quá cao.......94
Hình 5.4b: Hình ảnh LCD tự động giảm nhiệt độ nước khi nhiệt độ nước quá cao..... 94
Hình 5.5a: Hình ảnh web đèn đang tắt khi độ sáng xung quanh cao.............................95
Hình 5.5b: Hình ảnh LCD đèn đang tắt khi độ sáng xung quanh cao........................... 95
Hình 5.5c: Hình ảnh web đèn đang bật khi độ sáng xung quanh thấp.......................... 96
Hình 5.5d: Hình ảnh LCD đèn đang bật khi độ sáng xung quanh thấp.........................96
Hình 5.6a: Hình ảnh web chế độ tự cho cá ăn đang khởi động..................................... 97
Hình 5.6b: Hình ảnh LCD chế độ tự cho cá ăn đang khởi động................................... 97
Hình 5.6c: Hình ảnh động cơ bước đang hoạt động...................................................... 98
Hình 5.6d: Hình ảnh LCD đã bổ sung thêm 179g thức ăn............................................ 98
Hình 5.6e: Hình ảnh web tắt chế độ tự cho cá ăn ......................................................... 99
Hình 5.7a: Hình ảnh web mực nước thấp và bơm 3 đang hoạt động............................ 99
Hình 5.7b: Hình ảnh LCD mực nước thấp và bơm 3 đang hoạt động...........................100
Hình 5.7c: Hình ảnh web mực nước cao và bơm 4 đang hoạt động..............................100
Hình 5.7d: Hình ảnh LCD mực nước cao và bơm 4 đang hoạt động............................ 101
Hình 5.8a: Hình ảnh web nồng độ chất tancao và bơm oxi đang hoạt động.................101
Hình 5.8b: Hình ảnh LCD nồng độ chất tancao và bơm oxi đang hoạt động............... 102

XII


LIỆT KÊ BẢNG

Bảng

Trang

Bảng 3.1: Bảng so sánh các dòng vi điều khiển............................................................... 14
Bảng 3.2: Chức năng các chân LCD TFT RA8875..........................................................36
Bảng 3.3: Bảng tính tốn dịng tiêu thụ cho cả hệ thống..................................................60
Bảng 4.1: Danh sách các linh kiện mạch điều khiển chính..............................................68
Bảng 4.2: Danh sách các linh kiện mạch điều khiển realay............................................. 70
Bảng 5.1: Bảng số liệu thực nghiệm...............................................................................102

XIII


TĨM TẮT
Trong thời đại cơng nghệ phát triển, đặc biệt là thời đại bùng nổ của công
nghệ thông tin 4.0, cụm từ "Internet of Thing (loT)" có lẽ khơng q xa lạ với
chúng ta.
Công nghệ thông tin hiện nay được tìm thấy ở mọi mặt trong cuộc sống. Với
sự giúp đỡ của smartphone và Intemet, chúng ta có thể hồn thành mọi thứ mà vẫn
tiết kiệm được thời gian và cơng sức. Tự động hóa các thiết bị trong cuộc sống
nhằm nâng cao cuộc sống đang trở nên hướng và phát triển tiềm năng.
Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, ngành công
nghiệp thế giới đang phát triển theo hướng cơng nghiệp hóa. Máy móc thay thế sức
lao động của con người ngày càng trở nên phổ biến. Việt nam, đất nước được biết
đến là một đất nước sản xuất nơng nghiệp. Do đó, việc ứng dụng kỹ thuật và công
nghệ trong sản xuất nông nghiệp được coi là giải pháp đột phá trong việc xây dựng
nền nơng nghiệp nước ta phát triển tồn diện theo hướng hiện đại.
Ảnh hưởng của khí hậu như hạn hán, nhiễm mặn, sa mạc hóa, ... đang gây ra
nghiêm trọng tác động đến trồng trọt và chăn nuôi. Trong khi nhu cầu sử dụng thực

phẩm sạch của người tiêu dùng ngày càng lớn. Từ những điều trên, cùng với kiến
thức nền tảng đã được trang bị, nhóm em thực hiện đề tài thiết kế và thi công một
hệ thống vườn rau tích hợp ni các loại thủy sản để đáp ứng nhu cầu thực phẩm
sạch trong quy mô hộ gia đình.

XIV


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Chương 1. TỔNG QUAN
1.1.

ĐẶT VẤN ĐỀ
Thời buổi công nghiệp hiện đại, công nghệ thông tin bùng nổ khi cuộc sống

con người càng ngày càng cải thiện. Y tế, giáo dục, văn hóa ngày càng được nâng
cao thì vấn đề thực phẩm sạch đang trở thành vấn đề nhức nhối trong xã hội. Vì lợi
nhuận trong kinh doanh thực phẩm, khơng ít người sẵn sàng dùng thực phẩm bẩn,
quá hạn 'hô biến' thành thực phẩm sạch cung cấp cho các nhà hàng từ cao cấp cho
đến bình dân. Nhiều người chọn thực phẩm sạch trong những siêu thị có nguồn gốc
rõ ràng được thu mua từ những trang trại trồng rau sạch tự động với mức giá cao
hơn bên ngoài từ hai đến ba lần. Nhưng mhững trang trại sạch như vậy số lượng có
hạn khơng đủ cung cấp cho cả nước. Cho nên có nhiều người lợi dụng lòng tin của
người tiêu dùng, dùng nhãn rau sạch dán vào rau khơng có nguồn gốc rõ ràng để
cung cấp cho các siêu thị. Vì vậy ngày càng nhiều gia đình hiện đại tìm đến việc lắp
đặt mơ hình tự cung tự cấp khép kín cho bữa ăn hằng ngày. Tuy nhiên, khơng phải
hộ gia đình nào cũng có đủ quỹ thời gian cũng như công sức để chăm theo dõi và
chăm sóc cho vườn rau của mình một cách đầy đủ nhất.
Từ những vấn đề trên, với mục tiêu xây dựng một hệ thống có thể tự chăm

sóc cây trồng và được giám sát bởi người nông dân, các nhà làm vườn và người
dùng cá nhân. Nhóm đã lựa chọn đề tài “Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển
mơ hình kết hợp trồng rau và ni cá" nhằm mục đích giúp người nơng dân, các nhà
làm vưòn và người dùng cá nhân tạo ra được các sản phẩm sạch một cách khoa học
và tiết kiệm chi phí nhất có thể.

1.2.

MỤC TIÊU
Hệ thống giám sát và điều khiển mơ hình kết hợp trồng rau và ni cá được

thiết kế đề sử dụng các thiết bị IOT như cảm biến độ ầm đất, cảm biến nhiệt độ và
độ ẩm khơng khí, bơm nước nhằm mục đích cung cấp hệ thống tưới nước thông
minh cũng như hệ thống chăm sóc cây trồng. Tất cả hoạt động tưới nước, theo dõi
chăm sóc, giám sát từ xa của vườn cây đều được điều khiển bởi một smartphone và
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

1


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
một màn hình hiển thị, có thể thu thập thông tin dữ liệu về độ ẩm của đất, nhiệt độ
của bể cá từ đó cho phép người dùng điều chỉnh và chăm sóc vườn rau hoặc cá của
họ.

1.3.

NỘi DUNG NGHIÊN CỨU
Trong q trình thực hiện Khóa luận tốt nghiệp với đề tài Thiết kế hệ thống

giám sát và điều khiển mơ hình kết hợp trồng rau và ni cá, nhóm chúng em đã tập
trung giải quyết và hoàn thành được những nội dung sau:
- Kết nối ESP32 với các cảm biến lưu lượng, nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, cảm
biến loadcell, đo độ ph, nồng dộ chất tan, module relay.
- Kết nối module ESP32 với Wifi để cập nhật dữ liệu đo được từ cảm biến.
- Thiết kế giao diện điều khiển webserver giao tiếp với hệ thống.
- Xây dựng mơ hình.
- Lập trình hiển thị giá trị cảm biến ra bảng điều khiển có màn hình LCD
RA8875.
- Thi công phần cứng, chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống.
- Viết báo cáo thực hiện.
- Báo cáo tốt nghiệp.

1.4.

GIỚI HẠN
Các thông số giới hạn của đề tài bao gồm:
- Kích thước bể cá : 20x35x15 (cm).
- Kích thước vườn rau : 40x60x100 (cm).
- Loại rau: rau muống
+ Rau muống có thể mọc ở trên cạn hoặc trên mặt nước.
+ Độ pH tối ưu từ 5.3-6.
+ Nhiệt độ sinh trưởng thích hợp từ 25 °C - 30 °C.
- Loại cá: cá rơ phi
+ Có thể sống ở nhiều môi trường: nước ngọt, nước phèn nhẹ, nước lợ ( độ
mặn tới 32%) .
+ Có thể sống ở nguồn nước có hàm lượng amoniac tới 2,4 mg/lít và lượng
oxy chỉ có 1 mg/lít và ngưỡng oxy chết cá là 0,3-0,1 mg/.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
+ Nhiệt độ sống: 5°C - 42 °C.
+ pH phù hợp: 5-10.
- Điều khiển hệ thống trực tiếp hoặc gián tiếp thơng qua máy tính.
- Phạm vi điều khiển còn hạn chế trong một khu vực do tầm hoạt động của
module Wifi ESP 32.
- Hệ thống phải đảm bảo kết nối với mạng Wifi để tối ưu khả năng nhận và
gửi dữ liệu từ các cảm biến.

1.5.

BỐ CỤC
Với đề tài “Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển mơ hình kết hợp trồng

rau và ni cá” thì bố cục đồ án như sau:
 Chương 1: Tổng Quan
Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội
dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án.
 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết.
Chương này trình bày về lý thuyết như: tổng quan về IOT, truyền nhận I2C,
SPI, khái niệm về HTML&CSS, JSON .
 Chương 3: Thiết Kế và Tính Tóan
Chương này sẽ trình bày cách tính tốn các thông số, sơ đồ khối và sơ đồ
nguyên lý của hệ thống mạch. Đồng thời lựa chọn và trình bày thông tin chi tiết về
những linh kiện sử dụng cho đề tài.
 Chương 4: Thi công hệ thống

Ở chương này sẽ trình bày về mạch in PCB, cách thi cơng mạch kèm hình
ảnh mạch thực tế và lập trình phần mềm để thực hiện những yêu cầu đã đặt ra cho
đề tài.
 Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá
Chương này trình bày kết quả mà nhóm em đã thực hiện được, đồng thời nêu
nhận xét và đánh giá đối với hoạt động của hệ thống.
 Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển
Chương này nêu lên những việc mà nhóm em đã thực hiện và đưa ra các
hướng phát triển cho đề tài trong tương lai.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

3


CHƯƠNG 2 . CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG IOT
2.1.2 Khái niệm
Công nghệ IoT (Internet of Things) là một mạng lưới Internet kết nối vạn vật,
khi mà mỗi thiết bị, con người được cung cấp một định danh của riêng mình và tất
cả có khả năng truyền tải, trao đổi thơng tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà
không cần đến sự tương tác trực tiếp. IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ
không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet.
IoT sẽ là mạng khổng lồ kết nối tất cả mọi thứ, bao gồm cả con người và sẽ
tồn tại các mối quan hệ giữa người và người, người và thiết bị, thiết bị và thiết bị.
Một mạng lưới IoT có thể chứa đến 50 đến 100 nghìn tỉ đối tượng được kết nối và
mạng lưới này có thể theo dõi sự di chuyển của từng đối tượng.[3]
2.1.2 Cấu trúc của hệ thống IOT
Một hệ thống IOT sẽ bao gồm những thành phần sau:

- Thiết bị (Things).
- Trạm kết nối (Gateways).
- Hạ tầng mạng (Network and Cloud).
- Bộ phân tích và xử lý dữ liệu (Services-creation and Solution Layers).
2.1.3 Đặc điểm của IoT
Các thiết bị IoT thường được gọi là thiết bị “thơng minh” vì chúng có cảm
biến và có thể tiến hành phân tích dữ liệu phức tạp. Các thiết bị IoT thu thập dữ liệu
bằng các cảm biến và cung cấp dịch vụ cho người dùng dựa trên các phân tích dữ
liệu đó và theo các tham số do người dùng xác định. Ví dụ: tủ lạnh thông minh sử
dụng các cảm biến để kiểm kê các thực phẩm được lưu trữ và có thể cảnh báo người
dùng khi các mặt hàng sắp hết dựa trên các phân tích nhận dạng hình ảnh. Các thiết
bị IoT tinh vi có thể “học” bằng cách nhận dạng các thực phẩm trong sở thích của
người dùng yêu thích và sử dụng lịch sử dữ liệu. Một thiết bị IoT có thể trở nên
“thơng minh hơn” khi chương trình của nó được điều chỉnh để cải thiện khả năng
dự đốn nhằm nâng cao trải nghiệm hoặc tiện ích của người dùng.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

4


CHƯƠNG 2 . CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Các thiết bị IoT được kết nối với internet trực tiếp, thông qua một thiết bị
IoT khác hoặc cả hai. Kết nối mạng được sử dụng để chia sẻ thông tin và tương tác
với người dùng. IoT tạo ra các liên kết và kết nối giữa các thiết bị vật lý bằng cách
kết hợp các ứng dụng phần mềm. Các thiết bị IoT có thể cho phép người dùng truy
cập thông tin hoặc điều khiển thiết bị từ mọi nơi bằng nhiều thiết bị kết nối internet.
Ví dụ: chng cửa và khóa thơng minh có thể cho phép người dùng nhìn thấy và
tương tác với người ở cửa cũng như mở khóa cửa từ bất kỳ đâu bằng thiết bị di
động hoặc máy tính.
2.1.4 Ứng dụng của IOT

Các thiết bị IoT được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau với nhiều chức năng.
Trong công nghiệp
Ngành sản xuất đã bắt đầu áp dụng các ứng dụng IoT thương mại. Được gọi
là Internet vạn vật cơng nghiệp, các máy móc được kết nối mạng trong một cơ sở
sản xuất có thể giao tiếp và chia sẻ thông tin để nâng cao hiệu quả, năng suất và
hiệu suất. IoT có tiềm năng biến đổi nhiều ngành cơng nghiệp, bao gồm sản xuất,
hóa chất, thực phẩm và đồ uống, ô tô và thép. Sự kết hợp của IoT được các chuyên
gia phân tích coi là cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư.
Trong y tế
Lĩnh vực chăm sóc sức khỏe đã bắt đầu kết hợp IoT, tạo ra Internet of
Medical Things (IoMT). Các thiết bị này chẳng hạn như máy theo dõi nhịp tim và
máy tạo nhịp tim, thu thập và gửi số liệu thống kê về sức khỏe của bệnh nhân qua
nhiều mạng khác nhau tới các nhà cung cấp dịch vụ chăm sóc sức khỏe để theo dõi,
phân tích từ xa.
Trong thành phố
Các thiết bị và hệ thống IoT ứng dụng trong các lĩnh vực tiện ích, giao thơng,
cơ sở hạ tầng có thể được gọi là “thành phố thơng minh”. Các cảm biến có thể thu
thập dữ liệu sử dụng điện, nước và khí đốt. Dữ liệu này được sử dụng để cho phép
hệ thống điều khiển trung tâm tối ưu hóa sản xuất và phân phối nhằm đáp ứng nhu
cầu trong thời gian thực.
Trong hộ gia đình
Các thiết bị IoT được sử dụng trong nhà và tịa nhà thường được gọi là “nhà
thơng minh”, bao gồm các thiết bị thông minh, TV thông minh, hệ thống giải trí
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP - Y SINH

5


CHƯƠNG 2 . CƠ SỞ LÝ THUYẾT
thông minh, bộ điều nhiệt thơng minh và bóng đèn kết nối mạng, ổ cắm, khóa cửa,

chng cửa và hệ thống an ninh gia đình. Các thiết bị IoT nhà thơng minh này có
thể được kết nối với một mạng duy nhất và được điều khiển từ xa qua internet thông
qua thiết bị di động hoặc máy tính.

2.2

CÁC CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU

2.2.1 Chuẩn giao tiếp I2C
a) Giới thiệu
I2C là một giao thức truyền thông nối tiếp tương tự như UART. Tuy nhiên,
nó khơng được sử dụng để giao tiếp với thiết bị PC mà thay vào đó là các module
và cảm biến. Nó là một bus nối tiếp đồng bộ hai dây đơn giản, hai chiều và chỉ cần
hai dây để truyền thông tin giữa các thiết bị được kết nối với bus.
Chúng rất hữu ích cho các dự án yêu cầu nhiều bộ phận khác nhau (ví dụ:
cảm biến, chân cắm, phần mở rộng và trình điều khiển) hoạt động cùng nhau vì
chúng có thể kết nối tối đa 128 thiết bị với bo mạch chính trong khi vẫn duy trì
đường truyền liên tục. Điều này là do I2C sử dụng hệ thống địa chỉ và bus dùng
chung, nhiều thiết bị khác nhau có thể được kết nối bằng cùng một dây và tất cả dữ
liệu được truyền trên một dây. Tuy nhiên, bởi vì hệ thống dây đơn giản hóa này nên
tốc độ truyền chậm hơn SPI.
Tốc độ của I2C cũng phụ thuộc vào tốc độ dữ liệu, chất lượng dây và nhiễu.
Giao tiếp I2C cũng được sử dụng làm giao tiếp hai dây để kết nối các thiết bị tốc độ
thấp như bộ vi điều khiển, EEPROM, bộ chuyển đổi A/D và D/A, giao diện I/O và
các thiết bị ngoại vi tương tự khác trong các hệ thống nhúng.[1]

b) Nguyên lý hoạt động
I2C dùng 2 dây là SCL (serial clock line) truyền xug clock và SDA (serial
data line) để truyền dữ liệu nối tiếp. SCL là dây truyền đồng bộ xung clock. SDA là
dây truyền dữ liệu qua đó các bit dữ liệu được gửi hoặc nhận.

Thiết bị chính (master) bắt đầu truyền dữ liệu bằng xung clock trên bus thì
mọi thiết bị nằm trên đường truyền được định địa chỉ đều được coi là thiết bị phụ
(slave). Mối quan hệ giữa thiết bị chủ và thiết bị phụ, truyền và nhận trên bus khơng
cố định. Nó phụ thuộc vào hướng truyền dữ liệu tại thời điểm đó.
Nếu master muốn gửi dữ liệu đến slave, trước tiên master phải định địa chỉ
của slave trước khi gửi bất kỳ dữ liệu nào. Master sau đó sẽ chấm dứt việc truyền
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

6


CHƯƠNG 2 . CƠ SỞ LÝ THUYẾT
dữ liệu. Nếu master muốn nhận dữ liệu từ slave, master phải gửi lại địa chỉ slave
trước. Sau khi master nhận dữ liệu được gửi bởi slave cuối cùng thì quá trình tryền
nhận kết thúc. Master cũng chịu trách nhiệm tạo xung clock định thời và kết thúc
quá trình truyền dữ liệu. Cũng cần phải kết nối nguồn điện thông qua một điện trở
kéo lên (pull-up).

Hình 2.1: Mơ hình mạng I2C

2.2.2 Chuẩn giao tiếp SPI
a) Giới thiệu
SPI (Serial Peripheral Interface) có ngĩa là giao tiếp ngoại vi nối tiếp. SPI
tương tự như I2C và nó là một dạng khác của giao thức truyền thơng nối tiếp được
thiết kế đặc biệt để kết nối các bộ vi điều khiển.
Hoạt động ở chế độ song công, dữ liệu có thể được gửi và nhận đồng thời.
Tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn (8Mb trở lên). Nó thường nhanh hơn I2C do giao
thức đơn giản. Ngay cả khi các dây dữ liệu hoặc dây xung clock được chia sẻ giữa
các thiết bị, mỗi thiết bị cũng chỉ cần một dây địa chỉ duy nhất.
SPI giao tiếp qua 4 port là:

MOSI – Đầu ra dữ liệu chính, đầu vào dữ liệu phụ.
MISO – Đầu vào dữ liệu chính, đầu ra dữ liệu phụ.
SCLK – Tín hiệu clock đồng bộ, được tạo bởi thiết bị chính.
SS – Tín hiệu chọn Slave cần giao tiếp
Trong một hệ thống đa slave, mỗi slave yêu cầu một tín hiệu kích hoạt riêng,
điều này phức tạp hơn một chút về phần cứng so với hệ thống I2C.[2]

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

7


CHƯƠNG 2 . CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.2: Kết nối master với các slave qua giao thức SPI

b) Nguyên lý hoạt động
Giao tiếp SPI thực ra là hai thanh ghi dịch chuyển đơn giản trong phần cứng
bên trong. Dữ liệu được truyền là 8 bit. Nó được truyền từng chút một dưới tín hiệu
kích hoạt slave và xung dịch chuyển do thiết bị chính (master) tạo ra. Bit cao ở phía
trước và bit thấp ở phía sau.
Giao tiếp SPI là truyền dữ liệu nối tiếp đồng bộ giữa CPU và thiết bị ngoại vi
tốc độ thấp. Dưới xung dịch chuyển của thiết bị chính, dữ liệu được truyền từng
chút một. Bit cao ở phía trước và bit thấp ở phía sau. Đó là giao tiếp song cơng hồn
tồn và tốc độ truyền dữ liệu nói chung nhanh hơn so với bus I2C và có thể đạt tốc
độ vài Mbps.

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

8

CHƯƠNG 2 . CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.3: Truyền nhận dữ liệu trong giao thức SPI

2.3

KHÁI QUÁT VỀ HTML & CSS

2.3.1 Khái niệm
a) HTML là gì?
HTML (HyperText Markup Language) hoặc Ngôn ngữ đánh dấu siêu văn
bản được sử dụng để tạo các ứng dụng web và trang web.
Siêu văn bản (HyperText): Siêu văn bản rất giống với một siêu liên kết
(Hyperlink), nhưng chứa một văn bản bên dưới, khi được nhấp vào, sẽ bắt đầu
chuyển hướng đến một trang web mới.
Ngôn ngữ đánh dấu (Markup Language): Ngôn ngữ đánh dấu khơng nhất
thiết phải là ngơn ngữ lập trình nhưng giúp áp dụng định dạng và bố cục cho tài liệu
văn bản. Nó giúp tạo ra một nội dung văn bản năng động và tương tác hơn.[3]

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

9


CHƯƠNG 2 . CƠ SỞ LÝ THUYẾT

HÌnh 2.4: Logo của HTML

b) CSS là gì?
Cascading Style Sheets hay cịn được gọi là CSS, là một ngôn ngữ thiết kế
đơn giản nhằm đơn giản hóa q trình tạo trang web. CSS được thiết kế để cho phép
tách nội dung tài liệu khỏi cách trình bày tài liệu, bao gồm các yếu tố như phông
chữ, bố cục và màu sắc.Thường được lưu trong tệp với định dạng .css.

HÌnh 2.5: Logo của CSS

2.3.2 JSON
a) Khái niệm
JSON là từ viết tắt của JavaScript Object Notation, là một định dạng chuẩn
mở, nhẹ và dựa trên văn bản, được thiết kế rõ ràng để trao đổi dữ liệu mà con người
có thể đọc được. Nó là một định dạng dữ liệu độc lập với ngơn ngữ. Nó hỗ trợ hầu
hết mọi loại ngôn ngữ, framework và thư viện. JSON là một tiêu chuẩn mở để trao
đổi dữ liệu trên web. Nó hỗ trợ các cấu trúc dữ liệu như đối tượng và mảng.[4]
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

10