(Đồ Án Tốt Nghiệp) Thiết Kế Và Thi Công Hệ Thống Tự Động Giám Sát, Chăm Sóc Cây Trồng.pdf

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM K THUT
THNH PH H CH MINH

ẩ1771*+,3
1*ơ1+,17&é1*1*+,3

7+,7.9ơ7+,&é1*+7+1*
71**,ẩ06ẩ7&+06ẽ&
&ặ<751*

*9+'1*8<1751*'8<
697+3+$10,1+1+7
0669
697+2ơ1'8<7ặ1
0669

SKL 0 0 7 3 7 9

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 20


LỜI CAM ĐOAN
Đề tài này do nhóm thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và khơng sao chép
từ tài liệu hay cơng trình nghiên cứu đã có trước đó.
Người thực hiện đề tài
Đồn Duy Tân
Phan Minh Nhựt

vi

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên nhóm xin chân thành cảm ơn đến thầy Nguyễn Trường Duy đã giúp
nhóm rất nhiều trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp. Đề tài được hoàn thành theo
đúng thời gian qui định đồng thời đạt được mục tiêu đề ra không chỉ là sự nỗ lực của
mỗi cá nhân trong nhóm mà cịn có sự giúp đỡ, sự chỉ dẫn và góp ý chân thành của thầy.
Cám ơn thầy đã nhiệt tình cung cấp thông tin hướng dẫn và hỗ trợ kiểm tra, khắc phục
các thơng tin chưa chính xác. Để nhóm có thể hồn thành tốt đồ án tốt nghiệp.
Nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành các thầy cô trong Khoa Điện-Điện Tử đã
tạo những điều kiện tốt nhất cho nhóm hồn thành đề tài.
Nhóm cũng xin gửi lời cảm ơn đến các bạn lớp 16141DT1 đã có những chia sẻ,
những hiểu biết của mình để nhóm có thể hồn thành tốt đề tài lần này.
Lời cảm ơn sau cùng nhóm xin gửi đến gia đình đã tạo điều kiện tốt nhất, hỗ trợ
về mặt kinh tế củng như tinh thần, để từng thành viên trong nhóm chuyên tâm thực hiện
đề tài lần này.

Người thực hiện đề tài
Đoàn Duy Tân
Phan Minh Nhựt

vii


MỤC LỤC
TRANG BÌA …………………………………………………………………………....i
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .............................................................................. ii
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .....................................................iv
LỜI CAM ĐOAN ...........................................................................................................vi
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... vii
MỤC LỤC ................................................................................................................... viii

LIỆT KÊ HÌNH ..............................................................................................................xi
LIỆT KÊ BẢNG .......................................................................................................... xiii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................................xiv
TÓM TẮT......................................................................................................................xv
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .........................................................................................1
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ.......................................................................................................1
1.2. MỤC TIÊU............................................................................................................1
1.3. GIỚI HẠN .............................................................................................................1
1.4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .................................................................................2
1.5. BỐ CỤC ................................................................................................................2
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................4
2.1 QUY TRÌNH TRỒNG CÂY RAU MÀU NGẮN NGÀY.....................................4
2.1.1 Đặc tính sinh trưởng của cây rau màu ngắn ngày [3][4] .................................4
2.1.2 Mô tả quy trình chăm sóc và giám sát cây trồng .............................................6
2.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG ..................................................................................6
2.2.1 Tổng quan arduino mega 2560 ........................................................................7
2.2.2 Tổng quan về module Node MCU ESP8266.................................................10
2.2.3 Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11 ............................................................... 12
2.2.4 Cảm biến cường độ ánh sáng .........................................................................15
2.2.5 Cảm biến độ ẩm đất .......................................................................................16
2.2.6 Cảm biến chuyển động PIR ...........................................................................19
2.2.7 Cảm biến mưa ................................................................................................ 20
2.2.8 Giới thiệu Module L298 ................................................................................22
2.2.9 Giới thiệu bơm áp lực ....................................................................................23
2.2.10 Motor Bơm nước .........................................................................................24
viii


2.2.11 Động cơ giảm tốc .........................................................................................25
2.2.12 Đèn led .........................................................................................................26

2.2.13 Giới thiệu các chuẩn truyền dữ liệu [5]. ......................................................26
2.3 TỔNG QUAN VỀ IOT ........................................................................................29
2.3.1 Giới thiệu về Iot ............................................................................................. 29
2.3.2 Sự hình thành của Iot .....................................................................................29
2.3.3 Ứng dụng của IoT trong cuộc sống ............................................................... 30
2.4 TỔNG QUAN VỀ WEB .....................................................................................30
2.4.1 Khái niệm Web .............................................................................................. 30
2.4.2 Khái niệm Website ........................................................................................31
2.4.3 Khái niệm Webserver ....................................................................................32
2.4.4 Khái niệm database server .............................................................................32
2.5 TỔNG QUAN HỆ ĐIỀU HÀNH ANDROID .....................................................34
2.5.1 Giới thiệu hệ điều hành Android ...................................................................34
2.5.2 Ưu và nhược điểm hệ điều hành Android......................................................35
Chương 3: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ ..................................................................37
3.1 GIỚI THIỆU ........................................................................................................37
3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG .........................................................37
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống .........................................................................37
3.2.2 Tính tốn và thiết kế mạch.............................................................................38
3.3.3 Sơ đồ ngun lý tồn mạch............................................................................49
Chương 4: THI CƠNG HỆ THỐNG .........................................................................50
4.1 GIỚI THIỆU ........................................................................................................50
4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG .....................................................................................50
4.3 ĐĨNG GĨI VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH ............................................................. 54
4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển..................................................................................54
4.3.2 Thi cơng mơ hình ........................................................................................... 55
4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG....................................................................................57
4.4.1 Lưu đồ giải thuật ............................................................................................ 57
4.5 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM LẬP TRÌNH ......................................................68
4.5.1 Giới thiệu về Arduino IDE. ...........................................................................68
4.5.2 Phần mềm lập trình cho Android ...................................................................72

4.5.3 Phần mềm lập trình Visual Studio Code .......................................................76
ix


4.2.4 Giới thiệu về 000webhost ..............................................................................77
4.6 TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC ..........................................82
4.6.1 Tài liệu hướng dẫn sử dụng ...........................................................................82
4.6.2. Qui trình thao tác .......................................................................................... 83
Chương 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ....................................................92
5.1. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC .....................................................................................92
5.2 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ...............................................................................93
5.2.1 Mơ hình sản phẩm .........................................................................................93
5.2.2 Kết quả thực nghiệm ......................................................................................93
5.3 NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ ............................................................................100
Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................103
6.1 KẾT LUẬN ........................................................................................................103
6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN .....................................................................................103
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

x


LIỆT KÊ HÌNH
Hình 2.1. Hình Arduino mega2560 .................................................................................8
Hình 2.2. Hình ảnh ESP8266 ngồi thực tế...................................................................11
Hình 2.3. Sơ đồ chân của ESP8266 ...............................................................................12
Hình 2.4. Sơ đồ chân module DHT11 ...........................................................................13
Hình 2.5. Quá trình giao tiếp module DHT11 và vi điều khiển ....................................14
Hình 2.6. Quá trình gửi dữ liệu từ module DHT11 đến vi điều khiển. .........................14

Hình 2.7. Hình ảnh cảm biến cường độ ánh sáng.......................................................... 16
Hình 2.8. Hình ảnh cảm biến độ ẩm đất ngồi thực tế ..................................................16
Hình 2.9. Hình ảnh que đo............................................................................................. 17
Hình 2.10. Cấu tạo module chuyển đổi .........................................................................17
Hình 2.11. Sơ đồ nguyên lý module chuyển đổi ........................................................... 18
Hình 2.12. Hình ảnh module cảm biến chuyển động PIR .............................................20
Hình 2.13. Hình ảnh cảm biến mưa ...............................................................................21
Hình 2.14. Hình ảnh module thời gian thực ds1307 .....................................................22
Hình 2.15. Module L298N ............................................................................................ 22
Hình 2.16. Sơ đồ nguyên lý ICL298N...........................................................................23
Hình 2.17. Hình ảnh máy bơm áp lực ...........................................................................24
Hình 2.18. Hình ảnh máy bơm nước .............................................................................25
Hình 2.19. Hình ảnh bơm giảm tốc ...............................................................................26
Hình 2.20. Hình ảnh đèn led dây ...................................................................................26
Hình 2.21. Chuẩn truyền UART....................................................................................27
Hình 2.22. Chuẩn giao tiếp UART ................................................................................27
Hình 2.23. Chuẩn giao tiếp I2C .....................................................................................28
Hình 2.24. Hình tổng quan về web ................................................................................30
Hình 2.25. Logo PhpMyAdmin .....................................................................................33
Hình 2.26. Logo hệ điều hành Android .........................................................................34
Hình 2.27. Hình giao diện điện thoại dùng hệ điều hành Android................................ 35
Hình 3.1. Sơ đồ khối hệ thống .......................................................................................37
Hình 3.2. Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến .....................................................................40
Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý khối thời gian thực ............................................................. 41
Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý khối nút nhấn ......................................................................42
Hình 3.5. Sơ đồ nguyên lý của LCD 20x4 ....................................................................43
Hình 3.6. Sơ đồ ngun lý khối ngõ ra cơng suất .........................................................44
Hình 3.7. Đặc tuyến điện áp bão hòa VCE và dòng phân cực IF ....................................45
Hình 3.8. Sơ đồ kết nối Nodemcu với Arduino mega ...................................................46
Hình 3.9. Sơ đồ ngun lý tồn mạch ...........................................................................49

Hình 4.1. Sơ đồ mạch in của hệ thống...........................................................................50
Hình 4.2. Sơ đồ 3D bố trí linh kiện của hệ thống .......................................................... 51
xi


Hình 4.3. Hình ảnh mặt trên của board mạch hệ thống .................................................51
Hình 4.4. Hình ảnh tủ điều khiển ..................................................................................54
Hình 4.5. Hình ảnh mặt trước của mơ hình ...................................................................55
Hình 4.6. Hình ảnh bên phải của mơ hình .....................................................................56
Hình 4.7. Hình ảnh mặt sau của mơ hình ......................................................................57
Hình 4.8. Hình ảnh mặt trên của mơ hình .....................................................................57
Hình 4.9. Lưu đồ chương trình chính của Arduino .......................................................58
Hình 4.10. Lưu đồ chương trình con chọn chế độ điều khiển .......................................60
Hình 4.11. Lưu đồ chương trình con chế độ tự động ....................................................61
Hình 4.12. Lưu đồ chương trình con chế độ theo thời gian ..........................................63
Hình 4.13. Lưu đồ chương trình con chế độ điều khiển bằng tay .................................65
Hình 4.14. Lưu đồ chương trình NodeMCU Esp8266 ..................................................67
Hình 4.15. Qui trình làm việc của Arduino ...................................................................68
Hình 4.16. Giao diện lập trình Arduino .........................................................................69
Hình 4.17. Giao diện Examples menu ...........................................................................70
Hình 4.18. Giao diện Tools Arduino IDE để chọn kit nạp ............................................71
Hình 4.19. Giao diện Tools Arduino IDE dùng để chọn Port cho kit nap ....................71
Hình 4.20. Giao diện thêm thư viện vào Arduino ID ....................................................72
Hình 4.21. Giao diện làm việc của Android Studio ......................................................73
Hình 4.22. Hình ảnh cửa sổ làm việc Android Studio ..................................................74
Hình 4.23. Hình ảnh màn hình để lựa chọn hoạt động (Activity) .................................75
Hình 4.24. Hình ảnh sau khi project được tạo ra ........................................................... 75
Hình 4.25. Icon Visual Studio code...............................................................................76
Hình 4.26. Giao diện cửa sổ chính Visual Studio Code ................................................77
Hình 4.27. Giao diện làm việc Visual Studio Code ......................................................77

Hình 4.28. Hình cách tạo trang Web trên 000Webhost.................................................78
Hình 4.29. Hình đăng nhập cho 000webhost ................................................................ 79
Hình 4.30. Hình xác nhận sau khi đăng kí thành cơng tài khoản trên 000webhost ......79
Hình 4.31. Hình để đặt tên Website và mật khẩu .......................................................... 80
Hình 4.32. Hình khi tạo xong website ...........................................................................81
Hình 4.33. Hình giao diện up mã nguồn lên Webhost ..................................................81
Hình 4.34. Giao diện tạo database .................................................................................82
Hình 4.35. Lưu đồ qui trình thao tác .............................................................................83
Hình 4.36. Giao diện chính màn hình LCD ..................................................................84
Hình 4.37. Giao diện cài giá trị giới hạn, cài thời gian tưới và thiết lập thời gian........85
Hình 4.38. Giao diện trang chủ của Web ......................................................................86
Hình 4.39. Giao diện Bảng giám sát..............................................................................87
Hình 4.40. Giao diện cài đặt .......................................................................................... 88
Hình 4.41. Giao diện Thơng Tin Cây Trồng .................................................................89
Hình 4.42. Các giao diện App Android .........................................................................90

xii


LIỆT KÊ BẢNG
Bảng 2.1 Bảng thông số kỹ thuật của module chuyển đổi ............................................18
Bảng 2.2 Bảng thông số kỹ thuật module cảm biến chuyển động PIR ........................20
Bảng 4.1 Bảng danh sách các linh kiện .........................................................................52

xiii


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
SRAM

Static Random Access Memory

EEPROM

Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory

MCU

Microcontroler Unit

PWM

Pulse Width Modulation

IC

Integrated Circuit

UART

Universal Asynchronous Receiver-Transmitter

ADC

Analog to Digital Converter

SPI

Serial Peripheral Interface

I2C

Inter-Integrated Circuit

I/O

Input/Output

TTL

Transistor-Transistor Logic

AC

Alternative Current

DC

Directive Current

IDE

Integrated Development Environment

LCD

Liquid Crystal Display

GDP

Gross Domestic Product

RTC

Real Time Clock

SCL

Serial Clock Line

SDA

Serial Data Line

HTTP

HyperText Transfer Protocol

URL

Uniform Resource Locator

DBMS

Database Management System

IOT

Internet of Things

xiv


TÓM TẮT
Trong cuộc sống hiện đại ngày nay, mọi thứ đều phát triển không ngừng và ứng
dụng công nghệ vào nông nghiệp đang là xu hướng. Việc áp dụng khoa học công nghệ
cụ thể ở đây là công nghệ tự động vào trồng trọt cũng khơng cịn là mới thay vào đó
được áp dụng rộng rãi hơn với nhiều quy mô, và đa dạng chức năng để phục vụ cho từng
loại cây, từng loại giống với mục đích cuối cùng cho ra sản phẩm chất lượng và năng
suất cao.
Với mục đích muốn góp một phần cơng sức trong việc phát triển nông nghiệp
trồng trọt theo hướng công nghệ cao và tự động hóa. Nên nhóm thực hiện đề tài với
mong muốn tạo ra mơ hình tự động giám sát chăm sóc cây trồng.
Đề tài có các chức năng sau:
 Điều khiển trực tiếp trên bảng điều khiển của mơ hình.
 Điều khiển và thiết lập các thông số trên Web.
 Điều khiển và thiết lập các thông số trên App Android.
Sau khi hồn thành đề tài người dùng có thể hồn tồn điều khiển các thiết bị từ
xa thơng qua Internet, mà khơng cần có mặt trực tiếp tại trang trại. Giúp người dùng có
thể chủ động trong cơng việc ít tốn công sức và chi phí hơn so với làm mọi việc tại trang
trại. Các thông số về điều kiện thời tiết và mơi trường, người dùng có thể tự cài và thay
đổi sao cho phù hợp với từng loại cây, giúp đa dạng hóa cây trồng đem lại lợi nhuận
kinh tế cao hơn.

xv


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Việt Nam thuộc các nước đang phát triển, nông nghiệp vẫn là nền kinh tế quan
trọng chiểm tỷ trọng lớn trong GDP của cả nước. Tuy nhiên tỷ trọng của nền nông
nghiệp đang sụt giảm trong những năm gần đây, trong khi tỷ trọng của các ngành công
nghiệp khác đang dần gia tăng[1]. Bên cạnh đó với sự áp dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật
của các nước tiên tiến vào mọi mặt mọi lĩnh vực của đời sống, giúp cải thiện chất lượng
cuộc sống và góp phần đưa kinh tế Việt Nam ngày càng phát triển. Với việc áp dụng
tiến bộ khoa học kỹ thuật vào phát triển nông nghiệp cũng khơng cịn mới đối với nước
ta. Thay vào đó, được áp dụng rộng rãi từ bắc vào nam với nhiều quy mô và công nghệ
tiên tiến, giúp tăng năng suất và chất lượng sản phẩm.
Áp dụng công nghệ vào nông nghiệp đang là xu hướng, đặt biệt là áp dụng vào
lĩnh vực trồng trọt các loại cây rau màu, hoa quả trong nhà kính, nhà lưới. Giúp nhà
nơng có thể giảm đi ⅓ thời gian làm việc tại vườn và cắt giảm được công sức lao động
mà chất lượng nơng sản vẫn đạt chuẩn. Ngồi ra những việc mà trước giờ nông nghiệp
thủ công không làm được như: Đo đạc và theo dõi số liệu nhiệt độ, độ ẩm, chất lượng
đất, độ PH,… tất cả đều sẽ được tự động hóa và làm việc liên tục. Khơng thể khơng nhắc
đến hệ thống tưới nước, kéo rèm và phun sương điều khiển từ xa, lên lịch hay tự động
sẽ giúp cơng việc trở nên nhanh chóng và đơn giản hơn rất nhiều. [2]
Xuất phát từ những vấn đề thực tiển trên nên nhóm đã chọn đề tài “Thiết kế và thi
cơng hệ thống tự động giám sát chăm sóc cây trồng”. Hệ thống này sẽ đảm bảo cho cây
sinh trưởng, phát triển và được chăm sóc tốt, hạn chế sâu bệnh và thuốc trừ sâu để cho
ra sản phẩm an toàn và đạt năng suất cao.

1.2. MỤC TIÊU
Thiết kế và thi cơng hệ thống giám sát, chăm sóc cây trồng và xây dựng hệ thống
giám sát thời gian tưới, nhiệt độ, độ ẩm khơng khí, độ ẩm đất, ánh sáng trên web. Hơn
nữa, viết ứng dụng giao diện điều khiển.

1.3. GIỚI HẠN
Các thông số giới hạn của đề tài bao gồm:

 Kích thước mơ hình: 70cm x 45cm x 75cm.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

1


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
 Ứng dụng điện thoại chạy trên hệ điều hành Android.
 Dữ liệu của các cảm biến hiển thị trên LCD 20x4, trên App Android và
trên Web.
 Web và App Android khi có kết nối mạng mới có thể điều khiển được hệ
thống.
 Hệ thống có ba chế độ: tự động, điều khiển bằng tay và theo thời gian.
 Chỉ điều khiển được chế độ bằng tay trên bảng điều khiển, các thống số
về chế độ tự động và chế độ thời gian chỉ có thể nhập trên App Android
và Web.

1.4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Trong quá trình thực hiện Đồ án tốt nghiệp với đề tài “Thiết kế và thi công hệ
thống tự động giám sát chăm sóc cây trồng” nhóm tập trung giải quyết và hồn thành
những nội dung sau:
- Nội dung 1: Kết nối vi điều khiển với các Module cảm biến và module
thời gian thực.
- Nội dung 2: Kết nối ESP8266 với Internet để cập nhật dữ liệu dùng cho
việc hiển thị.
- Nội dung 3: Tạo Web, hiển thị các giá trị thu được từ cảm biến.
- Nội dung 4: Nghiên cứu viết app điều khiển hệ thống
- Nội dung 5: Thiết kế hệ thống điều khiển, lưu đồ giải thuật và chương
trình điều khiển hệ thống.
- Nội dung 6: Thi công phần cứng.

- Nội dung 7: Thiết kế hồn chỉnh mơ hình thực tế, chạy thử nghiệm và cân
chỉnh mơ hình hệ thống.
- Nội dung 7: Viết báo cáo thực hiện.
- Nội dung 8: Bảo vệ luận văn.

1.5. BỐ CỤC
 Chương 1: Tổng Quan
 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết
 Chương 3: Thiết Kế và Tính Tóan
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH

2


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
 Chương 4: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá
 Chương 5: Kết Luận và Hướng Phát Triển

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

3


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 QUY TRÌNH TRỒNG CÂY RAU MÀU NGẮN NGÀY
2.1.1 Đặc tính sinh trưởng của cây rau màu ngắn ngày
Rau ngắn ngày là những loại rau có thời gian thu hoạch ngắn, dễ chăm sóc và
khơng tốn nhiều cơng sức. Đây là những loại rau quen thuộc trong bữa ăn hằng ngày

của nhiều gia đình, và cực kì bổ dưỡng.
a. Ảnh hưởng của đất lên cây trồng
Chất lượng đất có vai trò quyết định đến sinh trưởng, năng suất, chất lượng và khả
năng chống chịu sâu bệnh hại của cây trồng. Bộ rễ các loại rau màu nói chung nằm trong
khoảng 20-30cm, ở tầng đất mặt, do vậy tính chịu úng, chịu hạn kém và lại rất dễ bị sâu
bệnh, cho nên đất trồng rau nhất thiết phải được chuẩn bị cẩn thận. Đất cần được cuốc
lên, làm nhỏ, và làm xốp.[3]
b. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên cây trồng
Nhiệt độ có vai trị quan trọng trong q trình sinh trưởng và phát triển của cây
trồng. Khoảng nhiệt độ trung bình thích hợp cho cây rau phát triển là từ 15 – 35 độ C.
Tùy thuộc vào từng loại rau mà có yêu cầu về nhiệt độ khác nhau.
Đối với các loại rau xanh, hay rau màu ngắn ngày, nhiệt độ giúp cho các phản ứng
sinh hóa diễn ra nhanh hơn, tạo điều kiện cho cây rau phát triển. Sự hô hấp và thoát hơi
nước của cây trồng chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi nhiệt độ. Các cây rau màu ngắn ngày
là loại rau chịu lạnh trung bình, cây sinh trưởng tốt trong điều kiện nhiệt độ từ khoảng
15 – 35 độ C. Nhiệt độ cao hơn 40 độ C thì cây sẽ ngừng sinh trưởng.
Ngồi ra nhiệt độ cịn ảnh hưởng đến từng giai đoạn sinh trưởng của cây:
 Giai đoạn nảy mầm: Nhiệt độ tác động lên các tiến trình sinh dưỡng diễn ra bên
trong hạt, khi gặp nhiệt độ thích hợp hạt sẽ nảy mầm nhanh. Hầu hết các loại rau
đều nảy mầm ở nhiệt độ từ 25 – 30 độ C.
 Giai đoạn cây con: Trong thời kì này, thân, lá và rễ cây chưa phát triển hồn chỉnh
nên cần nhiệt độ thấp hơn thời kì nảy mầm để hạn chế tiêu hao vật chất hô hấp.
Nếu nhiệt độ quá cao khiến cho cây rau bị tiêu hao nhiều nước dẫn đến cây còi
cọc, vàng úa. Nhiệt độ thích hợp cho giai đoạn này là từ 18 – 20 độ C.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

4

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
 Giai đoạn trưởng thành: Khi bước vào giai đoạn trưởng thành cây rau cần nhiệt
độ thích hợp để phát triển thân lá với tốc độ nhanh. [4]
c. Ảnh hưởng của độ ẩm lên cây trồng
Độ ẩm trong khơng khí, trong đất có tác động đến các giai đoạn sinh trưởng của
cây như sự nảy mầm của hạt, sự ra hoa, kết hạt, thời gian chín của quả, chất lượng rau,
sản lượng, sinh trưởng sinh dưỡng, phát sinh sâu bệnh và bảo quản hạt giống.
Độ ẩm đất ảnh hưởng không nhỏ đến khả năng phát triển của rau màu, từng giai
đoạn phát triển khác nhau dẫn đến nhu cầu cần nước là nhiều hay ít. Để cây sinh trưởng
và phát triển tốt thì độ ẩm đất cần đảm bảo 70 - 80%. Đảm bảo chế độ tưới nước phù
hợp với từng loại cây trồng, để cung cấp đủ độ ẩm cho cây theo từng giai đoạn như sau:
 Đối với các loại rau ăn lá thì yêu cầu về nước tăng cao ở giai đoạn phát triển
thân lá.
 Với cây họ bầu bí, cà chua thì nhu cầu nước của cây tăng dần và cần nhiều nhất
ở giai đoạn ra hoa đậu quả.
 Đối với dưa chuột cần lưu ý trong thời kỳ trổ hoa không để cho cây bị khô hạn
hay thiếu nước tưới. [3]
d. Ảnh hưởng của ánh sáng lên cây trồng
Ánh sáng là yếu tố quan trọng nhất cho sự sinh trưởng và sự phát triển của rau
màu. Ánh sáng mặt trời là nguồn năng lượng duy nhất, vô tận để cây xanh quang hợp,
biến các chất vơ cơ, nước và khí cacbonic thành hợp chất hữu cơ tích lũy trong lá, hoa,
quả, củ…
Các loại rau màu khác nhau có nhu cầu về ánh sáng không giống nhau: các cây rau
màu trồng vào mùa hè yêu cầu độ chiếu sáng mạnh thời gian chiếu dài 12 -14 giờ/ngày.
Rau màu trồng vào mùa đông cường độ ánh sáng sẽ yếu hơn, thời gian chiếu sáng từ 8
đến 12 giờ/ngày.
Cường độ ánh sáng cũng có ảnh hưỏng lớn đến sinh trưởng và phát triển của rau.
Dựa vào cường độ ánh sáng, người ta phân rau ra các nhóm:
 Nhóm yêu cầu cường độ ánh sáng mạnh là bí ngơ, cà, cà chua, ớt, đậu.
 Nhóm u cầu cường độ ánh sáng trung bình như cải bắp, cải trắng, cải củ, hành,

tỏi.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

5


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
 Nhóm u cầu cưịng độ ánh sáng yếu: xà lách, rau diếp.
e. Ảnh hưởng của một số yếu tố khác lên cây trồng
 Chất khoáng: Rau màu là cây trồng ngắn ngày nên cần lượng chất dinh dưỡng
rất lớn, các chất dinh dưỡng này cây lấy từ đất là không đủ, nên cần bổ sung bên
ngồi bằng các loại phân bón.
 Nước tưới: thành phần hóa học trong rau màu chủ yếu là nước, chiếm đến 90%.
Do đó muốn cây sinh trưởng phát triển tốt cho năng suất cao cần đảm bảo lượng
nước đủ theo nhu cầu từng loại rau màu. Nước tưới phải là nước sạch không
được dùng nước thải.

2.1.2 Mô tả quy trình chăm sóc và giám sát cây trồng
Các thơng số nhiệt độ, độ ẩm đất, độ ẩm khơng khí, mưa và cường độ ánh sáng
được đo thông qua các cảm biến, các giá trị đo được được hiển thị trên LCD20x4, Web
và App Android. Từ đó người trồng cây có thể giám sát được một cách trực quan thông
qua các giá trị được hiển thị và có biểu đồ thể hiện các giá trị đó trên web, từ đó người
trồng cây có thể điều khiển các thiết bị: máy bơm, máy bơm phun sương, đèn, mái che
để chăm sóc cây trồng qua Web và App Android và có thể điều khiển trực tiếp trên board
mạch của hệ thống. Mơ hình chăm sóc cây trồng có 3 chế độ: chế độ chăm sóc bằng tay,
chế độ chăm sóc tự động, chế độ chăm sóc theo thời gian.

2.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG
Thiết bị đầu vào: Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11, cảm biến cường độ ánh
sáng, cảm biến mưa, cảm biến chuyển động PIR, cảm biến độ ẩm đất, nút nhấn, Module

thời gian thực DS1307.
Thiết bị đầu ra:
 Thiết bị công suất: bơm nước, bơm áp lực, động cơ DC, đèn.
 Thiết bị giao tiếp công suất: transistor, opto, relay.
 Thiết bị hiển thị: LCD 20x4.
 Thiết bị điều khiển trung tâm: Arduino Mega2560.
 Module wifi: Esp8266 NodeMCU.
 Các chuẩn truyền dữ liệu: UART, I2C.
 Thiết bị giao diện điều khiển: điện thoại Android, Laptop.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

6


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
 Web server, app android

2.2.1 Tổng quan arduino mega 2560
a. Giới thiệu Board Arduino Mega.


Arduino Mega 2560 là board mạch vi điều khiển dựa trên chip xử lý
Atmega2560 được mở rộng thêm bộ nhớ và các chân I/O so với các board
mạch khác có sẵn trên thị trường.



Có 54 chân I/O digital và 16 chân analog được tích hợp trên board mạch
giúp thiết bị này trở nên riêng biệt và nổi bật so với các thiết bị khác.



Có tất cả 54 chân ra I/O digital, trong đó có 15 chân được sử dụng cho xuất
xung PWM.



Một bộ dao động thạch anh có tần số 16 MHz được tích hợp trên board
Arduino Mega2560.



Arduino Mega2560 có cổng USB được sử dụng để kết nối và chuyển mã từ
máy tính đến mạch Arduino Mega dựa trên phần mềm IDE.



Đầu jack kết nối ICSP (Header đôi gần nút reset) được bổ sung đáng chú ý
cho Arduino Mega, sử dụng để lập trình Arduino và tải file lên từ máy tính
qua phần mềm IDE.



Arduino Mega2560 có hai mức điện áp là 5V và 3.3V.



Về phần mềm lập trình, tất cả các loại Arduino đều dùng chung phần mềm
IDE.



Tích hợp nút reset trên board mạch và 4 cổng nối tiếp phần cứng được gọi
là UART, tạo ra tốc độ tối đa để giao tiếp.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

7


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.1. Hình Arduino mega2560
b. Thơng số kỹ thuật
• Vi điều khiển chính: ATmega2560.
• IC nạp và giao tiếp UART: ATmega16U2.
• Nguồn ni mạch: 5VDC từ cổng USB hoặc nguồn ngồi cắm từ jack trịn DC.
• Số chân Digital: 54 (có 15 chân PWM).
• Số chân Analog: 16.
• Giao tiếp UART: 4 bộ UART.
• Giao tiếp SPI: 1 bộ (chân 50 đến 53) dùng với thư viện SPI của Arduino.
• Giao tiếp I2C: 1 bộ.
• Ngắt ngồi: 6 chân.
• Bộ nhớ Flash: 256 KB, 8KB.
• SRAM: 8 KB.
• EEPROM: 4 KB.
• Xung clock: 16 MHz.
 Nguồn cấp cho Arduino:
Arduino Mega 2560 có thể được cấp nguồn bằng cổng USB hoặc bằng nguồn
ngoài và việc chọn nguồn cấp được diễn ra hoàn toàn tự động. Tức là ta có thể cấp cả 2

nguồn vào cùng lúc, nếu nguồn ngồi khơng có hoặc q bé thì Arduino sẽ lấy nguồn từ
cổng USB và ngược lại.
Nguồn ngồi có thể lấy từ adapter AC-DC thông qua jack cắm 5.5mm hoặc từ pin
bằng cách nối cực dương của pin vào chân Vin và cực âm vào chân GND.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

8


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chân cấp nguồn gồm những chân sau:
- GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino. Khi ta dùng các thiết
bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau.
- 5V: cấp điện áp 5V đầu ra, dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.
- 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra, dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.
- Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino, ta nối cực dương của
nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.
- IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino có thể được đo ở chân
này. Mặc dù vậy ta không được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của
nó khơng phải là cấp nguồn mà chỉ là tham chiếu điện áp hoạt động của vi xử lý.
Các ngõ vào/ra (I/O pins) của Arduino Mega2560:
Arduino Mega 2560 có tổng cộng 54 chân digital, mỗi chân đều có thể là ngõ vào
hoặc ngõ ra tuỳ theo ta lập trình. Chúng chỉ cho ra 2 mức điện áp là 0V hoặc 5V với
dòng vào ra là 20mA ở điều kiện hoạt động được khuyến nghị theo nhà sản xuất, tối đa
là 40mA. Nếu vượt quá ngưỡng 40mA này thì board mạch sẽ hư hỏng. Ngồi ra trên
mỗi chân digital cịn có một điện trở nội kéo lên với giá trị 20-50 kΩ, mặc định điện trở
này sẽ không được kết nối với chân digital.
Một số chân có chức năng đặc biệt:
- Serial: gồm 4 cổng serial là các chân 0 (RX) và 1 (TX); Serial 1: 19 (RX) và 18
(TX); Serial 2: 17 (RX) và 16 (TX); Serial 3: 15 (RX) và 14 (TX) dùng để gửi (transmit

– TX) và nhận (receive – RX) dữ liệu TTL Serial.
- Ngắt ngoài: gồm 6 chân ngắt ngoài là chân 2 (interrupt 0), 3 (interrupt 1), 18
(interrupt 5), 19 (interrupt 4), 20 (interrupt 3) và 21 (interrupt 2). Những chân này dùng
để kích hoạt ngắt khi chân có mức điện áp thấp, cao, xung cạnh lên, xung cạnh xuống
hoặc có sự thay đổi điện áp.
- PWM: gồm 15 chân là các chân 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 44, 45, 46
cho phép ta xuất ra xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28 - 1 tương ứng với
các mức điện áp từ 0V đến 5V).

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

9


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
- SPI: gồm các chân 50 (MISO), 51 (MOSI), 52 (SCK), 53 (SS). Ngoài các chức
năng thơng thường, 4 chân này cịn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với
các thiết bị khác.
- LED: một Led tích hợp trên board mạch đã được kết nối sẵn vào chân 13. Khi
điện áp trên chân này ở mức cao thì Led sẽ sáng và ngược lại Led sẽ tắt.
- TWI: gồm 2 chân 20 (SDA) và 21 (SCL) hỗ trợ giao tiếp TWI/I2C với các thiết
bị khác.
- Reset: khi nhấn nút reset thì ta đã cấp mức điện áp thấp vào chân reset làm khởi
động lại vi điều khiển.
- AREF: đây là chân mà ta đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog.
Tức là nếu cấp điện áp 2.5V vào chân này thì ta có thể dùng các chân analog để đo điện
áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải là 10 bit. Arduino Mega 2560 còn có
16 chân ngõ vào analog cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị
điện áp trong khoảng 0V → 5V.
Bộ nhớ:

Arduino Mega 2560 được trang bị chip Atmega2560 đã tích hợp sẵn 256 KB dung
lượng bộ nhớ Flash, 8 KB bộ nhớ SRAM và 4KB bộ nhớ EEPROM. Trong 256 KB bộ
nhớ Flash thì 8 KB, tức là ta chỉ có 248 KB để dành cho việc lưu chương trình. Bộ nhớ
SRAM có đặc điểm là mất dữ liệu khi mất điện nên dùng để lưu các giá trị biến trong
chương trình, cịn bộ nhớ EEPROM thì khơng mất dữ liệu khi mất điện nên là ta sẽ lưu
các biến dữ liệu quan trọng vào bộ nhớ này để khi xảy ra sự cố về điện thì mạch vẫn
chạy đúng.

2.2.2 Tổng quan về module Node MCU ESP8266
a. Khái niệm
Module ESP8266 là module wifi được đánh giá rất cao cho các ứng dụng liên
quan đến Internet và Wifi cũng như các ứng dụng truyền nhận sử dụng thay thế cho các
module RF khác với khoảng cách truyền lên tới 100 mét (Mơi trường khơng có vật cản).
Trên 400m với anten và router thích hợp.

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

10


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
ESP8266 cung cấp một giải pháp kết nối mạng Wi-Fi hồn chỉnh và khép kín, cho
phép nó có thể lưu trữ các ứng dụng hoặc để giảm tải tất cả các chức năng kết nối mạng
Wi-Fi từ một bộ xử lý ứng dụng.
Luôn phiên, phục vụ như một bộ chuyển đổi Wi-Fi, truy cập Internet khơng dây
có thể được thêm vào bất kỳ thiết kế vi điều khiển nào dựa trên kết nối đơn giản qua
giao diện UART.
Khả năng lưu trữ và xử lý mạnh mẽ cho phép nó được tích hợp với các bộ cảm
biến, vi điều khiển và các thiết bị ứng dụng cụ thể khác thơng qua GPIOs với chi phí
tối thiểu và một PCB tối thiểu. Với mức độ tích hợp cao trên chip, trong đó bao gồm

các anten chuyển đổi, bộ chuyển đổi quản lý điện năng…

Hình 2.2. Hình ảnh ESP8266 ngồi thực tế
b. Cấu tạo
Module ESP8266 có các chân dùng để cấp nguồn và thực hiện kết nối. Chức năng
của các chân như sau:
 VCC: 3.3V-5V.
 GND: Chân nối với nguồn âm.
 Tx: Chân Tx của giao thức UART, kết nối đến chân Rx của vi điều khiển.
 Rx: Chân Rx của giao thức UART, kết nối đến chân Tx của vi điều khiển.
 RST: chân reset, kéo xuống mass để reset.
 10 chân GPIO từ D0 – D8, có chức năng PWM, I2C, giao tiếp SPI, 1-Wire
và ADC trên chân A0.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

11


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
 Kết nối mạng wifi (có thể là sử dụng như điểm truy cập và/hoặc trạm máy
chủ lưu trữ một, máy chủ web), kết nối Internet để lấy hoặc tải lên dữ liệu.

Hình 2.3. Sơ đồ chân của ESP8266
c. Tính năng
 Hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n.
 Wi-Fi 2.4 GHz, hỗ trợ WPA/WPA2.
 Chuẩn điện áp hoạt động: 3.3V.
 Chuẩn giao tiếp nối tiếp UART với tốc độ Baud lên đến 115200
 Tích hợp ngăn xếp giao thức TCP/IP.
 Hỗ trợ cả 2 giao tiếp TCP và UDP

 Làm việc như các máy chủ có thể kết nối với 5 máy con
 Hỗ trợ các chuẩn bảo mật như: OPEN, WEP, WPA_PSK, WPA2_PSK,
WPA_WPA2_PSK.
 Có 3 chế độ hoạt động: Client, Access Point, Both Client and Access Point.

2.2.3 Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11
Cảm biến độ ẩm và nhiệt độ DHT11 là cảm biến rất thơng dụng hiện nay vì giá
thành thấp và dễ dàng lấy dữ liệu thông qua giao tiếp 1 dây. Bộ tiền xử lý tín hiệu tích
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH

12


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
hợp trong cảm biến giúp chúng ta có được dữ liệu chính xác mà khơng phải qua bất kỳ
tính tốn nào.
Thơng số kỹ thuật:
 Điện áp hoạt động: 3.3V đến 5V (DC).
 Dải nhiệt độ đo: 0°C ~ 50°C, sai số ± 2°C.
 Dải độ ẩm đo: 20% - 90% RH, sai số ± 5% RH.
 Tần số lấy mẫu: 1Hz, nghĩa là 1 giây DHT11 lấy mẫu một lần.
 Chuẩn giao tiếp: TTL, 1 dây.
 Dịng tối đa: 2.5mA.
 Kích thước: 28 x 12 x 10 mm.

Hình 2.4. Sơ đồ chân module DHT11
Chức năng các chân của DHT11:
 Chân VCC: chân nối với nguồn dương.
 Chân GND: chân nối với nguồn âm.
 Chân DATA: chân dùng để truyền tín hiệu.

Tổng quan q trình giao tiếp
Quá trình giao tiếp giữa cảm biến DHT11 với khối điều khiển sẽ diễn ra theo 3 giai
đoạn được trình bày tóm tắt như sau. Đầu tiên khối điều khiển gửi đi một xung bắt đầu
chờ tín hiệu từ DHT11, nếu có DHT11 sẽ trả lời bằng cách kéo tín hiệu từ mức logic 1
xuống mức logic 0. Khi đó quá trình truyền nhận dữ liệu bắt đầu.
Khi quá trình giao tiếp của khối điều khiển và cảm biến DHT11 bắt đầu, chân dữ
liệu được kéo xuống mức logic 0 trong khoảng thời gian ít nhất 18 ms để chắc chắn cảm
biến DHT11 phát hiện tín hiệu từ khối điều khiển. Sau đó khối điều khiển sẽ đưa mức
logic lên 1 và đợi tầm 20 - 40 μs chờ cảm biến phản hồi.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

13


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.5. Quá trình giao tiếp module DHT11 và vi điều khiển
Khi cảm biến DHT11 phát hiện tín hiệu bắt đầu, nó sẽ hồi tiếp về mức 0 và giữ
khoảng 80 μs để chuẩn bị gửi dữ liệu về. Sau đó lại đưa tín hiệu lên mức 1 khoảng 80
μs để chuẩn bị truyền dữ liệu. Sau khi đưa tín hiệu chân dữ liệu về mức logic 0, cảm
biến đưa nó lên mức logic 1. Nếu chân dữ liệu giữ mức logic 1 trong khoảng 26 – 28 μs
thì ta được bit 0, cịn nếu 70 μs thì ta được bit 1.

Hình 2.6. Quá trình gửi dữ liệu từ module DHT11 đến vi điều khiển.
Đọc giá trị trên DHT11:
Sau khi giao tiếp được với khối điều khiển, cảm biến DHT11 sẽ trả về giá trị nhiệt
độ và độ ẩm dưới dạng 40 bit dữ liệu, tương ứng chia làm 5 byte. Trong đó:
 Byte 1: giá trị phần nguyên của độ ẩm.
 Byte 2: giá trị phần thập phân của độ ẩm.
 Byte 3: giá trị phần nguyên của nhiệt độ.

 Byte 4: giá trị phần thập phân của nhiệt độ.
 Byte 5: kiểm tra tổng.
Nếu Byte 5 = (Byte 1 + Byte 2 + Byte 3 + Byte 4) thì giá trị độ ẩm và nhiệt độ là
chính xác, nếu sai thì kết quả đo khơng có nghĩa.
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH

14