HỆ THỐNG GIÁM SÁT LƯU LƯỢNG NƯỚC TRANG TRẠI

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐỒNG NAI
TRƯỜNG TH-THCS-THPT HỒNG BÀNG

BÀI DỰ THI SÁNG TẠO KHOA HỌC KỸ THUẬT
HỌC SINH TRUNG HỌC NĂM 2023-2024
Đề tài

HỆ THỐNG GIÁM SÁT LƯU LƯỢNG NƯỚC
TRANG TRẠI

Lớp: 10B4
Trường: TRƯỜNG TH-THCS-THPT HỒNG BÀNG
Giáo viên hướng dẫn: Phạm Đình Dinh
Học sinh thực hiện: 1. Trần Anh Dũng

2. Lê Phương My

Đồng Nai, … … /20..

Đồng Nai, … … /20..

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU...............................................................................................3
1.1. Lý do chọn đề tài..............................................................................................3
1.2. Mục tiêu của đề tài...........................................................................................3
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu....................................................................4
1.4. Nội dung nghiên cứu........................................................................................4
1.5. Phương pháp nghiên cứu..................................................................................4
1.6. Kết quả mong đợi.............................................................................................4

CHƯƠNG 2. KẾ HOẠCH NGHIÊN CỨU ............................................................5
2.1. Kế Hoạch Thời Gian và Nội Dung Thực Hiện Nghiên Cứu.............................5
2.1.1. Thời gian....................................................................................................5
2.1.2. Nội dung thực hiện nghiên cứu..................................................................5
2.2. Tiến hành thực hiện giải pháp..........................................................................5
2.2.1. Vật liệu và linh kiện điện tử.......................................................................5

Module thu phát Wifi ESP8266..................................................................................6
2.3. Thiết kế mơ hình “Hệ thống giám sát lưu lượng nứo trong trang trại”.............7
2.3.1. Thiết kế sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý.....................................................7
2.4. Nhiệm vụ các khối............................................................................................8
2.5. chương trình cho ARDUINO và ESP8266.......................................................9
2.5.1. Chương trình cho ARDUINO....................................................................9
2.5.2. Chương trình cho ESP8266.....................................................................11
2.6. Hoàn thiện và đánh giá hoạt động của “ Hệ thống giám sát lưu lượng nước
trong trang trại ”.......................................................................................................11

1

CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU

1.1. Lý do chọn đề tài
Quản lý nguồn nước tươi cho trang trại đang trở thành một thách thức ngày càng

nghiêm trọng do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và sự gia tăng đáng kể về nhu cầu
nông sản. Điều này tạo ra sự cần thiết để tìm kiếm giải pháp sáng tạo và bền vững để
tối ưu hóa sử dụng nước trong nơng nghiệp đặc biệt là trong các trang trại.

Kỹ thuật điện tử phát triển đã nhanh chóng được ứng dụng vào trong nhiều lĩnh
vực: công nghiệp, giao thông vận tải, hàng không vũ trụ. Các thiết bị điều khiển tự

động giữ vai trị cực kỳ quan trọng góp phần lớn cho sự tiến bộ không ngừng của các
lĩnh vực này. Việc tưới tiêu của các nông trại hiện nay chủ yếu thủ công hoặc cao hơn
sử dụng các béc tưới tự động bằng các bộ định giờ thời gian tưới một cách định tính
khơng biết rõ được lượng nước mình tưới cho cây là bao nhiêu dẫn tới nước tưới cho
cây có thể thiếu ảnh hưởng đến sự phát triển của cây, có thể thừa làm lãng phí nguồn
nước. Hiện nay có một số sáng kiến sử dụng cảm biến độ ẩm để tưới cho cây tuy nhiên
hệ thống hoạt động phụ thuộc vào độ ẩm đất nên khi đặt vòi phun gần với cảm biến dễ
gây ra việc tưới nước khơng đều trên diện tích cây trồng.

GDP nước ta chiếm tỷ lớn từ các sản phẩm nông nghiệp mà nông nghiệp là lĩnh
vực sản xuất có nhu cầu sử dụng nước cao nhất, chiếm 70% nhu cầu nước ngọt toàn
cầu. Theo dự báo nhu cầu nước cho nơng nghiệp có thể tăng thêm 20% trong 50 năm
tới. Tuy nhiên, biến đổi khí hậu và cạnh tranh các ngành kinh tế khác đang hiển hiện
nguy cơ thiếu hụt nước tưới trong nông nghiệp. Chính vì vậy, sử dụng nước tưới hiệu
quả và tiết kiệm là một trong những chiến lược quan trọng trong phát triển nơng
nghiệp tồn cầu. Việc kiểm sốt lượng nước tưới cho cây trồng là nhiệm vụ quan
trọng bậc nhất để làm sao cho lượng nước tưới cho cây là vừa đủ khơng bị thất thốt
nguồn nước giúp tiết kiệm lượng nước mà vận đủ cho cây trồng.

Xuất phát từ những vấn đề trên, vận dụng các kiến thức đã học em đã nghiên cứu
và tiến hành thiết kế: “Hệ thống giám sát lưu lượng nước trang trại”
1.2. Mục tiêu của đề tài

Phát triển một hệ thống quản lý nguồn nước tưới, áp dụng công nghệ wifi, giao
thức truyền thông MQTT, Internet và nền tảng Website, nền tảng lập trình Arduino,
lập trình nhúng và nghiên cứu về thiết bị điện tử. Tối ưu hóa q trình sử dụng nước
trong sản xuất, đồng thời luôn giám sát và điều khiển được hệ thống từ xa. Thêm nữa
là hệ thống đảm bảo an toàn cho sự cố lỗi, chống cạn và chống tràn.

1

Đề tài không những ứng dụng trong các nơng trại sản phẩm cịn có thể ứng dụng
trong việc quản lý giám sát và cung cấp nguồn nước trong các khu chung cư, hệ thống
nuôi trồng sẳn xuất, hệ ổn định bồn nước, …
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a) Đối tượng nghiên cứu: Nông dân, nông tại, các công ty doanh nghieepng
trong lĩnh vực nông nghiệp, các đơn vị sản xuất rau xanh, cây xanh,…

b) Phạm vi nghiên cứu: Tập trung chủ yếu vào các khu vực trang trại áp dụng
trong nông nghiệp nuôi trồng ở trang trại, tưới tiêu và cung cấp cho vật nuôi.

1.4. Nội dung nghiên cứu
1. Nghiên cứu tình hình sử dụng nước hiện tại tại các trang trại để định rõ
những thách thức và vấn đề cụ thể.
2. Xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát lượng nước ở local qua màn
hình LCD đặt tại hiện trường, hệ thống đèn cảnh báo, nút nhấn điều khiển.
3. Hệ thống có thể kết nối truyền dữ liệu qua Internet qua đó có thẻ giám sát
trên website theo thời gian thực. Hệ thống có thể giám sát hệ thống từ xa
qua cả 2 phương tiện là điện thoại và laptop qua Internet trên nền tảng Iot
ThingsBoard Platform.
4. Hệ thống cảnh báo và ngắt tự động khi giá trị mực nước đạt ngưỡng. Giúp
kiểm xoát được rủi ro trong quá trình vận hành.

1.5. Phương pháp nghiên cứu
Dựa trên cơ sở điện - điện tử - lập tình; xây dựng hệ thống trên nền tảng Website

trên nền tảng ThingsBoard Platform để giám và thu thập dữ liệu.
Sử dụng phương pháp lập trình trên KIT Arduino Uno R3, ESP 8266 Wifi,

nghiên cứu thực nghiệm và nền tảng truyền nhận dữ liệu trên Internet.
Thực nghiệm và tối ưu hóa liên tục để kiểm tra phát hiện lỗi và từ đó hoàn thiện

và phát triển hệ thống toàn diện nhất.
Thu thập dữ liệu thông qua cảm biến lưu lượng, xử lí dữ liệu và truyền đáp ứng

từ vi điều khiển đến cơ cấu truyền động là động cơ.
Xử lí truyền nhận dữ liệu giữa 2 vi điều khiển Arduino và ESP8266.
Xử lí dữ liệu truyền và hiển thị dữ liệu liên tục giá trị lưu lượng nước trên màn

hình LCD ở local.
1.6. Kết quả dự kiến

Dữ liệu lưu lượng nước được thu thập qua cảm biến lưu lượng.
Vi xử lí xủ lí dữ liệu và truyền đến LCD để hiển thị.

1

Đồng thời, Arduino sẽ gửi dữ liệu đến ESP 8266 để được gửi lên nền tảng
ThingsBoard Platform hiển thị lương lượng, giao diện giám sát thông qua Internet.

Điều khiển lượng nước bơm thông qua motor bơm nước.
Đặt nền tảng kết nối IoT trong sản xuất. Dựa trên cơ sở áp dụng giải quyết các
bài toán thực tế trong việc điều khiển và giám sát từ xa.

1

CHƯƠNG 2. 112EQUATION CHAPTER 2 SECTION 1 KẾ HOẠCH
NGHIÊN CỨU

2.1. Kế Hoạch Thời Gian và Nội Dung Thực Hiện Nghiên Cứu

2.1.1. Thời gian

 Tháng 8-9: Phân tích hiện trạng và lựa chọn linh kiện, tìm hiểu nguyên lý hoạt
động của các linh kiện

 Tháng 9-10: Triển khai hệ thống.

 Tháng 11: Chạy thủ nghiệm và hoàn thiện.

 Tháng 12: Viết báo cáo.

2.1.2. Nội dung thực hiện nghiên cứu

Nghiên cứu thực trạng sử dụng nước tại các trang trại : cần phải có người phải ở
ngay tại trang trại để kiểm tra giám sát, sử dụng nước lúc nhiều , lúc ít dẫn tối rất hao
phí và tốn nhân cơng

Tìm hiểu các linh kiện điện tử, Lựa chọn cảm biến và lựa chọn linh kiện

Tìm hiểu về các ứng dụng trên điện thoại

Triển khai hệ thống tại các trang trại mẫu.

2.2. Tiến hành thực hiện giải pháp

2.2.1. Vật liệu và linh kiện điện tử

Các nguyên Mô tả Giá thành Tham khảo tại

vật liệu làm Cảm biến đo lương lượng nước qua ống
sản phẩm 65.000đ https://
Cảm biến www.thegioiic.com
/yf-s201c-cam-
lưu lượng bien-luu-luong-
nuoc-1-30l-phut
YF-S201C

ARDUINO ARDUINO UNO R3:Bộ não này có thể 145.000đ https://
xử lí những tác vụ đơn giản như điều www.thegioiic.com
khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu /arduino-uno-r3-
cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo atmega328
nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình
LCD,… hay những ứng dụng khác

1

MODULE Module thu phát Wifi 95.000 https://
THU nshopvn.com/
PHÁT ESP8266 NodeMCU Lua được dùng cho product/module-
WIFI thu-phat-wifi-
ESP8266 các ứng dụng cần kết nối, thu thập dữ esp8266-nodemcu-
lua-cp2102/
liệu và điều khiển qua sóng Wifi, đặc biệt
https://
là các ứng dụng liên quan đến IoT. www.thegioiic.com
/mb-102-
Kit RF thu phát Wifi ESP8266 breadboard-cam-
NodeMCU Lua sử dụng chip nạp và giao linh-kien-830-lo
tiếp UART mới và ổn định nhất là https://

CP2102 có khả năng tự nhận Driver trên www.thegioiic.com
tất cả các hệ điều hành Window và /r385-may-bom-
Linux, đây là phiên bản nâng cấp từ các nuoc-12v-1-2l-phut
phiên bản sử dụng IC nạp giá rẻ CH340.
https://
Dây đực - Bẹ 20 dây 20.000 www.thegioiic.com
cái /nguon-xung-vao-
220vac-ra-12v-
Test board Kết nối các thiết bị dễ dàng 16.000 15a-180w
https://
R385 Máy Hoạt động với điện áp 12 VDC, có thể 42,000 www.thegioiic.com
Bơm Nước được sử dụng để tưới cây, tạo đài phun /lcd-1602-nen-
12V nước hoặc thác nước, và thậm chí thay xanh-duong-chu-
1-2L/phút nước bể cá của bạn. trang-5v-kem-i2c-
driver
Máy bơm hoạt động nhẹ nhàng với mức
âm thanh dưới 30db. Ngoài ra, máy
bơm có một bộ lọc bên trong cũng như
một giá đỡ mềm cố định bằng cao su có
thể giúp cố định nó vào các bề mặt.

Nguồn DC Mạch này có nhiệm vụ chuyển điện áp 156.000
12V
220v xoay chiều thành 12v một chiều ổn

định để cung cấp cho các linh kiện trên

bo mạch hoạt động

LCD 1602 Đây là LCD ký tự 16x2 chữ trắng nền 45.000

I2C driver xanh dương có IC điều khiển HD44780
Super Twisted Nematic (STN) LCD.
Giao tiếp đơn giản với 4 bit hoặc 8 bit.
Giao tiếp dễ dàng với các loại vi điều
khiển và board Arduino, ATMEL AVR
hoặc PIC.

1

2.3. Thiết kế mơ hình “Hệ thống giám sát lưu lượng nứo trong trang trại”
2.3.1. Thiết kế sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý

Sơ đồ khối hệ thống giám sát lưu lượng nước trong trang trại

1

Sơ đồ nguyên lý hệ thống giám sát lưu lượng nước trong trang trại
2.4. Nhiệm vụ các khối

Khối cảm biến có nhiệm vụ đo tốc độ dịng chảy của nước, theo dõi lượng nước
cung cấp và sử dụng, tín hiệu từ bộ cảm biến này được cảm biến Hall tiếp nhận và đưa
về bộ điều khiển, bộ điều khiển sẽ tính tốn kích thước lưu lượng của dịng nước để
điều chỉnh phù hợp.

Khối xử lý ARDUINO UNO R3: xử lý tín hiệu, điều khiển các khối khác
Khối hiển thị LCD hiển thị nội dung cần thơng báo ra màn hình để hướng dẫn
cho người sử dụng
Khối thu phát Wifi ESP8266 có nhiệm vụ kết nối, thu thập dữ liệu và điều
khiển qua sóng Wifi
Khối nguồn tạo ra năng lượng cấp cho toàn bộ linh kiện trong mạch hoạt động

Khối ngắt điện: điều khiển role ngắt tiếp điểm nhận tín hiệu từ Arduino để
đóng mở máy bơm

Khối bơm nước : thực hiên bơm nước khi có lệnh

1

2.5. chương trình cho ARDUINO và ESP8266
2.5.1. Chương trình cho ARDUINO

1

1

2.5.2. Chương trình cho ESP8266

2.6. Hồn thiện và đánh giá hoạt động của “ Hệ thống giám sát lưu lượng
nước trong trang trại ”
“Hệ thống giám sát lưu lượng nước trong trang trại’’ đã hoạt động được vào việc

kiểm sốt chính xác lượng nước đã tưới cho cây là bao nhiêu lít và người dùng có thể
ấn định lượng nước cho cây theo nhu cầu một cách chính xác từ bơm và có thể xác
định được tổng lượng nước từ khi bắt đầu bơm đến thời điểm hiện tại ở mọi nôi mọi
lúc mà không cần giám sát trực tiếp giúp giảm chi phí nhân cơng

* Đánh giá hoạt động của mô hình:
- Ưu điểm:
+ Thiết bị nhỏ gọn, dễ sử dụng.
+ Tiện lợi, tiết kiệm sức lao động, giám sát chính xác lượng nước đã tưới

+ Tiết kiệm nước.
- Hạn chế và hướng cải tiến:

1

+ Hệ thống hoạt động phải có Wifi
+ Hệ thống hoạt động phụ thuộc vào nguồn điện, nguồn nước, nếu mất điện hoặc
mất nước hệ thống sẽ không hoạt động. Vì vậy, yêu cầu người sử dụng phải kiểm tra
thiết bị thường xuyên để đảm bảo thiết bị hoạt động tốt nhất.
- Hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài:
Thiết kế được hệ thống phức tạp hơn làm sao khắc phục tình trạng trang trại rộng
lớn mỗi lần tưới phục vụ cho hàng chục thậm chí hàng trăm béc khi đó béc gần nguồn
nước mạnh nên nước tưới cho khu vụ đó nhiều (lãng phí) và béc ở xa rất yếu nên
nước ở khu vực đó ít (thiếu nước cho cây). Cảnh báo cho người sử dụng về khả năng
vở đường ống khi áp suất nước cao hơn quy định.
a. Tính mới:
Đề tài khơng trùng với các đề tài đã được công bố trong bất kỳ nguồn thơng tin
chính thống nào.
Sản phẩm giám sát lượng nước tưới cho cây, cung cấp cho chung cư… ở từng
thời điểm và giám sát tổng lượng nước đi qua hệ thống đồng thời người dùng có thể ấn
định lượng nước cung cấp cho trang trại (hoặc chung cư…) sau đó thiết bị điều khiển
để tắt máy bơm hoặc khoá khoá từ
b. Tính sáng tạo:
Hệ thống được giám sát và truyền bằng wifi về trang websise giúp người dùng
có thể giám sát mọi nơi mọi lúc xem hệ thống máy bơm cịn hoạ động hay khơng ( các
hệ thống hiện tại trên thị trường và trong sản xuất hoàn toàn chua có, các hệ thống trên
thị trường chỉ diều khiển giám sát bằng cảm biến độ ẩm, hoặc timer khi không có sự
giám sát tại chỗ của con người sẽ khơng biết hệ thống cịn hoạt động hay khơng)
c. Khả năng áp dụng của sản phẩm
Sản phẩm có khả năng rất cao để áp dụng vào thực tế ở những trang trại lớn,

trang trại nhỏ, chung cư, nhà quản lý nước của nhà máy nước và kể cả hộ gia đình.

1