Thiết kế mô hình điều khiển từ xa thiết bị nhà kính
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.36 MB, 23 trang )
Trường Đại học Quảng Bình
Lê Văn Hùng
CĐ CNKT Điện-Điện tử K55
MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU .....................................................................................................................................2
1. Giới thiệu đề tài ............................................................................................................................2
2. Ý nghĩa khoa học của đề tài ........................................................................................................3
3. Mục đích nghiên cứu ...................................................................................................................3
4. Giới hạn đề tài ...............................................................................................................................3
5. Sản phẩm khoa học của đề tài ......................................................................................................3
6. Cấu trúc của báo cáo.....................................................................................................................3
Chương 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN ...............................................................................................................5
1.1
Đặt vấn đề ...............................................................................................................................5
1.2
Ý tưởng thiết kế ......................................................................................................................6
1.3
Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................................6
Chương 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NHÀ KÍNH TỰ ĐỘNG................................................8
2.1
Giới thiệu về nhà kính tự động...............................................................................................8
2.2
Thiết kế nhà kính ....................................................................................................................9
2.3
Hệ thống cảm biến ............................................................................................................... 10
2.4
Hệ thống cơ cấu chấp hành ................................................................................................ 10
2.5
Hệ thống cung cấp nguồn ................................................................................................... 12
2.6
Kết luận ................................................................................................................................ 13
Chương 3: TỔNG QUAN VỀ MODULE ESP 8266 ...................................................................... 14
3.1
Giới thiệu về module ESP8266 ......................................................................................... 14
3.2
Thông số kỹ thuật ............................................................................................................... 14
3.3.
Chân kết nối của mudunle ESP8266 ............................................................................... 15
3.4
Chức năng của mudule ESP8266 ....................................................................................... 16
3.5
Giao tiếp với module ESP 8266 với tập lệnh AT .............................................................. 16
3.6
Kết luận ................................................................................................................................ 17
Chương 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN NHÀ KÍNH BẰNG ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG
............................................................................................................................................................... 18
4.1
Hệ thống điều khiển ............................................................................................................ 18
4.2
Xây dựng phần mềm trên điện thoại di động ................................................................... 19
4.3
Kết luận ................................................................................................................................ 21
Chương 5: KẾT LUẬN ....................................................................................................................... 22
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................................. 23
1
Trường Đại học Quảng Bình
Lê Văn Hùng
CĐ CNKT Điện-Điện tử K55
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Giới thiệu đề tài
Hiện nay cùng với sự phát triển của xã hội, cuộc sống ngày càng được nâng cao
thì việc áp dụng công nghệ khoa học kỹ thuật vào đời sống công việc ngày càng cần
thiết. Cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, công nghệ kỹ thuật điện
tử mà trong đó đặc biệt là kỹ thuật điều khiển tự động đóng vai trò quan trọng trong
mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lý, công nghiêp, nông nghiệp, đời sống, quản lý
thông tin ...
Trong thời kỳ phát triển hiện nay, điện thoại di động là một thiết bị không thể
thiếu trong cuộc sống. Ngoài chức năng nghe và nhận cuộc gọi còn có khả năng nhắn
tin, giải trí, xem phim, chơi game, chụp ảnh… điện thoại còn có khả năng giám sát và
điều khiển thiết bị từ khoảng cách xa. Thay vì phải tự tay khởi động các thiết bị thì
chúng ta chỉ cần ngồi một chỗ mà vẩn điều khiển được các thiết bị của mình giống như
một chiếc điều khiển từ xa chỉ với một chiếc điện thoại di động thông qua kết nối
Internet/Wifi.
Mô hình nhà kính là nền tảng cho tiêu chuẩn về chất lượng, công năng và giá trị
của sản phẩm trong việc sản xuất nông nghiệp theo hướng nông nghiệp công nghệ cao.
Tính linh hoạt của nhà kính giúp cho người trồng trọt có thể trồng trọt trên bất cứ môi
trường nào, diện tích trồng trọt có thể từ vài trăm mét đến hàng chục héc-ta. Nhà kính
có khả năng loại bỏ các điều kiện môi trường bất lợi, cung cấp một môi trường phát
triển tối ưu, tạo ra mùa sinh trưởng dài hơn, có thể trồng các loại cây trái mùa và các
giống cây khác nhau, bảo vệ cây trồng khỏi thời tiết lạnh, mưa đá, gió, mưa... gây thiệt
hại, loại bỏ dịch bệnh, sâu bệnh hại, tăng tốc độ sinh trưởng nhanh hơn và năng xuất
cao hơn, chất lượng tốt hơn. Các cơ cấu chấp hành điều khiển môi trường trong nhà
kính như ánh sáng, gió, nhiệt độ, độ ẩm... Tất cả được điều chỉnh và điều khiển hoàn
toàn tự động và áp dụng công nghệ khoa học kỹ thuật vào quy trình giám sát và sản
xuất. Việc sử dụng nhà kính tự động giúp chúng ta có thể tiết kiệm nhân lực, tăng độ
chính xác trong giám sát và điều khiển môi trường.
Trên cở sở và yêu cầu từ thực tế, những đòi hỏi ngày càng cao của phát triển nông
nghiệp công nghệ cao, cộng với sự phát triển mạnh của khoa học công nghệ, đặc biệt
là công nghệ thông tin, kỹ thuật điện-điện tử. Phát triển kỹ thuật điều khiển tự động từ
khoảng cách xa trong nông nghiệp đang là xu thế phát triển nông nghiệp cao nói chung
và nhà kính tự động nói riêng. Chúng tôi đề xuất đề tài “Thiết kế mô hình điều khiển
từ xa thiết bị nhà kính”.
2
Trường Đại học Quảng Bình
Lê Văn Hùng
CĐ CNKT Điện-Điện tử K55
2. Ý nghĩa khoa học của đề tài
Cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, các thiết bị điện tử ra đời ngày càng
nhiều về chủng loại cũng như tính năng sử dụng. Trong đó, mô hình nhà kính tự
động được điều khiển từ xa đã phát triển rất mạnh mẽ trên thế giới [1-3]. Với sự kết
hợp chặt chẽ giữa các thiết bị điện tử tinh vi và phần mềm xây dựng tương ứng, mô
hình nhà kính được tự động hoàn toàn và còn cho phép điều khiển từ xa thông qua
một bộ điều khiển trung tâm.
Từ những nhu cầu thực tế đó, chúng tôi xây dựng một hệ thống điều khiển thiết
bị nhà kính từ xa thông qua điện thoại di động (ĐTDĐ) nhằm giám sát và điều
khiển môi trường nhà kính từ xa. Từ đó, giảm nhân công, cập nhật 24/7, tăng chất
lượng sản phẩm trong nông nghiệp. Việc sử dụng ĐTDĐ để điều khiển thiết bị có
thuận lợi là tiết kiệm chi phí và linh động cao (nghĩa là ở chỗ nào có phủ sóng
mạng ĐTDĐ, wifi chúng ta cũng có thể điều khiển thiết bị được).
3. Mục đích nghiên cứu
Đồ án được nghiên cứu, khảo sát và thực hiện với mục đích thiết kế một hệ thống
điều khiển tự động nhà kính từ xa bằng ĐTDĐ hoàn chỉnh. Hệ thống tích hợp module
điều khiển và giám giám sát nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm trong nhà kính cùng thông qua
hệ thống cơ cấu chấp hành và hệ thống cảm biến. Việc sử dụng ĐTDĐ để điều khiển
thiết bị nhà kính giúp chúng ta thuận tiện hơn trong việc kiểm soát, tiết kiệm được
nhiều thời gian, nhân lực trong việc điều khiển các thiết bị một cách chủ động và ở
một khoảng cách xa.
4. Giới hạn đề tài
Để thực thi một hệ thống điều khiển thiết bị từ xa thông qua ĐTDĐ áp dụng cho
một ngôi nhà kính hoàn chỉnh là rất phức tạp và rất tốn kém, đòi hỏi phải có một lượng
thời gian, kiến thức nhất định, bên cạnh đó còn là vấn đề tài chính. Với lượng thời gian
và kiến thức có hạn, trong đề tài này chúng tôi chỉ thực thi một phần của hệ thống
hoàn chỉnh. Do đó, chúng tôi tập chung vào các vấn đề sau:
-
Nghiên cứu điều khiển các thiết bị nhà kính từ xa bằng ĐTDĐ;
-
Xây dựng phần mềm trên ĐTDĐ.
5. Sản phẩm khoa học của đề tài
Đề tài được trình giới thiệu trong bài viết khoa học:
[1]. Đào Xuân Quy, Lê Ngọc Phong, Lê Văn Hùng, Từ Ngọc Thịnh. Giám sát và
điều khiển môi trường nhà kính bằng điện thoại smartphone. Hội thảo khoa học
Khoa Kỹ thuật-Công nghệ, Trường Đại học Quảng Bình, tháng 4, năm 2016.
6. Cấu trúc của báo cáo
Báo cáo được trình bày như sau:
Chương 1: Cơ sở lý luận
3
Trường Đại học Quảng Bình
Lê Văn Hùng
CĐ CNKT Điện-Điện tử K55
Trình bày cơ sở vấn đề cần nghiên cứu, ý tưởng thực hiện
Chương 2: Tổng quan về hệ thống nhà kính tự động
Trình bày cơ bản về hệ thống nhà kính, hệ thống cảm biến, hệ thống cơ cấu
chấp hành và hệ thống cấp nguồn
Chương 3: Tổng quan về module ESP8266
Trình bày tổng quan về module truyền\nhận wifi ESP8266 và cách thức sử
dụng.
Chương 4: Xây dựng mô hình điều khiển nhà kính bằng điện thoại di động
Thiết kế và xây dựng mô hình điều khiển nhà kính bằng ĐTDĐ thông qua
module truyền\nhận wifi ESP8266.
Chương 5: Kết luận
Đưa ra một số kết luận và định hướng nghiên cứu trong tương lai.
4
Trường Đại học Quảng Bình
Lê Văn Hùng
CĐ CNKT Điện-Điện tử K55
Chương 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN
1.1
Đặt vấn đề
Cùng với sự phát triển của công nghiệp hóa hiện đại hóa, nông nghiệp cũng
đang phát triển không ngừng bằng việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào sản xuất, tự
động hóa quá trình sản xuất nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm nông nghiệp, hạ giá
thành sản phẩm, giảm công lao động, tiết kiệm năng lượng. Việc áp dụng tiến bộ khoa
học vào sản xuất nông nghiêp là hướng đi tất yếu, đúng đắn để xây dựng một nên nông
nghiệp hiện đại.
Nhà kính tự động là một thành tựu quan trọng trong việc sản xuất nông nghiệp
theo hướng nông nghiệp công nghệ cao. Đặc biệt là áp dụng nhà kính tự động để tạo
lập một môi trường mà tự nhiên không cho phép như các nước như Israel, Hà Lan hay
các nước vùng Bắc Âu, đây là các nước có điều kiện tự nhiên khó khăn, môi trường
bất thuận, nhưng là những nước nổi tiếng với sự phá triển nông nghiệp vượt trội về cả
số lượng và chất lượng. Đặc biệt ở đây là đất nước Israel, là một quốc gia nhỏ bé, nổi
tiếng với khí hậu và địa hình phức tạp. Hơn nữa diện tích đất đai của quốc gia này là
hoang mạc và bán hoang mạc, nửa còn lại là rừng và đồi dốc, trong khi đó, diện tích
đất đai có thể trồng trọt chiếm rất ít chỉ khoảng 20%. Israel đã không ngừng nghiên
cứu, đẩy mạnh ứng dụng công nghệ cao trong nông nghiệp. Kết quả là chỉ trong thời
gian ngắn quốc gia này đã chuyển từ tình trạng thiếu lương thực đến tự túc lương thực
và xuất khẩu. Vì vậy, Israel luôn đi đầu trong ứng dụng khoa học – kỹ thuật vào sản
xuất nông nghiệp và đã trở thành một điển hình nông nghiệp của thế giới. Công nghệ
nhà kính được xem như một giải pháp công nghệ và là chìa khoá trong phát triển nông
nghiệp công nghệ cao của Israel. Nhà kính công nghệ cao Israel, ngoài việc đảm bảo
yêu cầu kết cấu bền vững, yêu cầu cho việc thực hiện cơ giới hoá đến mức cao nhất
các công đoạn sản xuất, nhà kính còn có thể cho phép đáp ứng đến mức cao nhất các
nhu cầu về kiểm soát “tiểu khí hậu nhà kính”; kiểm soát “sinh học nhà kính”; kiểm
soát “dịch hại” nhà kính; và thực hiện các biện pháp điện toán điều chỉnh các yếu tố
môi trường sinh thái nhà kính. Việc ứng dụng công nghệ thông tin vào nông nghiệp đã
mang lại nhiều lợi ích thiết thực. Theo đó, chỉ cần một chiếc máy tính bảng hay điện
thoại thông minh có kết nối mạng, các thiết bị cảm ứng và phần mềm điều khiển tự
động từ xa sẽ giúp nông dân biết vườn cây nào cần bón phân gì, số lượng bao nhiêu,
diện tích nào cần tưới nước, tưới bao nhiêu là vừa. Căn cứ vào các dữ liệu đó, máy tính
sẽ cho nông dân biết cần phải điều chỉnh các chỉ tiêu nào và mọi hoạt động đều được
điều khiển thông qua các thiết bị thông minh. Việc áp dụng công nghệ kỹ thuật, khoa
học kỹ thuật đặc biệt là điều khiển tự động hóa quá trình sản xuất thật sự đã mang lại
5
Trường Đại học Quảng Bình
Lê Văn Hùng
CĐ CNKT Điện-Điện tử K55
hiệu quả to lớn và là yếu tố quyết định đến sự phát triển của ngành nông nghiệp hiện
đại.
Ở nước ta ngành nông nghiệp là một ngành kinh tế mũi nhọn. Đi cùng với sự
phát triển của thế giới, nhà kính (hay đúng hơn là nông nghiệp công nghệ cao) đã bắt
đầu xuất hiện ở nước ta từ cuối thế kỷ XX đầu thế kỹ XXI. Và đến nay việc sản xuất
rau sạch, các sản phẩm nông nghiệp bằng công nghệ cao đã trở nên phổ biến và được
áp dụng một cách rộng rãi và không ngừng phát triển. Đặc biệt ở Đà Lạt là vùng sản
xuất rau và hoa trọng điểm của cả nước. Rau sạch được sản xuất trong các nhà lưới,
nhà kính mà ở đó các yếu tố môi trường được điều chỉnh phù hợp, đồng thời ngăn côn
trùng xâm nhập, tạo điều kiện tối ưu cho cây trồng bằng việc ứng dụng công nghệ hiện
đại của các nước trên thế giới. Áp dụng công nghệ tiên tiến, khoa học kỹ thuật, điều
khiển tự động vào quá trình sản xuất. Vì thế mà luôn đạt được năng suất và chất lượng
cao.
So với việc canh tác truyền thống thì hệ thống chăm sóc cây trồng theo mô hình
nhà kính hiện đại điều khiển tự động thực sự mang lai hiều lợi ích như: tiết kiệm đến
1/3 công lao động, năng suất tăng gấp 10 – 15 lần, cây trồng đảm bảo tuyệt đối sạch và
quan trọng là chủ động, kiểm soát được sản lượng thu hoạch mà không bị các yếu tố
rủi ro như điều kiện khí hậu, ảnh hưởng của dịch bệnh...Vậy nên việc sử dụng mô hình
nhà kính điều khiển tự động vào nông nghiệp cần được phát triển và áp dụng rộng rải
hơn để nước ta sẽ trở thành một nước nông nghiệp hiện đại trong tương lại.
Việc phát triển ứng dụng công nghệ khoa học tiên tiến và khoa học kỹ thuật đặc
biệt là kỹ điều khiển tự động trong nông nghiệp củng như các ngành khác rất quan
trọng. Là một trong những yếu tố quyết định đến sự phát triển kinh tế trong một quốc
gia. Từ đó, chúng tôi đưa ra ý tưởng đó là điều khiển thiết bị nhà kính từ xa bằng
ĐTDĐ nhằm giúp giám sát nhà kính một cách chủ động, thuận tiện, tiết kiệm thời
gian, nhân lực.
Ý tưởng thiết kế
Điều khiển các thiết bị trong nhà kính từ xa bằng ĐTDĐ thông qua module
truyền nhận wifi module ESP8266, giá thành thấp hiệu suất cao rất phù hợp với sản
xuất nông nghiệp. Xây dựng phần mềm điều khiển trên ĐTDĐ giúp chúng ta có thể tự
động điều khiển và giám sát môi trường nhà kính một cách chủ động và tiện lợi và đặc
1.2
biệt là ở một khoảng cách xa thông qua hệ thống cơ cấu chấp hành và hệ thống cảm
biến.
1.3
Phương pháp nghiên cứu
Trong đề tài này chúng tôi đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu:
- Phương pháp tham khảo tài liệu: bằng cách thu thập thông tin từ sách, tạp chí
về điện tử và truy cập từ mạng Internet.
6
Trường Đại học Quảng Bình
Lê Văn Hùng
CĐ CNKT Điện-Điện tử K55
- Phương pháp quan sát: khảo sát một số mạch điện thực tế đang có trên thị
trường và tham khảo thêm một số dạng mạch từ mạng Internet.
- Phương pháp thực nghiệm: từ những ý tưởng và kiến thức vốn có của mình kết
hợp với sự hướng dẫn của giáo viên, chúng tôi đã lắp ráp thử nghiệm một vài mô hình
từ đó chọn lọc những mô hình tối ưu.
7
Trường Đại học Quảng Bình
Lê Văn Hùng
CĐ CNKT Điện-Điện tử K55
Chương 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NHÀ KÍNH TỰ ĐỘNG
2.1
Giới thiệu về nhà kính tự động
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa,
nông nghiệp cũng đang theo xu hướng ứng dụng khoa học công nghệ vào sản xuất,
nuôi trồng ...Với những yêu cầu về ứng dụng khoa học kỹ thuật vào sản xuất, đặc biệt
tự động hoá quá trình sản xuất đang là vấn đề bức bách nhằm nâng cao chất lượng sản
phẩm nông nghiệp, giảm công lao động, tiết kiệm năng lượng, hạ giá thành sản phẩm,
tăng cường sức cạnh tranh nội địa cũng như trên thị trường thế giới thì việc áp dụng
sản xuất nông nghiệp công nghệ cao là điều cần thiết.
Một trong những ứng dụng sản xuất rất được phát triển hiện nay đó là mô hình nhà
kính. Nhà kính là một mô hình hữu ích và quan trọng trong việc sản xuất nông nghiệp
theo hướng nông nghiệp công nghệ cao, đặc biệt nhà kính cho phép kiểm soát đầy đủ
và chặt chẽ hầu hết các thông số của quá trình sản xuất, kể cả việc sử dụng tối ưu đất
canh tác và sản lượng cây trồng trong thời vụ, do nhà kính đáp ứng được yêu cầu cho
sự sinh trưởng phát triển tốt nhất của cây trồng (như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, khí
carbonic, khí oxy…) và chủ động kiểm soát được sâu bệnh hại cho cây. Do vậy, nhà
kính có vai trò rất quan trọng trong việc sản xuất rau, hoa cho năng suất hiệu quả kinh
tế cao, ổn định, sản phẩm đạt được tiêu chuẩn xuất khẩu và có thể sản xuất theo kiểu
công nghiệp.
Hình 1: Hình ảnh về mô hình nhà kính.
Hiện nay, ở nhiều nước phát triển trên thế giới như Hà Lan, Israel, Nhật bản, Pháp,
Mỹ và mới đây là Trung Quốc...đã và đang phát triển ứng dụng rất rộng rãi các mô
hình nhà kính trồng rau, hoa…Các nhà kính hiện đại có các dạng cấu trúc và kết cấu
khác nhau phù hợp với điều kiện khí hậu, kinh tế mỗi nước.
Ở Việt nam, với hơn 70% dân số làm nông nghiệp, ngành nông nghiệp là một
trong những ngành kinh tế mũi nhọn. Trong hơn 10 năm qua, sản xuất nông nghiệp ở
nước ta đã đạt được những thành tựu trong các lĩnh vực chọn tạo giống, kỹ thuật canh
8
Trường Đại học Quảng Bình
Lê Văn Hùng
CĐ CNKT Điện-Điện tử K55
tác…tạo ra khối lượng sản phẩm, hàng hoá đáng kể góp phần thúc đẩy tăng trưởng nền
kinh tế quốc dân. Việc áp dụng mô hình nhà kính trong sản xuất nông nghiệp mang lại
hiệu quả kinh tế cao, đảm bảo chất lượng và số lượng.
2.2
Thiết kế nhà kính
Nhà kính được cấu tạo gồm: khung nhà kính và các thiết bị điện. Ở đây, chúng
ta tập chung đề cập đến các thiết bị điện bao gồm: hệ thống cảm biến, hệ thống cơ cấu
chấp hành và hệ thống cấp nguồn (Hình 2).
Nhiệt độ
Cảm biến
Độ ẩm
Ánh sáng
Nhà kính tự động
đôđđôđộng
Cơ cấu chấp
hành
Quạt thông gió
Bơm tưới
Mái che
Nguồn điện
Năng lượng sạch
Nguồn từ lưới điện
Hình 2: Sơ đồ hệ thống.
Hình 3: Khung nhà kính.
Mô hình nhà kính bao gồm 2 phần: nhà chính và các phần phụ. Nhà chính có
kích thước theo yêu cầu. Đây là phần để nuôi trồng và lắp đặt các hệ thống cảm biến
9
Trường Đại học Quảng Bình
Lê Văn Hùng
CĐ CNKT Điện-Điện tử K55
và các thiết bị trong nhà kính. Ngoài ra, còn có thêm một số các phần phụ thêm như
động cơ, bồn nước...
2.3
Hệ thống cảm biến
Hệ thống cảm biến (Hinh 4): gồm nhiều bộ cảm biến để đo nhiệt độ, độ ẩm và
cường độ ánh sáng. Trong đó, một bộ cảm biến gồm: cảm biến nhiệt độ và độ ẩm
DHT11; cảm biến ánh sáng BH1750 . Hệ thống cảm biến có nhiệm vụ cập nhật thông
số môi trường theo thời gian thực và gửi đến bộ điều khiển trung tâm.
A. Module DHT11
B. Module BH1750
Mainboard cho hệ thống cảm biến: BH1750 và DHT11
Hình 4: Module cảm biến.
2.4 Hệ thống cơ cấu chấp hành
2.4.1 Hệ thống thông khí
Sử dụng quạt gió chạy điện, điều khiển được, Các quạt được phân bố trên các
vách tường hoặc vị trí được chọn. Hoạt động của hệ thống thông khí: hệ thống thông
khí tác động trực tiếp đến nhiệt độ và độ ẩm, khi môi trường không thỏa mãn yêu cầu
về nhiệt độ, độ ẩm, hệ thống hông khí sẽ hoạt động để ổn định lại môi trường thông
qua một bộ cảm biến nhiệt.
10
Trường Đại học Quảng Bình
Lê Văn Hùng
CĐ CNKT Điện-Điện tử K55
Hình 6: Quạt gió.
2.4.2 Hệ thống mái che
Hệ thống mái che gồm hai mái hoặc nhiều mái. Mái che có nhiệm vụ ngăn tia
tử ngoại từ ánh sáng mặt trời. Hoạt động của hệ thống mái che: khi môi trường không
thỏa mãn yêu cầu về nhiệt độ và ánh sáng, hệ thống mái che sẽ hoạt động để ổn định
lại môi trường thông qua hệ thống cảm biến ánh sáng để điều khiển mái che đóng hoặc
mở.
Hình 7: Mái che tự động.
2.4.3 Hệ thống tưới tiêu
Mô hình nhà kính sẽ thực hiện việc tưới nước tự động. Hệ thống tưới bao gồm:
một bồn chứa nước, một động cơ bơm được đặt cạnh bồn nước; có các đường ống dẫn
nước từ đầu ra của động cơ bơm đến các vị trí cần tưới.
11
Trường Đại học Quảng Bình
Lê Văn Hùng
CĐ CNKT Điện-Điện tử K55
Hình 8: Hệ thống tưới tự động.
Hoạt động của hệ thống tưới: khi môi trường không thỏa mãn yêu cầu về
nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng, hệ thống tưới sẽ hoạt động để ổn định lại môi trường.
Bạn chỉ cần nhấn nút và quy trình này sẻ tự động vận hành và không cần bận tâm
đến nó nửa.
Hệ thống được sử dụng theo ý muốn của người sử dụng, đến thời gian cần tưới,
thông qua bộ điều khiển sẽ ra lệnh để máy bơm bật lên, đồng thời các van điện từ cũng
lần lượt được mở ra theo thứ tự cài đặt để cấp nước đến các đầu phun, và phun nước
đến sản phẩm.
2.5
Hệ thống cung cấp nguồn
Nguồn năng lượng của mô hình gồm nguồn từ lưới điện, nguồn năng lượng
sạch và có khả năng tái tạo: năng lượng mặt trời. Chú ý, các nguồn mắc song song
và chuyển nguồn thông qua khóa đóng mở nguồn điện. Cấp nguồn theo nguyên lý
ưu tiên năng lượng sạch rồi đến lưới điện nhằm tiết kiệm chi phí.
a. Nguồn từ lưới điện
b. Nguồn năng lượng mặt trời
Hình 9: Hệ thống cấp nguồn.
12
Trường Đại học Quảng Bình
2.6
Lê Văn Hùng
CĐ CNKT Điện-Điện tử K55
Kết luận
Chúng tôi trình bày tổng quan về hệ thống nhà kính, bao gồm hệ thống cảm
biến, hệ thống cơ cấu chấp hành cũng như cấp nguồn cho hệ thống. Trong phần tiếp
theo, chúng tôi đề xuất mô hình điều khiển thiết bị nhà kính bằng ĐTDĐ.
13
Trường Đại học Quảng Bình
Lê Văn Hùng
CĐ CNKT Điện-Điện tử K55
Chương 3: TỔNG QUAN VỀ MODULE ESP 8266
Giới thiệu về module ESP8266
3.1
ESP là viết tắt của electronic stability program nghĩa là hệ thống cân bằng điện
tử. Module ESP 8266 là một module với bộ xử lý 32 bit, dựa trên giao thức TCP/IP, là
một chip tích hợp được thiết kế dùng cho chuẩn kết nối mới. Có thể lưu trữ ứng dụng
hoặc xử lý các kết nối WiFi từ bộ xử lý tích hợp trên chip, có khả năng tạo kết nối
giống như một máy chủ hoặc một cầu nối trung gian và có thể download dữ liệu từ
internet [4].
Hình 10: Module ESP8266.
Đây là module truyền nhận WiFi đơn giản dựa trên chip ESP8266 SoC (System
on Chip) của hãng Espressif. Module ESP8266 V1 thường được sử dụng cho các ứng
dụng IoT ( Internet of Things). Module này đã được nạp sẵn firmware giúp người
dùng giao tiếp với wifi rất dễ dàng qua tập lệnh AT thông qua giao tiếp UART
(baudrate mặc định 9600) quen thuộc.
3.2
Thông số kỹ thuật
Hỗ trợ chuẩn Wifi 802.11 b/g/n. Wi-Fi 2.4 GHz, hỗ trợ WPA/WPA2.
Wi-Fi Direct (P2P), soft-AP
Chuẩn điện áp hoạt động: 3.3V.
Chuẩn giao tiếp nối tiếp UART với tốc độ Baud lên đến115200 Có 3 chế độ
hoạt động: Client, Access Point, Both Client and Access Point.
Hỗ trợ các chuẩn bảo mật như: OPEN, WEP, WPA_PSK, WPA2_PSK,
WPA_WPA2_PSK. Hỗ trợ cả 2 giao tiếp TCP và UDP
Làm việc như 1 Access Point có thể kết nối với 5 Device.
Công suất đầu ra 19.5dBm ở chế độ 802.11b.
14
Trường Đại học Quảng Bình
Lê Văn Hùng
CĐ CNKT Điện-Điện tử K55
Tích hợp giao thức TCP / IP stack.
Chân kết nối của mudunle ESP8266
3.3.
Hình 11: Chân kết nối ESP 8266.
Chức năng các chân:
VCC: 3.3V (max 3.6V) Chân cấp nguồn (lên đến 300mA).
GND: Mass.
UTXD: Chân Tx của giao thức UART, kết nối đến chân Rx của vi điều khiển.
(3.3V level).
URXD: Chân Rx của giao thức UART, kết nối đến chân Tx của vi điều khiển.
(3.3V level).
RST: chân reset, (LOW= Reset active),kéo xuống mass để rest.
CH_PD: Kích hoạt chip, sử dụng cho Flash Boot (HI= Boot mode,-kích hoạt
Wifi, LOW = power down active).Chân này nếu được kéo lên mức cao module sẽ bắt
đầu thu phát wifi, nếu kéo xuống mức thấp module sẽ ngừng phát wifi. Vì ESP 8266
khởi động hút dòng lớn hơn nên chúng ta giử chân này ở mức 0V khi khởi động hệ
thống , sau 2s thì kéo chân CH_PD lên 3.3V để đảm bảo module hoạt động ổn định.
GPIO0: Kéo xuống thấp (GND) để vào chế độ upgrade firmware.
GPIO2: Không sử dụng.
15
Trường Đại học Quảng Bình
Lê Văn Hùng
CĐ CNKT Điện-Điện tử K55
Chức năng của mudule ESP8266
Module ESP8266 là một sản phẩm công nghệ với giá hấp dẫn (khoảng 80.000
3.4
VND), nhưng có hiệu năng lớn. 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 các module RF
khác.
Module ESP8266 có chức năng chính sau:
Hỗ trợ chuẩn 802.11 n/g/n.
Điện áp hoạt động 3.3v.
Wifi 2,4 Ghz, hỗ trợ WPA/WPA2.
Chuẩn giao tiếp UART với tốc độ Baud lên đến 115200.
Giao thức TCP, UDP.
Có ba chế độ hoạt động : Client/ Acesspoint,Both.
Hỗ trợ các chuẩn bảo mật như : WEP, WPA_PSK, WPA2_PSK.
ESP8266 là một chip tích hợp cao, được thiết kế cho nhu cầu của một thế giới
kết nối mới, thế giới Internet of thing (IOT). Nó cung cấp một giải pháp kết nối mạng
Wi-Fi đầy đủ 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. Ngoài ra, ESP8266
khả năng xử lý và lưu trử 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 thông qua GPIOs(General Purpose
Input Output) với một chi phí tối thiểu và một PCB (Printed Circuit Board) tối thiểu.
Giao tiếp với module ESP 8266 với tập lệnh AT
Khi sử dụng giao tiếp UART để gửi lệnh AT đến Module ESP 8266, chúng ta
phải gửi kềm kí tư <CR><LF> để báo kết thúc lệnh.
1. Lệnh Kiểm tra kết nối: AT.
Kết quả trả về: OK nếu kết nối không bị lỗi.
2. Lệnh Reset module: AT + RST.
Trả về: Ready sau khi reset thành công module.
3.Lệnh kiểm tra phiên bản module: AT+GMR.
Trả về môt dãy số là mã phiên bản module.
4. Lệnh cài đặt module hoạt động ở chế độ trạm phát wifi, điểm truy cập wifi:
AT+CWMODE=3.
3.5
Trả về: Ok sau khi cài đặt thành công.
5. Lệnh tìm các mạng wifi đang có: AT+CWLAP.
Kết quả trả về là danh sách các mạng wifi mà module có thể bắt được.
6. Lệnh truy cập vào mạng wifi khác.
AT+CWJAP="<access_point_name>","
Sau khi truy cập thành công, trả về: Ok.
16
Trường Đại học Quảng Bình
Lê Văn Hùng
CĐ CNKT Điện-Điện tử K55
7. Lệnh lấy đỉa chỉ IP của module. AT+CIFSR.
Trả về một dãy số là địa chỉ IP của module.
8. Lệnh đặt tên và mật khẩu cho mạng wifi do module ESP8266 phát ra:
AT+CIFSR="tên_mang","mật_khẩu",3,0.
Kết luận
Module ESP8266 là một thiết bị truyền nhận wifi thế hệ mới, được ứng dụng
rất rộng rãi trong nhiều mặt của cuộc sống. Trong phần tiếp theo, chúng tôi áp dụng
3.6
module ESP8266 vào giám sát và điều khiển môi trường nhà kính từ xa.
17
Trường Đại học Quảng Bình
Lê Văn Hùng
CĐ CNKT Điện-Điện tử K55
Chương 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN NHÀ KÍNH BẰNG
ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG
Hệ thống điều khiển
Phần mềm trên ĐTDĐ sẼ kết nối với vi điều khiển STM32 thông qua module
truyền\ nhận wifi ESP8266. Đây là module truyền\nhận wifi dựa trên chip ESP8266
4.1
SoC (System on Chip) có thể kết nối đến internet sử dụng ngỏ giao thức nối tiếp với
tốc độ baud 9600.
Hình 12: Module truyền\nhận wifi ESP8266.
Ứng dụng trên ĐTDĐ có nhiệm vụ: kết nối với wifi adhoc của hệ thống thông
qua module truyền\nhận wifi ESP8266, hiển thị các thông số môi trường và cập nhật
những điều chỉnh cài đặt của người dùng để gửi tới bộ điều khiển trung tâm. Qua đó,
bộ điều khiển trung tâm sẽ nhận lệnh được gửi từ ĐTDĐ và điều khiển hệ thống cơ
cấu chấp hành.
Hình 13: Sơ đồ điều khiển bằng ĐTDĐ.
Hệ thông hoạt động theo nguyên lý: cảm biến cập nhật thông số môi trường
thời gian thực; thông tin về thông số môi trường sẽ được gửi đến bộ điều khiển
trung tâm; dựa trên ràng buộc giữa thông số môi trường và cơ cấu chấp hành, bộ
điều khiển trung tâp sẽ tác động lên cơ cấu chấp hành nhằm ổn định lại thông số
môi trường theo cài đặt. Hệ thông có thể hoạt động ở chế độ tự động và bằng tay
thông qua giao diện màn hình ĐTDĐ.
Chế độ tự động và bằng tay:
a. Tự động:
Mô hình hoạt động theo chế độ tự động được lập trình sẵn: bật tắt quạt thông
khí và nhiệt độ môi trường. Khi ở chế độ chạy tự động, hệ thống sẽ tuân theo một
18
Trường Đại học Quảng Bình
Lê Văn Hùng
CĐ CNKT Điện-Điện tử K55
bộ quy tắc ràng buộc giữa điều kiện môi trường và trạng thái các thiết bị. Các điều
kiện môi trường sẽ được xếp độ ưu tiên giảm dần theo thứ tự sau: nhiệt độ > độ
ẩm>ánh sáng (tức là độ ưu tiên xử lý theo điều kiện nhiệt độ sẽ lớn hơn theo điều
kiện độ ẩm).
b. Bằng tay:
Khi hệ thống ở chế độ điều khiền bằng tay (tắt chế độ tự động) thì người
dùng có thể tự bật tắt các thiết bị theo ý muốn của mình thông qua ĐTDĐ.
4.2
Xây dựng phần mềm trên điện thoại di động
Người dùng sẽ điều khiển mô hình thông qua điện thoại ĐTDĐ kết nối wifi
hoặc mạng di động. Một ứng dụng trên ĐTDĐ có nhiệm vụ: kết nối với wifi adhoc
của hệ thống; hiển thị các thông số nhiệt độ, độ ẩm hiện tại của mô hình; thu thập
các điều chỉnh cài đặt của người dùng để gửi tới mô hình; bộ điều khiển chính của
mô hình sẽ nhận lệnh được gửi từ điện thoại của người dùng và thực hiện. Mô hình
cho Các thông số cận trên và cận dưới này sẽ được sử dụng chế độ tự động. Hệ
thống sẽ đưa ra các xử lý tương thích với từng trường hợp, ví dụ như hệ thống sẽ
bật máy bơm nước khi độ ẩm thấp dưới mức quy định. Ngoài ra hệ thống cũng cho
phép người dùng bật/tắt chế độ tự động để qua chế độ tự chỉnh bằng tay.phép người
dùng cấu hình các thông số để phù hợp với điều kiện sử dụng của mình.
Các thông số cận trên và cận dưới này sẽ được sử dụng chế độ tự động. Hệ
thống sẽ đưa ra các xử lý tương thích với từng trường hợp, ví dụ như hệ thống sẽ bật
máy bơm nước khi độ ẩm thấp dưới mức qui định. Ngoài ra hệ thống cũng cho phép
người dùng bật/tắt chế độ tự động để qua chế độ tự chỉnh bằng tay.
4.2.1 Giao diện trên ĐTDĐ
Giao điện trên ĐTDĐ cho phép người dùng hiển thị thông số môi trường thời
gian thực và trạng thái hệ thống cơ cấu chấp hành.
Hình 14: Giao diện trên ĐTDĐ.
19
Trường Đại học Quảng Bình
Lê Văn Hùng
CĐ CNKT Điện-Điện tử K55
Thông qua ĐTDĐ, người dùng có thể sử dụng cả chế độ tự động và chế dộ
bằng tay. Ở chế độ tự động, người dùng có thể cài đặt cận trên (biên trên) và cận dưới
(biên dưới) cho các thông số môi trường phù hợp với điều kiện sử dụng.
Thông số môi trường được cập nhật thời gian thực như Hình 15: nhiệt độ (oC),
độ ẩm (%) và cường độ ánh sáng (lux).
Nhiệt độ
Độ ẩm
Ánh sáng
Hình 15: Thông số môi trường thời gian thực.
4.2.2 Chế độ điều khiển
Chế độ bằng tay hiển thị trạng thái của hệ thống cơ cấu chấp hành (hình 16):
quạt thông khí, bơm tưới, mái che
1
2
3
4
Hình 16 : Chế độ bằng tay
Ở chế độ bằng tay:
Hình 16(1): Hệ thống cơ cấu chấp hành không hoạt động.
Hình 16(2): Chuyển trạng thái quạt thông khí hoạt động.
Hình 16(3): Cho bơm tưới hoạt động.
Hình 16(4): Cho mái che hoạt động.
Chế độ tự động:
Chế độ hoạt động tự động thông qua cài đặt thông số môi trường (Hình 17):
a.
Không hoạt động
b. Hoạt động
Hình 17: Chế độ điều khiển tự động
20
Trường Đại học Quảng Bình
Lê Văn Hùng
CĐ CNKT Điện-Điện tử K55
Chế độ hoạt động tự động có thể chuyển trại thái bằng tay (17.a) sang tự động
(17.b). Trong chế độ tự động, hệ thống cơ cấu chấp hành hoạt động dựa trên ràng bộ
thông số môi trường và hệ thống cơ cấu chấp hành.
Kết luận
Trong chương này, chúng tôi thiết kế và xây dựng mô hình điều khiển thiết bị
trong nhà kính: hệ thống quạt thông khí, hệ thống mai che và hệ thống bơm tưới bằng
sử dụng ĐTDĐ thông qua kết nối wifi sử dụng module truyền\nhận wifi ESP8266.
4.3
Phần mềm trên ĐTDĐ có nhiệm vụ giám sát thông số môi trường nhà kính thời gian
thực và điều khiển thông số môi trường thông qua chế độ tự động và bằng tay.
21
Trường Đại học Quảng Bình
Lê Văn Hùng
CĐ CNKT Điện-Điện tử K55
Chương 5: KẾT LUẬN
Trong báo cáo, chúng tôi xây dựng phần mềm trên ĐTDĐ tự động giám sát và
điều khiển thông số môi trường thời gian thực của nhà kính bằng vi điều khiển STM32
thông qua module truyền\nhận wifi ESP8266. Phần mềm trên ĐTDĐ giúp người nông
dân có thể giám sát và điều khiển môi trường nhà kính chính xác, tự động, 24h/7 và ở
một khoảng cách xa thông qua kết nối Internet\Wifi. Từ đó, giảm nhân công và giá
thành, tăng năng suất và chất lượng của cây trồng và điều khiển các thiết bị ở một
khoảng cách xa.
So với những mô hình trước đó, mô hình của nhóm hiển thị trên ĐTTM một
cách trực quan: cập nhật thông số môi trường theo thời gian thực; trạng thái cơ cấu
chấp hành; tự động giám sát và điều khiển thông số môi trường thông qua một bộ điều
khiển trung tâm; giá thành thấp và hiệu suất cao phù hợp với sản xuất nông nghiệp tại
Việt Nam.
Trong tương lại, chúng tôi mở rộng phần mềm trên ĐTTM để có thể ứng dụng
vào mô hình nhà kính, trang trại chăn nuôi, hồ nuôi trồng thủy sản, nhà thông minh...
22
Trường Đại học Quảng Bình
Lê Văn Hùng
CĐ CNKT Điện-Điện tử K55
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. D.-H. Park, B.-J. Kang, K.-R. Cho, C.-S. Shin, S.-E. Cho, J.-W. Park and W.-M.
Yang, "A study on greenhouse automatic control system based on wireless sensor
network," Wireless Personal Communications, vol. 56, no. 1, pp. 117--130, 2011.
[2]. Hanggoro, A., Putra, M.A., Reynaldo, R. and Sari, R.F., 2013, June. Green house
monitoring and controlling using Android mobile application. In QiR (Quality in
Research), 2013 International Conference on (pp. 79-85). IEEE.
[3]. Dhumal, Y.R. and Chitode, J.S., 2013. Green House Automation using Zigbee and
Smart Phone. International Journal of Advanced Research in Computer Science and
Software Engineering Research Paper, 3(5).
[4]. ESP8266EX Datasheet, http:www.bbs.espressif.com
23
