HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG SÓNG RF (có code và sơ đồ mạch)

HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU TỰ ĐỘNG
ĐIỀU KHIỂN BẰNG SÓNG RF


MỤC LỤC


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

I2C

Inter-Integrated Circuit

UART

Universal Asynchronous Receiver

RF

Radio Frequency

LCD

Liquid Crystal Display

LED

Light Emitting Diode

IoT

Internet of Things


Trang 5/43

CHƯƠNG 1.

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu chung
Thật rõ ràng để thấy trong những chỉ số phát triển các ứng dụng điều khiển và
cảm biến nông nghiệp, một bước thay đổi từ kết nối dữ liệu thông qua dây cáp bằng
kết nối không dây đang ngày càng xuất hiện rõ nét. Không dây giảm chi phí lắp đặt,
thêm nhiều tính linh hoạt, dễ triển khai và ít khó khăn trong bảo trì.
Trong thời đại mà máy móc dần thay thế con người, sự tự động hóa được ưu tiên
và hơn nữa con người đang làm mọi thứ trở nên đơn giản nhất thì mọi ngành nghề
đều sẽ bị ảnh hưởng. Nông nghiệp cũng được thừa hưởng sự phát triển của công
nghệ mà trở mình. Người nông dân sẽ tăng được năng xuất mùa vụ, giảm chi phí
chăm sóc, tưới tiêu.
1.2 IoT trong nông nghiệp tại Việt Nam
Trong thời đại công nghiệp 4.0, ngành nông nghiệp vốn được mọi người biết đến
với việc phải phụ thuộc vào kinh nghiệm và quan sát của người nông dân, họ phải
đối mặt với những thách thức trong việc tìm kiếm những cách thức tốt nhất để tăng
gia sản xuất, tăng hiệu quả cũng như chất lượng nông sản. Cách duy nhất đó chính
là việc áp dụng công nghệ mới vào nông nghiệp. IoT sẽ biến một nền nông nghiệp
lạc hậu trở thành một lĩnh vực sản xuất mang tính định hình, một lĩnh vực sản xuất
chính xác dựa trên những số liệu thu thập được từ đó tổng hợp, phân tích và thống

kê.
1.3 Truyền nhận không dây điều khiển thiết bị
Cùng với sự phát triển của khoa học, công nghệ trong nhiều lĩnh vực thì
nông nghiệp ngày càng được công nghệ hóa.
Công nghệ không dây cũng được ứng dụng nhằm thu nhận dữ liệu, bật tắt
các thiết bị, động cơ, tự động hóa nông nghiệp.
1.4 Lý thuyết về tưới tiêu tự động và mục đích của đề tài
Sử dụng các cảm biến kết hợp với vi điều khiển sẽ cho ta biết được các thông số
của đất cũng như môi người xung quanh như nhiệt độ, độ ẩm không khí. Mọi thứ

Hệ thống tưới tiêu tự động điều khiển bằng sóng RF


Trang 6/43

được thu thập và dựa trên đó để đưa ra phương án thích hợp để mang lại môi trường
phát triển lý tưởng nhất cho cây trồng.
Tưới tiêu tự động là hệ thống dựa trên các thông số thu thập được mà điều khiển
động cơ máy bơm, bật đèn, bật quạt sấy. Người dùng đơn giản chỉ cần khởi động hệ
thống là mọi thứ sẽ được tự động và họ luôn theo dõi được khu vườn của mình.
Với những tiện ích và sự thuận tiện cũng như khoa học trong việc điều khiển,
giám sát cũng như theo dõi mà đề tài được thực hiện.
1.5 Lý thuyết về độ ẩm đất
1.1.1 Khái niệm
Độ ẩm đất là lượng nước trong mẫu đất đã bị mất đi khi mẫu đất đó bị đốt nóng
lên đến nhiệt độ 105°C. Độ ẩm đất thường được biểu diễn theo % của khối lượng
đất khô.
1.1.2 Công thức tính
W = × 100
Trong đó:

W: độ ẩm đất (%)
mw: khối lượng nước trong đất (g).
md: khối lượng đất khô trong đất (g).

CHƯƠNG 2.

SƠ ĐỒ KHỐI VÀ MẠCH NGUYÊN LY

1.1 Sơ đồ của hệ thống

Hệ thống tưới tiêu tự động điều khiển bằng sóng RF


Trang 7/43

Hình 2-1: Sơ đồ toàn mạch

Giải thích sơ đồ:
-

Khối slave là mạch thu nhận dữ liệu có chức năng thu thập các thông số cảm
biến, xử lý và sau đó tổng hợp và gửi về bộ tổng master.

-

Khối master xử lý mọi thông tin từ nhận dữ liệu từ các slave, điều khiển
động cơ, thiết bị cũng như đưa dữ liệu lên server.

-

Khối control ở đây là các mạch điều khiển bao gồm relay để bật tắt bơm và
các đèn báo hiệu.

-

Khối cloud, app bao gồm gửi dữ liệu lên internet và điện thoại.

1.1.3 Sơ đồ khối slave

Hệ thống tưới tiêu tự động điều khiển bằng sóng RF


Trang 8/43

Hình 2-2: Sơ đồ khối mạch slave

Giải thích sơ đồ:
-

Khối nguồn đơn giản cấp nguồn cho toàn hệ thống hoạt động.

-

Khối cảm biến ở đây sử dụng cảm biến độ ẩm đất và cảm biến đo nhiệt
độ, độ ẩm của môi trường.

-

Khối thu phát RF sử dụng mạch thu phát RF cho phép truyền dữ liệu
không dây, tiện lợi dễ sử dụng.

-

Khối xử lý dùng vi điều khiển PIC 16F877A đọc các dữ liệu mà cảm biến
thu nhận được cũng như giúp khối thu phát RF gửi dữ liệu cho bộ tổng.
1.1.4 Sơ đồ khối master

Hệ thống tưới tiêu tự động điều khiển bằng sóng RF


Trang 9/43

Hình 2-3: Sơ đồ khối mạch master

Giải thích sơ đồ:
− Khối nguồn cung cấp nguồn cho toàn mạch.
− Khối cảm hiển thị, điều khiển dùng màn hình hiển thị để cho phép người
dùng dễ dàng theo dõi và điều khiển.
− Khối phát RF sử dụng module RF C1101 giao tiếp UART với vi điều khiển
để truyền nhận dữ liệu.
− Khối xử lí dùng kit WiFi ESP8266 NodeMcu xử lý dữ liệu, gửi lên internet,
điện thoại, đảm nhận nhiệm vụ nhận dữ liệu, so sánh, điều khiển động cơ,
gửi lên server để theo dõi, thống kê, quan sát.
− Khối cloud giúp hiển thị, thống kê và theo dõi hệ thống.
− Khối mobile hiển thị các thông số, điều khiển thiết bị.
1.6 Sơ đồ nguyên lý

Hệ thống tưới tiêu tự động điều khiển bằng sóng RF

Trang 10/43

1.1.5 Mạch slave
Sơ đồ khối nguồn và cảm biến:

Hình 2-4: Sơ đồ nguyên lý mạch slave

Dựa theo sơ đồ khối ở trên ta xây dựng được sơ đồ nguyên lý.
Sơ đồ nguyên lý kết nối cảm biến độ ẩm đất, cảm biến DHT11 với vi điều khiển
PIC 16F877A, giao tiếp UART với module RF C1101 giúp truyền phát dữ liệu đi.
Module cảm biến độ ẩm đất thu thập dữ liệu độ ẩm đất, kết nối với chân RA0
của PIC để đọc dữ liệu cảm biến.
Module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 sẽ đọc nhiệt độ và độ ẩm của môi
trường xung quanh nó, được kết nối với chân RB0 của vi điều khiển.
Module RF C1101 wireless to TTL Serial 433MHz là module thu phát sóng
không dây chuyển tín hiệu Serial trên sóng mang 433MHz. Module có 128 kênh
sóng cũng như 256 địa chỉ, tất cả dữ liệu truyền qua UART vào module sẽ được
truyền sang các module khác có cùng địa chỉ và kênh sóng và truyền ra bằng UART.
1.1.6 Mạch master

Hệ thống tưới tiêu tự động điều khiển bằng sóng RF


Trang 11/43

Hình 2-5: Sơ đồ nguyên lý master

Sơ đồ nguyên lý bao gồm module WiFi, mạch nguồn và mạch điều khiển.
Sơ đồ bao gồm 2 relay dùng để điều khiển các thiết bị, máy bơm khi tín hiệu
điều khiển được phát đi.

Mạch nguyên lý đa phần là kết nối các chân linh kiện, các module để tạo thành
một mạch hoàn chỉnh, tiện dụng, nhỏ gọn cho điều khiển và lắp đặt.

1.7 Sơ đồ giải thuật
1.1.7 Khối slave

Hệ thống tưới tiêu tự động điều khiển bằng sóng RF


Trang 12/43

Hình 2-6: Sơ đồ giải thuật

Giải thích lưu đồ:
Khởi tạo, đọc và xử lý dữ liệu từ cảm biến. Vi điều khiển đọc dữ liệu, chờ khi
nhận được tín hiệu hỏi từ master. Dữ liệu nhận được là đúng thì các thông số sẽ
được gửi đi.
Tín hiệu được gửi đi bằng sóng RF. Nếu thời gian xử lý quá lâu, hệ thống bị đơ
không nhận cũng không gửi đi thì vi điều khiển sẽ tự động reset lại quá trình và
thực hiện lại.

1.1.8 Khối master
Lưu đồ:

Hệ thống tưới tiêu tự động điều khiển bằng sóng RF


Trang 13/43

Hình 2-7: Sơ đồ giải thuật

Giải thích lưu đồ:
Khởi tạo biến thời gian. Vi điều khiển sẽ hỏi slave và chờ tín hiệu trả về. Tín
hiệu độ ẩm đất sau khi nhận về sẽ được so sánh, dùng nó để bật tắt động cơ theo ý
người sử dụng. Bộ thu còn nhiệm vụ đưa thông số lấy được lên server để tiện theo
dõi, quan sát, thống kê thay đổi.

1.8 Một số ví dụ về cây trồng và độ ẩm cần thiết
1.1.9 Khoai lang
Khoai lang có nhiệt độ sinh trưởng tương đối cao. Nhiệt độ tối thích là khoảng
giữa 21-23oC. Ở nhiệt độ 10oC lá chuyển màu vàng và cây sẽ chết.
-

Ở nhiệt độ 15oC phần lớn lá vẫn giữ được màu xanh, nhưng cây không lớn
được.

Hệ thống tưới tiêu tự động điều khiển bằng sóng RF


Trang 14/43

-

Ở nhiệt độ từ 20 đến 25oC cây sinh trưởng nhanh hơn, tỷ lệ thuận với nhiệt
độ.

-

Nhiệt độ từ 45oC cây sinh trưởng không tốt bằng ở nhiệt độ 25oC.

Mặc dù độ ẩm thích hợp cho khoai lang nói chung là khoảng 70-80% độ ẩm tối
đa đồng ruộng, nhưng nhu cầu về nước đối với khoai lang qua từng thời kỳ sinh
trưởng phát triển cũng có khác nhau. Nhu cầu nước của khoai lang có thể chia ra
làm 3 giai đoạn.
-

Giai đoạn đầu (từ trồng đến kết thúc thời kỳ phân cành kết củ) nhu cầu nước
của khoai lang còn thấp nên độ ẩm đất chỉ cần đảm bảo 65-75% độ ẩm tối đa
đồng.

-

Giai đoạn thứ hai: Để tạo nên được lượng sinh khối lớn cây khoai lang cần
rất nhiều nước. Lượng nước cần tăng dần từ đầu cho đến khi thân lá đạt đến
trị số tối đa. Lượng nước cần cho giai đoạn này chiếm cao nhất. Khoảng 5060% tổng lượng nước cần trong suốt thời kỳ sinh trưởng. Tuy nhiên để cho
luống khoai có đủ độ thoáng khí, độ ẩm đất cũng chỉ cần đảm bảo 70 - 80%
độ ẩm tối đa đồng ruộng.

-

Giai đoạn thứ ba: Lượng nước cần vào giai đoạn này đã bắt đầu giảm xuống,
chỉ khoảng trên dưới 20% tổng lượng nước cần trong suốt thời kỳ sinh
trưởng phát triển của cây khoai lang. Tuy nhiên để củ phát triển thuận lợi
cũng cần đảm bảo độ ẩm đất 70-80% độ ẩm tối đa đồng ruộng. Trong sản
xuất thường người ta ít tưới vào giai đoạn này bởi giai đoạn này nếu độ ẩm
trong đất quá cao hoặc gặp trời mưa củ khoai lang rất dễ bị thối.

1.1.10 Cải bắp
Bắp cải là cây trồng yêu cầu nước nước lớn. Ở miền bắc trong vụ đông xuân chỉ
trong điều kiện được tưới thì bắp cải mới cho năng suất cao.

Hạt cải bắp nảy mầm tốt nhất ở nhiệt độ 18-20 oC. Cây phát triển thuận lợi nhất ở
15-18 oC.

Hệ thống tưới tiêu tự động điều khiển bằng sóng RF


Trang 15/43

Lượng nước cần cho bắp cải phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: giống, nhiệt độ, độ
ẩm không khí, lượng mưa.
Đối với bắp cải sớm, trồng đầu vụ trong thời tiết khô hanh, độ ẩm đất cần đảm
bảo không thấp hơn 80% và duy trì như vậy cho tới lúc thu hoạch. Độ ẩm thấp hơn
60% làm giảm 50% năng suất và độ ẩm 70% tuy không làm giảm khối lượng của
cây nhưng làm giảm khối lượng của phần bắp cuộn dẫn đến làm giảm năng suất
kinh tế.

Hệ thống tưới tiêu tự động điều khiển bằng sóng RF


Trang 16/43

1.9 Một số linh kiện chính được sử dụng trong mạch
1.1.11 Giới thiệu về PIC 16F877A
PIC 16F877A là loại vi điều khiển 8bit tầm trung của hãng Microchip.
-

PIC 16F877A có kiến trúc Havard, sử dụng tập lệnh kiểu RISC (Reduced
Instruction Set Computer) với chỉ 35 lệnh cơ bản.

-

Sơ đồ chân với chip loại cắm 40 chân:

Hình 2-8: PIC16F877A. [nguồn internet]

Hệ thống tưới tiêu tự động điều khiển bằng sóng RF


Trang 17/43

-

Sơ đồ khối tổng quát về PIC:

Hình 2-9: Sơ đồ khối tổng quát về PIC. [nguồn internet]

1.1.12 Cảm biến độ ẩm đất
Module cảm biến độ ẩm của đất cho phép đo độ ẩm của đất và điều khiển động
cơ khi đất quá khô hoặc quá ẩm.

Hệ thống tưới tiêu tự động điều khiển bằng sóng RF


Trang 18/43

Mạch cảm biến độ ẩm đất với các trạng thái như ngõ ra mức thấp (0V), khi đất
khô ngõ ra sẽ lên mức cao (5V), có độ nhạy cao và có thể điều chỉnh độ nhạy bằng
xoay biến trở trên module với độ chính xác khoảng ±5%.

Hình 2-10: Module cảm biến độ ẩm đất. [nguồn internet]

1.1.13 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm
DHT11 là cảm biến nhiệt độ và độ ẩm dễ sử dụng và tiện nhất hiện nay. Với chi
phí rẻ, dễ lấy dữ liệu thông qua giao tiếp 1-wire. Cảm biến tích hợp bộ tiền xử lý tín
hiệu cho phép dữ liệu nhận về được chính xác mà không cần phải qua bất kỳ tính
toán nào.

Hình 2-11: Module cảm biến nhiệt độ, độ ẩm. [nguồn internet]

1.1.14
Module RF C1101 443MHz
HC-11 CC1101 wireless to TTL Serial 433MHz là module thu phát dữ liệu
không dây chuyển tín hiệu Serial trên sóng mang 433MHz. Cần thiết lập một số

Hệ thống tưới tiêu tự động điều khiển bằng sóng RF


Trang 19/43

thông số về kênh truyền và địa chỉ để có thể truyền dữ liệu Serial (UART) giữa 2
module với nhau.

Hình 2-12: Module RF. [nguồn internet]
Module HC-11 hoạt động rất tiết kiệm năng lượng. Toàn bộ giao tiếp phần cứng

với CC1101 được vi điều khiển STM8S003F3P6 đảm nhận. Do đó, việc cài đặt
module được thực hiện thông qua tập lệnh AT đơn giản.
1.1.15 Kit WiFi NodeMcu ESP8266 – WeMos
Tính năng:
-

Kit WiFi ESP8266 NodeMcu là kit được phát triển trên nền chip WiFi
SoC ESP8266 với thiết kế dễ sử dụng. Hơn nữa chip có thể sử dụng trực
tiếp trình biên dịch của Arduino để lập trình và nạp code nên việc sử dụng
và lập trình các ứng dụng trên ESP8266 rất đơn giản.

-

Kit RF thu phát WiFi ESP8266 NodeMcu được sử dụng cho các ứng
dụng cần kết nối, thu thập dữ liệu và điều khiển qua sóng WiFi, đặc biệt
là các ứng dụng liên quan đến IoT.

Hệ thống tưới tiêu tự động điều khiển bằng sóng RF


Trang 20/43

Hình 2-13: Kit RF thu phát WiFi ESP8266 NodeMcu [www.nodemcu.com]

Hình 2-14: Sơ đồ chức năng chân. [www.nodemcu.com]

1.1.16 LCD và I2C
Sử dụng LCD 16x2 để hiện thị và được giao tiếp với vi điều khiển thông qua
giao thức I2C dùng module I2C.

Hệ thống tưới tiêu tự động điều khiển bằng sóng RF


Trang 21/43

Hình 2-15: Sơ đồ kết nối.

1.10 Lý thuyết về truyền nhận dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ (UART)
Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART) là bộ truyền nhận nối
tiếp bất đồng bộ với định dạng khung truyền và tốc độ có thể thiết lập được.
Tốc độ truyền thường được sử dụng là 9600 bauds (9600 bit per second). Ngoài
ra còn những tốc độ khác như 1200, 2400, 19200, 38400, 57600, 115200 bps.
Định dạng thường gặp: UART với 8 databits, 1 stopbit và 0 parity.

Hình 2-16: Cấu trúc khung truyền.

Hệ thống tưới tiêu tự động điều khiển bằng sóng RF


Trang 22/43

CHƯƠNG 3.

THI CÔNG ĐỀ TÀI

-

1.11 Yêu cầu
Sử dụng module RF để truyền nhận dữ liệu không dây.
Đưa dữ liệu lên web và điện thoại để dễ dàng theo dõi, lưu trữ và thống kê

-

dữ liệu thu thập được.
Sử dụng các cảm biến để đo nhiệt độ, độ ẩm của đất và không khí.

Điều khiển bật tắt máy bơm dựa trên các thông số thu nhận được.
Thiết kế và thi công phần cứng.
1.12 Đưa dữ liệu lên web

1.1.17 Tìm hiểu về ThingSpeak
ThingSpeak ™ là một dịch vụ cho phép phân tích IoT và bạn có thể dễ dàng
tổng hợp, hình dung cũng như phân tích luồng dữ liệu trực tiếp với tiện ích đám
mây. ThingSpeak cho ta hình ảnh tức thời của dữ liệu được các thiết bị kết nối gửi
tới ThingSpeak. Là dịch vụ nền với khả năng thực thi mã MATLAB ®, ThingSpeak
có thể thực hiện phân tích các trực tuyến và xử lý dữ liệu khi nó được đưa vào.
ThingSpeak được sử dụng để tạo mẫu và chứng minh hệ thống IoT khái niệm yêu
cầu phân tích.
Giao diện bao gồm:
-

Tình hình nhiệt độ của môi trường xung quanh cây trồng.

-

Thông số về độ ẩm không khí đo đạt được.

-

Độ ẩm đất.

-

Ngưỡng cài đặt để bơm bật tắt.

Hệ thống tưới tiêu tự động điều khiển bằng sóng RF

Trang 23/43

Hình 3-1: Giao diện website.

1.1.18 Các tính năng của ThingSpeak
ThingSpeak với rất nhiều tính năng như cho phép bạn tổng hợp, hình dung và
phân tích luồng dữ liệu trực tiếp trên tiện ích đám mây. Một số tính năng chính:
-

Có thể dễ dàng cấu hình các thiết bị để gửi dữ liệu đến ThingSpeak qua việc

-

sử dụng các giao thức truyền nhận IoT phổ biến.
Hiển thị dữ liệu cảm biến trong thời gian thực.
Tổng hợp dữ liệu thu thập được theo yêu cầu từ các nguồn của bên thứ ba.
Sử dụng công cụ của MATLAB để hiểu được dữ liệu IoT.
Phân tích IoT tự động dựa trên lịch biểu, sự kiện đã được đặt sẵn.
Nguyên mẫu và xây dựng các hệ thống IoT mà không cần thiết lập máy chủ
hoặc phát triển phần mềm web.

Hệ thống tưới tiêu tự động điều khiển bằng sóng RF


Trang 24/43

1.13 Hiển thị dữ liệu lên điện thoại
1.1.19 Tìm hiểu về Blynk

Blynk là một nền tảng với các ứng dụng như

iOS và Android để giúp kiểm

soát Arduino, Raspberry Pi và những tiện tích khác trên Internet.
Đó là một bảng điều khiển kỹ thuật số, ở đó ta có thể xây dựng một giao diện đồ
họa cho dự án bằng cách kéo và thả các vật dụng có sẵn và điều khiển chúng theo
nhu cầu.

Hình 3-2: Giao diện Blynk.

-

1.1.20 Các thông số hiển thị
Các thông số được hiển thị thành dạng biểu đồ giúp tiện lợi và trực giao
trong việc theo dõi, nhận xét cũng như truy xuất dữ liệu.

Hệ thống tưới tiêu tự động điều khiển bằng sóng RF


Trang 25/43

-

Thông số về độ ẩm đất được hiển thị rõ ràng, người dùng dễ dàng nhận diện
và nắm được tình hình của môi trường.

Hình 3-3: Giao diện trên điện thoại.

1.14 Kết quả thi công

Mạch điều khiển bao gồm:
-

NodeMcu ESP8266 kết nối WiFi cũng như điều khiển, xử lý mọi dữ liệu.
Module RF truyền nhận dữ liệu.

Hệ thống tưới tiêu tự động điều khiển bằng sóng RF