Điều khiển bơm nước qua mạng internet dùng Esp8266

1

BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP

Họ và tên:
Ngành: Điện-Điện tử

Hệ đào tạo: Đại học chính quy

Khoá:
Ngày nhận đề tài:
Ngày hoàn thành:
Tên đề tài
Giám sát và điều khiển hệ thống tưới trong trong nông nghiệp qua Internet

MỤC LỤC


2

DANH MỤC CÁC HÌNH

PLC [1]: Programmable logic Controller) - thiết bị điều khiển lập trình được.
IOT [2]: Internet Of Thing
RFID [3]: (Radio Frequency Identification) - công nghệ nhận dạng đối tượng bằng
sóng vô tuyến.
NFC [4]: (Near-Field Communications) - công nghệ kết nối không dây trong phạm vi
tầm ngắn trong khoảng cách 4 cm.
QR [5]: (Quick Response) - một mã ma trận (hay mã vạch hai chiều) cho phép mã

được giải mã ở tốc độ cao.
MCU [6]: (Micro Controller Unit) - Vi điều khiển
RTOS [7]: (Real Time Operating System) - hệ điều hành thời gian thực.
TCP/IP [8]: giao thức kiểm soát truyền tải (Transmis sion Control Protocol)-giao thức
internet ( Internetn protocol –IP).
CTS [9]: (Clear To Send): Xóa để gửi ,bô nhận đặt đường này lên mức kích hoạt động
để thông báo cho bộ truyền là nó sẵn sàng nhận tín hiệu.
RTS [10]: (Request To Send): DTE báo cho DCE biết nó có thể nhận data.
TXD [11]: (Transmit Data) - Truyền dữ liệu
RXD [12]: (Receive Data) - Nhận dữ liệu


3

I2S [13]: (Inter Intergrated _ circuit Sound) - sử dụng cho truyền thông nối tiếp đồng
bộ , của các dữ liệu âm thanh giữa các ADC, DSP, DAC nó không phải là đường bus ,
nó là điểm tới điểm.m
PWM [14]: (Pulse-width modulation) Điều chế độ rộng xung.
WPA/WPA2 [15]: WiFi Protected Access là phương thức được Liên minh WiFi đưa ra
để thay thế WEP.
WEP [16]: (Wired Equivalent Privacy) là thuật toán bảo mật WiFi được dùng nhiều
nhất trên thế giới.
TKIP [17]: (Temporal Key Integrity Protocol) giao thức khóa toàn vẹn thời gian.
IPV4 [18]: (Internet Protocol version 4) là phiên bản thứ tư trong quá trình phát triển
của các giao thức Internet (IP).
HTTP [19]: (HyperText Transfer Protocol) giao thức truyền tải siêu văn bản, Đây là
một giao thức ứng dụng trong bộ các giao thức TCP/IP (gồm một nhóm các giao thức
nền tảng cho internet).
FTP [20]: (File Transfer Protocol) Giao thức truyền tập ti thường được dùng để trao đổi
tập tin qua mạng lưới truyền thông dùng giao thức TCP/IP.

PCB [21]: (Printed Circuit Board) mạch in
MPU [22]: (Micro Processor Unit) vi xử lý
MSB [23]: (Most Significant Bit) Bit trọng số cao
LSB [24]: (Least Significant Bit) Bit trọng số thấp
I2C [25]: (Inter-Intergrated Circuit) - đường Bus giao tiếp giữa các IC với nhau, sử
dụng cho truyền thông tốc độ thấp.


4

URL [26]: (Uniform Resource Locator) được dùng để tham chiếu tới tài nguyên
trên Internet. URL mang lại khả năng siêu liên kết cho các trang mạng. Các tài nguyên
khác nhau được tham chiếu tới bằng địa chỉ, chính là URL, còn được gọi là địa chỉ
mạng hay là liên kết mạng (hay ngắn gọn là liên kết).


5

LỜI MỞ ĐẦU
Sánh bước với sự phát triển của nhân loại là sự phát triển của khoa học và kỹ
thuật, nhờ sự thay đổi đó làm thay đổi diện mạo cuộc sống của con người. Do nhu cầu
cuộc sống của con người ngày càng cao mà ngành kỹ thuật đặc biệt là kỹ thuật điện tử
không ngừng phát triển, sáng tạo mang lại những ứng dụng hữu ích cho con người
trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, giao thông vận tải, hàng không vũ trụ, vv...
Tại các nước phát triển, ngoài áp dụng công nghệ kỹ thuật vào công nghiệp thì
ứng dụng trong sản xuất và đời sống được chú trọng. Chính vì vậy mà mang lại hiệu
quả cao trong cả sản xuất nông nghiệp. Tuy nhiên ở việt nam là một nước có 82% đất
nông nghiệp trong tổng diện tích đất sử dụng được nhưng lại có nền sản xuất nông
nghiệp còn lạc hậu. Canh tác còn phụ thuộc chủ yếu vào thiên nhiên, khí hậu và những
phương pháp truyền thống mang lại năng suất thấp. Nhằm khắc phục những vấn đề đó

thì các nhà kính xuất hiện cùng với đó là sự phát triển của các thiết bị có khả năng tự
động đo đạc điều khiển các thiết bị tưới tiêu, cung cấp nhiệt độ, ánh sáng... cho cây
trong từng giai đoạn phát triển của cây.
Trong những năm gần đây, mạng Internet ngày càng đóng một vai trò quan
trọng. Mạng Internet đã và đang phủ kín toàn bộ đất nước là phương tiện giúp con
người kết nối truyền dẫn thông tin nhanh và tiện lợi. Cũng nhờ những ưu điểm đó mà
ứng dụng của Internet vào các thiết bị điện tử là một hướng đi được chú ý và phát triển
trong những năm gần đây mang tên “Internet vạn vật”. Kế thừa sự phát triển của các
thiết bị điện tử cũng như những nhu cầu thực tế hiện nay nhằm mang lại sự phát triển
mới trong ngành nông nghiệp em quyết định tìm hiểu và hoàn thành đề tài: “Giám sát
và điều khiểm hệ thống tưới nước tự động qua mạng Internet” do thầy ```hướng dẫn.


6

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TƯỚI TỰ ĐỘNG
1.1. Giới thiệu về hệ thống tưới tự động
1.1.1. Khái niệm về hệ thống tự động điều khiển
Hệ thống điều khiển tự động bao gồm các phần tử tự động nhằm điều khiển các
quá trình xảy ra trong tự nhiên, cuộc sống mà không có sự tham gia trực tiếp của con
người. Hệ thống là tập hợp các thành phần vật lý có mối liên hệ tác động qua lại lẫn
nhau để chỉ huy, tự hiệu chỉnh hoặc điều khiển một hệ thống khác.
Hệ thống điều khiển tự động xuất hiện ngày nay rất phổ biến:
-

Hệ thống báo cháy
Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ
Hệ thống chiếu sáng
Hệ thống bơm nước

Trong môi trường sản xuất:
-

Các máy tự động
Các đường dây sản xuất, lắp ráp tự động
Các máy điều khiển theo chương trình, robot.v.v...

1.1.2. Vai trò của tự động hóa trong quá trình sản xuất
Lịch sử phát triển và hoàn thiện của công cụ, phương tiện sản xuất phát triển
trên cơ sở cơ giới hóa và điện khí hóa. Khi có những đột phá mới trong lĩnh vực công
nghệ vật liệu và tiếp theo là điện tử và tin học thì công nghệ tự động có cơ hội phát tiển
mạnh mẽ, đem lại muôn vàn lợi ích cho xã hội. Đó là mấu chốt của năng suất, giá
thành, chất lượng.
Trong thực tiễn khi áp dụng tự động hóa vào sản xuất sẽ mang lại những hiệu
quả không nhỏ giúp giảm giá thành và nâng cao năng suất lao động, cải thiện điều kiện


7

sản xuất, đáp ứng cường độ cao về sản xuất hiện đại, thực hiện chuyên môn hóa và
hoán đổi sản xuất. Từ đó sẽ tăng khả năng cạnh tranh, đáp ứng yêu cầu sản xuất.
Trong một tương lại gần tự động hóa sẽ đóng vai trò vô quan trọng và không thể
thiếu, bởi vì nó không chỉ ứng dụng trong sản xuất mà còn ứng dụng phục vụ đời sống
con người. Trong sản xuất nó thay thế con người những công việc cơ bắp nặng nhọc,
công việc nguy hiểm, độc hại, công việc tinh vi hiện đại... Còn trong đời sống con
người những công nghệ này sẽ được ứng dụng phục vụ nhu cầu sống. Nó sẽ là phương
tiện không thể thiếu trong đời sống chúng ta.
1.1.3. Ứng dụng của tự động hóa trong tưới tiêu cho cây trồng
Hệ thống tưới nước tự động là một trong những hệ thống tưới được công nghệ
hiện đại hiện nay. Sử dụng hệ thống tưới động trên 1ha sẽ giảm thiếu được 70 lần mức

chi phí so với cách tưới bằng máy giảm 150 lấn so với tưới bằng tay. Hiện nay hệ thống
này đang được ứng dụng phố biến ở một số vùng đô thị phát triển mạnh, ở các sân gold
cũng như các trang trại trồng cây ăn quả, cây hoa màu.
1.2. Các hệ thống tưới tự động hiện nay
1.2.1. Các hệ thống tưới trong nước hiện nay:
“Hệ thống tưới rau bằng điện thoại: Bằng cách soạn tin nhắn thông thường,
nội dung là mã code và gửi tới hộp điều khiển, sau 10 giây, các béc nước bắt đầu hoạt
động. Đó là sáng kiến tưới rau bằng nhắn tin điện thoại độc nhất của anh Bùi Ngọc
Minh Tâm ở TP.HCM giúp trồng rau sạch tại nhà. Nếu điều khiển bằng tay nông dân
chỉ cần bấm nút là có thể bơm được. Còn khi không ở nhà nông dân muốn tưới rau thì
có thể tưới bằng cách soạn tin nhắn theo cú pháp rồi gửi yêu cầu, tủ điều khiển sẽ phản
hồi lại và thực hiện thao tác tưới rau như yêu cầu của tin nhắn”. (Hữu Ký 2015)
“Hệ thống tưới phun tự động đa năng - một công trình khoa học của 2 giảng
viên trường Cao đẳng Công nghiệp (CĐCN) Huế: T.S Lê Văn Luận và TH.S Lê Đình


8

Hiếu. Các thiết bị chính của hệ thống tưới phun đa năng này gồm có 1 cảm biến đo
nhiệt độ và một cảm biến đo độ ẩm của đất được cài đặt tại nhà màng trồng hoa, hệ
điều khiển được lập trình trên PLC-S7-200. Khi các cảm biến cho thông số độ ẩm của
đất hoặc nhiệt độ không khí tại nhà màng báo hiệu cần nước, tín hiệu này sẽ đưa đến
hộp điều khiển PLC [1]. Tại đây các chức năng sẽ được điều khiển tự động để nhận
nước và đưa tưới tự động tưới phun theo các vòi phun lắp đặt và sẽ tự ngừng trong
đúng 5 phút, khi cảm biến báo độ ẩm hoặc nhiệt độ đã đạt yêu cầu. Hệ thống tưới phun
tự động đa năng là sản phẩm khoa học có ý tưởng hay, tính ứng thiết thực và đã được
thử nghiệm có hiệu quả thực tế”. (Nguyên Thu 2014)
1.2.2. Các hệ thống tưới tự động ở nươc ngoài
a) Bộ điều khiển tưới tự động qua wifi của hãng Orbit- USA

Hình 1.1: Bộ điều khiển tưới tự động qua wifi của hãng Orbit-USA
Bộ điều khiển tưới tự động của thương hiệu Orbit cho phép điều khiển từ xa
thông qua wifi. Người dùng có thể điều khiển bộ hẹn giờ bằng ứng dụng trên hệ điều
hành Android, IOS hoặc thao tác trực tiếp trên thiết bị với giao diện trực quan, dễ dàng


9

sử dụng. Công nghệ tưới thông minh dựa trên yếu tố về đồi dốc, loại đất, thời tiết, các
điều kiện ánh sáng,... Các cổng kết nối với các cảm biến như mưa, nhiệt độ, độ ẩm đem
lại hiệu quả tưới nhất. Bộ điều khiển có hai phiên bản 6 cổng và 12 cổng tùy theo nhu
cầu và quy mô hệ thống tưới, kết hợp với các van điện tử.
b)Bộ điều khiển GIQ-EUWIF-01 (GreenIQ Smart Garden Hub)

Hình 1.2: Bộ điều khiển GIQ-EUWIF-01 (GreenIQ Smart Garden Hub)
GreenIQ là công ty tiên phong trong cuộc cách mạng ứng dụng thiết bị thông
minh trong ứng dụng làm vườn, nông nghiệp tại Mỹ. Smart Garden Hub điều khiển các
thiết bị tứơi dựa trên thời tiết. Thiết bị có kết nối Internet, điều khiển ở bất kỳ nơi đâu
khi nào nhờ việc sử dụng app trên điện thoại di động, máy tính. Thiết bị được kết nối
nhiều cảm biến như độ ẩm, mưa, đồ hồ lưu lượng,...


10

1.3. Giới thiệu về Internet Of Tthing

Hình 1.3: Giới thiệu về IOT
Cuối thế kỷ XX một hệ thống thông tin toàn cầu có thể truy nhập công cộng
gồm các mạng máy tính được liên kết với nhau được gọi là mạng Internet, mạng
Internet mang lại rất nhiều tiện ích cho người sử dụng, nó chứa một nguồn thông tin

khổng lồ kèm theo các dịch vụ, với khả năng kết nối mở Internet đã trở thành một
mạng lớn nhất trên thế giới, mạng của các mạng, xuất hiện trên mọi lĩnh vực: thương
mại, chính trị, quân sự, nghiên cứu, giáo dục, văn hóa, xã hội. Vào những năm đầu của
thế kỷ 21 Internet vào phát triển ở Việt Nam là một bước tiến lớn đưa Việt Nam hòa
nhập cùng thế giới. Để các máy tính có thể liên kết mạng với nhau chúng cần kết nối
dây đồng, cáp quang,…1997 - 2000 công nghệ kết nối cục bộ không dây được chuẩn
hóa, là một hệ thống mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến, giống như sóng điện
thoại, truyền hình, radio…Sự ra đời phát triển mạng không dây ngày càng có nhiều ứng
dụng và mang lại nhiều tiện ích hơn cho người sử dụng. Đặc biệt là ứng dụng của nó
trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật với sự ra đời của các thiết bị thông minh.
Và tất cả sự “Thông minh” của các vật tạo nên một khái niệm “Internet Of
Thing” hay IOT [2], đây là một khái niệm còn mới mẻ trên thế giới tuy nó đã ra đời
cách đây khá lâu vào năm 1999 do nhà khoa học Kenvin Ashton. Ông cũng là người đã


11

sáng lập ra trung tâm Auto_ID ở đại học MIT, nơi thiết lập các quy chuẩn toàn cầu cho
RFID (một phương thức giao tiếp không dây dùng sóng vô tuyến) cũng như một số loại
cảm biến khác.
Con người cũng như đồ vật được cung cấp một định danh riêng của mình và tất
cả có khả năng truyền tải thông tin dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến
sự tương tác trực tiếp giữa người với người hay người với máy tính. IOT đã phát triển
sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet hay nói đơn
giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau với Internet và thế giới
bên ngoài để thực hiện một công việc nào đó.
Ví dụ đơn giản như sau: chiếc tủ lạnh thông thường của bạn không được kết nối
với thiết bị nào khác. Nếu chúng ta muốn ghi lại nhiệt độ ở từng thời điểm của tủ,
chúng ta chỉ có cách ghi lại thủ công rồi nhập vào một máy tính hay thiết bị lưu trữ nào
đó hay như bóng đèn neon ở nhà chẳng hạn chúng ta muốn thu thập, điều chỉnh độ

sáng của nó thì phải đo thủ công rồi ghi lại.
Điểm quan trọng của IOT đó là các đối tượng phải có thể được nhận biết và định
dạng (identifiable). Nếu mọi đối tượng, kể cả con người, được "đánh dấu" để phân biệt
bản thân đối tượng đó với những thứ xung quanh thì chúng ta có thể hoàn toàn quản lí
được nó thông qua máy tính. Việc đánh dấu (tagging) có thể được thực hiện thông qua
nhiều công nghệ, chẳng hạn như RFID [3], NFC [4], mã vạch, mã QR [5],... Việc kết
nối thì có thể thực hiện qua Wi-Fi, mạng viễn thông băng rộng (3G, 4G), Bluetooth,
ZigBee, hồng ngoại...
Một số hệ thống ứng dụng IOT:


12

Hình 1-4: Ứng dụng IOT
1.4. NodeMCU Lua V3
1.4.1. Giới thiệu về ESP8266-12E
Để vạn vật “thông minh” thì ta không thể không nhắc tới một wifi ESP826612E với những đặc điểm phù hợp với các dự án vừa và nhỏ được phát triển bới AiThinker Team. Bộ vi xử lý lõi ESP8266-12E kích cỡ nhỏ tích hợp công nghiệp hàng
đầu tiết kiệm điện năng 32 bit MCU [6], hỗ trợ tốc độ xung nhịp 80MHz, 160MHz, hỗ
trợ các RTOS [7], bo mạch angten.
Các module hỗ trợ chuẩn IEE802.11b/g/n thỏa thuận, hoàn chỉnh TCP/IP [8].
Người dùng có thể sử dụng thêm các module cho một mạng thiết bị hiện có, hoặc xây
dựng một bộ điều khiển mạng riêng biệt.


13

Hình 1.5: ESP8266-12E
ESP8266-12E là tích hợp cao SoC không dây, được thiết kế với không gian và
năng lượng hạn chế, ESP8266-12E cung cấp khả năng vượt trội để nhúng Wifi trong
các hệ thống khác hoặc để hoạt động như một ứng dụng độc lập với chi phí thấp nhất

và yêu cầu không gian tối thiểu.
ESP8266-12E cung cấp một giải pháp kết nối mạng Wifi hoàn chỉnh và khép
kín, có thể được sử dụng để lưu trữ các ứng dụng hoặc để giảm tải các chức năng kết
nối mạng Wifi như một bộ vi xử lý ứng dụng. Khi ESP8266-12E là chủ các ứng dụng,
ESP8266-12E khởi động trực tiếp từ một đèn flash bên ngoài trong đã tích hợp bộ nhớ
cache để cải thiện hiệu suất của hệ thống và trong các ứng dụng khác cũng vậy.
Nói cách khác ESP8266-12E phục vụ như một bộ điều hợp wifi, truy cập
Internet không dây có thể được thêm vào bất kỳ thiêt kế vi điều khiển với kết nối đơn
giản (SPI/SDIO hoặc I2C/UART). ESP8266-12E là một trong những dòng chip Wifi
tích hợp nhất trong ngành công nghiệp, ESP8266-12E tích hợp thiết bị chuyển mạch
angten, RF, khuếch đại điện, tiếng ồn thấp, bộ lọc, phân hệ quản lý điện năng, giảm tối
thiểu mạch điện bên ngoài.


14

a) Chức năng các chân
Bảng 1-1: Bảng chức năng các chân ESP8266 -12E

STT

TÊN CHÂN CHỨC NĂNG

1
2

RST
ADC

3

4

EN
IO16

5
6
7
8
9

IO14
IO12
IO13
VCC
CSO

Thiết lập lại module
Chuyển đổi tín hiệu analog sang tín hiệu số với đầu vào điện
áp trong phạm vi 0 = 1V, đầu ra trong khoảng 0 - 1024.
Cho phép chân hoạt động mức cao.
GPIO16, có thể được sử dụng để đánh thức chip từ chế độ
ngủ sâu.
GPIO14, HSPI_CLK
GPIO12, HSPI_MISO
GPIO13, HSPI_MOSI, UART0_CTS [9].
Cung cấp điện áp 3.3V
Lựa chọn chip

10

11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21

IO9
IO10
MISO
MOSI
SCLK
GND
IO15
IO2
IO0
IO4
IO5
RXD

GPIO9
GBIO10
Thiết bị chủ vào, thiết bị phụ ra
Thiết bị chủ ra, thiết bị phụ vào
Xung đồng hồ

GND
GPIO15, MTDO, HSPICS, UART0_RTS [10]
GPIO2, UART1_TXD [11]
GPIO0
GPIO4
GPIO5
UART0_RXD [12], GPIO3

22
TXD
UART0_TXD, GPIO1
b) Thông số kỹ thuật của ESP8266-12E
Bảng 1-2: Bảng thông số kỹ thuật ESP8266-12E

Thông số
Thông số
wifi
Thông số
phần cứng

Mục
Giao thức wifi
Dải tần số
Liên kết ngoại
vi
Điện áp hoạt

Giá trị
802.11b/g/n
2.4GHz - 2.5GHz

UART/HSPI/I2C/I2S [13] /IR
GPIO/PWM [14]
3 - 3,6V


15

động
Dòng điện hoạt
động
Dải nhiệt độ
Kích cỡ
Bảo mật
Mã hóa
Giao
thức
mạng
c) Bảng mô tả giao tiếp

Giá trị trung bình: 80mA
-40 ~ 125
16mm*24mm*3mm
WPA/WPA2 [15]
WEP [16]/TKIP [17]/AES
IPV4 [18]/ TCP/UDP/HTTP [19]/FTP [20]

Bảng 1-3: Bảng mô tả giao tiếp

ĐẶN
ĐIỂM

HSPI

PWM

TÊN CHÂN

MÔ TẢ

IO12(MISO)
IO13(MOSI)
IO14(CLK)
IO15(CS)
IO12(R)
IO15(G)
IO13(B)

SPI Flash 2, màn hình hiển thị. MCU có thể được
kết nối bằng giao diện HSPI.

IR
điểu
khiển
tứ xa

IO14(IR-T)
IO5(IR-R)

ADC
I2C

TOUT
IO14(SCL)
IO2(SDA)
UART0:
TXD(T0TDX)
RXD(R0RXD)
IO15(RTS)
IO13(CTS)
UART1:
IO2(TXD)

UART

Hiện giao diện PWM có các kênh truyền hình nhưng
người dùng có thể mở rộng các kênh theo nhu cầu
riêng của họ. Giao diện PWM có thể được sử dụng
để điều khiển đèn LED, chuông, rơ le, máy điện tử.
Các chức năng của hồng ngoại giao diện điều khiển
từ xa có thể được thực hiện thông qua các chương
trình phần mềm. NEC mã hóa, điều chế, giải điều
chế và được sử dụng bởi giao diện này. Tần số của
tín hiệu sóng mang điều chế là 38KHz.
ESP tích hợp 10 bit analog ADC.
Giao diện I2C có thể được sử dụng để kết nối các
sản phẩm cảm biến bên ngoài và màn hình hiển thị.
-Các thiết bị với giao diện UART có thể được kết
nối với các module.
-Tải về: U0TXD + U0RXD hoặc GPIO2 + U0RXD
-Giao tiếp: UART0: U0TXD + U0RXD, MTD0
(U0RTS), MTCK (U0CTS).

-Gỡ rối: UART_ TXD (GPIO2) có thể được sử dụng
để in các thông tin gỡ lỗi.
-Theo mặc định UART0 sẽ ra một số thông tin được
in khi thiết bị được bật nguồn và khởi động, nếu vấn
đề này gây sức ảnh hưởng trên một số ứng dụng cụ


16

I2S

I2S input
IO12(I2SI_DATA)
IO13(I2SI_BCK)
IO14(I2SI_WS)
I2S output,

thể, người dùng có thể trao đổi U0TXD, U0RXD
với U0RTS, U0CTS.
Giao diện I2S được sử dụng chủ yếu cho việc thu
thập, xử lý và truyền tải dữ liệu âm thanh.

d) Chế độ hoạt động các chân
Bảng1-4: Bảng chế độ hoạt động của các chân

Mode

GPIO15

GPO0

GPO2

UART
Flash Boot

LOW
LOW

LOW
HIGH

HIGH
HIGH

1.4.2. NodeMCU Lua V3
ESP8266 có nhiều phiên bản và được mở rộng theo nhiều cách khác nhau để
phục vụ cho từng mục đích sử dụng cũng như giúp cho việc kết nối và sử dụng nó
được tiện lợi. Trên thị trường hiện nay các module mở rộng phổ biến như ESPDuino
(ESP-13 Module), NodeMCU 0.9 (ESP-12 Module), NodeMCU 1.0 (12E Module)...


17

Hình 1.6: Các phiên bản Esp8266
Trong số các module đó, phải nói đến những tính năng tiện lợi cũng như chức
năng của module NodeMCU Lua V3 là bản vesion 3 được thiết kế trên nền wifi SoC
ESP8266 và tích hợp sẵn mạch nạp sử dụng chip CH340 trên bo mạch.

Hình 1.7 Các chân NodeMCU Lua V3

18

Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lý NodeMCU Lua V3
Sơ bộ về đặc điểm của Module:
-

IC Chính: ESP8266 -12E Wifi SoC
Phiên bản: NodeMCU Lua V3
Chip nạp và giao tiếp: CH340
GPIO tương thích hoàn toàn với NodeMCU.
Cấp nguồn: 5VDC MicroUSB hoặc Vin.
GPIO giao tiếp mức 3.3VDC.
Tích hợp LED báo trạng thái, nút Reset, Flash.
Tương thích hoàn toàn với trình biên dịch Arduino.


19

-

Kích thước: 9 x 32mm.

1.5. Các loại cảm biến
Nhiệt độ là yếu tố quan trọng trong quá trình sinh trưởng và phát triển của cây
cũng là yếu tố tạo nên các vùng khí hậu khác nhau trên trái đất và từ đó có các loại cây
đặc trưng cho từng vùng riêng biệt. Ở nước ta ngoài cây lúa thì cây rau cũng là một
loại được ưa trồng phục vụ cho bữa ăn của mỗi gia đình. Ở một số loài rau sinh trưởng
tốt ở nhiệt độ < 5, đem trồng vào mùa nóng thì cây sẽ ngừng sinh trưởng. Nhiệt độ còn

ảnh hưởng đến sự phát triển, nở hoa, chất lượng sản phẩm, khả năng bảo quản, thời
gian ngủ của hạt và ảnh hưởng đến sự phát triển của sâu bệnh trên các loại cây.
Nhiệt độ và độ ẩm có quan hệ mật thiết với nhau và có tác động lớn đến sinh
trưởng, tái sinh của nhiều loài rau. Độ ẩm trong không 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.
Để hệ thống hoạt động tự động thì các cảm biến ra đời, tùy từng loại cây và mô
hình sẽ có một loai cảm biến phù hợp. Ở nước ta hiện nay các mô hình trồng cây còn
mang tính nhỏ lẻ theo hộ gia đình quy mô chưa lớn nên một số dòng cảm biến được ưa
chuộng như DHT22 và cảm biến độ ẩm đất là phù hợp với kinh phí cũng như tiện lợi
trong quá trình sử dụng.


20

1.5.1. Cảm biến độ ẩm và nhiệt độ môi trường DHT22

Hình 1.9: Cảm biến DHT22
DHT22 là loại cảm biến để đọc nhiệt độ và độ ẩm của môi trường khá thông
dụng hiện nay, có khả năng hoạt động liên tục ổn định trong thời gian dài. Đồng thời
dải nhiệt độ và độ ẩm đo được rộng hơn so với DHT11 và một số loại cảm biến khác
trên thị trường.
a) Đặc điểm chung:
-

Được bù nhiệt trên toàn bộ giải đo.
Tín hiệu đầu ra là tín hiệu số.
Có khả năng truyền xa 20m.
Giữ được độ ổn định, chính xác của cảm biến.

Tiêu thụ dòng chỉ 2.5mA khi chuyển đổi giá trị.
Không cần thêm thành phần gắn ngoài bổ sung.

b) Thông số kỹ thuật
-

Điện áp hoạt động: 5VDC
Chuẩn giao tiếp: TTL, 1 Wire
Tầm đo nhiệt độ: -40~80
Độ phân giải: 0.1 sai số nhiệt độ <0.5


21

- Tầm đo độ ẩm: 0 - 100%RH, sai số0.3%RH
- Kích thước module: 14*18*5.5mm và 22*28*5mm
- Thời gian dò: Trung bình 2s

Sơ đồ chân:

Hình 1.10: Sơ đồ chân DHT22
c) Thông số hoạt động:
- Điện áp và chân:
Điện áp bên trong khoảng 3,3 - 6VDC, khi mới cung cấp nguồn được cung cấp
cho cảm biến thì không gửi bất kỳ một lệnh nào trong vòng 1s để đảm bảo cảm biến
hoạt động ổn định. Có 1 tụ 100nF đặt giữa chân VDD và GND của cảm cảm để lọc
nhiễu.
-

Giao tiếp và tín hiệu:

Bus dữ liệu 1 dây được sử dụng để giao tiếp giữa vi điều khiển và cảm biến.

Thời gian để thực hiện 1 lần giao tiếp là 5ms. Dữ liệu bao gồm phần nguyên và phần
thập phân. DHT22 sẽ gửi bit có trọng số cao trước. Dữ liệu là 8 bit số nguyên của dữ
liệu độ ẩm +8 bit số thập phân của dữ liệu độ ẩm +8 bit số nguyên dữ liệu nhiệt độ +8
bit số thập phân dữ liệu nhiệt độ +8 bit kiểm tra lỗi. Nếu dữ liệu truyền đúng thì tổng


22

bít kiểm tra phải là 8 bit cuối của 8 bit số nguyên của dữ liệu độ ẩm +8 bit số thập phân
của dữ liệu độ ẩm +8 bit số nguyên dữ liệu nhiệt độ.
d) Nguyên lý hoạt động
Khi vi điều khiển gửi tín hiệu bắt đầu, DHT22 chuyển từ trạng thái nghỉ sang
trạng thái chạy. Khi vi điều khiển hoàn thành việc gửi tín hiệu bắt đầu thì DHT22 sẽ
gửi phản hồi tín hiệu có độ dài 40 bit tới vi điều khiển. Khi không có tín hiệu bắt đầu từ
vi điều khiển thì DHT22 sẽ không gửi tín hiệu phản hồi lại vi điều khiển. Khi có tín
hiệu bắt đầu thì DHT gửi dữ liệu phản hồi về nhiệt độ và độ ẩm về vi điều khiển 1 lần.
Khi DHT22 hoàn thành việc gửi dữ liệu thì nó lại chuyển về trạng thái nghỉ.
e) Quá trình truyền thông
Bước 1: Vi điều khiển tín hiệu bắt đầu quá trình giao tiếp, chuyển đổi tới DHT22.
Ở trạng thái không hoạt động bus dữ liệu ở mức cao, khi quá trình giao tiếp
giữa vi điều khiển và DHT22 bắt đầu, chương trình của vi điều khiển sẽ chuyển điện áp
ở bus dữ liệu từ mức cao xuống mức thấp, quá trình này đòi hỏi tối thiểu 1s để đảm bảo
DHT22 có thể phát hiện tín hiệu của MCU, sau đó MCU sẽ đợi 20 - 40 để DHT22 gửi
tín hiệu phản hồi.
Bước 2: DHT22 gửi tín hiệu phản hồi tới vi điều khiển.
Khi DHT22 nhận được tín hiệu bắt đầu, DHT22 sẽ gửi ra tín hiệu điện áp thấp,
tín hiệu này kéo dài 80 để DHT22 chuẩn bị gửi dữ liệu.
Bước 3: DHT22 gửi dữ liệu lên MCU.

Khi dữ liệu gửi dữ liệu lên MCU, mỗi lần truyền bit đều bắt đầu ở mức điện áp
thấp mà kéo dài 50. Sau đó độ dài của tín hiệu mức cao sẽ quyết định bit đó là mức 1
hay là 0. Nếu thời gian điện áp duy trì ở mức cao là 26 - 28 thì dữ liệu là 0, còn nếu dữ
liệu duy trì ở mức cao trong 70 thù có nghĩa là mức 1.


23

1.5.2. Cảm biến độ ẩm đất
Độ ẩm là một thông số quan trọng tác động trực tiếp đến con người, đến thiết bị
máy móc và quá trình lý hóa. Độ ẩm được xác định là hàm lượng hơi nước trong không
khí hoặc trong các chất khác.
Độ ẩm thường được đo lường là:
- Độ ẩm tuyệt đối bằng khối lượng hơi nước có trong một đơn vị thể tích không khí hay
khí gas [g/m3].
- Điểm sương (nhiệt độ và áp suất mà tại đó chất khí bắt đầu tích tụ hơi nước thành
chất lỏng).
- Độ ẩm tương đối hoặc RH (Relative Humidity) là tỷ lệ hàm lượng hơi ẩm của không
khí so với hơi ẩm bão hòa ở cùng nhiệt độ và áp suất. Nói cách khác, là tỷ lệ tuyệt đối
với độ ẩm cực đại (khi hơi nước bão hòa) ở nhiệt độ và áp suất đang xét. Độ ẩm tương
đối tính bằng phần trăm [%RH].
- Cảm biến độ ẩm được phân chia làm nhiều loại, tùy sự khác biệt giữa các loại cảm
biến về độ chính xác, khả năng thay thế lấp lẫn...
- Lựa chọn cảm biến độ ẩm kiểu điện trở.
-

Không cần hiệu chỉnh, có tính thay thế lấp lẫn cao và có khả năng thay thế

-

tại chỗ.
Có tính ổn định lâu bền.
Có khả năng sử dụng những vị trí lắp đặt xa.
Có kích thước nhỏ.
Giá thành thấp.

Nhược điểm:
-

Việc phản ứng với hơi hóa chất và bám bẩn có thể gây nên những hỏng hóc
vĩnh viễn.


24

-

Trị đó có thể suy dời bởi sử dụng lớp phủ hòa tan được trong nước.

a) Đầu cảm biến

Hình 1.11: Cảm biến độ ẩm đất
Hai đầu của cảm biến được cắm vào đất để phát hiện độ ẩm. Dùng dây nối giữa
cảm biến và module chuyển đổi. Thông tin về độ ẩm đất sẽ được đọc về và gởi tới
module chuyển đổi.
Nguyên lý hoạt động: Sự hấp thụ hơi nước làm biến đổi thành phần cảm nhận trong
cảm biến ở đây là các chất hóa học như LiCL, P205 làm thay đổi điện trở của cảm biến
qua đó xác định được độ ẩm.
b) Module chuyển đổi
Thông số kĩ thuật:

-

Điện áp hoạt động: 3.3V- 5V.
Kích thước PCB [21] 3cm*1.6cm.
Led đỏ báo nguồn vào, Led xanh báo độ ẩm.
IC so sánh: LM393.
VCC: 3.3V-5V
GND: 0V
D0: Đầu ra tín hiệu số (0 và 1).
A0: Đầu ra Analog (tín hiệu tương tự).


25

c) Sơ đồ nguyên lý của cảm biến độ ẩm trong đất:

Hình 1.13: Sơ đồ nguyên lý module chuyển đổi cảm biến độ ẩm đất
Nguyên lý hoạt động của module:
Module chuyển đổi có cấu tạo chính gồm 1 IC so sánh LM393, một biến trở, 4
điện trở dán 100Ω và 2 tụ dán. Biến trở có chức năng định ngưỡng so sánh với tín hiệu
độ ẩm đất đọc về từ cảm biến. Ngưỡng so sánh và tín hiệu cảm biến sẽ là 2 đầu vào của
IC so sánh với LM393. Khi độ ẩm thấp hơn ngưỡng định trước, ngõ ra của IC là mức
cao (1), ngược lại là mức thấp (0).
1.6. Hiển thị LCD
Để biết chính xác nhiệt độ và độ ẩm ngay lập tức tại nơi đo thì việc đưa dữ liệu
lên LCD là việc làm cần thiết mà ngày nay một số bộ điều khiển đã tích hợp. Hiện nay
trên thị trường xuất hiện rất nhiều các màn hình hiển thị với kiểu dáng, kích thước khác
nhau mang lại nhiều sự lựa chọn cho người dùng, không chỉ giá thành rẻ mà khả năng
lập trình đơn giản cho những người không chuyên cũng có thể dễ dàng kết nối.