Thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển, giám sát cho mô hình tưới cây tự động

ii
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN........................................................................................................i
MỤC LỤC.............................................................................................................ii
DANH MỤC BẢNG BIỂU.................................................................................iii
DANH MỤC HÌNH ẢNH...................................................................................iv
PHẦN A. ĐẶT VẤN ĐÊ.....................................................................................1
1.1. Tính cấp thiết cuả khoá luận.........................................................................1
1.2. Mục tiêu nghiên cứu......................................................................................2
1.3. Ý nghĩa cuả khoá luận...................................................................................2
1.3.1. Ý nghĩa khoa học..................................................................................2
1.3.2. Ý nghĩa thực tiễn...................................................................................2
PHẦN B. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU...............................................................3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VÊ VẤN ĐÊ NGHIÊN CỨU.................................3
1.1. Tổng quan về các phương pháp điều khiển tưới cây.....................................3
1.2. Một số thiết bị điều khiển tưới tự động.........................................................4
1.2.1. Thiết bị điều khiển tưới từ xa E-pump..................................................4
1.2.2. Bộ điều khiển tưới tự động EG-T01.....................................................5
1.2.3. Bộ điều khiển tưới tự động S800-4R....................................................6
1.3. Tổng quan về các phương pháp tưới cây tự động.........................................6
1.4. Một số phương pháp tưới cây.......................................................................8
1.4.1. Tưới phun mưa......................................................................................8
1.4.2. Tưới ngập..............................................................................................8
1.4.3. Tưới rãnh...............................................................................................8
1.4.4. Tưới nhỏ giọt.........................................................................................8


ii
1.5. Định hướng nghiên cứu của khóa luận..........................................................9
CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU....................................................................................................10

2.1. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu...................................................................10
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu..........................................................................10
2.1.2. Phạm vi nghiên cứu.............................................................................10
2.2. Nội dung nghiên cứu...................................................................................10
2.3. Phương pháp nghiên cứu.............................................................................10
2.3.1. Tiến trình thực hiện nghiên cứu..........................................................10
2.3.2. Phương pháp thực hiện nội dung 1: Phần mềm LabVIEW và bo mạch
Arduino Uno..................................................................................................11
2.3.3. Phương pháp thực hiện nội dung 2: Phương pháp tưới nhỏ giọt cho
cây trồng........................................................................................................41
2.3.4. Phương pháp thực hiện nội dung 3: Xây dựng phần cứng cuả mô hình
tưới nhỏ giọt..................................................................................................46
2.3.5. Phương pháp thực hiện nội dung 4: Xây dựng giao diện và chương
trình phần mềm..............................................................................................51
2.3.6. Phương pháp thực hiện nội dung 5: Hoàn thiện, chạy thử, đánh giá
chất lượng hệ thống.......................................................................................53
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU...........................................................55
3.1. Kết quả gia công, chế tạo phần cứng..........................................................55
3.1.1. Phần hộp điều khiển............................................................................55
3.1.2. Phần mô hình trồng cây.......................................................................57
3.1.3. Phần bể chứa nước..............................................................................58
3.2. Kết quả thi công chế tạo phần mềm............................................................59


ii
3.2.1. Giao diện điều khiển, giám sát trên phần mềm LabVIEW.................59
3.2.2. Chương trình điều khiển, giám sát trên phần mềm LabVIEW...........60
3.3. Kết quả chạy thử nghiệm và đánh giá.........................................................63
3.3.1. Hoạt động cuả hệ thống.......................................................................63
3.3.2. Đánh giá chất lượng hoạt động...........................................................69

CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.......................................................70
4.1. Kết luận.......................................................................................................70
4.2. Hạn chế, tồn tại............................................................................................70
4.3. Kiến nghị, đề xuất giải pháp........................................................................70
4.3.1. Kiến nghị.............................................................................................70
4.3.2. Đề xuất giải pháp................................................................................71
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................72
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN..............................................73


iii
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. So sánh tưới nhỏ giọt so với tưới theo cách truyền thống..................45
Bảng 2.2. Bảng mẫu đánh giá kết quả ở chế độ thủ công...................................54
Bảng 2.3. Bảng mẫu đánh giá kết quả ở chế độ tự động.....................................54
Bảng 3.1. Sơ đồ nối chân giữa cảm biến độ ẩm đất và Arduino.........................56
Bảng 3.2. Sơ đồ nối chân giữa cảm biến nhiệt độ và Arduino............................56
Bảng 3.3. Sơ đồ nối chân giữa cảm biến siêu âm và Arduino.............................57
Bảng 3.4. Bảng ghi lại các thông số hoạt động tự động lần 1.............................66
Bảng 3.5. Bảng ghi lại các thông số hoạt động tự động lần 2.............................68
Bảng 3.6. Bảng thử nghiệm điều khiển hệ thống ở chế độ thủ công...................69


iv
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Hệ thống các phương pháp điều khiển tưới..........................................3
Hình 1.2. Hệ thống tưới từ xa E-pump EPP-018..................................................4
Hình 1.3. Bộ điều khiển tưới tự động EG-T01......................................................5
Hình 1.4. Bộ điều khiển tưới tự động S800-4R....................................................6
Hình 1.5. Nhu cầu nước tưới trong nông nghiệp ở một số nước...........................7

Hình 1.6. Hệ thống các phương pháp tưới cây......................................................7
Hình 2.1. Phần mềm LabVIEW 2014.................................................................11
Hình 2.2. Môi trường phát triển cuả phần mềm LabVIEW................................12
Hình 2.3. Phần mềm VI Package Manager 2017................................................14
Hình 2.4. Danh sách các thiết bị ảo trong Control Palette..................................17
Hình 2.5. Danh sách các thiết bị ảo trong Numeric............................................18
Hình 2.6. Danh sách các thiết bị ảo trong Boolean.............................................19
Hình 2.7. Danh sách các thiết bị ảo trong Gragh................................................20
Hình 2.8. Single Plot Charts................................................................................21
Hình 2.9. Multiphe Plot Charts...........................................................................21
Hình 2.10. Giao diện cuả Waveform Graph trong Front Panel...........................22
Hình 2.11. Danh sách các hình khối....................................................................23
Hình 2.12. Dòng dữ liệu chảy trong các dây dẫn khi chạy chương trình............24
Hình 2.13. Các dạng dây nối trên Block Diagram..............................................25
Hình 2.14. Danh sách các thiết bị ảo trong Functions Palette.............................26
Hình 2.15. Danh sách các thiết bị ảo trong Structures........................................27
Hình 2.16. . Hàm cấu trúc For Loop trong Block Diagram................................28
Hình 2.17. Thanh ghi dịch trong hàm cấu trúc While Loop................................28
Hình 2.18. Hàm cấu trúc Case Structures trong Block Diagram........................29
Hình 2.19. Danh sách các thiết bị ảo trong Numeric..........................................30
Hình 2.20. Danh sách các thiết bị ảo trong Boolean...........................................31
Hình 2.21. Danh sách các thiết bị ảo trong Comparison.....................................31
Hình 2.22. Hình ảnh thực tế cuả một bo mạch Arduino Uno R3........................32


iv
Hình 2.23. Vi điều khiển Atmega dạng chân dán và dạng chân cắm..................34
Hình 2.24. Chức năng các chân cuả Arduino Uno R3........................................37
Hình 2.25. Giao diện cuả chương trình nạp thư viện giao tiếp MakerHub.........38
Hình 2.26. Chọn cổng nạp chương trình.............................................................39

Hình 2.27. Chọn kiểu nạp chương trình..............................................................39
Hình 2.28. Quá trình nạp chương trình đang diễn ra...........................................40
Hình 2.29. Kết thúc quá trình nạp chương trình..................................................40
Hình 2.30. Hệ thống đường ống cung cấp nước tới từng gốc cây.......................42
Hình 2.31. Sơ đồ tổng thể mô hình cuả khoá luận..............................................46
Hình 2.32. Phần hộp điều khiển cuả hệ thống.....................................................47
Hình 2.33. Vị trí các linh kiện được đặt trong hộp điều khiển............................47
Hình 2.34. Sơ đồ phần bể chứa cuả mô hình.......................................................48
Hình 2.35. Phần nắp cuả bể chứa........................................................................48
Hình 2.36. Mô hình hộp trồng cây......................................................................49
Hình 2.37. Đầu tưới nhỏ giọt có chân cắm..........................................................50
Hình 2.38. Sơ đồ nguyên lý hoạt động cuả bộ sản phẩm....................................52
Hình 3.1. Hình ảnh mặt trước cuả bộ điều khiển................................................55
Hình 3.2. Vị trí dây kết nối sản phẩm với máy tính............................................55
Hình 3.3. Vị trí cuả dây cảm biến và nguồn điện................................................55
Hình 3.4. Sơ đồ nối dây tổng thể cuả sản phẩm..................................................56
Hình 3.5. Mô hình tưới cây tự động đã hoàn thiện.............................................57
Hình 3.6. Bể chứa nước sau khi hoàn thiện........................................................58
Hình 3.7. Mặt trên cuả bể chứa nước..................................................................58
Hình 3.8. Giao diện người dùng ở chế độ tự động..............................................59
Hình 3.9. Giao diện người dùng ở chế độ thủ công............................................59
Hình 3.10. Giao diện cài đặt bộ điều khiển tưới nước........................................60
Hình 3.11. Chương trình điều khiển trong chế độ tự động..................................61
Hình 3.12. Chương trình điều khiển trong chế độ thủ công................................62
Hình 3.13. Mô hình trồng rau mồng tơi..............................................................64


iv
PHẦN A. ĐẶT VẤN ĐÊ
1.1.

Tính cấp thiết cuả khoá luận
Trong quá trình phát triển của khoa học kỹ thuật mà toàn thế giới đang

chứng kiến, điện tử là một trong những ngành phát triển mũi nhọn, ứng dụng
của điện tử, tin học, viễn thông đang ngày một lớn và ảnh hưởng sâu sắc đến
cuộc sống và cách thức làm việc của toàn xã hội. Để phát triển được các lĩnh
vực trong một tổng thể chung là ngành điện tử, thì vấn đề đo lường là một vấn
đề cần được quan tâm và phát triển. Các thiết bị hệ thống đo lường và điều khiển
ghép nối với máy tính có độ chính xác cao, thời gian thu thập số liệu ngắn, mức
độ tự động hóa trong việc thu thập và xử lý các kết quả cả việc lập bảng thống
kê và việc in ra giấy.
Ứng dụng tự động hoá trong sản xuất nông nghiệp là xu thế chung công
nghiệp hiện đại. Trong đó, khâu tưới nước trong các nhà vườn là một ví dụ điển
hình. Trước kia, việc tưới nước cho cây trồng phụ thuộc chủ yếu vào sức người,
công việc này đòi hỏi phải chú ý quan sát tình trạng cuả cây để tưới nước đúng
lúc, hơn nữa việc mang vác nước để tưới cũng làm tăng thêm phần nặng nhọc
cho người làm vườn. Chưa kể các yếu tố môi trường thay đổi mà con người khó
có thể nhận ra kịp thời. Việc tưới cây thiếu chính xác sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới
chất lượng sản phẩm và uy tín cuả nhà vườn. Ứng dụng công nghệ tưới nhỏ giọt
tự động vào sản suất cây trồng sẽ làm giảm chi phí lao động, nâng cao năng
suất, đảm bảo chất lượng, nâng cao năng suất so với khi chỉ sử dụng lao động
thủ công.
Những hệ thống điều khiển tưới cây tự động hiện nay trên thị trường chủ
yếu là được nhập khẩu từ nước ngoài. Sử dụng thiết bị và công nghệ nước ngoài
có độ ổn định tương đối cao, tuy nhiên giá thành lại quá đắt và chưa phù hợp với
đặc điểm khí hậu cuả Việt Nam. Hiện nay, nhiều hộ gia đình, nông dân chưa đủ
kinh phí đầu tư công nghệ nước ngoài cũng đang rất mong đợi sự ra đời các hệ
thống tưới sáng tạo phù hợp với thiết bị hiện có của Việt Nam. Một giải pháp

iv
cho vấn đề đó là ứng dụng LabVIEW và Arduino vào thiết kế hệ thống tưới cây
tự động. Tuy nhiên, các nghiên cứu theo hướng này còn hạn chế, các đề tài về
lĩnh vực này chưa nhiều.
Khi sử dụng LabVIEW để điều khiển có thể quan sát một cách chính xác
độ ẩm đo được trong đất, hơn thế người sử dụng còn có thể biết được các yếu tố
khác có liên quan như nhiệt độ trong không khí và ánh sáng trong nhà vườn. Các
yếu tố tự nhiên trong môi tường đó có ảnh hưởng trực tiếp tới quá trình sinh
trưởng cuả cây trồng. Chính vì những ưu điểm vượt trội của phương pháp điều
khiển như trên, em đã quyết định lựa chọn đề tài:“ Thiết kế chế tạo hệ thống
điều khiển, giám sát cho mô hình tưới cây tự động” cho khóa luận tốt nghiệp.
1.2.

Mục tiêu nghiên cứu
Đề tài được triển khai, thực hiện với mục tiêu là nghiên cứu và chế tạo

thành công hệ thống điều khiển, giám sát cho mô hình tưới cây tự động. Hệ
thống hoạt động ổn định, bền bỉ, sản phẩm sấy có chất lượng đồng đều nhau.
1.3.

Ý nghĩa cuả khoá luận

1.3.1. Ý nghĩa khoa học
- Điều khiển và giám sát môi trường nhà vườn, với sai số nhỏ, đảm bảo
thực hiện chính xác theo yêu cầu kỹ thuật công nghệ đối với trồng cây trong nhà
vườn.
- Bổ sung nguồn tư liệu nghiên cứu phục vụ cho quá trình học tập, giảng
dạy, nghiên cứu khoa học.
1.3.2. Ý nghĩa thực tiễn

- Xây dựng bộ điều khiển, giám sát có thể ứng dụng được trong thực tế sản
xuất tại các nhà vườn với quy mô nhỏ và vừa.
- Khoá luận giúp sinh viên trải nghiệm thực tế quá trình thi công sản xuất
và làm quen với việc áp dụng kiến thức vào thực tiễn, cũng như biết cách sử
dụng các thiết bị kĩ thuật.


iv
PHẦN B. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VÊ VẤN ĐÊ NGHIÊN CỨU
1.1.

Tổng quan về các phương pháp điều khiển tưới cây
Có thể chia phương pháp điều khiển tưới cây ra làm hai loại:
- Điều khiển tưới thủ công là quá trình mà người nông dân phải trực tiếp tác

động đóng ngắt các thiết bị điện động lực và điều khiển vòi phun nước để tưới
cây trồng.
- Điều khiển tưới tự động là quá trình mà các thiết bị điều khiển tự động
đóng vai trò chủ đạo. Trong quá trình điều khiển tưới tự động lại có thể chia ra
thành nhiều phương pháp khác nhau
- Các phương pháp điều khiển có thể được hệ thống như ở hình vẽ sau:

Phương pháp điều khiển tưới

Điều khiển tưới tư đông

Điều khiển tưới thủ công

Điều khiển sử

dụng PLC

Điều khiển sử
dụng vi điều
khiển

Điều khiển kết hợp
Arduino và phần
mềm LabVIEW

Hình 1.1. Hệ thống các phương pháp điều khiển tưới


iv
1.2.

Một số thiết bị điều khiển tưới tự động

1.2.1. Thiết bị điều khiển tưới từ xa E-pump

Hình 1.2. Hệ thống tưới từ xa E-pump EPP-018
a) Chức năng
E-pump là thiết bị điều khiển từ xa qua điện thoại được Eplusi
Technology nghiên cứu phát triển, tích hợp 3 chức năng gồm điều khiển qua
cuộc gọi, điều khiển qua tin nhắn và cài đặt hẹn giờ bật/ tắt thiết bị. Tất cả chỉ
tích hợp trên một bo mạch điện tử nhỏ gọn. Với thiết bị nhỏ gọn này, chủ vườn
có thể điều khiển từ xa các thiết bị như máy bơm nước, đèn, quạt, thiết bị điện
gia dụng bằng cách gọi tới điện thoại hoặc nhắn tin SMS với số điện thoại được
cài đặt trước.
b) Đặc điểm kỹ thuật

-

Nguồn cấp: 220V điện 1 pha.
Công suất tải tối đa điện 1 pha: 5HP (5 mã lực).
Điều khiển từ xa qua cuộc gọi hoặc tin nhắn SMS.
Cài đặt được số điện thoại điều khiển và thời gian bật tắt thiết bị.
Giám sát được trạng thái và dòng điện thiết bị đang sử dụng qua tin nhắn.
Khắc phục nhược điểm nhiều cuộc gọi hoặc tin nhắn của số khác có thể

điều hiển thiết bị.


iv
1.2.2. Bộ điều khiển tưới tự động EG-T01

Hình 1.3. Bộ điều khiển tưới tự động EG-T01
a) Chức năng
-

Điều khiển bật tắt máy bơm từ xa.
Hẹn giờ máy bơm từ xa qua điện thoại.
Tương thích với tất cả các loại điện thoại.
Hỗ trợ giao diện Smartphone, giúp người dùng dễ dàng thao tác, gửi lệnh

nhanh chóng, chính xác.
- Có tích hợp cảm biến mưa, bơm tự động ngắt và gửi thông báo khi trời
mưa giúp tiết kiệm nước và điện cho người sử dụng.
b) Thông số kĩ thuật
- Hộp nhựa cách điện, kích thước 16x6x3,5cm.
- Đầu vào 220 VAC.

- Đầu ra : Điện áp tối đa 250 VAC dòng tối đa 30A. Tải 1 pha, công suất
3Kw với tải thuần trở, 1HP với máy bơm hoặc tải cảm.


iv
1.2.3. Bộ điều khiển tưới tự động S800-4R

Hình 1.4. Bộ điều khiển tưới tự động S800-4R
a) Thông số kĩ thuật
- Hộp nhựa cách điện, kích thước 20x12x5 cm.
- Đầu vào: Adaptor 220VAC/12VDC.
- 4 đầu ra, dòng tối đa 7A, điện áp tối đa 250VAC.
b) Ưu điểm
- Dễ đấu nối, dễ sử dụng, an toàn.
- Dùng cho nhiều thiết bị độc lập nhau.
- Thích hợp với việc điều khiển van từ tưới trong các khu vực nhỏ như
trang trại nấm, trồng rau…
c) Nhược điểm
- Chỉ sử dụng với tải công suất nhỏ.
1.3.

Tổng quan về các phương pháp tưới cây tự động
Nằm ở vùng Đông Nam Á chịu ảnh hưởng của chế độ khí hậu nhiệt đới

gió mùa, Việt Nam có lượng mưa và dòng chảy khá phong phú. Tuy nhiên do tác


iv
động cuả biến đổi khí hậu mà lượng mưa thay đổi thất thường ảnh hưởng rất lớn
tới các loại cây trồng.

Hình 1.5. Nhu cầu nước tưới trong nông nghiệp ở một số nước
Tưới nước là một trong những kỹ thuật chăm sóc cây trồng quan trọng
nhất. Có ảnh hưởng lớn đến chất lượng, hiệu quả kinh doanh. Sau đây là một số
phương pháp tưới nước phổ biến hiện nay.
Các phương pháp tưới cây có thể được hệ thống như ở hình vẽ sau:

Các phương pháp
tưới cây

Tưới phun
mưa

Tưới ngập

Tưới nhỏ
giọt

Hình 1.6. Hệ thống các phương pháp tưới cây

Tưới rãnh


iv
1.4.

Một số phương pháp tưới cây

1.4.1. Tưới phun mưa
Đây là phương pháp tưới bằng cách phun nước từ dưới mặt nước lên tán

cây qua hệ thống máy bơm, ống dẫn nước với các vòi phun cố định. Béc tưới tự
động xoay được với góc 360 độ, được đặt cao khỏi mặt đất 0,5- 1,0m.
Phương pháp này có ưu điểm là khắc phục được hiện tượng thời tiết
không thuận lợi. Đảm bảo năng suất, chất lượng quả. Và đảm bảo yêu cầu kỹ
thuật cao trong việc nhân giống cây con.
Nhược điểm vốn đầu tư ban đầu cao, quá trình vận hành tốn điện, nước.
Khó châm phân qua đường tưới.
1.4.2. Tưới ngập
Tưới ngập là phương pháp cho nước vào vườn cây một lớp nước nhất
định. Trong một thời gian xác định để cung cấp nước cho cây ăn trái hiệu quả
kinh tế.
Phương pháp tưới này tốn nhiều nước, chỉ áp dụng được với nơi có địa
hình tương đối bằng phẳng, thoát nước tốt. Đất bị gí chặt, dinh dưỡng bị rửa trôi
theo dòng dinh dưỡng bị rửa trôi theo dòng nước tiêu, kết cấu đất bị phá vỡ.
1.4.3. Tưới rãnh
Là phương pháp tưới nước để nước chảy theo các rãnh được thiết kế giữa
các hàng cây. Nước được thấm dần vào đất và cung cấp cho cây trồng.
Cách tưới nước này tiết kiệm và chủ động được nước tưới cho vườn cây
ăn trái hiệu quả kinh tế, lớp đất mặt vẫn tơi xốp, không bị gí chặt, kết cấu đất
vẫn giữ vững, đất không bị bào mòn, chất dinh dưỡng không bị rửa trôi.
1.4.4. Tưới nhỏ giọt
Đây là phương pháp tưới hiện đại, thường được áp dụng đối với những
vườn cây ăn trái đặc sản có hiệu quả kinh tế cao ở những vùng thiếu nước tưới.


iv
Cách tưới cây ăn trái hiệu quả kinh tế này tiết kiệm lượng nước tối đa. Đất
không bị gí chặt, giữ nguyên hiện trạng kết cấu đất, đất không bị bào mòn, phân
bón không bị rửa trôi.
1.5.

Định hướng nghiên cứu của khóa luận
Qua việc tổng kết các công trình nghiên cứu có nội dung liên quan đến

vấn đề điều khiển và giám sát. Các sản phẩm trên đều là những sản phẩm đã
được thương mại hoá, chúng có một số những ưu điểm như:
- Điều khiển bật tắt máy bơm từ xa.
- Hẹn giờ máy bơm hoạt động theo ngày.
- Có tính năng phân quyền, bảo mật an toàn cho thiết bị.
Tuy nhiên, các bộ điều khiển trên còn tồn tại một vài nhược điểm:
- Chỉ điều khiển được cho hệ thống tưới mà không giám sát được độ ẩm
đất, từ đó có thể gây ngập úng cho cây trồng hoặc tưới chưa đủ lượng nước.
- Không kiểm soát được lượng nước còn lại trong bể chứa.
- Không có chế độ tự động tưới theo điều kiện môi trường.
Các công trình này chủ yếu sử dụng phương pháp tưới phun mưa, hệ
thống điều khiển thường sử dụng những vi điều khiển kết hợp với modul sim
hoặc những dòng PLC đã có từ lâu của hãng Siemens, chưa xem xét đến việc
ứng dụng những thiết bị mới ra đời như Aduino Uno, bên cạnh đó, các công
trình này cũng chưa đề cập đến việc giám sát các thông số đo được từ môi
trường sống cuả cây trồng.
Chính vì thế, khóa luận sẽ kế thừa những ưu điểm mà các sản phẩm đã có
trên thị trường, đồng thời giải quyết triệt để các nhược điểm còn tồn tại. Định
hướng tập trung nghiên cứu vào việc khai thác và sử dụng kết hợp Arduino và
phần mềm LabVIEW để có thể vừa điều khiển tự động được quá trình tưới, vừa
giám sát được các thông số có liên quan.


iv
CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG
VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1.

Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

2.1.1. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của khóa luận bao gồm:
- Phần mềm LabVIEW kết hợp với bo mạch Arduino.
- Phương pháp tưới nhỏ giọt cho cây trồng.
2.1.2. Phạm vi nghiên cứu
Phần mềm LabVIEW và cách thức giám sát, điều khiển nhà vườn khi kết
hợp với bo mạch Arduino.
2.2.

Nội dung nghiên cứu
-

Nội dung 1: Phần mềm LabVIEW và bo mạch Arduino Uno.
Nội dung 2: Phương pháp tưới nhỏ giọt cho cây trồng.
Nội dung 3: Xây dựng phần cứng cuả mô hình tưới nhỏ giọt.
Nội dung 4: Xây dựng giao diện và chương trình phần mềm.
Nội dung 5: Hoàn thiện, chạy thử, đánh giá kết quả hoạt động của hệ

thống.
2.3.

Phương pháp nghiên cứu

2.3.1. Tiến trình thực hiện nghiên cứu
Tiến trình nghiên cứu được chia làm các bước sau:
- Bước 1: Tìm hiểu công nghệ tưới cây và các phương pháp điều khiển, các

vấn đề thực tế có liên quan đến điều khiển độ ẩm trong nhà vườn.
- Bước 2: Thiết kế bộ điều khiển giám sát hệ thống tưới nước.
- Bước 3: Xây dựng và thi công mô hình phần cứng cuả bộ điều khiển.
- Bước 4: Thiết kế giao diện điều khiển, viết chương trình điều khiển trên
phần mềm LabVIEW.
- Bước 5: Chạy thử, đánh giá sự ổn định cuả hệ thống.


iv
2.3.2. Phương pháp thực hiện nội dung 1: Phần mềm LabVIEW và bo mạch
Arduino Uno.
a) Giới thiệu phần mềm LabVIEW
LabVIEW (viết tắt của nhóm từ Laboratory Virtual Instrumentation
Engineering Workbench) là một phần mềm máy tính được phát triển bởi công ty
National Instruments, Hoa kỳ. LabVIEW còn được biết đến như là một ngôn
ngữ lập trình với khái niệm hoàn toàn khác so với các ngôn ngữ lập trình truyền
thống như ngôn ngữ C, Pascal. Bằng cách diễn đạt cú pháp thông qua các hình
ảnh trực quan trong môi trường soạn thảo, LabVIEW đã được gọi với tên khác
là lập trình G (viết tắt của Graphical, nghĩa là đồ họa).

Hình 2.7. Phần mềm LabVIEW 2014
LabVIEW được tích hợp đầy đủ cho việc truyền tin thông qua các phần
cứng như RS-232, RS-485, GPIB, VXI, PXI,.. Do đó LabVIEW có khả năng
thiết lập mạng truyền thông chuyên dụng cho việc trao đổi tín hiệu giữa các máy
tính trong mạng truyền thông công nghiệp.
LabVIEW có các thư viện đầy đủ dùng cho thu nhập, phân tích, hiển thị
và lưu trữ dữ liệu. Phần mềm này cũng có các công cụ phát triển phần mềm
truyền thống. Người sử dụng có thể tạo ra các điểm dừng, chạy mô phỏng từng

iv
phần cuả chương trình hoặc cả chương trình, điều này giúp cho quá trình xây
dựng hệ thống trở nên đơn giản hơ rất nhiều.
LabVIEW có 3 thành phần là Front Panel, Block Diagram và Icon
connector.
▪ Môi trường phát triển LabVIEW
 Nền tảng phát triển đồ họa LabVIEW cho thiết kế, điều khiển và đo
lường.
 Phát triển nhanh với công nghệ Express: sử dụng Express VIs và I/O
nhanh chóng tạo ra các ứng dụng đo lường phổ biến mà không cần lập trình.
 Hàng nghìn chương trình minh họa.
 Kiểu module và phân cấp.
 Trợ giúp tích hợp.
 Thư viện giao diện người sử dụng kéo và thả.
 Hàng nghìn chức năng lập sẵn.
 Ngôn ngữ được biên dịch để thực hiện nhanh hơn.

Hình 2.8. Môi trường phát triển cuả phần mềm LabVIEW


iv
▪ Tín hiệu thu nhận
Môi trường LabVIEW mở tương thích với mọi phần cứng đo với các trợ
giúp tương tác, tạo mã nguồn và khả năng kết nối tới hàng nghìn thiết bị giúp
tập hợp dữ liệu dễ dàng. Vì LabVIEW cung cấp tính kết nối tới hầu hết mọi thiết
bị đo, nên bạn có thể dễ dàng kết hợp những ứng dụng LabVIEW mới vào các
hệ thống hiện tại.
Bất chấp mọi yêu cầu của phần cứng, LabVIEW cung cấp một giao diện
để kết nối tới I/O một cách dễ dàng. Thông tin chi tiết có tại trang web
ni.com/labviewtools.

▪ Phân tích
Tính năng phân tích mạnh mẽ, dễ sử dụng là điều không thể thiếu cho ứng
dụng phần mềm của bạn. LabVIEW có hơn 500 chức năng lập sẵn để trích xuất
thông tin hữu ích từ dữ liệu thu nhận được, phân tích các phép đo và xử lí tín
hiệu. Các chức năng phân tích tần số, phát tín hiệu, toán học, chỉnh lí đường
cong, phép nội suy cho phép bạn nhận được số liệu thống kê quan trọng từ dữ
liệu của mình. Dù thuật toán cơ bản có phức tạp đến đâu đi nữa thì công cụ phân
tích LabVIEW vẫn rất dễ sử dụng.
▪ Hiển thị
Hiển thị dữ liệu bao gồm các chức năng: trực quan, tạo báo cáo và quản lí
dữ liệu. LabVIEW bao gồm các công cụ trực quan giúp hiển thị dữ liệu hấp dẫn,
trong đó có các tiện ích vẽ biểu đồ và đồ thị cùng các công cụ trực quan 2D, 3D
cài sẵn. Bạn có thể nhanh chóng cấu hình lại các thuộc tính của phần hiển thị
như màu sắc, kích cỡ phông, kiểu đồ thị; quay, phóng to thu nhỏ và quay quét
(pan) đồ thị khi đang chạy. Thêm vào đó, bạn có thể xem và điều khiển VIs qua
Internet bằng LabVIEW.


iv
Đối với việc tạo báo cáo, NI cung cấp một số tùy chọn như công cụ tạo tài
liệu, báo cáo dạng HTML, báo cáo dạng Word/Excel và báo cáo tương tác với
NI DIAdem.
▪ Công cụ bổ sung cho nhà phát triển LabVIEW
Ngoài tính năng tích hợp trong các hệ thống phát triển LabVIEW Base,
Full và Professional, bạn có thể tận dụng rất nhiều công cụ để mở rộng ứng dụng
và tăng tốc độ phát triển.
▪ Công cụ phát triển
Máy phân tích LabVIEW VI: Nâng cao và chứng minh chất lượng mã
bằng cách phân tích các ứng dụng mã hóa.

Hình 2.9. Phần mềm VI Package Manager 2017
Bộ dụng cụ biểu đồ trạng thái LabVIEW: tạo mã LabVIEW tương tác dựa
trên kiến trúc trạng thái máy.
Bộ dụng cụ phát triển LabVIEW Express VI: tạo Express VIs để phân
phối cho đồng nghiệp và khách hàng.


iv
▪ Tạo báo cáo và tính kết nối
 Bộ dụng cụ tạo báo cáo LabVIEW cho Microsoft Office: tạo báo cáo lập
trình cho Microsoft Word/Excel.
 Bộ dụng cụ kết nối cơ sở dữ liệu LabVIEW: kết nối tới cơ sở dữ liệu nhờ
công nghệ Microsoft ADO và tính năng SQL hoàn thiện.
 DIAdem: phân tích dữ liệu và tạo báo cáo bằng toán học và hình ảnh.
▪ Xử lý và phân tích tín hiệu
 Bộ dụng cụ thiết kế bộ lọc số LabVIEW: thiết kế, phân tích và lắp đặt các
bộ lọc số bằng công cụ tương tác.
 Bộ dụng cụ xử lí tín hiệu tiên tiến LabVIEW: bổ sung thêm chức năng để
liên kết phân tích Thời gian- Tần số, …
 Bộ dụng cụ điều biến cho LabVIEW: tạo, xử lí và phân tích các lược đồ
điều biến tương tự và số.
 Module phát triển LabVIEW Vision: thu nhận, xử lí và hiển thị hình ảnh.
b) Ngôn ngữ lập trình đồ hoạ
▪ So sánh lập trình dạng đồ hoạ với lập trình dạng chữ


Giống nhau:
- Các khối phần tử trong lập trình đồ hoạ giống với các câu lệnh trong lập

trình dạng chữ.

- Cả hai kiểu lập trình đều phải biên dịch trước khi thực hiện khởi chạy.
- Dạng lập trình nào cũng phải có các thành phần như thuật toán, giá trị đầu
vào, giá trị đầu ra.
- Các dấu kí tự liên kết câu lệnh trong dạng chữ được thay bằng các dây nối
trong lập trình dạng đồ hoạ.


Khác nhau:
Bảng 2.1. So sánh ngôn ngữ lập trình đồ hoạ với lập trình dạng chữ
Lập trình dạng đồ hoạ
Ngôn ngữ là dạng đồ hoạ
Lập trình song song

Lập trình dạng chư
Ngôn ngữ dạng text (C,
pascal,...)
Lập trình tuần tự


iv
Dây dẫn biểu hiện cho dãy ước lượng
Sử dụng dạng dữ liệu để xác định lệnh Sử dụng dòng lệnh để xác định
thực thi
lệnh thực thi
▪ Những thuận lợi và bất lợi khi sử dụng ngôn ngữ lập trình đồ hoạ


Thuận lợi
- Xây dựng các dụng cụ điều khiển và hiển thị giống như thật, quá trình

thực hiện nhanh chóng.
- Lập trình khá dễ dàng với khả năng hiển thị trực quan.
- Khả năng thực hiện những script mà được gửi từ rất xa từ bất kì ứng dụng
nào có quyền truy cập vào NI Socket Server (giao thức TCP/ IP có thể sử dụng
tốt).


Bất lợi
- Là một ngôn ngữ lập trình mới nên khó khăn trong bước đầu tiếp cận.
- Có thể bị rối trong quá trình làm việc.
- Lập trình LabVIEW căn bản.

c) Lập trình cơ bản trong phần mềm LabVIEW
Những chương trình trong phần mềm LabVIEW thiết kế dụng cụ, thiết bị,
bộ thí nghiệm được gọi là các thiết bị ảo (Virtual Instrument- VI), hình dạng và
cách thức hoạt động cuả những VI giống với các thiết bị vật lí thực tế, ví dụ như
máy dao động hiện sóng, điều khiển mực chất lỏng, điều khiển nhiệt độ, các
công tắc đóng ngắt, các nút nhấn,.. Mỗi thiết bị ảo sử dụng những hàm mà tín
hiệu đầu vào từ giao diện người dùng hoặc từ những nguồn khác, sau đó xử lí và
hiển thị ra thông tin đó hoặc truyền dữ liệu tới các máy tính khác.
▪ Giao diện người dùng (Front Panel)
Front Panel là giao diện tiếp xúc với người khi sử dụng. Giao diện này
được tạo nên bằng cách sử dụng bộ điều chỉnh dữ liệu(Controls) và dụng cụ hiển
thị dữ liệu đã được xử lí (Indicator). Controls là các đối tượng được đặt trên
Front Panel để cung cấp dữ liệu cho các khối chương trình, nó tương tự như đầu
vào cung cấp dữ liệu. Indicator là đối tượng được đặt trên Front Panel dùng để
hiển thị kết quả, nó như bộ phận đầu ra cuả chương trình.


iv



Control Palette
Control Palette chỉ sử dụng được trong Front Panel.

Hình 2.10. Danh sách các thiết bị ảo trong Control Palette
Để truy xuất Control Palette có thể làm bằng những cách sau:
Cách 1: Từ menu chương trình, chọn theo đường dẫn View\ Control Palette
Cách 2: Nhấn chuột phải vào khoảng trống trong giao diện Front Panel.
Theo mặc định, Control Palette xuất hiện theo khung nhìn kiểu Express.
Chế độ xem này bao gồm các ô với mỗi ô là một nhóm những thiết bị ảo có
chung chức năng, các thư viện có các thiết bị mở rộng theo nhu cầu cuả từng
người dùng. Cách hiển thị này đem lại sự thuận tiện, nhanh chóng trong khi thiết
kế.


iv


Numeric
Numeric chỉ sử dụng được trong Front Panel.

Hình 2.11. Danh sách các thiết bị ảo trong Numeric
Bộ công cụ Numeric được sử dụng khi người dùng cần thiết kế giao diện
nhập liệu. Có nhiều lựa chọn phương thức nhập liệu để người sử dụng thiết kế,
có thể sử dụng ô nhập số từ bàn phím, cũng có thể sử dụng thanh gạt để thay đổi
giá trị. Ngoài ra, các thiết bị này có thể sử dụng để hiển thị giá trị.


Boolean Controls

Boolean Controls chỉ sử dụng được trong Front Panel.
Bộ công cụ này cung cấp 2 giá trị là True và False. Khi thực hiện chương

trình sử dụng để điều khiển giá trị cuả thiết bị. Việc thay đổi giá trị cuả các thiết
bị chỉ có tác dụng khi các thiết bị ảo đó được xác lập ở chế độ là Control, còn ở


iv
chế độ là Indicator thì chúng chỉ là các thiết bị hiển thị. Sử dụng các đối tượng
trong bộ công cụ để mô phỏng các thiết bị chuyển mạch, các nút bấm và đèn
LED.

Hình 2.12. Danh sách các thiết bị ảo trong Boolean
Để truy cập For Loop ta chọn Menu: Control\ Modern\ Boolean


Graphs
Graphs chỉ sử dụng được trong Front Panel.
Biểu đồ (Char) và đồ thị (Graphs) cho phép hiển thị dữ liệu dưới dạng đồ

hoạ. Char không những vẽ biểu đồ mà còn cập nhật dữ liệu mới vào đồ thị.