Đồ án Thi công mô hình hệ thống trồng hoa lan

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:
Chuyên ngành:
Hệ đào tạo:
Khóa:

Nguyễn Quang Thạnh
Phan Thanh Triều
Điện tử công nghiệp
Đại học chính quy
2014

MSSV: 14141294
MSSV: 14141330
Mã ngành: 41
Mã hệ: 1
Lớp: 14141DT2A
14141DT3A

I. TÊN ĐỀ TÀI: THI CÔNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG TRỒNG HOA LAN.
II. NHIỆM VỤ
1. Các số liệu ban đầu:
- Kit Arduino Mega, NodeMCU và ngôn ngữ lập trình.
- Tài liệu về Arduino Mega, NodeMCU, Firebase.
- Thư viện về LCD, step motor, Arduino, ESP 8266, Firebase.
2. Nội dung thực hiện:
• Nội dung 1: Tìm hiểu và nghiên cứu về các module Arduino, mod ule
ESP8266, module L298, động cơ bước, cảm biến DHT11, cảm biến ánh
sáng, cảm biến mưa, cảm biến độ ẩm đất.
• Nội dung 2: Giao tiếp Module ESP 8266 với Arduino Mega 2560.
• Nội dung 3: Điều khiển các thiết bị theo cảm biến và thời gian thực.

• Nội dung 4: Hiển thị thông tin trên web FireBase.
• Nội dung 5: Thiết kế, lập trình và điều khiển thiết bị qua điện thoại.
• Nội dung 6: Thiết kế mô hình sản phẩm.
• Nội dung 7: Đánh giá kết quả thực hiện.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
18/02/2019
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 05/07/2019
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Nguyễn Thanh Tâm
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

i


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

----o0o----

Tp. HCM, ngày 5 tháng 07 năm 2019

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên 1: Nguyễn Quang Thạnh
Lớp:14141DT2A
Họ tên sinh viên 2: Phan Thanh Triều
Lớp: 14141DT3A

MSSV: 14141294
MSSV: 14141330

Tên đề tài: Thi công mô hình hệ thống trồng hoa Lan.
Tuần/ngày
Tuần 1
(18/02/2019)
Tuần 2
(25/02/2019)

Nội dung

Xác nhận GVHD

Nhận đồ án , tìm hiểu đề tài
Chọn và tìm hiểu đề tài.

Tuần 3,4, 5
(04/03 – 24/03/2019)

Tìm hiểu và nghiên cứu giao tiếp
Module ESP 8266-12 với Arduino Mega
2560.

Tuần 6, 7, 8

(25/03 – 14/04/2019)

Điều khiển các thiết bị theo cảm biến.

Tuần 9,10, 11, 12
(14/04 – 05/05/2019)

Thiết kế và lập trình ứng dụng trên điện
thoại thông minh và gửi các hoạt động
lên Firebase.

Tuần 13, 14
(06/05 - 19/05/2019)
Tuần 15
(20/05/2019)
Tuần 16
10/06/2019

Tìm hiểu thiết kế mô hình sản phẩm.
Hoàn thành báo cáo, kiểm ra các phần
cứng.
Hoàn thành nhiệm vụ đồ án

GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)

ii


LỜI CAM ĐOAN

Đề tài này là do chúng tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu và không sao chép
từ tài liệu hay công trình đã có trước đó. Nếu có bất kỳ sự gian lận nào chúng tôi xin
chịu trách nhiệm về nội dung đồ án của mình.
Người thực hiện
Nguyễn Quang Thạnh – Phan Thanh Triều

iii


LỜI CẢM ƠN

Chúng em xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ
Thuật TP.HCM đã tận tình dạy dỗ chúng em trong suốt những năm qua. Trong đó phải
kể đến quý thầy cô trong khoa Điện – Điện Tử đã truyền đạt những kiến thức, kinh
nghiệm cùng với sự đam mê của mình như đốt lên những ngọn lửa đam mê khám phá
trong mỗi chúng em và rồi từ những kiến thức, đam mê đó chúng em kết lại thành một
đồ án cuối cùng, đồ án tốt nghiệp do chính tay mình tạo ra, nó như một bàn đạp đầu tiên
để bước vào những cánh cửa lớn hơn.
Đặc biệt, Chúng em xin cảm ơn sâu sắc thầy Nguyễn Thanh Tâm đã giúp đỡ
chúng em trong quá trình lựa chọn đề tài và hỗ trợ chúng em trong quá trình thực hiện
đề tài. Trong quá trình thực hiện đồ án cũng xảy ra nhiều khó khăn, thiếu sót nhưng
được sự đôn đốc và góp ý của thầy chúng em đã gặt hái được nhiều kiến thức và kinh
nghiệm.
Chúng em cũng không quên cảm ơn đấng sinh thành, những người thân trong
gia đình đã luôn động viên và tạo những điều kiện tốt nhất trong cuộc sống, trong học
tập cũng như trong quá trình thực hiện và hoàn thành đề tài.
Cám ơn Sư Phạm Kỹ Thuật!
Xin chân thành cám ơn!

Người thực hiện để tài
Nguyễn Quang Thạnh – Phan Thanh Triều

iv


MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .......................................................................... i
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ...............................................ii
LỜI CAM ĐOAN..................................................................................................... iii
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iv
DANH MỤC HÌNH ................................................................................................viii
DANH MỤC BẢNG.................................................................................................. xi
TÓM TẮT ................................................................................................................ xii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ...................................................................................... 1
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ .................................................................................................. 1
1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI ......................................................................................... 2
1.3 NỘI DUNG THỰC HIỆN ................................................................................. 2
1.4 GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI ................................................................................. 2
1.5 BỐ CỤC ĐỒ ÁN .............................................................................................. 3
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .......................................................................... 4
2.1 QUY TRÌNH TRỒNG HOA LAN .................................................................... 4
2.1.1 Đặt tính sinh trưởng của hoa lan ................................................................. 4
2.1.2 Mô tả quy trình chăm sóc ........................................................................... 6
2.2 QUY TRÌNH HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ............................................... 6
2.3 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG .......................................................................... 6
2.3.1 Tổng quan arduino mega 2560 ................................................................ 6
2.3.2 Giới thiệu LCD 20x4 ................................................................................ 8
2.3.3 Cảm biến độ ẩm đất .................................................................................. 10

2.3.4 Cảm biến mưa .......................................................................................... 11
2.3.5 Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm .................................................................... 12
v


2.3.6 Cảm biến đo thời gian .............................................................................. 13
2.3.7 Cảm biến ánh sáng ................................................................................... 14
2.3.8 Tổng quan Module ESP8266 .................................................................... 15
2.3.9 Giới thiệu Module L298 ........................................................................... 18
2.3.10 Động cơ bước ....................................................................................... 20
2.3.11 Bơm mini ............................................................................................... 20
2.3.12 Đèn ........................................................................................................ 21
2.3.13 Nút nhấn................................................................................................. 22
2.3.14 Giới thiệu Firebase .............................................................................. 22
2.3.15 Giới thiệu mạch Bluetooth HC-05 ...................................................... 23
2.3.16 Giới thiệu Module Relay ......................................................................... 25
2.3.17 Giới thiệu về chuẩn I2C ...................................................................... 26
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ........................................................... 28
3.1 GIỚI THIỆU ................................................................................................. 28
3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG .................................................. 28
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ................................................................. 28
3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch .................................................................... 30
3.2.3 Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch.............................................................. 41
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG ............................................................. 42
4.1 THI CÔNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN .................................................................. 42
4.2 THI CÔNG BẢNG ĐIỀU KHIỂN .................................................................. 44
4.3 TIẾN HÀNH THI CÔNG VÀ LẮP RÁP HỆ THỐNG HOÀN CHỈNH .......... 44
4.3.1 Mặt trước ................................................................................................. 45
4.3.2 Mặt bên .................................................................................................... 46
4.3.3 Mặt trên.................................................................................................... 47

4.4 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT ............................................................................... 49
4.5 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM LẬP TRÌNH ................................................. 54
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ ........................................... 71
vi


5.1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC .................................................................................. 71
5.2 KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG: .................................................... 72
5.2.1 Quá trình chạy ứng dụng trên điện thoại và hiển thị trên web ....... 72
5.2.2 Quá trình vận hành trên phần cứng hệ thống ....................................... 74
5.3 NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ ............................................................................. 77
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................. 78
6.1 KẾT LUẬN ................................................................................................... 78
6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN................................................................................. 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 79
DATASHEET ........................................................................................................ 79
CODE THAM KHẢO ............................................................................................. 80
➢

ĐOẠN CODE CHƯƠNG TRÌNH CHÍNH ............................................. 80

➢

ĐOẠN CODE CHƯƠNG TRÌNH ESP8266 ........................................... 96

vii


DANH MỤC HÌNH
Hình 2-1: Board Arduino Mega 2560. .......................................................................... 7

Hình 2-2: Màn hình LCD 20x4. ................................................................................... 8
Hình 2- 3: Cảm biến độ ẩm đất. ................................................................................. 10
Hình 2- 4: Cảm biến mưa. .......................................................................................... 11
Hình 2-5: Cảm biến DHT11. ...................................................................................... 12
Hình 2-6: Sơ đồ chân Realtime. ................................................................................. 13
Hình 2-7: Module Realtime. ...................................................................................... 13
Hình 2-8: Sơ đồ nguyên lý Realtime. ......................................................................... 14
Hình 2- 9: Cảm biến ánh sáng. ................................................................................... 14
Hình 2-10: Module NodeMCU 8266.......................................................................... 16
Hình 2-11: Sơ đồ chân và sơ đồ kết nối...................................................................... 17
Hình 2-12: Module L298 ........................................................................................... 18
Hình 2-13: Sơ đồ chân và sơ đồ kết nối...................................................................... 19
Hình 2-14: Động cơ bước. ......................................................................................... 20
Hình 2-15: Bơm 12 VDC ........................................................................................... 21
Hình 2-16: Đèn trái ớt ................................................................................................ 21
Hình 2- 18: Nút nhấn 4 chân. ..................................................................................... 22
Hình 2- 19: Giao diện FireBase.................................................................................. 23
Hình 2- 20: Module HC - 05 ...................................................................................... 23
Hình 2- 21: Mặt sau của module HC - 05 ................................................................... 24
Hình 2-22: Module Relay Mức Cao ........................................................................... 26
Hình 2- 23: Module Relay mức thấp. ......................................................................... 26
Hình 2-24: Sơ đồ truyền I2C. ..................................................................................... 27
Hình 3-1: Sơ đồ khối.................................................................................................. 28
Hình 3-2: Sơ đồ nguyên lý các cảm biến. ................................................................... 32
Hình 3-3: Sơ đồ nguyên lý Realtime. ......................................................................... 33
Hình 3-4: Sơ đồ nguyên lý Relay. .............................................................................. 34
Hình 3-5: Sơ đồ nguyên lý L298. ............................................................................... 35
Hình 3-6: Sơ đồ nguyên lý LCD 20x4. ....................................................................... 36
viii

Hình 3-7: Sơ đồ nguyên lý khối ESP8266. ................................................................. 37
Hình 3-8: Sơ đồ nguyên lý khối Bluetooth HC 05 ...................................................... 37
Hình 3-9: Bơm 12 VDC ............................................................................................. 38
Hình 3-10: Sơ đồ nguyên lý khối ............................................................................... 39
Hình 3-11: Đèn trái ớt ................................................................................................ 39
Hình 3-12: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch. ..................................................................... 41
Hình 4-1: Sơ đồ bố trí linh kiện mặt trên. ................................................................... 43
Hình 4-3: Sơ đồ bố trí linh kiện mặt trên. ................................................................... 44
Hình 4-4: Sơ đồ bố trí linh kiện lớp dưới.................................................................... 44
Hình 4-5: Sơ đồ bố trí thiết bị mặt trước. ................................................................... 45
Hình 4-6: Hình ảnh thực tế mặt trước......................................................................... 45
Hình 4-7: Sơ đồ bố trí thiết bị mặt bên. ...................................................................... 46
Hình 4-8: Hình ảnh thực tế mặt bên. .......................................................................... 47
Hình 4-9: Sơ đồ bố trí thiết bị mặt trên....................................................................... 47
Hình 4-10: Hình ảnh thực tế mặt bên. ........................................................................ 48
Hình 4-11: Lưu đồ chương trình code điều khiển. ...................................................... 49
Hình 4-12: Lưu đồ chế độ tự động ............................................................................. 50
Hình 4-13: Lưu đồ chế độ điều khiển ......................................................................... 51
Hình 4-14: Lưu đồ truyền nhận dữ liệu lên Firebase. ................................................. 52
Hình 4-15: Lưu đồ điều khiển trên App ..................................................................... 53
Hình 4-16: Quy trình làm việc của arduino ................................................................ 54
Hình 4-18: Giao diện menu arduino IDE.................................................................... 55
Hình 4-19: Giao diện file menu arduino IDE. ............................................................ 55
Hình 4-20: Giao diện Examples menu ....................................................................... 55
Hình 4-21: Giao diện Sketch Menu Arduino IDE....................................................... 56
Hình 4-23: Giao diện Tool Menu Arduino IDE .......................................................... 57
Hình 4-24: Board Arduino sử dụng ............................................................................ 57
Hình 4-25: Arduino Toolbar ...................................................................................... 58
Hình 4-26: Chương trình nạp thành công. .................................................................. 58

Hình 4-27: Giao diện phần mềm Inventor. ................................................................. 59
Hình 4- 28: Giao diện thiết kế. ................................................................................... 60
ix


Hình 4- 29: Chọn chế độ làm việc. ............................................................................. 60
Hình 4- 30: Khối lệnh Block. ..................................................................................... 61
Hình 4- 31: Code Blocks............................................................................................ 61
Hình 4- 32: Vùng làm việc. ........................................................................................ 62
Hình 4- 33: Danh sách lệnh........................................................................................ 63
Hình 4- 34: Tạo giao diện mới ................................................................................... 64
Hình 4- 35: Kéo thả các khối lệnh .............................................................................. 64
Hình 4- 36: Tạo nút điều khiển bằng giọng nói .......................................................... 65
Hình 4- 37: Chọn Firebase để kết nối ......................................................................... 65
Hình 4- 38: Cân chỉnh và sắp xếp .............................................................................. 66
Hình 4- 39: Khối lệnh nút Auto và Manual ................................................................ 66
Hình 4- 40: Khối lệnh các nút nhấn khác ................................................................... 67
Hình 4- 41: Khối lệnh nút điều khiển bằng giọng nói ................................................. 67
Hình 4- 42: Khối lệnh cập nhật các thông số môi trường ........................................... 68
Hình 4- 43: Khối lệnh điều khiển các thiết bị ............................................................. 69
Hình 4- 44: Giao diện sau khi thiết kế. ....................................................................... 70
Hình 5-1: Giao diện điều khiển bằng Bluetooth ......................................................... 73
Hình 5-2: Giao diện điều khiển bằng Wifi ................................................................. 73
Hình 5-3: Giao diện web FireBase. ............................................................................ 73
Hình 5-4: Bảng điều khiển hoạt động. ........................................................................ 75
Hình 5-5: Màn hình LCD 20x4 hiển thị. .................................................................... 75
Hình 5-6: Hệ thống đang chạy. .................................................................................. 76

x

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2-1: Chức năng của các chân màn hình LCD 20x4.............................................. 9
Bảng 4-1: Danh sách linh kiện. .................................................................................. 42
Bảng 4-2: Kết quả chạy trên App điều khiển bằng Wifi ............................................. 74
Bảng 4-3: Kết quả chạy trên App điều khiển bằng Bluetooth ..................................... 74
Bảng 4-4: Kết quả chạy khi điều khiển trực tiếp trên hệ thống ................................... 76

xi


TÓM TẮT
Ngày nay công nghệ trở nên hiện đại, xu hướng mọi thứ điều sẽ được kết nối và
điều khiển thông qua mạng không dây wifi (Wireless Fidelity) và điều khiển các thiết bị
theo tự động hóa. Với ý tưởng giải quyết những bất cập của điều khiển tự động, nhóm
chúng em xin đưa ra đề tài: THI CÔNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG TRỒNG HOA LAN.
Hệ thống có các chức năng như sau:
•

Hệ thống hoạt động tự động thông qua các giá trị cài đặt nhiệt độ không khí, độ
ẩm không khí và độ ẩm đất sao cho phù hợp với chỉ số sinh trưởng của cây lan.
Sau đó, các giá trị cảm biến sẽ được gửi lên web để giám sát quá trình trồng lan.
Thêm nữa là chế độ tay cho phép người chăm sóc vườn lan trực tiếp điều khiển
tưới lan hay phun sương khi cần thiết.

•

Hệ thống mở rộng bao gồm:
o

Hệ thống đo nhiệt độ, đổ ẩm, ánh sáng và độ ẩm đất thông qua các cảm biến,
được hiển thị trực tiếp trên màn hình LCD, đồng thời cũng được hiển thị trên
giao diện web điều khiển tạo điều kiện thuận lợi cho người dùng có thể giám
sát hệ thống từ xa thông qua Internet.

o

Hệ thống có thể giám sát, điều khiển từ xa và điều khiển bằng giọng nói
thông qua ứng dụng trên điện thoại.

Khi cấp điện vào hệ thống, khởi động Arduino, module wifi ESP 8266, cảm biến
nhiệt độ độ ẩm DHT11, LCD, .... Sau khi khởi động xong mặc định sẽ hiển thị giá trị
cảm biến trên LCD và hệ thống chạy chế độ tự động. Muốn đổi chế độ thì ta nhấn phím
chế độ điều khiển tương ứng với chức năng chế độ tay, sau đó chỉ nhấn nút trên bảng
điều khiển thì có thể điều khiển trực tiếp.
Với đề tài này, nhóm hi vọng sẽ làm cơ sở nghiên cứu cho các nhóm sau có thể mở
rộng, phát triển nữa. Nếu được điều chỉnh tốt, ý tưởng này kết hợp với mô hình trang
trại thực tế với quy mô lớn sẽ trở thành một hệ thống lớn đáp ứng nhu cầu điều khiển,
quản lý tất cả các thiết bị một cách hiện đại, nâng cao đời sống tiện ích trong trồng trọt.

xii


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
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...
Nước ta là một đất nước nông nghiệp, tuy nhiên trong nhiều năm quy mô cũng như
chất lượng và sản lượng nông nghiệp của nước ta luôn thấp hơn so với các nước khác
mà nguyên nhân chính là việc công nghệ sản xuất của nước ta quá lạc hậu, chủ yếu dựa
vào tay chân. 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 vuông đến hàng chục hécta.
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
suất cao hơn, chất lượng tốt hơn. 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 cơ 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 “THI CÔNG MÔ HÌNH HỆ
THỐNG TRỒNG HOA LAN”.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
Thiết kế, thi công được mô hình quản lý trang trại gồm các mục tiêu cụ thể:
• Tìm hiểu được về sự sinh trưởng của hoa Lan mong muốn để từ đó nắm bắt
được những điều kiện nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng thích hợp với sự phát triển của
loại hoa này.
• Viết được phần mềm giao tiếp giữa arduino mega 2560 và máy tính, điện thoại.
• Thiết kế được hệ thống tự động chăm sóc thông qua việc giám sát các thông số
nhiệt độ, độ ẩm, cường độ ánh sáng.
• Viết được ứng dụng giám sát, điều khiển từ xa bằng điện thoại.
• Thiết kế được giao diện Firebase giám sát các trạng thái môi trường thông qua
mạng Internet.
1.3 NỘI DUNG THỰC HIỆN
• Nội dung 1: Tìm hiểu và nghiên cứu về cấu tạo phần cứng, nguyên lý
hoạt động, tính năng của các module Arduino, mod ule NODEMCU
ESP8266, module L298, động cơ bước, cảm biến DHT11, c ảm biến ánh
sáng, cảm biến mưa, cảm biến độ ẩm đất.
• Nội dung 2: Giao tiếp Module ESP 8266 với Arduino Mega 2560.
• Nội dung 3: Điều khiển các thiết bị theo cảm biến và thời gian thực.
• Nội dung 4: Hiển thị thông tin trên web FireBase.
• Nội dung 5: Thiết kế, lập trình và điều khiển thiết bị qua điện thoại.
• Nội dung 6: Thiết kế mô hình sản phẩm.
• Nội dung 7: Đánh giá kết quả thực hiện.
1.4 GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI
• Sử dụng vi điều khiển arduino mega 2560 để điều khiển.
• Chỉ thiết kế mô hình giám sát nhỏ trong trang trại.
• Chỉ sử dụng động cơ bước để điều khiển mái che, để mô phỏng mô hình trang trại.
• Sử dụng động cơ bơm nước 12V để cung cấp nước cho Lan.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.5 BỐ CỤC ĐỒ ÁN
• Chương 1: Tổng Quan.
• Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết.
• Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế Hệ Thống.
• Chương 4: Thi Công Hệ Thống.
• Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét, Đánh Giá.
• Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển.
Chương 1: Tổng Quan.
Chương này trình bày vấn đề dẫn nhập, lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên
cứu, các giới hạn và bố cục đồ án.
Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết.
Giới thiệu các linh kiện, thiết bị sử dụng thiết kế hệ thống, giao thức.
Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế Hệ Thống.
Tính toán thiết kế, đưa ra sơ đồ nguyên lí của hệ thống.
Chương 4: Thiết Kế Hệ Thống.
Thiết kế hệ thống, lưu đồ, đưa ra giải thuật và chương trình.
Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét, Đánh Giá.
Đưa ra kết quả đạt được sau một thời gian nghiên cứu, một số hình ảnh của hệ
thống, đưa ra những nhận xét, đánh giá toàn bộ hệ thống.
Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển.
Trình bày những kết luận về hệ thống những phần làm rồi và chưa làm, đồng thời
nếu ra hướng phát triển cho hệ thống.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

3

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 QUY TRÌNH TRỒNG HOA LAN
2.1.1 Đặc tính sinh trưởng của hoa lan
a. Ảnh hưởng của độ ẩm đến hoa Lan
Nước là thành phần quan trọng chiếm tỷ lệ 60-90% trọng lượng của cây Lan. Nước
ở trong cây ở 3 trạng thái. Phần lớn là nước tự do làm tan các chất, như nước ở nhựa
cây; chính sự thoát hơi nước làm cây héo đi vì mất lượng nước này. Phần còn lại là nước
liên kết như nước ở các mao quản, nước tẩm ở trong celuloz, ở trong tinh bột ... và cuối
cùng là nước cấu tạo dự phần mật thiết trong sinh thái của cây. Mất lượng nước này thì
cây sẽ chết.
Việc chọn địa điểm thích hợp cho việc lập vườn Lan sẽ giúp ta giảm được rất nhiều
công sức chăm sóc cho Lan, trong đó yếu tố độ ẩm là yếu tố quan trọng bậc nhất vì trong
thiên nhiên chính yếu tố độ ẩm chi phối việc xuất hiện các vùng có Lan. Về phương diện
này, cần lưu ý 3 loại độ ẩm:
• Độ ẩm của vùng là độ ẩm của khu vực rộng lớn, nơi mà ta sẽ thiết lập vườn Lan.
Độ ẩm của vùng do điều kiện địa hình, địa lý ở nơi ấy định đoạt. Ví dụ độ ẩm
của vùng cạnh sông rạch cao hơn độ ẩm của vùng đồng trống nhiều gió, độ ẩm
của vùng đồi trọc sẽ thấp hơn độ ẩm của vùng có vườn cây ăn trái ...
• Độ ẩm của vườn là độ ẩm chính ngay trong vườn lan, độ ẩm này có thể cải tạo
theo ý muốn bằng cách đào ao, làm mương rãnh, trồng cây, trải cát, làm giàn
che, tưới nước ...
• Độ ẩm trong chậu còn gọi là độ ẩm cục bộ, tuỳ thuộc cấu tạo giá thể (chất trồng),
thể tích của chậu, loại chậu, vị trí đặt chậu, cách tưới nước, nghĩa là hoàn toàn
tuỳ thuộc vào kỹ thuật của người trồng lan.
b. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hoa Lan
Nhiệt độ còn ảnh hưởng đến sự ra hoa của một số loài hoa Lan: hoa Lan Bạch câu

Dendrobium crumenatum đòi hỏi giảm nhiệt độ đột ngột khoảng 5-6 độ C trong vài giây
đồng hồ thì khoảng 9 ngày sau chúng sẽ nở hoa đồng loạt. Ở 18,5 độ C Paphiopedilum
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

4


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
insigne và Dendrobium nobile chỉ tiếp tục tăng trưởng mà không ra hoa nhưng chúng sẽ
ra hoa khi nhiệt độ hạ xuống 13 độ C hay thấp hơn.
Tuy nhiên, nếu nhiệt độ quá thấp thì sẽ làm cho nước trong tế bào của cây kết tinh
thành nước đá, làm gia tăng thể tích, phá vỡ các cấu trúc tế bào. Ngược lại, nhiệt độ tăng
quá cao thì sự quang hợp ngừng lại vì nguyên sinh chất trong tế bào đặc quánh lại do
mất nước, cây ngừng hô hấp và chết đi.
Và như vậy, chúng chỉ phát triển tốt nhất ở trong khoảng nhiệt độ cực đại là 35 độ
C, nhiệt độ tối hảo là 27 độ C. Rõ ràng nhu cầu nhiệt độ ở cây Lan có khác nhau nên ta
gặp chúng tập trung thành những nhóm Lan khác nhau ở những vùng nhiệt độ khác
nhau: Lan vùng núi cao, Lan vùng đồng bằng, Lan vùng nhiệt đới, Lan vùng ôn đới ….
Căn cứ vào nhu cầu nhiệt độ, ta chia Lan ra thành 3 nhóm:
• Nhóm ưa nóng: Chịu nhiệt độ ban ngày không dưới 21 độ C, ban đêm không
dưới 18,5 độ C. Chúng thường ở vùng nhiệt đới.
• Nhóm ưa lạnh: chịu nhiệt độ ban ngày không quá 14 độ C, ban đêm không quá
13 độ C. Chúng thường ở vùng hàn đới, ôn đới và các chỏm núi cao vùng nhiệt
đới.
• Nhóm chịu nhiệt độ trung bình: thích hợp với nhiệt độ ban ngày không dưới
14,5 độ C, ban đêm không dưới 13,5 độ C.
c. Một số ảnh hưởng khác
Độ thông thoáng cũng là một yếu tố cần thiết cho cây lan phát triển tốt. Không khí
nơi vườn lan cần được thay đổi mỗi phút. Nhiệt độ ở lá dưới ánh nắng vào bất kỳ thời
gian nào cũng luôn luôn cao hơn nhiệt độ của không khí quanh nó. Sự tổn thương do

nhiệt độ tuỳ vào thời gian phơi bày ra nắng. Không khí luân chuyển sẽ giúp tránh được
điều đó. Phần lớn cây lan chịu được nhiệt độ thấp của ban đêm, ngắn hạn thôi chứ không
dai dẳng. Ngược lại nhiệt độ cao dai dẳng trong đêm không tốt cho cây vì tiến trình hô
hấp gia tăng. Quang hợp thì diễn tiến suốt ngày còn hô hấp thì diễn ra suốt ngày và đêm.
Bằng cách làm chậm đi sự hô hấp về đêm, thì các chất tổng hợp được ban ngày sẽ không
bị sử dụng hết! Có thể làm giảm sự hô hấp ấy bằng cách hạ nhiệt độ ban đêm xuống.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

5


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Như vậy sự chênh lệch nhiệt độ giữa ngày và đêm (biên độ nhiệt) có ảnh hưởng đến sự
phát triển của cây lan.
2.1.2 Mô tả quy trình chăm sóc
Áp dụng quy trình tưới tự động với các giá trị đã được cài đặt trước như:
• Nhiệt độ trên – nhiệt độ dưới, đảm bảo biên độ nhiệt cho hoa Lan phát triển
tốt.
• Độ ẩm không khí trên – độ ẩm không khí dưới, đảm bảo sự thông thoáng và
nhiệt độ cho hoa Lan quang hợp.
• Độ ẩm đất trên - độ ẩm đất dưới, cung nước cho hoa Lan sinh trưởng tốt và
ra cây con. Đồng thời chế độ điều khiển cho phép trực tiếp tác động đến quá
trình chăm sóc Lan thông qua việc bật tắt các thiết bị như: Bơm tưới, phun
sương, bật đèn, đóng mở mái che. Người trồng Lan có thể trực tiếp giám sát
các thông số giá trị thông qua web.
2.2 QUY TRÌNH HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG
Mạch được điều khiển bởi Module Arduino Mega 2560 đóng vai trò điều khiển
trung tâm, Arduino điều khiển tiếp nhận giao tiếp với các module khác trong đề tài như:
WifiEsp, Cảm biến mưa, Cảm biến ánh sáng, cảm biến nhiệt độ - độ ẩm, cảm biến độ

ẩm đất, Module L298, Động cơ Bước, LCD 20x4... Sự kết hợp của các thiết bị sẽ tạo
nên một hệ thống tốt nhất, hiện đại hơn.
2.3 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG
2.3.1 Tổng quan arduino mega 2560
a. Giới thiệu Board Arduino Mega.
Arduino Mega2560 là một vi điều khiển bằng cách sử dụng ATmega2560. Arduino
Mega2560 khác với tất cả các vi xử lý trước giờ vì không sử dụng FTDI chip điều khiển
chuyển tín hiệu từ USB để xử lý. Thay vào đó, nó sử dụng ATmega16U2 lập trình như
là một công cụ chuyển đổi tín hiệu từ USB. Ngoài ra, Arduino Mega2560 cơ bản vẫn
giống Arduino Uno R3, chỉ khác số lượng chân và nhiều tính năng mạnh mẽ hơn, nên
các bạn vẫn có thể lập trình cho con vi điều khiển này bằng chương trình lập trình cho
Arduino Uno R3.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

6


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2-1: Board Arduino Mega 2560.
b. Thông số kỹ thuật
• Vi điều khiển chính: ATmega2560.
• IC nạp và giao tiếp UART: ATmega16U2.
• Nguồn nuôi mạch: 5VDC từ cổng USB hoặc nguồn ngoài cắm từ giắc tròn
DC (khuyên dùng 7-9VDC để đảm bảo mạch hoạt động tốt. Nếu bạn cắm
12V thì IC. ổn áp rất dễ chết và gây hư hỏng mạch).
• Số chân Digital : 54 (có 15 chân PWM).
• Số chân Analog: 16.
• Giao tiếp UART: 4 bộ UART.
• Giao tiếp SPI: 1 bộ (chân 50 đến 53) dùng với thư viện SPI của Arduino.

• Giao tiếp I2C: 1 bộ.
• Ngắt ngoài: 6 chân.
• Bộ nhớ Flash: 256 KB, 8KB sử dụng cho Bootloader.
• SRAM: 8 KB.
• EEPROM: 4 KB.
• Xung clock: 16 MHz.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

7


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.3.2 Giới thiệu LCD 20x4
a. Giới thiệu về màn hình LCD 20x4.
Ở các phần giao tiếp với led 7 đoạn có hạn chế vì chỉ hiển thị được các số từ 0 đến
9 hoặc số hex từ 0 đến F – không thể nào hiển thị được các thông tin kí tự khác nhưng
chúng sẽ được hiển thị đầy đủ trên LCD có rất nhiều dạng phân biệt theo kích thước từ
vài kí tự đến hàng chục kí tự từ 1 hàng đến vài chục hàng vì vậy để cho thuận tiện cho
việc hiển thị nên chúng ta sử dụng LCD. Ở đây chúng ta sử dụng LCD 20x4 có nghĩa là
có 4 hàng, mỗi hàng có 20 kí tự. Màn hình LCD 20x4 sử dụng IC Driver HD44780. Hỗ
trợ giao tiếp dữ liệu 4bits và 8bit có khả năng hiển thị 4 dòng mỗi dòng 20 ký tự màn
hình có độ bền cao màn hình LCD 20x4 bao gồm bộ điểu khiển và các vùng nhớ.
b. Cấu tạo màn hình LCD 20x4
Được cấu tạo gồm 14 chân: Các chân cấp nguồn Chân số 1 là chân nối mass(0V),
chân thứ 2 là chân VDD nối với nguồn 5V. Chân thứ 3 thường được nối với contrast
thường nối với biến trở. Các chân điều khiển chân số 4 là chân RS dùng để điều khiển
lựa chọn thanh ghi. Chân RW dùng để quá trình đọc và ghi. Chân E là chân cho phép
các chân dữ liệu D7-D0. Chân số 7 đến chân số 14 là 8 chân dùng để trao đổi giữa thiết
bị và LCD.

c. Chức năng và thông số hoạt động của LCD 20x4

Hình 2-2: Màn hình LCD 20x4.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

8


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
STT

TÊN CHÂN

CẤU HÌNH

CHỨC NĂNG

1

VSS

Power

GND

2

VDD

Power

+5V

3

VO

Analog

Contrast Control

4

RS

Input

RS=0 chọn thanh ghi lệnh
RS=1chọn thanh ghi giữ liệu

5

RW

Input

RW=0 thanh ghi viết
RW=1 thanh ghi đọc

6

E

7

D0

8

D1

9

D2

10

D3

11

D4

12

D5

13

D6

14

D7

Input

Cho phép

Chân truyền dữ liệu
I/0

Bảng 2-1: Chức năng của các chân màn hình LCD 20x4
Các thông số hoạt động và giới hạn:
• Có 3 vùng nhớ nội bộ: Bộ nhớ DDRAM Bộ nhớ phát ký tự ROM- CGROM,
bộ nhớ phát ký tự RAM-CGRAM.
• Khả năng hiển thị 20 ký tự mỗi hàng gồm 4 dòng.
• Giao tiếp 4bit hoặc 8bit.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

9


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.3.3 Cảm biến độ ẩm đất
a. Giới thiệu về cảm biến
Module cảm biến độ ẩm đất có thể được sử dụng cho các ứng dụng nông nghiêp,
tưới nước tự động cho các vườn cây khi đất khô, hoặc dùng trong các ứng dụng của hệ

thống nhà thông minh. Module cảm biến độ ẩm đất gồm hai phần:
• Đầu dò: Hai đầu đo của đầu dò được cắm vào đất để phát hiện độ ẩm. Dùng
dây nối giữa cảm biến và module chuyển đổi, khi độ ầm của đất đạt ngưỡng
thiết lập, đầu ra DO sẽ chuyển trạng thái từ mức thấp lên mức cao. Thông tin
về độ ẩm đất sẽ được đọc về và gởi tới module chuyển đổi.
•

Module chuyển đổi: Module chuyển đổi có cấu tạo chính gồm một IC so sánh
LM393, một biến trở, 4 điện trở dán 100 ohm 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 LM393. Khi độ
ẩm thấp hơn ngưỡng định trước, ngõ ra của IC là mức cao (1), ngược lại là
mức thấp (0).

Hình 2- 3: Cảm biến độ ẩm đất.
• Thông số kỹ thuật:
o Điện áp hoạt động: 3.3~5VDC
o Tín hiệu đầu ra:
▪ Analog: theo điện áp cấp nguồn tương ứng.
▪ Digital: High hoặc Low, có thể điều chỉnh độ ẩm mong muốn bằng
biến trở thông qua mạch so sánh LM393 tích hợp.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

10


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
b. Nguyên lý hoạt động
Sự hấp thụ độ ẩm (hơi nước) làm biến đổi thành phần cảm nhận trong cảm biến (ở
đây là các chat hóa học như LiCL, P2O5) làm thay đổi điện trở của cảm biến qua đó xác

định được độ ẩm. Khi thay đổi độ ẩm điện trở trên cảm biến thay đổi dẫn đến điện áp
đầu ra đưa vào cổng so sánh trên Opam thay đổi, điện áp này được so sánh với điện áp
đặt được đặt bằng biến trở, nếu điện áp đọc về từ cảm biến chưa vượt qua ngưỡng đặt
thì đầu ra D0 là mức thấp và led báo trạng thái không sáng, khi điện áp đầu vào vượt
qua ngưỡng đặt thì đầu ra D0 là mức cao và led báo trạng thái sẽ sáng lên.
2.3.4 Cảm biến mưa
Mạch cảm biến mưa gồm 2 bộ phận:
• Bộ phận cảm biến mưa được gắn ngoài trời.
• Bộ phận điều chỉnh độ nhạy cần được che chắn.

Hình 2- 4: Cảm biến mưa.
• Thông số kỹ thuật:
o Điện áp: 5V
o Có 2 dạng tín hiệu: Analog( AO) và Digital (DO)
o Dạng tín hiệu : TTL, đầu ra 100mA
o Điều chỉnh độ nhạy bằng biến trở.
o Sử dụng LM358 để chuyển AO --> DO.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

11


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
➢ Nguyên lí hoạt động:
Mạch cảm biến mưa hoạt động bằng cách so sánh hiệu điện thế của mạch cảm biến
nằm ngoài trời với giá trị định trước (giá trị này thay đổi được thông qua 1 biến trở màu
xanh) từ đó phát ra tín hiệu đóng ngắt rơ le qua chân D0. Vì vậy, chúng ta dùng một
chân digital để đọc tín hiệu từ cảm biến mưa.
Khi trời không mưa chân D0 của module cảm biến sẽ được giữ ở mức cao (5V).

Khi có nước trên bề mặt cảm biến có nước, đèn LED màu đỏ sẽ sáng lên, chân D0 được
kéo xuống thấp (0V).
2.3.5 Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm
• Sơ đồ chân của DHT11 như hình sau:

Hình 2-5: Cảm biến DHT11.
• Thông số kỹ thuật:
o Nguồn cung cấp: 3.5V-5.5V.
o Sử dụng tín hiệu số.
o Dòng cung cấp: 2.5 mA
o Đo độ ẩm: 20%-95%
o Nhiệt độ: 0-50 ℃
o Sai số độ ẩm: ±5%
o Sai số nhiệt độ: ±2%

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

12


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Để có thể giao tiếp với DHT11 theo chuẩn 1 chân vi xử lý thực hiện theo 2 bước:
• Gửi tín hiệu muốn đo (Start) tới DHT11, sau đó DHT11 xác nhận lại.
• Khi đã giao tiếp được với DHT11, Cảm biến sẽ gửi lại 5 byte dữ liệu và nhiệt
độ đo được.
2.3.6 Module thời gian thực
Chức năng của Realtime là 1 con chip thời gian thực, thời gian thực với ý nghĩa tuyệt
đối là giờ, phút giây….

Hình 2-6: Sơ đồ chân Realtime.

X1, X2: Là 2 chân kết nối thạch anh 32,768 Khz làm nguồn giao động cho chip.
VBAT: Cực dương của nguồn pin 3V nuôi chip.
GND: Chân mass chung cho cả pin 3V và Vcc.
Vcc: Nguồn cho giao diện I2C, thường là 5V.
SQW/OUT: Một ngõ phụ tạo xung vuông, tần số có thể lập trình được.
SCL và SDA: Là 2 đường truyền xung nhịp và dử liệu của giao diện I2C.

Hình 2-7: Module Realtime.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

13