Thiết kế hệ thống giám sát điều kiện tự nhiên và dinh dưỡng của vườn rau thủy canh
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (34.21 MB, 136 trang )
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT - CÔNG NGHỆ CẦN THƠ
KHOA KỸ THUẬT CƠ KHÍ
------------------
NGUYỄN XUÂN VINH
1600154
THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN
VÀ DINH DƯỠNG CỦA VƯỜN RAU THỦY CANH
Ngành: Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử
Mã số: 7510203
LUẬN VĂN ĐẠI HỌC
TP. CẦN THƠ, tháng 07 năm 2020
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT - CÔNG NGHỆ CẦN THƠ
KHOA KỸ THUẬT CƠ KHÍ
------------------
NGUYỄN XUÂN VINH
1600154
THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN
VÀ DINH DƯỠNG CỦA VƯỜN RAU THỦY CANH
Ngành: Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử
Mã số: 7510203
LUẬN VĂN ĐẠI HỌC
TP. CẦN THƠ, tháng 07 năm 2020
CƠNG TRÌNH LUẬN VĂN
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT - CÔNG NGHỆ CẦN THƠ
Cán bộ hướng dẫn: Ths. ĐƯỜNG KHÁNH SƠN
Luận văn đại học được bảo vệ tại Trường Đại học Kỹ thuật - Công nghệ Cần Thơ
ngày 22 tháng 7 năm 2020.
Thành phần Ban chấm đánh giá luận văn đại học gồm:
1. Trưởng ban: Ths. PHĨ HỒNG LINH
2. Ủy viên phản biện: Ths. PHẠM THÀNH CÔNG
3. Thư ký ban chấm: Ths. ĐƯỜNG KHÁNH SƠN
Xác nhận của Ban chấm đánh giá sau khi luận văn đã được sửa chữa.
TRƯỞNG BAN
Ths. Phó Hồng Linh
ỦY VIÊN PHẢN BIỆN
THƯ KÝ
Ths. Phạm Thành Công
Ths. Đường Khánh Sơn
SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH
I
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
KỸ THUẬT - CÔNG NGHỆ CẦN THƠ
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
KHOA KỸ THUẬT CƠ KHÍ
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN ĐẠI HỌC
Họ và tên sinh viên: Nguyễn Xuân Vinh
MSSV: 1600154
Ngày, tháng, năm sinh: 28/02/1998
Nơi sinh: Cần Thơ
Ngành: Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử
Mã số: 7510203
TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN VÀ
DINH DƯỠNG CỦA VƯỜN RAU THỦY CANH.
Nhiệm vụ:
Thiết kế hệ thống giám sát thông số môi trường và điều khiển thiết bị chấp
hành trong vườn rau thủy canh qua Internet.
Nội dung:
Xây dựng hệ thống tủ điều khiển để theo dõi thông số điều kiện tự nhiên và
dinh dưỡng lắp tại vườn rau thủy canh Minh Hịa (Quận Bình Thủy – TP Cần Thơ)
phục vụ cho quá trình sản xuất rau.
Xây dựng Server, Web: thu thập thông tin từ môi trường khơng khí và mơi
trường dung dịch dinh dưỡng gửi lên web để giám sát và điều khiển thiết bị.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Ths. ĐƯỜNG KHÁNH SƠN
THỜI GIAN GIAO ĐỀ TÀI:
21/1/2020
THỜI GIAN HOÀN THÀNH: 17/7/2020
Cần Thơ, ngày 29 tháng 07 năm 2020
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ
KHOA KỸ THUẬT CƠ KHÍ
SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH
II
LỜI CẢM ƠN
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn q thầy, cơ giảng viên Khoa Kỹ thuật Cơ khí,
Trường Đại học Kỹ thuật - Công nghệ Cần Thơ, đã giúp đỡ cung cấp các tài liệu
cần thiết và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tơi có thể hồn thành tốt đề tài luận
văn này.
Tơi xin chân thành cảm ơn Thầy Đường Khánh Sơn – Giảng viên hướng dẫn
đề tài, thầy đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất về cơ sở vật chất cũng như các tài
liệu tham khảo đồng thời cũng là người định hướng, góp ý các ưu khuyết điểm của
đề tài để luận văn đạt mức hồn chỉnh nhất có thể.
Tơi xin chân thành cảm ơn chú Nguyễn Cửu Long – giám đốc kỹ thuật, cơ
Lâm Việt Hịa – giám đốc tài chính cơng ty TNHH ĐẦU TƯ VÀ PHÁT TRIỂN
MINH HÒA đã tài trợ kinh phí và cho phép tơi lắp đặt hệ thống chạy thử nghiệm tại
công ty.
Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến người thân, gia đình, cha mẹ đã tạo mọi
điều kiện về mặt kinh tế cũng như động viên tinh thần để tơi có một q trình
nghiên cứu tập trung và đạt kết quả tốt.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè cũng như các anh chị đi trước đã hỗ trợ và
chia sẻ kiến thức, kinh nghiệm của mình cho tơi trong suốt q trình làm luận văn.
Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn!
Cần Thơ, ngày 29 tháng 07 năm 2020.
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Xuân Vinh
SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH
III
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập của tơi. Các
số liệu sử dụng phân tích và số liệu thu thập được trong luận văn có nguồn gốc rõ
ràng, đã cơng bố đúng theo qui định.
Những nội dung trình bày trong luận văn là những kiến thức của tơi tích lũy
trong quá trình học tập, nghiên cứu là trung thực, khách quan và phù hợp với thực
tiễn, những phần tôi nghiên cứu, trích dẫn đều được nêu trong phần các tài liệu
tham khảo. Nếu những phần nêu trên không đúng sự thật, tơi xin cam đoan chịu
hồn tồn trách nhiệm.
Cần Thơ, ngày 29 tháng 07 năm 2020.
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Xuân Vinh
SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH
IV
TÓM TẮT LUẬN VĂN
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Tên đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN
VÀ DINH DƯỠNG CỦA VƯỜN RAU THỦY CANH
Mục tiêu nghiên cứu:
Theo dõi các yếu tố tự nhiên bên trong nhà lưới vườn rau thủy canh như:
Nhiệt độ, độ ẩm khơng khí, cường độ ánh sáng, nhiệt độ dung dịch, nồng độ hòa tan
chất rắn trong dung dịch dinh dưỡng.
Thiết kế hệ thống điều khiển các thiết bị: máy bơm dung dịch, đèn, quạt,
phun sương, máy che.
Áp dụng tổng hợp các kiến thức đã học trong chuyên ngành Cơ điện tử vào
thực tế, tìm hiểu và nghiên cứu thêm các kiến thức về IoT.
Kết quả nghiên cứu đạt được:
Ứng dụng được kiến thức tổng hợp vào đề tài.
Tìm hiểu, làm quen và nghiên cứu về các linh kiện và cảm biến: Arduino,
cảm biến nhiệt độ, độ ẩm khơng khí DHT21, cảm biến cường độ ánh sáng BH1705,
cảm biến nhiệt độ…, cảm biến nồng độ hịa tan chất rắn TDS.
Thiết kế, chế tạo hồn chỉnh hệ thống tủ điện cũng như hệ thống trang web
theo dõi Realtime.
Có thể vận hành hệ thống theo 2 cách: tự động (Auto) hoặc tay (Manual).
SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH
V
MỤC LỤC
MỤC LỤC
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI....................................................... I
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN ĐẠI HỌC .................................................................... II
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................... III
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................... IV
TÓM TẮT LUẬN VĂN........................................................................................ V
MỤC LỤC...............................................................................................................i
DANH MỤC HÌNH .............................................................................................. vi
DANH MỤC BẢNG .............................................................................................. x
DANH MỤC CHỮ VIẾT TĂT ..........................................................................xiii
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI ................................................................... 4
1.1. Cơng trình nghiên cứu trong và ngồi nước. ................................................. 4
1.1.1. Công nghệ tưới nhỏ giọt Israel............................................................... 4
1.1.2. Công nghệ trồng rau thủy canh .............................................................. 6
1.1.2.1 . Hệ thống thủy canh dạng bấc ...................................................... 7
1.1.2.2 . Hệ thống thủy canh tĩnh .............................................................. 8
1.1.2.3 Hệ thống thủy canh hồi lưu ........................................................... 8
1.1.2.4 Giá thể trồng rau thủy canh ........................................................... 9
1.1.3. Cơng nghệ trồng rau khí canh .............................................................. 10
1.2. Hệ thống IoT .............................................................................................. 11
1.2.1. Khái niệm ............................................................................................ 11
1.2.2. Ứng dụng ............................................................................................ 13
1.2.2.1. Nhà thơng minh ......................................................................... 13
1.2.2.2. Sản phẩm có thể đeo được.......................................................... 14
1.2.2.3. Thành phố thông minh ............................................................... 14
1.2.2.4. Mạng lưới thông minh................................................................ 15
1.2.2.5. Internet công nghiệp................................................................... 15
1.2.2.6. Xe được kết nối .......................................................................... 16
1.2.2.7. Sức khỏe được kết nối ................................................................ 16
SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH
i
MỤC LỤC
1.2.2.8. Bán lẻ thông minh ...................................................................... 17
1.2.2.9. Chuỗi cung ứng thông minh ....................................................... 18
1.2.2.10. Canh tác thông minh ................................................................ 18
1.3. Các mơ hình trồng rau cơng nghệ cao ......................................................... 19
1.3.1. Nhà kính .............................................................................................. 19
1.3.1.1 Khái niệm ................................................................................... 19
1.3.1.2 Ưu điểm ...................................................................................... 19
1.3.1.3 Nhược điểm ................................................................................ 20
1.3.2. Nhà lưới .............................................................................................. 20
1.3.2.1 Khái niệm ................................................................................... 20
1.3.2.2 Ưu điểm ...................................................................................... 21
1.3.2.3 Nhược điểm ................................................................................ 21
1.4. Giới thiệu về công ty TNHH đầu tư và phát triển Minh Hòa ....................... 22
1.5. Hiệu quả của công nghệ trồng rau thủy canh .............................................. 22
1.6. Vấn đề tập trung nghiên cứu của đề tài ....................................................... 23
CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................. 24
2.1. Cải Kale lá xoăn ......................................................................................... 24
2.1.1. Đặc tính sinh học ................................................................................. 24
2.1.2. Điều kiện phát triển ............................................................................. 24
2.1.3. Giá trị dinh dưỡng và kinh tế ............................................................... 24
2.1.4. Quy trình trồng, chăm sóc và thu hoạch cải Kale ................................. 25
2.1.4.1 Chuẩn bị hạt giống và giá thể ...................................................... 25
2.1.4.2 Công đoạn ươm hạt ..................................................................... 26
2.1.4.3 Giai đoạn chạy dinh dưỡng thứ cấp ............................................. 26
2.1.4.4 Giai đoạn chạy dinh dưỡng thường xuyên ................................... 27
2.1.4.5 Thu hoạch ................................................................................... 27
2.2. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................ 28
2.3. Các thành phần cơ bản của vườn rau thủy canh. ......................................... 28
2.3.1. Nhà lưới .............................................................................................. 28
2.3.1.1 Thép hộp chuyên dụng ................................................................ 28
SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH
ii
MỤC LỤC
2.3.1.2 Màng nhựa PE ............................................................................ 29
2.3.1.3 Màng lưới chuyên dụng .............................................................. 30
2.3.2. Hệ thống chiếu sáng ............................................................................ 31
2.3.2.1. Đèn ươm .................................................................................... 31
2.3.2.2. Đèn hỗ trợ tăng trưởng ............................................................... 32
2.3.3. Hệ thống phun sương, làm mát ............................................................ 33
2.3.3.1. Lọc nước và bơm cao áp............................................................... 33
2.3.3.2. Quạt làm mát.............................................................................. 34
2.3.4. Hệ thống chạy dinh dưỡng ................................................................... 35
2.3.4.1. Ống nhựa thủy canh ................................................................... 35
2.3.4.2. Ống dẫn dinh dưỡng................................................................... 36
2.4. Thành phần hệ thống điều khiển ................................................................. 37
2.4.1. Arduino ............................................................................................... 37
2.4.2. NODE MCU ESP8266 ........................................................................ 39
2.4.3. Cảm biến DHT21 ................................................................................ 41
2.4.4. Cảm biến ánh sáng BH1750 ................................................................ 42
2.4.5. Cảm biến nồng độ hòa tan chất rắn TDS .............................................. 43
2.4.6. Cảm biến nhiệt độ môi trường nước DS18B20 .................................... 45
Cảm biến nhiệt độ DS18B20 dây .................................................................. 45
Cảm biến nhiệt độ ......................................................................................... 45
2.4.7. Module 4 relay với Opto cách ly.......................................................... 46
2.4.8. Công tắc tơ .......................................................................................... 47
Cơng tắc tơ .................................................................................................... 47
2.4.9. Cơng tắc hành trình ............................................................................. 49
2.4.10. Bàn phím mềm 1x4 ........................................................................... 50
2.4.11. Màn hình Grove -16x2 LCD .............................................................. 51
2.4.12. Đèn báo hiển thị điện áp .................................................................... 52
2.5. Phần mềm và ngơn ngữ lập trình ................................................................ 52
2.5.1. Arduino IDE ........................................................................................ 52
2.5.2. Sublime Text 3 .................................................................................... 54
SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH
iii
MỤC LỤC
2.5.3. Node js ................................................................................................ 55
2.5.4. Angular JS ........................................................................................... 56
2.5.5. Git ....................................................................................................... 59
2.5.6. Firebase ............................................................................................... 60
2.5.7. Heroku ................................................................................................ 63
2.5.8. Ngôn ngữ lập trình .............................................................................. 64
2.5.8.1. C, C++ ....................................................................................... 64
2.5.8.2. JavaScript .................................................................................. 65
2.5.8.3. HTML........................................................................................ 67
2.5.8.4. CSS ............................................................................................ 69
2.5.8.5. Visual Studio Code .................................................................... 70
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG .................................. 72
3.1. Bản vẽ bố trí, mặt bằng ............................................................................... 72
3.1.1. Mặt bằng tổng thể. ............................................................................... 72
3.1.2. Bố trí mơ phỏng................................................................................... 72
3.2. Bố trí cảm biến ........................................................................................... 73
3.3. Tủ điện ....................................................................................................... 74
3.4. Sơ đồ vận hành thiết bị ............................................................................... 75
3.4.1. Sơ đồ điều khiển quạt và mái che ........................................................ 75
3.4.2. Sơ đồ điều khiển phun sương............................................................... 77
3.5. Thiết lập kết nối linh kiện ........................................................................... 77
3.5.1. Danh sách linh kiện ............................................................................. 77
3.5.2. Đấu nối cảm biến và các module ......................................................... 78
3.5.3. Bảng kết nối tổng hợp ......................................................................... 79
3.5.4. Mạch in kết nối linh kiện ..................................................................... 80
3.6. Hệ thống giám sát và điều khiển ................................................................. 81
3.6.1. WebSocket – giao tiếp hai chiều giữa client và server ......................... 81
3.6.2. Tạo dự án Node JS .............................................................................. 85
3.6.3. Tạo Socket Server và Socket Client ..................................................... 86
3.6.3.1 Socket Server .............................................................................. 86
SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH
iv
MỤC LỤC
3.6.3.2 Socket Client............................................................................... 87
3.6.3.3 Package cần thiết cho dự án. ....................................................... 88
3.6.4. Lập trình giao diện HTML................................................................... 89
3.6.4.1 Giao diện đăng nhập ................................................................... 89
3.6.4.2 Giao diện trang chủ ..................................................................... 90
3.6.4.3 Giao diện tab “Công ty” .............................................................. 91
3.6.4.4 Giao diện tab “Điều khiển” ......................................................... 92
3.6.4.5 Giao diện tab Biểu đồ.................................................................. 94
3.6.4.6 Lập trình Webapp ....................................................................... 95
3.6.5. Đăng kí dự án trên Heroku .................................................................. 96
3.6.6. Đưa dự án lên Heroku ......................................................................... 98
3.6.7. Đăng kí Firebase và kết nối dữ liệu...................................................... 99
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................... 102
4.1. Kết quả ..................................................................................................... 102
4.2. Hướng dẫn sử dụng với bàn phím ............................................................. 105
4.2.1. Chuyển chế độ ................................................................................... 105
4.2.2. Cài đặt thông số ................................................................................. 108
4.3. So sánh hệ thống....................................................................................... 111
4.4. Lợi ích mang lại của hệ thống ................................................................... 114
4.5. Kiến nghị .................................................................................................. 114
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 115
PHỤ LỤC ........................................................................................................... 116
SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH
v
DANH MỤC HÌNH
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Hệ thống tưới nhỏ giọt ............................................................................. 4
Hình 1.2: Ống nhỏ giọt thực tế ................................................................................ 5
Hình 1.3: Hệ thống giàn rau thủy canh tại Minh Hịa ............................................... 6
Hình 1.4: Các loại rau đa dạng tại Minh Hịa ........................................................... 7
Hình 1.5: Mơ hình thủy canh dạng bấc .................................................................... 7
Hình 1.6: Hệ thống thủy canh tĩnh ........................................................................... 8
Hình 1.7: Hệ thống thủy canh hồi lưu ...................................................................... 8
Hình 1.8: Giá thể sơ dừa .......................................................................................... 9
Hình 1.9: Mơ hình trồng rau khí canh .................................................................... 10
Hình 1.10: Internet of things .................................................................................. 12
Hình 1.11: Ứng dụng nhà thơng minh.................................................................... 13
Hình 1.12: Phụ kiện thơng minh ............................................................................ 14
Hình 1.13: Thành phố thơng minh ......................................................................... 15
Hình 1. 14: Mạng lưới thơng minh ........................................................................ 15
Hình 1.15: Xe hơi tự lái ......................................................................................... 16
Hình 1.16: Kết nối hệ thống y tế ............................................................................ 17
Hình 1.17: Bán hàng trực tuyến ............................................................................. 17
Hình 1.18: Chuỗi cung ứng thơng minh ................................................................. 18
Hình 1.19:Canh tác thơng minh ............................................................................. 18
Hình 1.20: Chăm sóc rau trong nhà kính................................................................ 20
Hình 2. 1: Cải Kale tại cơng ty Minh Hịa .............................................................. 24
Hình 2.2: Giá thể xơ dừa ....................................................................................... 25
Hình 2.3: Cải Kale trên giàn ươm .......................................................................... 26
Hình 2.4: Cải Kale trên giàn ươm thứ cấp.............................................................. 26
Hình 2.5: Cải Kale 12 ngày tuổi ............................................................................ 27
Hình 2. 6: Cải Kale 2,5 tháng tuổi ......................................................................... 27
Hình 2.7: Thép hộp các loại ................................................................................... 28
Hình 2.8: Màng nhựa PE phủ nhà lưới ................................................................... 29
SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH
vi
DANH MỤC HÌNH
Hình 2.9: Màng lưới chống cồn trùng .................................................................... 30
Hình 2.10: Dãi ánh sáng quang phổ của đèn .......................................................... 31
Hình 2.11: Đèn ươm tại cơng ty Minh Hịa ............................................................ 32
Hình 2.12: Đèn pha led SMD 200W ...................................................................... 33
Hình 2.13: Hệ thống lọc thơ................................................................................... 34
Hình 2.14: Hệ thống lọc tinh ................................................................................. 34
Hình 2.15:Quạt làm mát ........................................................................................ 35
Hình 2.16: Ống thủy canh lục giác......................................................................... 35
Hình 2. 17: Ống cấp dinh dưỡng ............................................................................ 36
Hình 2. 18: Đường ống hồi lưu dinh dưỡng ........................................................... 37
Hình 2.19: Arduino Mega 2560 ............................................................................. 38
Hình 2.20: Sơ đồ chân của Arduino Mega 2560 .................................................... 39
Hình 2. 21: Node MCU 0.9 (ESP-12 Module) ....................................................... 39
Hình 2.22: Một số Module ESP8266 ..................................................................... 40
Hình 2.23: Sơ đồ chân của Node MCU ESP-12 V1.0 ............................................ 41
Hình 2. 24: Sơ đồ chân DHT21 ............................................................................. 42
Hình 2.25: Sơ đồ kết nối vi xử lý ........................................................................... 42
Hình 2.26: Cảm biến ánh sáng BH1750 ................................................................. 42
Hình 2.27: Chỉ số TDS của nước ........................................................................... 44
Hình 2.28: Sơ đồ mạch chuyển tín hiệu ................................................................. 44
Hình 2.29: Sơ đồ kết nối mẫu ................................................................................ 45
Hình 2. 30: Cảm biến DS18B20 và sơ đồ đấu nối .................................................. 45
Hình 2.31: Module 4 relay opto cách ly 5VDC ...................................................... 46
Hình 2.32: Cơng tắc tơ........................................................................................... 47
Hình 2.33: Cấu tạo cơng tắc tơ .............................................................................. 48
Hình 2. 34: Ngun lý hoạt đơng của cơng tắc tơ................................................... 48
Hình 2.35: Cơng tắc hành trình .............................................................................. 50
Hình 2. 36: Sơ đồ kết nối bàn phím mềm 1x4 keypad ............................................ 51
Hình 2.37: Mặt trước và sau của Grove-16x2 LCD (White on Blue) ..................... 52
Hình 2.38: Đèn báo pha hiển thị điện áp ................................................................ 52
SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH
vii
DANH MỤC HÌNH
Hình 2.39: Icon Arduino IDE ................................................................................ 53
Hình 2.40: Giao diện soạn thảo.............................................................................. 53
Hình 2.41: Icon Sublime Text 3 ............................................................................. 54
Hình 2.42: Giao diện soạn thảo của Sublime Text ................................................. 55
Hình 2.43: Logo Nodejs ........................................................................................ 56
Hình 2.44: Angularjs ............................................................................................. 56
Hình 2.45: Tính năng cơ bản của AngularJS .......................................................... 58
Hình 2.46: Logo biểu trưng của Git ....................................................................... 60
Hình 2.47: Firebase. .............................................................................................. 61
Hình 2.48: Firebase xây dựng hành động tự động đăng nhập ................................. 62
Hình 2.49: Firebase cung cấp các hosting được phân phối theo tiêu chuẩn SSL..... 62
Hình 2.50: Giao diện Firebase ............................................................................... 63
Hình 2.51: Đăng nhập Heroku ............................................................................... 63
Hình 2.52: Đoạn code arduino đơn giản về điều khiển led ..................................... 64
Hình 2.53: Logo JavaScript ................................................................................... 65
Hình 2.54: Code JavaScript khi ấn F12 .................................................................. 66
Hình 2. 55: Một đoạn code đơn giản HTML .......................................................... 67
Hình 2.56: Giao diện thể hiện của code khi mở bằng trình duyệt Chrome .............. 67
Hình 2.57: Cấu trúc cơ bản của trang HTML ......................................................... 68
Hình 2.58: Cấu trúc mở rộng của một trang web.................................................... 69
Hình 2.59: Biểu trưng CSS .................................................................................... 70
Hình 2.60: Logo Visual Studio Code ..................................................................... 71
Hình 3.1: Mơ phỏng nhà màng .............................................................................. 72
Hình 3.2: Bố trí giàn thủy canh .............................................................................. 72
Hình 3.3: Khoảng cách bố trí rau ........................................................................... 73
Hình 3.4: Bố trí cảm biến ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm .............................................. 73
Hình 3.5: Cảm biến TDS và nhiệt độ dung dịch ..................................................... 74
Hình 3.6: Tủ điện thực tế ....................................................................................... 74
Hình 3.7: Mạch điện bên trong tủ .......................................................................... 75
Hình 3.8: Bàn phím điều khiển .............................................................................. 75
SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH
viii
DANH MỤC HÌNH
Hình 3. 9: Sơ đồ điều khiển quạt và mái che tự động. ............................................ 76
Hình 3. 10: Quạt làm mát ...................................................................................... 76
Hình 3.11: Sơ đồ điều khiển phun sương tự động .................................................. 77
Hình 3.12: Arduino kết nối với BH1750 ................................................................ 78
Hình 3. 14: Arduino kết nối cảm biến TDS ............................................................ 78
Hình 3.15: Mạch in của hệ thống ........................................................................... 80
Hình 3.16: Sơ đồ ngun lí của tồn hệ thống........................................................ 81
Hình 3.17: Mơ hình liên kết giữa Socket Server và Socket Client .......................... 83
Hình 3.18: Cấu trúc hoạt động của Server – Client ................................................ 83
Hình 3.19: Hộp thoại Run ...................................................................................... 85
Hình 3.20: Cửa sổ Command line .......................................................................... 85
Hình 3.21: Tiến trình khởi tạo project .................................................................... 86
Hình 3.22: Code tạo Socket Server ........................................................................ 86
Hình 3.23: Chọn Git Bash Here ............................................................................. 87
Hình 3.24: Chạy Socket Server .............................................................................. 87
Hình 3.25: Một đoạn code tạo socket client ........................................................... 88
Hình 3.26: Các package sử dụng trong dự án ......................................................... 89
Hình 3.27: Giao diện đăng nhập vào trang web ..................................................... 89
Hình 3.28: Code Webapp cho phần thơng báo đăng nhập ...................................... 90
Hình 3.29: Giao diện tab Trang chủ ....................................................................... 90
Hình 3.30: Code CSS định dạng style .................................................................... 91
Hình 3.31: Code HTML cho tab Trang chủ ........................................................... 91
Hình 3.32: Giao diện tab Cơng ty .......................................................................... 92
Hình 3.33: Code HTML cho tab Cơng ty ............................................................... 92
Hình 3.34: Giao diện tab Điều khiển...................................................................... 93
Hình 3.35: Code HTML kết hợp Angular của tab “Điều khiển” ............................. 93
Hình 3.36: Biểu đồ nhiệt độ khơng khí .................................................................. 94
Hình 3.37: Biểu đồ độ ẩm khơng khí ..................................................................... 94
Hình 3.38: Biểu đồ cường độ ánh sáng .................................................................. 95
Hình 3.39: Biểu đồ nhiệt độ dung dịch .................................................................. 95
SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH
ix
DANH MỤC HÌNH
Hình 3.40: Biểu đồ nồng độ hịa tan chất rắn (TDS) .............................................. 95
Hình 3.41: Code Webapp ...................................................................................... 96
Hình 3.42: Đoạn code Webapp chọn chế độ “Auto” .............................................. 96
Hình 3.43: Giao diện đăng ký tài khoản Heroku .................................................... 97
Hình 3.44: Mail xác nhận kích hoạt từ Heroku ...................................................... 97
Hình 3.45: Dự án sau khi đăng ký.......................................................................... 98
Hình 3.46: Đăng nhập Heroku từ Command Prompt ............................................. 98
Hình 3.47: Các lệnh upload dự án.......................................................................... 99
Hình 3.48: Thêm dự án trên Firebase ..................................................................... 99
Hình 3.49: Giao diện khi tạo dự án thành cơng .................................................... 100
Hình 3.50: Thơng số dự án .................................................................................. 100
Hình 3.51: Các thơng số của Firebase trên Webapp ............................................. 101
Hình 4. 1: Hệ thống được lắp đặt thực tế ............................................................. 102
Hình 4. 2: Sơ đồ hoạt động của hệ thống ............................................................. 103
Hình 4. 3: Tủ điện nhìn từ bên ngồi ................................................................... 103
Hình 4. 4: Bộ phận bên trong tủ điện ................................................................... 104
Hình 4. 5: Hiển thị nhiệt độ, độ ẩm ...................................................................... 104
Hình 4. 6: Thơng số hiển thị trên web .................................................................. 105
Hình 4. 7: Màn hình cài đặt ................................................................................. 106
Hình 4. 8: Chọn chế độ ........................................................................................ 106
Hình 4. 9: Chế độ Manual.................................................................................... 107
Hình 4. 10: Điều khiển quạt ................................................................................. 107
Hình 4. 11: Quạt đang hoạt động ......................................................................... 108
Hình 4. 12: Cài đặt thơng số ................................................................................ 108
Hình 4. 13:Thơng số ban đầu ............................................................................... 109
Hình 4. 14: Thơng số đã được thay đổi ................................................................ 109
Hình 4. 15: Giao diện biểu đồ xem từ điện thoại .................................................. 110
Hình 4. 16: Giao diện đăng nhập từ điện thoại ..................................................... 110
Hình 4. 17: Giao diện đăng nhập từ máy tính ...................................................... 111
Hình 4. 18: Cảm biến SmartLogic ....................................................................... 111
SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH
x
DANH MỤC HÌNH
Hình 4. 19: SmartLogic nhìn gần ......................................................................... 112
Hình 4. 20: Biểu đồ dữ liệu trong 12 tiếng của SmartLogic ................................. 112
Hình 4. 21: Biểu đồ dữ liệu trong 1 tuần của SmartLogic .................................... 113
Hình 4. 22:Giao diện biểu đồ của đề tài ............................................................... 113
SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH
xi
DANH MỤC BẢNG
DANH MỤC BẢNG
Bảng 3. 1: Danh sách linh kiện .............................................................................. 77
Bảng 3. 2: Kết nối linh kiện ................................................................................... 79
SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH
xii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CHỮ VIẾT TĂT
Chữ viết tắt
Chữ đầy đủ
TDS
Total Dissolved Solids
LCD
Liquid Crystal Display
HTML
Hypertext Markup Language
CSS
Internet of Things
IoT
Machin To Machine
M2M
Polyethylene
PE
Normal Close
NC
Normal Open
NO
Integrated Development Environment
IDE
Integrated Development Environment
API
Application Programming Interface
DOM
Document Object Model
URL
Uniform Resource Locator
SSL
Secure Sockets Layer
CDN
Content Delivery Network
W3C
World Wide Web Consortium
SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH
xiii
MỞ ĐẦU
MỞ ĐẦU
Lí do chọn đề tài:
Hiện nay, nơng nghiệp công nghệ cao đang được thực hiện và áp dụng rộng
khắp tại nước ta. Đặc biệt là các hệ thống nhà kín, nhà lưới mọc lên ngày càng
nhiều. Từ các máy móc gieo hạt tự động, cơng nghệ tưới tự động, tưới nhỏ giọt đến
các hệ thống giám sát, điều khiển thông số môi trường và kể cả những máy móc thu
hoạch ngày càng được áp dụng rộng rãi.
Nhà lưới là mơ hình được áp dụng nhiều nhất hiện nay và trồng rau thủy
canh là một hướng đi mới đang được rất nhiều người thực hiện. Trong hệ thống nhà
lưới trồng rau thủy canh sẽ cần có sự theo dõi xun suốt các thơng số mơi trường
khơng khí cũng như là môi trường dung dịch dinh dưỡng.
Trồng rau thủy canh là một hướng đi mới trong thời đại hiện nay, người dân
tại Cần Thơ đã dần bắt kịp hướng đi đó và đầu tư vào hệ thống này. Việc vận hành
hệ thống hiện nay cịn thủ cơng, tốn chi phí và bất tiện. Người trồng rau không thể
lúc nào cũng ở nhà lưới để theo dõi các thông số thay đổi thường xuyên của môi
trường dẫn đến việc năng suất rau không cao khi các thông số thay đổi mà không
được điều chỉnh.
Việc vận hành các thiết bị chấp hành như quạt, máy bơm, phun sương một
cách thủ công dẫn đến việc tiêu tốn năng lượng không cần thiết, ảnh hưởng đến quá
trình sinh trưởng và phát triển của rau.
Nếu trồng rau thủy canh mà không nắm được các thông số và sự thay đổi của
các thơng số này thì đó là cách trồng khơng khoa học. Ở những thời điểm nhất định,
người nông dân không biết được cây đang cần hoặc thiếu dưỡng chất hay điều kiện
gì.
Để bắt kịp, đáp ứng xu hướng hiện nay và áp dụng kiến thức đã học vào thực
tế nhằm giải quyết các vấn đề hiện nay, tôi đã quyết định lựa chọn đề tài “Thiết kế
hệ thống giám sát điều kiện tự nhiên và dinh dưỡng của vườn rau thủy canh”.
Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu
SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH
1
MỞ ĐẦU
Thiết kế hệ thống tủ điện giám sát các chỉ số điều kiện mơi trường qua màn
hình LCD, điều khiển thiết bị bằng nút ấn vật lí và hệ thống trang web giám sát trực
tuyến Realtime, điều khiển thiết bị bằng các thao tác trên trên web.
Áp dụng kiến thức đã học từ chuyên ngành và kết hợp các kiến thức lập trình,
thiết kế web vào thực tiễn. Đưa đề tài vào sử dụng trong môi trường thực tế.
Theo dõi các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển
của rau:
Nhiệt độ, độ ẩm trong khơng khí.
Cường độ ánh sáng.
Nhiệt độ dung dịch dinh dưỡng.
Nồng độ hòa tan chất rắn trong dung dịch.
Điều khiển các thiết bị chấp hành như: Máy bơm, quạt thơng gió, đèn, phun
sương, máy che.
Hệ thống có thể chạy ở chế độ tự động để thực hiện điều chỉnh các thông số môi
trường phù hợp với sự phát triển của rau.
Phạm vi nghiên cứu
Đề tài áp dụng tổng hợp các kiến thức chuyên ngành Cơ điện tử và đại diện ở
các mơn Kỹ thuật lập trình, Vi điều khiển, Kỹ thuật cảm biến, Kỹ thuật số…ngoài
ra các kiến thức tự học và bổ sung bao gồm thiết kế và lập trình web, học các ngơn
ngữ như C, CSS, HTML…
Đối tượng nghiên cứu chính là loại cải Kale lá xoăn, giàu dinh dưỡng, có giá
trị kinh tế cao được trồng tại cơng ty Minh Hịa.
Đề tài làm việc với các cảm biến và đảm bảo thu thập được các thông số như
mục tiêu đề ra:
Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm khơng khí DHT21
Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750
Cảm biến nhiệt độ môi trường nước DS18B20
Cảm biến nồng độ hòa tan chất rắn TDS
Xây dựng hệ thống IoT theo dõi thông số và quản lí các thiết bị:
SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH
2
MỞ ĐẦU
Xây dựng hệ thống Web server Realtime giám sát và điều khiển từ xa
Thông số thu thập được biểu diễn dưới dạng số và dạng biểu đồ, thể hiện
trực quan các thông số thay đổi theo thời gian thực.
Có thể sử dụng điện thoại thơng minh hoặc máy tính để vận hành hệ thống.
Các cảm biến cho giá trị tương đối chính xác, hệ thống điều khiển thiết bị chấp
hành tốt và hoạt động ổn định. Dữ liệu hiển thị rõ ràng trên LCD và cả trên Web.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài.
Đề tài là sự kết hợp giữa kiến thức của khoa học kỹ thuật tiên tiến và kiến
thức canh tác hiện đại. Bằng cách kết hợp các cảm biến để theo dõi thông số của
môi trường, các thiết bị chấp hành và kỹ thuật canh tác rau thủy canh hiện đại để
đảm bảo các thơng số đó được giữ ở mức ổn định nhằm giúp các loại rau phát triển
tốt. Và từ đó sẽ giảm được sức lao động của con người ở khâu quản lí và chăm sóc
vườn rau của mình, đồng thời sẽ làm tăng sản lượng thu hoạch, tăng năng suất.
Canh tác rau thủy canh kết hợp với hệ thống quản lí và chăm sóc tự động sẽ
giúp tiết kiệm lượng nước, lượng dinh dưỡng cung cấp cho cây. Kiểm sốt tốt,
khơng để trong rau tồn tại trữ lượng các nguyên tố đa, vi lượng vượt mức cho phép,
đảm bảo sức khỏe cho người tiêu dùng. Bên cạnh đó đề tài cịn mang ý nghĩa bảo vệ
mơi trường, đây là giải pháp lâu dài khi đồng bằng Sông Cửu Long ngày càng phải
đối mặt và chịu nhiều ảnh hưởng rõ rệt của biến đổi khí hậu tồn cầu, việc khô hạn,
thiếu nước ngọt sinh hoạt và tưới tiêu cho cây trồng.
Bố cục đề tài.
Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI.
Chương 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.
Chương 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG.
Chương 4: KẾT QUẢ VÀ KIẾN NGHỊ.
SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH
3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1. Cơng trình nghiên cứu trong và ngồi nước.
1.1.1. Cơng nghệ tưới nhỏ giọt Israel.
Hệ thống tưới nhỏ giọt Isreael được mệnh danh là đột phá nhất cho nền nông
nghiệp, giúp giải quyết các vấn đề về trồng trọt mà đất nước này đang gặp phải.
Hiện nay đã được chuyển nhượng và chuyển giao cho nhiều quốc gia trên thế giới
giúp mang lại hiệu quả to lớn.
Công nghệ tưới nhỏ giọt của Israel tuy không phải là sáng kiến to lớn, nhưng
lại góp cơng rất lớn vào xử lí hiện trạng nông nghiệp của họ và đang được nhiều
nước trên thế giới áp dụng học tập theo.
Tại Israel, nước luôn là thứ tài ngun khan hiếm, vơ cùng q có thể sánh
ngang vàng. Cho nên, bài toán đặt lên hàng đầu là phải sử dụng nguồn nước hợp lý,
triệt để và mang lại hiệu quả cao nhất khi mang vào sử dụng trong cuộc sống.
Mục tiêu ra đời của hệ thống tưới nhỏ giọt theo công nghệ Israel là tiết kiệm
nước. Nhưng với sự sáng tạo, đã tích hợp thêm nhiều tiện ích như vịi phun áp lực
thấp để phun mưa loại nhỏ, lọc nhiều tầng, van điều khiển tự động. Nhờ hệ thống
tưới nhỏ giọt, người dân Israel đã tiết kiệm được 60% lượng nước dùng trong nông
nghiệp.
Các cánh đồng của Israel đều được lắp đặt mạng lưới dẫn nước này, bao gồm
nhiều ống nhỏ như các mao mạch trong cơ thể để vận chuyển nước tới từng gốc
cây.
Hình 1.1: Hệ thống tưới nhỏ giọt
Hệ thống thông minh này được điều khiển qua máy tính kết hợp cảm biến tự
động đóng mở van tưới khi phát hiện độ ẩm của rễ cây đạt mức thích hợp. Hệ thống
SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH
4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
này cịn đảm nhận ln nhiệm vụ bón phân cung cấp dinh dưỡng tới rễ cây bằng
cách hịa phân bón vào bể chứa nước rồi vận chuyển theo đường ống đến từng cây.
Nhận thấy lợi ích lớn lao và hiệu quả mang lại, các nhà nghiên cứu và người
dân Việt Nam đã học hỏi và áp dụng công nghệ tưới nhỏ giọt này cho nền nơng
nghiệp nước nhà với những vật liệu hồn tồn địa phương và đã đạt được những
thành công bước đầu như:
Giảm chi phí xăng dầu, điện cho tưới tiêu.
Giảm đáng kể lượng nước tưới.
Giảm công sức và thời gian vận chuyển nước.
Kiểm soát và tiết kiệm lượng phân bón.
Và rất nhiều lợi ích khác mà hệ thống này mang lại.
Hình 1.2:Ống nhỏ giọt thực tế
Một số khó khăn tại Việt Nam:
Chưa hồn thành được hệ thống dẫn mao mạch thật sự, vì hệ thống lọc cịn
kém thường gây ra tình trạng tắc, phát sinh nhiều chi phí bảo trì.
Kể cả những ống lớn đều có hiện tượng tắc nghẽn theo thời gian gây cản trở
việc tưới tiêu đồng đều.
Điều khiển hệ thống vẫn cịn thủ cơng.
Vật liệu chưa đáp ứng tốt nhất cho hệ thống tưới.
SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH
5
