Đề tài Hệ thống giám sát nông nghiệp bằng công nghệ IOT

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH --------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG GIÁM SÁT NÔNG NGHIỆP BẰNG CÔNG NGHỆ IOT GVHD : Ths Trần Thanh Mai SVTH : Võ Đình Khải MSSV : 13141137 Tp. Hồ Chí Minh – 7/2018 BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH --------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG GIÁM SÁT NÔNG NGHIỆP BẰNG CÔNG NGHỆ IOT GVHD : Ths Trần Thanh Mai SVTH : Võ Đình Khải MSSV : 13141137 Tp. Hồ Chí Minh – 7/2018 ii TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Tp. HCM, ngày 02 tháng 07 năm 2018 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Quốc Thành MSSV: 13141312 Võ Đình Khải MSSV: 13141137 Chuyên ngành: Điện tử công nghiệp Mã ngành: 01 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2013 Lớp: 13141DT3A I. TÊN ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG GIÁM SÁT NÔNG NGHIỆP BẰNG CÔNG NGHỆ IOT II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: Mô hình cần kiểm tra là hệ thống giám sát nông nghiệp có ứng dụng công nghệ IOT có đặc tính sau: - Kích thước :90 cm x 60cm x 50cm - Chất liệu : Sắt, mica. 2. Nội dung thực hiện: Nội dung 1: Tìm hiểu, lựa chọn cái giải pháp, linh kiện sử dụng để giải quyết yêu cầu đặt ra. Nội dung 2: Thiết kế, thi công mô hình hệ thống. Nội dung 3: Tính toán, thiết kế các khối chức năng của hệ thống. Nội dung 4: Vận hành thử nghiệm và hiệu chỉnh lỗi. Nội dung 5: Đánh giá kết quả thực hiện. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 23/03/2018 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/07/2018 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS.GVC Trần Thanh Mai CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH iii TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Tp. HCM, ngày 02 tháng 07 năm 2018 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Nguyễn Quốc Thành Lớp: 13141DT1A MSSV: 13141312 Họ tên sinh viên 2: Võ Đình Khải Lớp: 13141DT3A MSSV: 13141137 Tên đề tài: HỆ THỐNG GIÁM SÁT NÔNG NGHIỆP BẰNG CÔNG NGHỆ IOT Tuần Nội dung Xác nhận GVHD Tuần 1 Gặp GVHD, nhận đề tài. Tuần 2 Viết đề cương. Tuần 3 Tìm hiểu các giải pháp cho đề tài. Tuần 4 Tiến hành thiết kế sơ đồ khối. Tuần 5 Tìm hiểu về Adruino Mega 2560. Tuần 6 Tìm hiểu về ESP8266 nodeMCU. Tuần 7 Tìm hiểu về cảm biến ánh sáng và cảm biến độ ẩm đất. Tuần 8 Tìm hiểu về module cảm biến nhiệt độ độ ẩm đất DHT11. Tuần 9 Tìm hiểu về mạch cầu H L298. Tuần 10 Tìm hiểu về LCD 16x2. Tuần 11 Thiết kế, thi công phần cứng. Tuần 12 Vẽ lưu đồ giải thuật và viết chương trình. Tuần 13 Chạy thử nghiệm, kiểm tra, hiệu chỉnh mô hình. Tuần 14 Viết báo cáo. GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) iv LỜI CAM ĐOAN Đề tài này là công trình nghiên cứu do nhóm tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó. Người thực hiện đề tài Võ Đình Khải Nguyễn Quốc Thành v LỜI CẢM ƠN Nhóm em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Cô Trần Thanh Mai _ Giảng viên bộ môn Điện Tử Công Nghiệp – Y Sinh, đã tận tình giúp đỡ chúng em trong lựa chọn đề tài cũng như trong quá trình thực hiện đề tài. Trong quá trình thực hiện đồ án cũng đã xảy ra nhiều khó khăn, thiếu sót nhưng được sự hỗ trợ và góp ý của Cô nên nhóm đã hoàn thành được đồ án. Một lần nữa nhóm em xin chân thành cảm ơn Cô. Trong suốt thời gian được theo học tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, em đã nhận được nhiều sự quan tâm và giúp đỡ từ Thầy Cô và bạn bè. Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn tới quý Thầy Cô, những người đã truyền lại cho em rất nhiều kinh nghiệm và kiến thức quý báu, những sự giúp đỡ ấy đã tiếp thêm động lực cho em vững bước trên con đường mình đã chọn. Và đặc biệt đặc biệt là Thầy, Cô khoa Điện – Điện tử đã truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm cũng như tạo những điều kiện tốt nhất để nhóm em hoàn thành đề tài. Nhóm cũng gửi lời đồng cảm ơn đến các bạn lớp 13141DT đã chia sẻ trao đổi kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện đề tài. Cảm ơn cha mẹ, anh chị những người 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. Cảm ơn Sư Phạm Kỹ Thuật ! Xin chân thành cảm ơn! Người thực hiện đề tài Võ Đình Khải Nguyễn Quốc Thành vi MỤC LỤC Trang bìa ........................................................................................................................ i Nhiệm vụ đồ án ............................................................................................................. ii Lịch trình ..................................................................................................................... iii Cam đoan .................................................................................................................... iv Lời cảm ơn .................................................................................................................... v Mục lục ........................................................................................................................ vi Liệt kê hình vẽ ............................................................................................................. ix Liệt kê bảng vẽ ............................................................................................................. xi Tóm tắt ....................................................................................................................... xii CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................. 1 1.1 Đặt vấn đề ............................................................................................................... 1 1.2 Mục tiêu .................................................................................................................. 2 1.3 Nội dung nghiên cứu .............................................................................................. 2 1.4 Giới hạn .................................................................................................................. 2 1.5 Bố cục ..................................................................................................................... 3 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................ 4 2.1 Ứng dụng của IOT trong nông nghiệp ................................................................... 4 2.1.1 Giới thiệu ..................................................................................................... 4 2.1.2 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống ứng dụng công nghệ IOT ..................... 5 2.2 Các chuẩn truyền dữ liệu, chuẩn kết nối ................................................................ 6 2.2.1 Chuẩn giao tiếp UART ................................................................................ 6 2.2.2 Chuẩn giao tiếp I2C ..................................................................................... 8 2.2.3 Giao thức truyền dữ liệu bằng Bluetooth .................................................. 10 2.2.4 Giao thức MQTT ....................................................................................... 11 2.2.5 Logic Mờ ................................................................................................... 12 2.3 Giới thiệu phần cứng ............................................................................................ 12 2.3.1 Board Adruino Mega 2560 ........................................................................ 12 vii 2.3.2 LCD 16x2 .................................................................................................. 15 2.3.3 Module giao tiếp Wifi ESP8266 node MCU ............................................ 24 2.3.4 Mạch cầu H L298N ................................................................................... 26 2.3.5 Module LDC I2C ...................................................................................... 28 2.3.6 Module Bluetooth HC05 ........................................................................... 29 2.3.7 Module cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11 ............................................ 30 2.3.8 Module cảm biến ánh sáng ........................................................................ 31 2.3.9 Module cảm biến độ ẩm đất ...................................................................... 32 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ................................................. 34 3.1 Giới thiệu .............................................................................................................. 34 3.2 Tính toán và thiết kế hệ thống .............................................................................. 34 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối của hệ thống ............................................................... 34 3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch ......................................................................... 35 3.2.3 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch ........................................................................ 42 CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG ........................................................ 45 4.1 Giới thiệu. ............................................................................................................ 45 4.2 Thi công hệ thống ................................................................................................. 45 4.2.1 Thi công bo mạch ...................................................................................... 45 4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra .................................................................................... 48 4.3 Thi công mô hình ................................................................................................. 48 4.4 Lập trình hệ thống ................................................................................................ 51 4.4.1 Lưu đồ giải thuật ....................................................................................... 51 4.2.2 Phần mềm lập trình ................................................................................... 54 CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ................................... 68 5.1 Kết quả ................................................................................................................ 68 5.1.1 Nội dung .................................................................................................... 68 5.1.2 Kết quả nghiên cứu.................................................................................... 68 5.2 Nhận xét ............................................................................................................... 71 viii 5.3 Đánh giá ............................................................................................................... 71 CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................. 72 6.1 Kết luận ................................................................................................................ 72 6.2 Hướng phát triển .................................................................................................. 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 74 PHỤ LỤC ......................................................................................................... 75 ix LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình Trang Hình 2.1: Minh hoa về ứng dụng IOT trong nông nghiệp ............................................ 4 Hình 2.2: Bốn cấu phần cơ bản của một hệ thống IOT................................................. 6 Hình 2.3: Hệ thống truyền dữ liệu bất đồng bộ............................................................. 6 Hình 2.4: Khung truyền dữ liệu trong chế độ bất đồng bộ ........................................... 7 Hình 2.5: Sơ đồ giao tiếp theo chuẩn I2C ..................................................................... 9 Hình 2.6: Board Adruino Mega 2560 ........................................................................... 13 Hình 2.7: Sơ đồ chân của ATmega2560 ....................................................................... 14 Hình 2.8: Hình dạng, sơ đồ chân của LCD 16x2 .......................................................... 16 Hình 2.9: Bảng mã kí tự LCD ....................................................................................... 19 Hình 2.10: Hình ảnh ESP8266 ngoài thực tế ................................................................ 25 Hình 2.11: Sơ đồ chân của ESP8266 ............................................................................ 25 Hình 2.12: Module L298N trong thực tế ...................................................................... 27 Hình 2.13: Hình ảnh Module LCD I2C ngoài thực tế .................................................. 29 Hình 2.14: Module Bluetooth HC05 ngoài thực tế ....................................................... 30 Hình 2.15: Hình ảnh DHT11 ngoài thực tế ................................................................. 31 Hình 2.16: Module cảm biến ánh sáng ngoài thực tế .................................................... 32 Hình 2.17: Module cảm biến độ ẩm đất ngoài thực tế .................................................. 33 Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống ...................................................................................... 34 Hình 3.2: Khối điều khiển ............................................................................................. 36 Hình 3.3: Khối hiển thị bằng LCD 16x2 ....................................................................... 38 Hình 3.4: Giao diện Web .............................................................................................. 39 Hình 3.5: Mạch nguồn cho board điều khiển ............................................................... 41 Hình 3.6: Sơ đồ khối của L298 ........................................................................................ 42 Hình 3.7: Thông số đầu vào của L298 ......................................................................... 42 Hình 3.8: Motor bơm nước 12VDC .............................................................................. 43 Hình 3.9: Đèn led tuýp 12VDC..................................................................................... 43 Hình 3.10: Quạt tản nhiệt 12VDC................................................................................. 43 Hình 3.11: Motor phun sương 12VDC ......................................................................... 43 Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch ......................................................................... 44 Hình 4.1: Sơ đồ mạch in của hệ thống. ......................................................................... 45 Hình 4.2: Sơ đồ bố trí linh kiện của hệ thống ............................................................... 46 Hình 4.3: Sơ đồ mạch in của khối nguồn ...................................................................... 46 x Hình 4.4: Sơ đồ bố trí linh kiện của khối nguồn ........................................................... 47 Hình 4.5: Sơ đồ bố trí linh kiện của hệ thống ngoài thực tế ......................................... 48 Hình 4.6: Bộ điều khiển hệ thống ................................................................................. 49 Hình 4.7: Nguồn cung cấp ............................................................................................ 49 Hình 4.8: Mô hình thi công sau khi hoàn chỉnh ............................................................ 49 Hình 4.9: Mặt sau mô hình ............................................................................................ 50 Hình 4.10: LCD gắn trên cửa bộ điều khiển ................................................................ 51 Hình 4.11: Giao diện phần mềm lập trình Arduino ..................................................... 54 Hình 4.12: Download phần mềm Arduino ................................................................... 55 Hình 4.13: Giải nén file ................................................................................................ 55 Hình 4.14: Nhấn next để tiếp tục .................................................................................. 56 Hình 4.15: Xác nhận cài đặt ......................................................................................... 56 Hình 4.16: Cài thành công, nhấn finish để thoát ........................................................... 57 Hình 4.17: Các vùng cơ bản .......................................................................................... 57 Hình 4.18: Lựa chọn board Arduino phù hợp ............................................................... 58 Hình 4.19: Lựa chọn cổng COM ................................................................................... 59 Hình 4.20: Giao diện Visual Studio Code ..................................................................... 63 Hình 4.21: Địa chỉ yêu cầu đăng nhập bằng mail ........ 64 Hình 4.22: Tạo Project mong muốn ............................................................................. 64 Hình 4.23: Giao diện thiết kế ........................................................................................ 65 Hình 4.24: Lập trình chức năng .................................................................................... 66 Hình 4.25: Minh họa cho việc biên dịch ra file apk ...................................................... 66 Hình 4.26: Mã QR code ................................................................................................ 67 Hình 5.1: Giao diện điều khiển ..................................................................................... 69 Hình 5.2: Quy trình truyền dữ liệu cảm biến lên web ...................................................... 69 Hình 5.3: Quy trình truyền dữ liệu từ web đến các thiết bị ngoại vi ............................ 69 Hình 5.4: Giao diện của ứng dụng ...................................................................................... 70 Hình 5.5: Quy trình truyền dữ liệu cảm biến lên App trên điện thoại ............................ 70 Hình 5.6: Quy trình truyền dữ liệu từ App đến các thiết bị ngoại vi .............................. 70 xi LIỆT KÊ BẢNG Bảng Trang Bảng 2.1: Thông số chính của board Arduino Mega 2560 ............................................. 13 Bảng 2.2: Chức năng các chân của LCD ....................................................................... 16 Bảng 2.3: Chức năng chân RS và R/W của LCD 16x2 .................................................. 18 Bảng 2.4: Tập lệnh của LCD.......................................................................................... 20 Bảng 2.5: Đặc tính điện của LCD .................................................................................. 23 Bảng 2.6: Đặc tính điện làm việc điển hình của LCD ................................................... 24 Bảng 2.7: Thông số kỹ thuật của ESP8266 ..................................................................... 26 Bảng 2.8: Sơ đồ nối dây động cơ bước với mạch cầu H L298N ................................... 28 Bảng 3.1: Chức năng chân của Module cảm biến độ ẩm đất ......................................... 37 Bảng 3.2: Chức năng ch