Đồ án Thiết kế và thi công hệ thống IOTS chăm sóc vườn cây ăn quả sử dụng pin năng lượng mặt trời

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 6 tháng 3 năm 2018 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Ngô Thành Đạt MSSV: 14141060 Lê Hải Nguyên MSSV: 14141216 Chuyên ngành: Điện tử công nghiệp Mã ngành: 141 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2014 Lớp: 14141DT1B I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG IOTS CHĂM SÓC VƯỜN CÂY ĂN QUẢ SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu:  Chọn cây cà chua là đối tượng nghiên cứu.  Thiết kế mô hình nhà kính có kích thước dài, rộng, cao là 100 x 50 x 65 cm bằng khung nhôm và bọc nhựa nilong, có mái che.  Màn hình cảm ứng để thao tác có kích thước 3.2 inch.  Sử dụng 2 tấm pin năng lượng mặt trời 12V-10W và bộ lưu điện 12V 9Ah để cấp nguồn hoạt động cho toàn bộ hệ thống. 2. 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, module NODEMCU ESP8266, module L293, động cơ Servo, động cơ DC, DHT11, BH1750, cảm biến mưa, cảm biến độ ẩm đất.  NỘI DUNG 2: Tìm hiểu và nghiên cứu về lập trình Web Server, tìm hiểu về ngôn ngữ HTML, CSS, PHP, cơ sở dữ liệu MySQL.  NỘI DUNG 3: Các giải pháp thiết kế hệ thống, thi công mô hình.  NỘI DUNG 4: Thiết kế hệ thống điều khiển, lưu đồ giải thuật và chương trình điều khiển mô hình.  NỘI DUNG 5: Thiết kế hoàn chỉnh mô hình thực tế.  NỘI DUNG 6: Chạy thử nghiệm hệ thống, cân chỉnh hệ thống.  NỘI DUNG 7: Viết sách luận văn. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/03/2018 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 16/07/2018 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Võ Đức Dũng CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 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 23 tháng 3 năm 2018 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Ngô Thành Đạt Lớp: 14141DT1B MSSV:14141060 Họ tên sinh viên 2: Lê Hải Nguyên Lớp: 14141DT1B MSSV: 14141216 Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG IoTs CHĂM SÓC VƯỜN CÂY ĂN QUẢ SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD 1 (19-25/3) - Gặp GVHD để phổ biến quy định: thực hiện chọn đề tài, tên đề tài, thời gian làm việc. - Duyệt đề tài. - Viết đề cương cho đề tài. 2 (26/3-1/4) - Tìm kiếm các kiến thức, thông tin về đặc tính. nhiệt độ, độ ẩm của cây ăn quả mong muốn. - Tìm hiểu về Pin năng lượng mặt trời. - Tìm hiểu các cảm biến sử dụng trong đề tài. - Tìm hiểu về cách thức lập trình ứng dụng trên điện thoại và thiết kế Web Server. 3 (2/4-8/4) - Thiết kế sơ đồ khối, giải thích chức năng. - Tính toán lựa chọn linh kiện cho từng khối. 4 (9/4-15/4) - Thiết kế sơ đồ nguyên lý và giải thích hoạt động của mạch. - Thiết kế nguồn từ pin năng lượng mặt trời. 5 (16/4-22/4) - Thi công mạch cấp nguồn sử dụng pin năng lượng mặt trời. - Thi công mạch, xây dựng mô hình. - Lập trình ứng dụng trên điện thoại. - Thiết kế Web Server. 6 (23/4-29/4) - Thi công mạch cấp nguồn sử dụng pin năng lượng mặt trời. - Thi công mạch, xây dựng mô hình. - Lập trình ứng dụng trên điện thoại. - Thiết kế Web Server. 7 (30/4-6/5) - Thi công mạch cấp nguồn sử dụng pin năng lượng mặt trời. - Thi công mạch, xây dựng mô hình. - Lập trình ứng dụng trên điện thoại. - Thiết kế Web Server. 8 (7/5-13/5) - Thi công mạch nguồn sử dụng pin năng lượng mặt trời. - Thi công mạch, xây dựng mô hình. - Lập trình ứng dụng trên điện thoại. - Thiết kế Web Server 9 (14/5-20/5) - Kiểm tra, hoàn thiện mô hình, chạy thử và sửa lỗi. - Viết báo cáo. 10 (21/5-27/5) - Hoàn thiện mô hình, chạy thử và sửa lỗi. - Viết báo cáo. 11 (28/5-3/6) - Hoàn thiện, chỉnh sửa báo cáo gửi cho GVHD để xem xét góp ý lần cuối trước khi in báo cáo. 12 (4/6-10/6) - Nộp quyển báo cáo và làm Slide báo cáo. GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ và tên sinh viên: Ngô Thành Đạt MSSV: 14141060 Lê Hải Nguyên MSSV: 14141216 Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thông. Tên đề tài THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG IoTs CHĂM SÓC VƯỜN CÂY ĂN QUẢ SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: ThS. Võ Đức Dũng NHẬN XÉT 1. Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ 2. Ưu điểm: ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ 3. Khuyết điểm: ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ 4. Đề nghị cho bảo vệ hay không? ................................................................................................................................ 5. Đánh giá loại: ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ 6. Điểm:.(Bằng chữ:............................................................................ ) Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2018 Giáo viên hướng dẫn PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ và tên sinh viên: Ngô Thành Đạt MSSV: 14141060 Lê Hải Nguyên MSSV: 14141216 Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thông. Tên đề tài THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG IoTs CHĂM SÓC VƯỜN CÂY ĂN QUẢ SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Họ và tên Giáo viên phản biện: ............................................................................. ................................................................................................................................ NHẬN XÉT 1. Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ 2. Ưu điểm: ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ 3. Khuyết điểm: ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ 4. Đề nghị cho bảo vệ hay không? ................................................................................................................................ 5. Đánh giá loại: ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ 6. Điểm:.(Bằng chữ:............................................................................ ) Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2018 Giáo viên phản biện i LỜI CAM ĐOAN Chúng tôi – Ngô Thành Đạt và Lê Hải Nguyên cam đoan Đồ án tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu của bản thân chúng tôi dưới sự hướng dẫn của Thạc Sỹ Võ Đức Dũng. Các kết quả công bố trong Đồ án tốt nghiệp là trung thực và không sao chép từ bất kỳ công trình nào khác. Người thực hiện đề tài Ngô Thành Đạt Lê Hải Nguyên ii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực hiện đề tài, những người thực hiện được sự giúp đỡ của gia đình, quý thầy cô và bạn bè nên đề tài đã được hoàn thành. Những người thực hiện xin chân thành gửi lời cảm ơn đến: Thầy Võ Đức Dũng, giảng viên trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM đã trực tiếp hướng dẫn và tận tình giúp đỡ tạo điều kiện để nhóm có thể hoàn thành tốt đề tài. Những người thực hiện cũng xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô trong khoa Điện - Điện tử của trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM đã tận tình dạy dỗ, chỉ bảo, cung cấp cho những người thực hiện những kiến thức nền, chuyên môn làm cơ sở để hoàn thành đề tài này. Cảm ơn gia đình đã động viên và luôn luôn bên cạnh trong những lúc khó khăn nhất. Xin gửi lời cảm ơn đến những người bạn sinh viên khoa Điện-Điện tử đã giúp đỡ những người thực hiện đề tài để có thể hoàn thành tốt đề tài này. Xin chân thành cảm ơn! Người thực hiện đề tài: Ngô Thành Đạt Lê Hải Nguyên iii TÓM TẮT 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. Do đó, IoTs đã và đang dẫn đầu trong việc cải thiện chất lượng cũng như năng suất nuôi trồng nông nghiệp nước ta hiện nay. 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 nhầm nâng cao chất lượng sản phẩm. Với mục đích muốn tiếp cận với các công nghệ đang phát triển trên. Vì vậy, nhóm thực hiện đồ án với mong muốn chế tạo ra mô hình hệ thống vườn cây ăn quả IoTs sử dụng kit Arduino được điều khiển, giám sát bằng máy tính thông qua Internet trong đó bao gồm: Hệ thống có các chức năng như sau:  Hệ thống chính là điều khiển vườn cây ăn quả bằng màn hình cảm ứng HMI. Sau đó, dữ liệu cảm biến, trạng thái hoạt động của các thiết bị sẽ được gửi lên Internet. Hệ thống có 2 chế độ hoạt động là MANUAL và AUTO. Ở chế độ MANUAL người dùng có thể điều khiển các thiết bị một cách chủ động, bật tắt các thiết bị tùy ý mà không cần phụ thuộc vào các điều kiện của môi trường. Còn ở chế độ AUTO, cho phép người dùng cài đặt các thông giới hạn của môi trường, từ đó các thiết bị sẽ hoạt động theo các thông số mà môi trường đo đạc được.  Hệ thống mở rộng bao gồm: iv  Hệ thống điều khiển thiết bị từ xa thông qua Internet, hiển thị trạng thái hoạt động của các thiết bị, điều khiển bật tắt các thiết tùy trong chế độ MANUAL, và cho phép người dùng thiết lập các giá trị môi trường giới hạn trong chế độ AUTO. Khi chuyển chế độ hoạt động trên web thông qua Internet thì phần cứng sẽ chuyển đổi chế độ hoạt động theo. Mô hình sử dụng kit Arduino Mega2560 làm vi điều khiển trung tâm để điều khiển các module mở rộng như màn hình cảm ứng HMI, NODEMCU ESP8266, L293, DHT11, BH1750, Đóng mái cho khu vườn bằng cách sử dụng động cơ Servo khi có mưa, đóng mở rèm bằng động cơ DC khi cường độ ánh sáng tăng quá cao. Ngoài ra, còn có một số cơ cấu chấp hành khác như bơm nước, quạt, đèn LED, đèn sưởi, v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...........................................................................................................i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... ii TÓM TẮT .................................................................................................................... iii DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG ................................................................................ viii 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 ............................................................................................................. 3 1.5 BỐ CỤC ................................................................................................................. 3 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................. 5 2.1 GIỚI THIỆU VỀ MÔ HÌNH TRỒNG RAU TRONG NHÀ KÍNH NGOÀI THỰC TẾ ........................................................................................................................ 5 2.2 TỔNG QUAN VỀ ARDUINO ............................................................................. 8 2.3 TỔNG QUAN VỀ IOT ....................................................................................... 10 2.4 TỔNG QUAN VỀ WEB ..................................................................................... 11 2.5 CÁC CHUẨN GIAO TIẾP ................................................................................. 12 2.5.1 CHUẨN GIAO TIẾP UART ........................................................................ 12 2.5.2 CHUẨN GIAO TIẾP I2C ............................................................................. 13 2.5.3 CHUẨN GIAO TIẾP ONE-WIRE ............................................................... 14 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ .............................................................. 16 3.1 GIỚI THIỆU ........................................................................................................... 16 3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ............................................................ 17 3.2.1 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG ........................................................... 17 3.2.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH .............................................................. 19 A. Khối xử lý trung tâm ...................................................................................... 19 B. Khối giao tiếp wifi .......................................................................................... 21 C. Khối webserver ............................................................................................... 23 D. Khối điều khiển trực tiếp và hiển thị .............................................................. 24 E. Khối cảm biến ................................................................................................. 27 F. Khối relay .......................................................................................................... 34 G. Khối cơ cấu chấp hành ..................................................................................... 36 H. Khối nguồn ....................................................................................................... 44 3.2.3 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CỦA TOÀN MẠCH ............................................... 50 vi A. Mạch cấp nguồn ................................................................................................ 50 B. Mạch điều khiển ................................................................................................ 52 CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG ..................................................................... 54 4.1 GIỚI THIỆU ............................................................................................................ 54 4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG ......................................................................................... 54 4.2.1 THI CÔNG MẠCH SẠC PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI .......................... 54 4.2.2 THI CÔNG KẾT NỐI MẠCH GIẢM ÁP CUNG CẤP NGUỒN ................... 56 4.2.3 THI CÔNG KẾT NỐI MODULE RELAY ĐIỀU KHIỂN NGÕ RA ............. 57 4.2.4 THI CÔNG KẾT NỐI NGUỒN VÀ DÂY CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM .......................................................................................................................... 58 4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ................................................................ 59 4.3.1 ĐÓNG GÓI TỦ ĐIỀU KHIỂN ........................................................................ 59 4.3.2 THI CÔNG MÔ HÌNH ..................................................................................... 60 4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ....................................................................................... 62 4.4.1 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT ................................................................................... 62 A. Lưu đồ điều khiển chế độ hoạt động ...............................................