Luận văn Xây dựng hệ thống điều khiển thiết bị hỗ trợ việc trồng nấm bằng điện thoại di động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC TẾ HỒNG BÀNG  TRẦN QUỐC VIỆT Tên đề tài luận văn: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ HỖ TRỢ VIỆC TRỒNG NẤM BẰNG ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số học viên: 126012113 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS.TSKH HOÀNG VĂN KIẾM TP. Hồ Chí Minh – năm 2015 Trang 1 CHUẨN Y CỦA HỘI ĐỒNG BẢO VỆ LUẬN VĂN  Luận văn tựa đề: “Xây dựng hệ thống điều khiển thiết bị hỗ trợ việc trồng nấm bằng điện thoại di động”, công trình được Trần Quốc Việt thực hiện và nộp nhằm thỏa một phần yêu cầu tốt nghiệp thạc sĩ chuyên ngành Khoa học máy tính. Chủ tịch Hội đồng Ngày tháng năm 2015 Giảng viên hướng dẫn GS.TSKH. Hoàng Văn Kiếm Cố vấn Hiệu trưởng Đại học Quốc tế Hồng Bàng Ngày tháng 12 năm 2015 TP. HCM, ngày tháng năm 2015 Viện Đào Tạo Sau Đại Học Trang 2 LÝ LỊCH CÁ NHÂN  Họ và tên: Trần Quốc Việt Sinh ngày: 29 tháng 10 năm 1976 Nơi sinh: Đồng Tháp Tốt nghiệp THPT tại trường THPT Hồng Ngự I, tỉnh Đồng Tháp, năm 1993. Tốt nghiệp đại học tại trường Đại Học Cần Thơ, năm 1998. Từ năm 1998 đến 2004: Làm việc tại công ty Công Nghệ Thông Tin GenPacific Từ năm 2004 đến nay: Làm việc tại công ty TNHH TM & DV Tin Học Tứ Huynh Địa chỉ liên lạc: Số 13 KP3, đường TX51, Phường Thạnh Xuân, Quận 12, TP.HCM Email: tranquocviet1976@yahoo.com Điện thoại: 0906 69 69 67 Trang 3 LỜI CAM ĐOAN  Tác giả cam đoan rằng luận văn này: “Xây dựng hệ thống điều khiển thiết bị hỗ trợ việc trồng nấm bằng điện thoại di động” là bài nghiên cứu của chính tác giả. Ngoại trừ những tài liệu tham khảo được trích dẫn trong luận văn này, tác giả cam đoan rằng toàn luận văn này chưa từng được công bố hay được sử dụng để nhận bằng cấp ở những nơi khác. Luận văn này chưa bao giờ được nộp để nhận bất kỳ bằng cấp nào tại các trường đại học hoặc cơ sở đào tạo khác. Mặc dù đã cố gắng, nhưng do những hạn chế của người viết về mặt kiến thức, kinh nghiệm, thời gian, trang thiết bị và tài liệu nên nội dung và hình thức không tránh khỏi thiếu sót. Tác giả mong nhận được những góp ý chân thành từ thầy cô và các bạn đọc để luận văn được hoàn thiện hơn. TP.HCM, ngày 01 tháng 12 năm 2015 Tác giả luận văn Trần Quốc Việt Trang 4 LỜI CẢM ƠN  Lời đầu tiên, em xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới GS.TSKH Hoàng Văn Kiếm, thầy đã tận tình hướng dẫn, định hướng, giúp đỡ và động viên em trong suốt thời gian nghiên cứu thực hiện luận văn này. Thầy đã giúp đỡ em tiếp cận với khoa học, những tri thức mới trong xã hội và đạt được thành công trong lĩnh vực nghiên cứu của mình. Em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trong khoa Công nghệ thông tin – Viện đào tạo sau đại học – Trường Đại học Quốc tế Hồng Bàng. Các thầy cô đã luôn nhiệt tình hướng dẫn và tạo điều kiện cho em học tập và nghiên cứu trong suốt thời gian qua. Tôi xin cám ơn đến chủ nhà trồng nấm Nhơn Trạch – Đồng Nai đã tạo điều kiện cho tôi trong việc thực hành thực nghiệm đề tài và cảm ơn đến các bạn cùng lớp đã cho tôi những ý kiến đóng góp đáng giá, mở ra nhiều hướng tiếp cận mới làm phong phú khả năng thực tế của khóa luận. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới tất cả các thành viên trong gia đình, những người luôn ở bên động viên và tạo điều kiện cho tôi thực hiện tốt khóa luận này. TP.HCM, ngày 01 tháng12 năm 2015 Tác giả luận văn Trần Quốc Việt Trang 5 TÓM TẮT  Ở nước Việt Nam chúng ta, với thế mạnh về điều kiện tự nhiên như nhiệt độ quanh năm không thay đổi nhiều, độ ẩm thích hợp cho sự phát triển của cây nấm (độ ẩm cao do lượng mưa hàng năm khá lớn), nguồn nguyên liệu sản xuất nấm sẵn có tại địa phương (nhiều chất thải nông nghiệp như: rơm rạ, trấu, mùn cưa,) nên trồng nấm đang từng bước trở thành nghề phổ biến cho người nông dân. Để hỗ trợ bà con nông dân ít tốn nhiều thời gian và công sức, luận văn tập trung nghiên cứu ứng dụng “Điều khiển thiết bị hỗ trợ việc trồng nấm bằng điện thoại di động” với các chức năng có thể điều khiển các thiết bị như: bật/tắt đèn chiếu sáng (yếu tố nhiệt độ), bật/tắt quạt hút, quạt thổi, phun sương (yếu tố độ ẩm), nhằm hỗ trợ bà con nông dân giảm thiểu các thao tác chăm sóc nấm thủ công, giúp quản lý, theo dõi kịp thời tình trạng nhà nấm với mục đích chung là đạt được năng suất cao. Luận văn sử dụng thiết bị Raspberry Pi để điều khiển các thiết bị thông qua mạng không dây Wifi. Thiết bị này đang được phổ biến, được hỗ trợ trên các diễn đàn, đặc biệt là giá thành rẻ phù hợp với túi tiền của bà con nông dân. Ngoài ra, luận văn xây dựng những kịch bản thông minh, tích hợp nhiều thiết bị cảm biến, tạo ra hệ thống điều khiển các thiết bị điện được sử dụng trong nhà trồng nấm qua thiết bị di động một cách thuận lợi, nhanh chóng, tiết kiệm điện, chi phí đi lại, đáp ứng nhu cầu của bà con nông dân không phải có mặt tại nhà trồng nấm mà có thể theo dõi quản lý các nhà trồng nấm từ xa qua mạng internet. Góp phần phát triển ngành nghề trồng nấm mang lại hiệu quả cao về chất lượng, năng suất cho nấm và phát triển kinh tế và xã hội. Trang 6 TÓM TẮT MỞ RỘNG  Ngoài lời mở đầu, mục lục, danh mục hình ảnh, bảng biểu, danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt, tài liệu tham khảo và một số phụ lục, luận văn gồm có 5 chương: Chương 1: Giới thiệu. Trình bày lý do chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu và những nội dung chính yếu cần nghiên cứu. Qua đó trình bày xu hướng ứng dụng và nhu cầu thực tiễn về một hệ thống điều khiển thông qua các thiết bị di động với các chức năng quản lý và điều khiển tự động áp dụng cho nhà trồng nấm. Chương 2: Tổng quan các kỹ thuật và công nghệ trong việc phát triển nhà trồng nấm tự động Trình bày tổng quan về kỹ thuật nuôi trồng một số loại nấm phổ biến như: Nấm sò, nấm linh chi. Trình bày sự phát triển của công nghệ thông tin truyền thông, các hệ thống lý thuyết và công nghệ liên quan từ đó đưa đến giải pháp tốt nhất được áp dụng cho luận văn. Chương 3: Xây dựng và thiết kế hệ thống - Xây dựng mô hình hệ thống từ những chức năng điều khiển cơ bản (điều kiển thủ công) đến chức năng bán tự động và tự động. - Xây dựng những kịch bản thông minh đáp ứng nhu cầu thực tế của người dùng. - Lập trình điều khiển các thiết bị trong nhà trồng nấm. Chương 4: Kết quả nghiên cứu thực nghiệm - Trình bày quá trình cài đặt hệ thống, các kết quả đạt được trong quá trình thực nghiệm tại nhà trồng nấm ở Nhơn Trạch-Đồng Nai. Chương 5: Kết luận và hướng phát triển. - Trình bày tổng kết lại những kết quả đạt được của luận văn, những mặt còn hạn chế và hướng phát triển của đề tài trong tương lai để tạo ra được một sản phẩm hoàn chỉnh ứng dụng rộng rãi với mô hình điều khiển tự động trong lĩnh vực trồng nấm nói riêng và trong lĩnh vực nông nghiệp nói chung. Trang 7 ABSTRACT  In our country, Viet Nam, with the advantages of natural conditions as the temperature does not highly fluctuate throughout the year, huminity is suitable for the growth of mushrooms (high humidity due to the large annual rainfall), the sources of materials for growing mushroom is locally available (agricultural wastes such as straw, rice husks, sawdust,). Therefore, mushrooms cultivation are gradually becoming popular professions for farmers. To save farmers’s time and effort, the thesis focuses on researching the application of “devices supporting for cultivation of mushrooms controlled by mobile/cell phone” with some functions such as turning on/off lights (temperature factor), misting/blower fans, nebulizer (moisture factor),.. that could help reducing manual fungus care operation, managing and monitoring the mushrooms growing process with the overall aim of achieving high productivity. Thesis is concerned with using Raspberry Pi to control devices via Wifi wireless network. These devices are being popular, supported on the forums, especially its price is cheap and affordable for farmers. Besides, the thesis build smart scenarios which integrate multiple sensors, create control system for the electrical equipments used in mushroom houses via mobile devices in a convenient, fast, power-saving, fuel/travel cost-saving way. To meet the needs of farmers that they do not have to be present at the mushroom cultivating houses, they are still able to monitor and manage it far away via the internet. It is contributing to the development of mushroom cultivation bringing to high efficiency in terms of mushroom quality and productivity; gradually improving economy and society. Trang 8 ABSTRACT EXTEND  In addition to the preamble, table of contents, list of images, tables, list of symbols, abbreviations, references and some appendices, the contents of the thesis consists of five chapters: Chapter 1: Introduction. Presenting reasons of selecting the topic, the researching objectives and the essential contents. Thereby we could show the application trends and practical needs of a control system via mobile equipments with management functions and automatic control applied to mushroom cultivating house. Chapter 2: overview of the techniques and technologies in the development of automatic mushroom growing house. Presenting an overview of techniques in cultivating some popular mushrooms like oyster mushroom, Ganoderma Lucidum. Presenting the development of information and communication technologies, theoretical systems and related technologies from which lead to the best solution applied to the thesis. Chapter 3: Building and designing the system - Building a system’s model from the basic control functions (manual control) to the semi-automatic and automatic functions. - Setting up the intelligent/smart scripts meet the user’s realistic needs. - Programming to control equipments in the mushroom cultivating houses. Chapter 4: Results of experimental studies. - Presenting the process of installing the system, the results achieved during the experiment at mushroom house in Nhon Trach district, Dong Nai province Chapter 5: Conclusions and development Summarizing the results of the thesis, weaknesses of the thesis and the subject’s directions of development in the future to create a complete product widely used in the application of automatic control in the field of planting mushroom in particular and the agricultural in general. Trang 9 MỤC LỤC Chương 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI ................................................................................... 14 1.1 Lý do chọn đề tài ............................................................................................ 14 1.2 Câu hỏi và giả thiết nghiên cứu ....................................................................... 15 1.3 Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................................... 15 1.4 Đối tượng nghiên cứu ..................................................................................... 16 1.5 Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................ 16 1.6 Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................ 16 1.7 Những nội dung chính cần nghiên cứu ............................................................ 17 Chương 2 TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ ............................... 18 2.1 Lý thuyết cơ bản về việc trồng nấm ................................................................. 18 2.1.1 Kỹ thuật cơ bản trồng nấm linh chi ........................................................... 18 2.1.2 Kỹ thuật cơ bản trồng nấm bào ngư .......................................................... 21 2.2 Một số giải pháp công nghệ điều khiển thiết bị từ xa ....................................... 24 2.2.1 Công nghệ không dây X10 ....................................................................... 24 2.2.2 Công nghệ không dây Insteon .................................................................. 25 2.2.3 Công nghệ không dây Zigbee ................................................................... 27 2.2.4 Công nghệ Z-wave ................................................................................... 28 2.2.5 Công nghệ Wifi với Bo mạch Raspberry Pi .............................................. 30 2.3 Trình bày cơ sở hạ tầng và kỹ thuật tổng quát ................................................. 32 2.3.1 Bố trí hệ thống tưới tự động cho nhà nấm ................................................. 32 2.3.2 Bố trí quạt hút, quạt thổi, máy phun nước trên mái nhà để hạ nhiệt độ ...... 33 2.3.3 Bố trí lắp đặt máy phun sương để tăng độ ẩm không khí trong nhà nấm ... 33 2.4 Đề xuất công nghệ .......................................................................................... 34 2.5 Phần mềm cho hệ thống điều khiển ................................................................. 35 2.5.1 Web IOPI ................................................................................................. 35 2.5.2 Web giao diện người dùng........................................................................ 35 2.5.3 Ứng dụng giao diện người dùng trên điện thoại di động............................ 37 2.5.4 Cơ sở dữ liệu: ........................................................................................... 38 Chương 3 THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ..................................................... 39 3.1 Mô hình hệ thống ............................................................................................ 39 3.1.1 Mô hình hoạt động của hệ thống ............................................................... 39 3.1.2 Mô hình điều khiển thiết bị nhà nấm từ xa cơ bản ..................................... 40 3.1.3 Mô hình điều khiển thiết bị nhà nấm từ xa bán tự động............................. 40 3.1.4 Mô hình điều khiển thiết bị nhà nấm từ xa tự động ................................... 42 3.1.5 Mô hình thiết lập các thông số môi trường theo độ tuổi của nấm thông qua qua camera nhận dạng tai nấm. ................................................................................ 43 Trang 10 3.2 Thiết lập các mức độ điều khiển của hệ thống ................................................. 44 3.2.1 Cấp độ 1 - Hệ thống điều khiển bật/tắt các thiết bị điện cơ bản ................. 44 3.2.2 Cấp độ 2 - Hệ thống điều khiển hẹn giờ .................................................... 46 3.2.3 Cấp độ 3 - Hệ thống điều khiển tự động .................................................. 47 3.2.4 Cấp độ 4-Hệ thống cảnh báo và kiểm soát hoạt động các thiết bị qua camera 49 3.2.5 Cấp độ 5-Hệ thống điều khiển thông minh với camera nhận dạng tai nấm 50 3.3 Xây dựng và thiết lập hệ thống ........................................................................ 51 3.3.1 Cài đặt hệ điều hành cho Raspberry Pi ...................................................... 51 3.3.2 Cập nhật Raspberry Pi config: .................................................................. 53 3.3.3 Cài đặt Web Iopi ...................................................................................... 61 3.3.4 Sử dụng WebIopi ..................................................................................... 62 3.3.5 Bật tắt WebIopi tự động ........................................................................... 63 3.3.6 Truy cập WebIopi trên mạng LAN ........................................................... 63 3.3.7 Nguyên lý giao tiếp của WebIopi và các thiết bị truy cập .......................... 65 3.3.8 Truy cập WebIopi qua mạng internet ........................................................ 66 3.3.9 Cài đặt cảm biến DHT11 .......................................................................... 67 Chương 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM ................................................... 71 4.1 Thiết lập điều khiển cho hệ thống ......................................................................... 71 4.2 Các chức năng điều khiển ..................................................................................... 72 4.2.1 Chức năng xử lý nhiệt độ ................................................................................ 72 4.3 Nhận xét từ nhà trồng nấm ở nơi thí nghiệm ......................................................... 73 Chương 5 TÓM TẮT, KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................. 74 5.1 Những kết quả nghiên cứu đạt được ................................................................ 74 5.2 Những hạn chế của đề tài ................................................................................ 75 5.3 Hướng phát triển của đề tài ............................................................................. 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 76 PHỤ LỤC – MÃ NGUỒN CHÍNH CỦA HỆ THỐNG ................................................... 77 1. Mã nguồn điều khiển tắt/mở đèn chiếu sáng .................................................... 77 2. Mã nguồn điều khiển tắt/mở quạt hút .............................................................. 77 3. Mã nguồn điều khiển điều tắt/mở quạt thổi ..................................................... 77 4. Mã nguồn điều khiển điều tắt/mở máy phun sương ......................................... 77 5. Mã nguồn điều khiển tự động với cảm biến ..................................................... 78 6. Mã nguồn hiện thị giao diện và camera ........................................................... 78 7. Mã nguồn file script của webiopi .................................................................... 84 8. Mã nguồn giao diện màn hình thiết bị di động ................................................. 84 Trang 11 DANH MỤC HÌNH VẼ STT Mã số Tên hình vẽ Trang 1. Hình 1.1 Giải pháp điều khiển thiết bị từ xa qua thiết bị di động 14 2. Hình 2.1a Một lô nấm linh chi đang bắt đầu cho thu hoạch 18 3. Hình 2.1b Một nhà trồng nấm ở Nhơn Trạch-Đồng Nai 21 4. Hình 2.1c Nhà trồng nấm bào ngư 23 5. Hình 2.2a Sơ đồ tự động nhà thông minh với công nghệ X10 25 6. Hình 2.2b Hệ thống nhà thông minh sử dụng công nghệ INSTEON 26 7. Hình 2.2c Ứng dụng công nghệ ZigBee trong ngôi nhà thông minh 28 8. Hình 2.2d Hệ thống nhà thông minh sử dụng công nghệ Z- Wave 29 9. Hình 2.2e Hình ảnh thật của Raspberry Pi Model B+ 31 10. Hình 2.3a Lắp đặt hệ thống tưới tự động cho nhà nấm 32 11. Hình 2.3b Sơ đồ bố trí vòi phun nước tự động 33 12. Hình 2.3c Hệ thống tưới phun tự động tại nhà nấm 34 13. Hình 2.5 Giao diện web điều khiển và hiển thị tình trạng với các màu khác nhau 36 14. Hình 2.5b Giao diện chính trên điện thoại di động 37 15. Hình 3.1a Mô hình hoạt động của hệ thống 39 16. Hình 3.1b Mô hình điều khiển bật/tắt thiết bị từ xa 40 17. Hình 3.1c Mô hình điều khiển từ xa bán tự động của hệ thống 41 18. Hình 3.1d Mô hình điều khiển từ xa tự động của hệ thống 42 19. Hình 3.1e Mô hình điều khiển tự động với camera nhận dạng tai nấm 43 20. Hình 3.2a Sơ đồ hệ thống ở cấp độ 1 45 21. Hình 3.2b Sơ đồ hệ thống ở cấp độ 2 46 22. Hình 3.2c Sơ đồ hệ thống ở cấp độ 3 48 23. Hình 3.2d Sơ đồ hệ thống ở cấp độ 4 49 24. Hình 3.2e Sơ đồ hệ thống ở cấp độ 5 51 25. Hình 3.3a Chọn đường dẫn cài hệ điều hành Raspbian 52 26. Hình 3.3b Thông số mạng 53 27. Hình 3.3c Màn hình Terminal của Pi để gõ lệnh config 53 28. Hình 3.3d Chọn cấu hình để đặt tên máy 54 29. Hình 5.3e Cấu hình thay đổi mật khẩu 55 Trang 12 STT Mã số Tên hình vẽ Trang 30. Hình 5.3f Cấu hình chọn chế độ khởi động 56 31. Hình 5.5g Cấu hình chọn chế độ khởi động tiếp theo 56 32. Hình 5.5h Cấu hình chọn ngôn ngữ 57 33. Hình 5.5i Cấu