NHÀ KÍNH ỨNG DỤNG IOT (có Code) - Tài Liệu Text - 123doc

Tải bản đầy đủ (.docx) (76 trang)

1. Trang chủ
>>
2. Kỹ Thuật - Công Nghệ
>>
3. Kĩ thuật Viễn thông

NHÀ KÍNH ỨNG DỤNG IOT (có code)

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (607.55 KB, 76 trang )

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆPNHÀ KÍNH ỨNG DỤNG IOT1MỤC LỤCDANH MỤC CÁC HÌNH VẼDANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU2DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮTADCAnalog-to-digital converter.CSDLCơ Sở Dữ Liệu.EEPROMElectrically Erasable Programmable Read-Only Memory.GPIOSGeneral-purpose input/output.IoTInternet of things.LCDLiquid-crystal-display.PCMPulse-code modulation.PICProgrammable Intelligent Computer.PHPHypertext Preprocessor.RISCReduced instruction set computer.ROMRead-Only Memory.USARTUniversal Synchronous/Asynchronous Receiver.34ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆPTrang 5/73CHƯƠNG 1.GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI1.1 Đặt vấn đềNgày nay nhu cầu về thực phẩm sạch, an toàn luôn là vấn đề được đặt lên hàng đầu,nhưng cùng với sự phát triển của các đô thị với mật độ dân số lớn con người lại tạo ranhững thực phẩm có sự can thiệp của các chất hóa học để tạo sự tươi ngon bắt mắt chothực thẩm. Tình trạng bắp cải chứa thuốc tăng trưởng có nguồn gốc từ Trung Quốc, raumuống tưới nhớt, rau muống ngâm dung dịch để tạo màu xanh tươi… đã làm chochúng ta hoang mang và ngày càng mất lòng tin vào những nông sản có mặt trên thịtrường. Chính vì lẽ đó việc tự trồng rau sạch là một giải pháp hiệu quả và an toàn chomỗi hộ gia đình.Ứng dụng công nghệ mạng máy tính vào trồng trọt là một trong những ý tưởng hay củaviệc nghiên cứu khoa học ngày nay, giúp con người tiết kiệm được nhiều thời gian vàcông sức nhưng vẫn đem lại năng suất, hiệu quả cao. Con người có thể ở nhà sử dụngmáy tính hoặc điện thoại mà vẫn có thể quan sát và điều khiển trang trại của mình ởngoại thành giúp tiết kiệm thời gian nhân công hiệu quả.Trong đề tài này vấn đề được đặt ra là xây dựng một khu vườn thông minh trong nhàkính. Trên cùng một diện tích đất chúng ta có thể trồng nhiều loại rau hoa màu khácnhau. Với công nghệ tự động hóa chỉ cần chọn loại hoa màu muốn trồng với những yếutố điều kiện tăng trưởng. Hệ thống sẽ tự động điều chỉnh môi trường để tăng khả năngphát triển của cây. Bên cạnh đó cơ sở dữ liệu được liên tục đưa lên Website giúp chochúng ta có thể tra cứu dữ liệu bất kỳ lúc nào.1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nướcHiện nay trên thế giới đang phát triển các mô hình trồng cây thông minh phù hợptrong các đô thị lớn. Khi mà diện tích đất sử dụng ngày càng thu hẹp, dân số ngày càngtăng cao, việc xây dựng những mô hình trồng cây ngay tại các gian bếp hoặc ban côngNhà Kính Ứng Dụng IotĐỒ ÁN TỐT NGHIỆPTrang 6/73sân thượng giúp mang lại thực phẩm sạch không bị ô nhiễm. Con người phải tạo ra mộtmôi trường nhân tạo với các yếu tố nhiệt độ, nước, gió, độ PH, ánh sáng,… cho câyphát triển, thế là những trang trại thông minh nhỏ ra đời trong các căn hộ. Hơn thế nữaviệc trồng rau hoặc hoa tại căn hộ đem lại một môi trường tự nhiên xanh, sạch và cótính thẩm mỹ cao. Xu thế phát triển ngày nay của thế giới về một khu vườn thông minhtrong căn hộ có thể tự động hóa tất cả mọi việc kể cả việc gieo trồng từ xa cũng như làthu hoạch tự động.Trên thế giới ở các nước phát triển những mô hình trồng rau trong nhà ngày càng phổbiến như những lồng cây trồng tại bếp theo phương thức trồng thủy canh, sản phẩm rausạch có thể sử dụng trực tiếp mà không phải rữa lại với nước, với những bước trồngcực kì đơn giản và có thể theo dõi sự phát triển của cây, nhu cầu về thành phần dinhdưỡng, nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng được tối ưu hóa thông qua một ứng dụng nhỏ trênđiện thoại hơn thế nữa những lồng trồng cây nhỏ còn được dùng để trang trí tại một sốvị trí như nhà bếp, bàn ăn, bên cửa sổ…Hiện nay tại Việt Nam đã ứng dụng hệ thống Smart Home với mục tiêu tiến tới hệthống Smart City, ngày càng có nhiều gia đình Việt Nam sinh sống tại những căn hộchung cư với diện tích nhỏ nhưng vẫn có thể trồng cây ngoài sân thượng, hoặc ngay tạikhông gian bếp bằng việc ứng dụng những mô hình thông minh vừa mang lại lợi íchsức khỏe mà còn đem lại tính thẩm mỹ cho ngôi nhà. Những căn hộ được bán ra vớiviệc thiết kế hệ thống tự động hóa trong nhà kết hợp với hệ thống trồng cây thông minhđem lại sự tiện dụng và kinh tế cho gia chủ.1.3 Mục tiêuVới tình hình phát triển của Smart Home ngày nay, đề tài tập trung vào xây dựng môhình vườn cây trong nhà kính theo hướng IoT có thể tự động hóa việc chăm sóc câydựa vào các loại cảm biến, vi điều khiển và các loại module truyền không dây. Đề tàitập trung giải quyết những nhiệm vụ sau:Nhà Kính Ứng Dụng IotĐỒ ÁN TỐT NGHIỆPTrang 7/73---Sử dụng cảm biến được gắn vào vi điều khiển để chăm sóc cây: cảm biến nhiệtđộ độ ẩm truyền dữ liệu về cho PIC (vi điều khiển). Vi điều khiển gửi dữ liệulên cho Esp (bộ phận so sánh) để thực hiện việc so sánh với điều kiện của cơ sởdữ liệu, sau đó sẽ đưa ra các lựa chọn phù hợp nhất, sau đó Esp gửi lệnh về choPIC để thực hiện lệnh. Tự động hóa gồm tưới phun sương để tạo độ ẩm, sử dụnglò sưởi để giảm độ lạnh, dùng quạt để làm mát, hoặc khi cây thiếu ánh sáng thìđèn LED sẽ được bật để cung cấp lượng ánh sáng vừa phải. Ngoài ra một mànhình LCD sẽ được đặt ngoài vườn để tiện cho việc theo dõi trực tiếp về nhiệt độ,độ ẩm, ánh sáng phát triển của cây.Một cơ sở dữ liệu cây trồng được lưu kết nối trên website: CSDL lớn gồm 50loại cây trồng khác nhau. PIC (vi điều khiển) có thể lấy CSDL thông qua ESP đểcó thông số điều kiện phát triển của cây. Người sử dụng có thể sử dụng trực tiếpthông qua Website, có thể chọn loại cây cho hệ thống tự động chăm sóc hoặcxem những thông số về điều kiện phát triển của cây trồng hiện tại.Người sử dụng có thể theo dõi từ xa cây trồng thông qua Website. Những thôngsố mà PIC nhận được từ cảm biến sẽ được xử lý và đẩy lên Website. Ngoài ra cánhân có thể tự thay đổi các thông số của cơ sở dữ liệu theo mong muốn.1.4 Sơ đồ kết nối tổng quát của hệ thốngCác Cảm biếnKhối xử lýKhối kết nốiKhối điềukhiểnHình 1-1: Sơ đồ kết nối của hệ thốngNhà Kính Ứng Dụng IotCSDL&WebsiteĐỒ ÁN TỐT NGHIỆPTrang 8/73Vi điều khiển sẽ nhận dữ liệu từ cảm biến sau đó nhờ cầu nối ESP8266 gửi dữ liệu lênWebserver. Ngoài ra khi có yêu cầu từ Webserver vi điều khiển sẽ đọc dữ liệu màserver gửi yêu cầu. Hệ thống xữ lý liên tục và thực hiện so sánh thông số thu được vàthông số tăng trưởng để điều chỉnh tạo ra các môi trường tốt cho cây.Nhà Kính Ứng Dụng IotĐỒ ÁN TỐT NGHIỆPTrang 9/73CHƯƠNG 2.HỆ THỐNG PHẦN CỨNGNội dung: So sánh, tìm hiểu linh kiện và chọn linh kiện chính.2.1 Các loại cảm biếnKhối cảm biến:-Sử dụng cảm biến: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng. Do các bảm biến trên có giá thành-rẻ, dễ sử dụng, dễ thay thế khi hư hỏng.Chọn linh kiện chính: PIC16F877A, DHT11, BH1750.Bảng 2-1: So sánh cảm biến nhiệt độ, độ ẩmCảm biếnGiá thànhKết nốiAM2315450.000đI2CSHT10250.000đDigital1 dâyDHT22102.000đDigital1 dâyDHT1130.000Digital1 dâyƯu điểm. Mẫu mã đẹp.. Giao tiếp nhanh, chuẩnxác.. Độ bền cao.. Độ bền, độ chính xácvà độ ổn định cao.Nhược điểm. Chỉ sử dụng cảmbiến trong môi trườngđộ ẩm thuần là hơinước.. Chỉ sử dụng được ởmôi trường không khí.. Chỉ sử dụng ở nơi. Chi phí rẻ, dễ lấy dữ thoáng mát, tránh ủliệu.kín và ánh nắng trựctiếp.. Có được dữ liệu chính. Khoảng đo và độxác mà không phải quachính xác thấp.bất kỳ tính toán nào.Bảng 2-2: So sánh cảm biến ánh sángCảm biếnBH1750Giá thành Giao tiếp49.000đI2CNhược điểmTSL256165.000đ. Khoảng đo tương đốithấp.. Chỉ dùng để bật, tắtthiết bị.Quang Trở 15.000đCDSƯu điểm. Không phải qua bấtkỳ xử lý hay tính toánnào.I2C. Độ bền, độ chính xácvà độ ổn định cao.Digital 1 . Dễ sử dụng, nhỏ gọndâyNhà Kính Ứng Dụng IotĐỒ ÁN TỐT NGHIỆPTrang 10/73Để thực hiện việc tự động hóa điều chỉnh môi trường phù hợp cho cây, một hệ thốnggồm các cảm biến được sử dụng để thu thập thông tin thực tế của môi trường. Các cảmbiến gồm:-Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11.-Cảm biến ánh sáng BH1750.2.1.1Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11DHT11 là cảm biến nhiệt độ kết hợp với đo độ ẩm dễ sử dụng và có độ chính xáctương đối cao.Hình 2-1: Cảm biến độ ẩm, nhiệt độ DHT11 [1]Thông số kĩ thuật của DHT11 được trình bày trong bảng 2.1:Bảng 2-3: Bảng thông số kỹ thuật cảm biến DHT11Điện áp hoạt độngSai số độ ẩmNgưỡng độ ẩmNgưỡng nhiệt độSai số nhiệt độNhà Kính Ứng Dụng Iot3-5.5v DC±5%20-900-500C±20CĐỒ ÁN TỐT NGHIỆPTrang 11/73Sơ đồ nối dây giữa PIC và DHT11 được trình bày trong bảng 2.2:Bảng 2-4: Sơ đồ nối dây cảm biến DHT11DHT11GNDVCCSIGNAL-PIC 16F877AGND5VB0Nguyên lý hoạt động: Để có thể giao tiếp với DHT11 theo chuẩn 1 chân vi xử lýthực hiện theo 2 bước: Gửi tín hiệu muốn đo (Start) tới DHT11, sau đó DHT11xác nhận lại là 5-byte dữ liệu về nhiệt độ đo được.- Bước 1: gửi tín hiệu Start:+ MCU thiết lập chân DATA là Output, kéo chân DATA xuống mức 0 trongkhoảng thời gian >18ms. Khi có tín hiệu MCU sẽ hiểu muốn đo giá trị nhiệt độvà độ ẩm. MCU đưa chân đất lên 1, sau đó thiết lập lại chân đầu vào.+ Sau khoảng 20us, DHT11 sẽ kéo chân DATA xuống mức thấp. Nếu >20us màchân DATA không được kéo xuống thấp tức là không giao tiếp được vớiDHT11.+ Chân DATA sẽ ở mức thấp 80us sau đó nó được DHT11 kéo lên mức caotrong 80us. Bằng việc giám sát chân DATA, MCU có thể biết được có giao tiếpđược với DHT11 không. Nếu tín hiệu đo được DHT11 lên cao, khi đó hoànthiện quá trình giao tiếp giữa MCU với DHT11.- Bước 2: đọc giá trị trên DHT11: Sau khi giao tiếp được với DHT11, DHT11 sẽgửi liên tiếp 40 bit 0 hoặc bit 1 về cho MCU, tương ứng chia thành 5-byte kếtquả của nhiệt độ và độ ẩm.2.1.2Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750 là một vi mạch cảm biến trong môi trường ánhsáng dùng kĩ thuật giao tiếp BUS I2C.Nhà Kính Ứng Dụng IotĐỒ ÁN TỐT NGHIỆPTrang 12/73Hình 2-2: Cảm biến ánh sáng BH1750 [2]Module này thu dữ liệu về ánh sáng môi trường, cho dữ liệu đo ra trực tiếp với dạngđơn vị LUX mà không cần phải tính toán chuyển đổi thông qua chuẩn truyền I2C.Thông số kĩ thuật BH1750 được trình bày trong bảng 2.3. BH1750 có thể đo đượckhoảng cường độ ánh sáng rộng 65535 Lux TỪ -40850CBảng 2-5: Thông số kỹ thuật cảm biến BH1750Chuẩn kết nốiNguồn cung cấpKhoảng đoNhiệt độ hoạt độngI2C3.3-5V1-65535 Lux-400C- 850CSơ đồ nối dây giữa PIC và BH1750 trình bày trên bảng 2.4:Bảng 2-6: Sơ đồ nối dây cảm biến BH1750BH1750GNDVCCSDASCLPIC 16F877AGND5VB4B52.2 Vi điều khiển PIC 16F877APIC là một họ vi điều khiển được sản xuất bởi công ty Microchip Technology. PIC là từviết tắt của “Programmable Intelligent Computer” bộ điều, là khiển giao tiếp ngoại vi.Hiện nay PIC 16F877A được sử dụng rộng rãi với ưu thế ứng dụng ngôn ngữ c/c++ dễsử dụng cho người mới lập trình, giúp học sinh/ sinh viên có thể tiếp cận trực tiếp. HơnNhà Kính Ứng Dụng IotĐỒ ÁN TỐT NGHIỆPTrang 13/73nữa việc truyền nhận dữ liệu trên PIC đơn giản với các giao tiếp thông dụng nhưUART, I2C,… mà vẫn đáp ứng được nhu cầu của người sử dụng.Ý nghĩa của 16F877A: 16xxx là độ dài của lệnh 14 bit và F là có bộ nhớ flash.Các đặc điểm cơ bản của vi điều khiển PIC:+ Có MSSP Peripheal dùng cho các giao tiếp SPI, I2C và I2S.+ Có bộ nhớ nội EEPROM-có thể ghi hoặc xóa lên tới 1 triệu lần.+ Có khối điều khiển động cơ, đọc encoder.+ Có hỗ trợ giao tiếp qua USB.- Hình dạng thực tế:Hình 2-3: Hình thực tế PIC16F877A [3]-PIC 16F877A có hình dạng thực tế trên hình 2-3 có 5 port xuất, nhập, có 8-kênh chuyển đổi A/D.Bảng tóm tắt đặc điểm của PIC 16F877A:Bảng 2-7: Tóm tắt thông số kỹ thuật PIC16F877AĐặc điểmTần số hoạt độngResetBộ nhớ chương trình Flash(14-bit word)Bộ nhớ dữ liệu(bytes)Bộ nhớ dữ liệu EEPROM(bytes)Các module/compare/PWMCác port xuất nhậpTimerCác nguồn ngắtgiao tiếp nối tiếpGiao tiếp song songModule A/D 10bitBộ so sánh tương tựTập lệnhNhà Kính Ứng Dụng IotPIC16F877ADC-20mMhzPORT, BOR(PWRT,OST)8K3862562Port A,B,C,D,E315MSSP, USARTPSP8 kênh ngõ vào235 lệnhĐỒ ÁN TỐT NGHIỆPTrang 14/73Hình 2-4: Sơ đồ chân PIC16F877A [4]-PIC16F877A có tất cả 40 chân như hình 2-4, 40 chân trên chia thành 5 PORT, 2-chân cấp nguồn, 2 chân GND, 2 chân thạch anh và một chân RESET mạch.5 port của PIC16F877A có tên: A,B,C,D,E bao gồm lần lượt 6,8,8,8,3 chân.Cấu trúc bộ nhớ chương trình:Bộ nhớ chương trình của vi điều khiển PIC16F877A là bộ nhớ flash có dung lượng 8Kword (1 word = 14 bit). Bộ nhớ chương trình không bao gồm bộ nhớ stack và khôngđược địa chỉ hóa bởi bộ đếm chương trình.2.3 Module truyền Wifi ESP8266Module ESP8266 là module wifi giá rẻ, được dùng rộng rãi với các ứng dụng liên quanđến Internet và Wifi có thể dùng thay thế cho các module RF khác. ESP8266 là mộtchip tích hợp cao, mở ra một thế giới Internet of Things (IoT).Nhà Kính Ứng Dụng IotĐỒ ÁN TỐT NGHIỆPTrang 15/73Hình 2-5: ESP8266MOD V12 [5]Tính năng của ESP8266.- SDIO 2.0, UART, SPI.- 32-pin QFN (Chip ESP8266).- Tích hợp RF switch, balun, DCXO, 24dBm PA and PMU.- Kiến trúc giả miễn phí thế hệ đồng hồ độc quyền.- Tích hợp WEP, AES, TKIP và các công cụ WAPI.Sơ đồ chân và cách đấu nạp chương trình như hình 2.7:Nhà Kính Ứng Dụng IotĐỒ ÁN TỐT NGHIỆPTrang 16/73Hình 2-6: Sơ đồ dây nạp chương trình cho ESP8266MOD [6]Chân RX của Esp sẽ kết nối với chân TX của PIC. Chân TX của Esp sẽ kết nối vớichân RX của PIC. Vcc, GPIO2, CH_PD được nối lên 3.3V. GND, GPIO0, GPIO1 đượcnối xuống 0V, khi sử dụng GPIO0 được nối lên VCC.2.4 Màn hình hiển thị LCD 1602Màn hình LCD hình 2-8:Hình 2-7: Màn hình LCD 1602 [7]Vss: Tương đương với chân GND – cực âm.Vdd: Tương đương với VCC- cực dương.Nhà Kính Ứng Dụng IotĐỒ ÁN TỐT NGHIỆPTrang 17/73Enable/pin: Cho phép ghi vào LCD.D0-D7: dùng 8 chân dữ liệu. Sử dụng 4 chân dữ liệu có thể tiết kiệm dây dẫn nhưngphải thay đổi thư viện LCD.Backlight (Anode và Cathode): Bật tắt màn hình LCD.-Sơ đồ kết nối chân với PIC:Bảng 2-8: Sơ đồ nối dây cảm biến DHT11LCD1602VssVddRsr/wED4D5D6D7PIC 16F877AGND5VD1D2D3D4D5D6D7AK5VGNDCHƯƠNG 3.3.1 Các chức năng chínhNhà Kính Ứng Dụng IotGIẢI THUẬT TỰ ĐỘNGĐỒ ÁN TỐT NGHIỆPTrang 18/73Với xu hướng phát triển các hệ thống tự động hóa theo hướng IoT ngày càng nhiều,con người không cần phải tự dự đoán sự phát triển của cây trồng theo mùa nữa mà vẫncó thể dễ dàng để cây sinh trưởng phát triển tốt dựa vào các thông số truyền từ cảmbiến. Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm cho cây trồng cho phép nhận biết được lượng nước cầnthiết cho cây để quyết định việc tưới nước hoặc không. Khi nhiệt độ cao vượt quángưỡng sự sinh trưởng, máy lạnh sẽ được bật lên để điều hòa lại nhiệt độ cho cây. Cảmbiến ánh sáng chọn lựa mức sáng phù hợp để bật đèn LED để cung cấp ánh sáng vừaphải.Những dữ liệu mà cảm biến truyền về PIC sẽ được xử lý và sau đó tự động điều khiểnlại hệ thống.Ngoài ra những thông số được thu thập sẽ được PIC chuyển lên Website thông quamodule wifi ESP8266, nhờ đó chúng ta có thể theo dõi điều kiện phát triển của cây bấtcứ nơi nào dùng điện thoại, máy tính, ipad có kết nối internet. Điểm đặc biệt của hệthống trồng cây này là người sử dụng có thể tự thay đổi thông số của cây trồng trựctiếp trên web khi có nhu cầu thay đổi bất kì loại cây nào đó, nhờ đó chúng ta có thểtăng tính linh hoạt của việc trồng cây và trồng được nhiều loại hoa màu hơn.Từ cơ sở dữ liệu với các thông số sinh trưởng có sẳn trên server chúng ta chỉ cần chọnloại cây chúng đang trồng, những điều kiện phát triển sẽ được tự động thiết lập chocây. Ngoài ra để thuận tiện cho việc theo dõi một màn hình hiển thị sẽ được thiết lậpngay tại vị trí trồng giúp chúng ta tiện theo dõi trực tiếp.3.2 Giải thuật chi tiết từng khối3.2.1Điều chỉnh nhiệt độ không khíNhà Kính Ứng Dụng IotĐỒ ÁN TỐT NGHIỆPTrang 19/73Bắt đầuPIC đọc nhiệt độ từ cảm biến(Tcb) và gửi lên ESPNhiệt độ từ Server Tmin, TmaxTmin