Đề tài Thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống tưới cây và chiếu sáng tự động môn Phân tích thiết kế hệ thống | Trường Đại học sư phạm Hà Nội

lOMoAR cPSD| 57855709 1
TRƯ Ờ NG Đ Ạ I H Ọ C GIAO THÔNG V
ẬN T Ả I KHOA CƠ KHÍ
B Ộ MÔN CƠ ĐI
Ệ N T Ử
Đ Ồ ÁN T Ố T NGHI Ệ P
Đ ề tài: Thi ế t k ế , ch ế t ạ o mô hình h
ệ th ố ng tư ớ i cây, chi ế u sáng, đi ều
ch ỉnh nhi ệ t đ ộ t ự đ ộ ng, giám sát và điề u khi ể n các thông s ố qua app Blynk.
Giáo viên hư ớ ng d ẫ n: Ts.Lê Lăng Vân Sinh viên th
ự c hi ệ n : 1 . Hoàng Văn Long
2 . Nguy ễ n Văn Trư ờ ng
L ớ p
: Cơ đi ệ n t ử 2 – K60
Hà N ộ i – 2023 lOMoAR cPSD| 57855709 2 LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, lời đầu tiên em xin chân thành cảm
ơn toàn thể thầy cô trong trường Đại học Giao Thông Vận Tải và các thầy cô
trong khoa Cơ khí, bộ môn cơ điện tử nói riêng, những người đã tận tình hướng
dẫn, dạy dỗ và trang bị cho em những kiến thức bổ ích trong bốn năm vừa qua.
Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy TS.LÊ LĂNG VÂN đã
hướng dẫn cho em những kiến thức, kỹ năng cơ bản cần có để hoàn thành đề tài này.
Sau cùng nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè đã động
viên, cổ vũ và đóng góp ý kiến trong quá trình học tập, nghiên cứu cũng như
quá trình làm thực tập tốt nghiệp.
Tuy nhiên trong quá trình nghiên cứu đề tài, vì kiến thức chuyên ngành
còn hạn chế nên em vẫn còn nhiều thiếu sót khi tìm hiểu, đánh giá và trình bày
về đề tài. Rất mong nhận được sự quan tâm, góp ý của các thầy cô giảng viên
bộ môn để đề tài của em được đầy đủ và hoàn chỉnh hơn.
Em xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC lOMoAR cPSD| 57855709 3
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. 2
MỤC LỤC ....................................................................................................... 2
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT ............................................ 5
DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................. 6
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................. 7
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 7
CHƯƠNG 1- LÝ THUYẾT TỔNG QUAN ................................................ 11
1.1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu ................................................................ 11
1.2 Nội dung lý thuyết ................................................................................... 14
1.2.1 Tổng quan về IOT [1] ......................................................................... 14
1.2.2 Tổng quan về WIFI [2] ....................................................................... 15
1.3 Kết luận chương 1 ................................................................................... 16
CHƯƠNG 2- CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................ 18
2.1 Các linh kiện điện tử ............................................................................... 18
2.1.1 ESP8266 NodeMCU [3] ..................................................................... 18
2.1.2 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 [4] ................................................ 20
2.1.3 Cảm biến độ ẩm đất [6] ...................................................................... 22
2.1.4 Cảm biến ánh sáng [7] ........................................................................ 24
2.1.5 Màn hình LCD1602 [8] ...................................................................... 25
2.1.6 IC LM2596 ......................................................................................... 26
2.2 Ứng dụng thực tế .................................................................................... 28
2.2.1 Điều kiện sống của hoa hồng .............................................................. 28
2.2.2. Tìm hiểu về bước sóng ánh sáng ....................................................... 28
2.2.3. Tác động của ánh sáng đối với cây trồng .......................................... 30
2.2.4. Ứng dụng đèn LED cho cây hoa hồng .............................................. 33
2.2.5. Lắp đặt đèn LED ................................................................................ 33
2.2.6. Chi phí khi thi công lắp đặt hệ thống vườn thông minh .................... 34
2.3 Kết luận chương 2 ................................................................................... 35
CHƯƠNG 3- TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG VÀ LẬP TRÌNH . 37
3.1 Phân tích yêu cầu bài toán ..................................................................... 37
3.1.1 Mục tiêu thiết kế ................................................................................. 37 lOMoAR cPSD| 57855709 4
3.1.2 Điều kiện ràng buộc của thiết kế ........................................................ 37
3.1.3 Thông số kỹ thuật ............................................................................... 38
3.1.4 Tiêu chí đánh giá sản phẩm ................................................................ 38
3.2 Thiết kế ý tưởng ...................................................................................... 39
3.3 Thiết kế chi tiết ........................................................................................ 41
3.3.1 Thiết kế phần cứng ............................................................................. 41
3.3.2 Thiết kế và xây dựng phần mềm ........................................................ 53
3.4 Lập trình code ......................................................................................... 57
3.5 Kết luận chương 3 ................................................................................... 60
CHƯƠNG 4- THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ......................................... 60
4.1 Vận hành sản phẩm ................................................................................ 60
4.2 Thử nghiệm và kiểm chứng sản phẩm .................................................. 70
4.2.1 Phương pháp thử nghiệm .................................................................... 70
4.2.2 Kết quả thử nghiệm ............................................................................ 70
4.3 Đánh giá sản phẩm ................................................................................. 70
4.3.1 Về mức độ an toàn: ............................................................................. 70
4.3.2 Ưu điểm .............................................................................................. 70
4.3.3 Nhược điểm ........................................................................................ 72
4.3.4 Hướng khắc phục ................................................................................ 72
4.3.5 Ứng dụng của sản phẩm ..................................................................... 72
4.3.6 Tác động của sản phẩm thiết kế tới môi trường, kinh tế, xã hội ........ 73
4.4 Kết luận chương 4 ................................................................................... 74
KẾT LUẬN .................................................................................................... 75
HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ................................................................. 75
TÀI LIỆU KHAM KHẢO ........................................................................... 76
PHỤ LỤC ....................................................................................................... 77
A. HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG SẢN PHẨM .................................................. 77
A.1. Cấu tạo sản phẩm .............................................................................. 77
A.2. Cài đặt phần mềm .............................................................................. 78
A.3. Các thao tác sử dụng sản phẩm ........................................................ 78
A.4. Vận hành mô hình .............................................................................. 80
A.5. Thông tin liên hệ hỗ trợ ..................................................................... 80
B. CODE ........................................................................................................ 81 lOMoAR cPSD| 57855709 5
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT ADC: Analog Digital Converter IOT: Internet of things DC: Direct Current I/O: Input/ output SRAM: Static Random Access Memory PWM: Pulse width modulation
PIR: Passive Infra-Red GPIO: General-purpose input/output SDIO: Secure Digital Input Output UART:
Universal asynchronous receiver-transmitter lOMoAR cPSD| 57855709 6 SPI:
Serial Peripheral Interface Inter- I2C:
Integrated Circuit Pulse-width PWM: modulation I2S: Integrated Interchip Sound DMA: Direct memory access STA: Station mode AP: Access point IDE:
Integrated Development Environment DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1 Hệ thống tưới cây và chiếu sáng tự động ........................................ 12
Hình 1-2 Trang trại thẳng đứng Tigris của Plenty nam San Francisco .......... 13
Hình 1-3 Mô hình nhà kính tại Đà Lạt ....................................................... 13
Hình 1-4 Tổng quan IOT ................................................................................. 14
Hình 1-5 Biểu tượng Mạng WIFI ................................................................... 15
Hình 2-1 ESP8266 NodeMCU ........................................................................ 19
Hình 2-2 Hình ảnh thực tế của cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 [5] ........... 21
Hình 2-3 Khung truyền của DHT11 [5] .......................................................... 21
Hình 2-4 Chu trình giao tiếp DHT11 [5] ........................................................ 22
Hình 2-5 Hình ảnh thực tế của cảm biến độ ẩm đất [6] .................................. 23
Hình 2-6 Hình ảnh thực tế của mudule cảm biến ánh sáng ............................ 24
Hình 2-7 Hình ảnh màn hình LCD1602 [9] .................................................... 25
Hình 2-8 IC LM2596 ...................................................................................... 26
Hình 2-9 Sơ đồ mạch hạ áp dùng IC LM2596 ................................................ 27
Hình 2-10 Sơ đồ chân IC LM2596 ................................................................. 27
Hình 2-11 Ánh sáng cực tím hay tia cực tím phát ra từ ánh sáng mặt trời ..... 28
Hình 2-12 Giới thiệu về quang phổ ................................................................. 29
Hình 2-13 Sử dụng đèn LED nông nghiệp cho cây trồng............................... 30
Hình 3-1 Sơ đồ khối ........................................................................................ 41 lOMoAR cPSD| 57855709 7
Hình 3-2 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển .................................................... 43
Hình 3-3 Khối vi điều khiển............................................................................ 44
Hình 3-4 Khối nguồn ...................................................................................... 45
Hình 3-5 Khối đầu ra ....................................................................................... 46 Hình 3-6 Khối đầu vào
.................................................................................... 47
Hình 3-7 Khối báo hiệu ................................................................................... 48
Hình 3-8 Mạch 2D trên Altium ....................................................................... 48
Hình 3-9 Mạch 3D trên Altium ....................................................................... 49
Hình 3-10 Mạch thực tế. ................................................................................. 49
Hình 3-11 Nguyên lý mạch chuyển đổi nguồn ............................................... 50
Hình 3-12 Mạch chuyển đổi nguồn 2D ........................................................... 51
Hình 3-13 Mạch chuyển đổi nguồn ................................................................. 51
Hình 3-14 Lưu đồ thuật toán ........................................................................... 52
Hình 4-1 Mô hình sản phẩm............................................................................ 58
Hình 4-2 Màn hình LCD hiển thị và nút nhấn ................................................ 59
Hình 4-3 Điều chỉnh thông số và giám sát hệ thống ....................................... 59
Hình 4-4 Điều khiển hệ thống đèn chiếu sáng trong vườn ở chế độ thủ công 60
Hình 4-5 Điều khiển hệ thống đèn chiếu sáng trong vườn ở chế độ tự động . 61
Hình 4-6 Điều khiển hệ thống quạt trong vườn ở chế độ thủ công ................ 62
Hình 4-7 Điều khiển hệ thống quạt trong vườn ở chế độ tự động .................. 63
Hình 4-8 Điều khiển hệ thống bơm trong vườn ở chế độ thủ công ................ 64
Hình 4-9 Điều khiển hệ thống bơm trong vườn ở chế độ tự động .................. 65
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2-1 Chân của LCD1602 [8] ................................................................... 26
Bảng 2-2 Chức năng các chân của IC LM2596 .............................................. 27
Bảng 2-3 Chi phí ước tính lắp đặt hệ thống vườn thông minh cho vườn 100m2
......................................................................................................................... 35 MỞ ĐẦU
LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI lOMoAR cPSD| 57855709 8
Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghệ thông tin, điện
tử,..góp phần không nhỏ giúp nâng cao và hoàn thiện đời sống của con người.
Từ đó nhu cầu điều khiển các thiết bị cho gia đình cũng được phát triển theo
hướng thông minh, hiện đại hơn.
Nền nông nghiệp của nước ta là nền nông nghiệp vẫn còn lạc hậu, phụ
thuộc khá nhiều vào thời tiết cũng như chưa có nhiều ứng dụng khoa học kĩ
thuật được áp dụng vào thực tế. Rất nhiều quy trình kĩ thuật trồng trọt, chăm
sóc được tiến hành một cách chủ quan và không đảm bảo được đúng yêu cầu.
Có thể nói trong nông học ngoài những kĩ thuật trồng trọt, chăm sóc thì nước,
và ánh sáng là một trong những yếu tố quan trọng nhất trong trồng trọt, để đảm
bảo cây sinh trưởng và phát triển bình thường bên cạnh đó cây trồng sẽ hạn chế
sâu bệnh, hạn chế thuốc trừ sâu cho sản phẩm an toàn, đạt năng suất, hiệu quả cao.
Mặt khác hiện nay nước ta đang trong giai đoạn công nghiệp hóa, hiện đại
hóa các thiết bị máy móc tự động được đưa vào phục vụ thay thế sức lao động
của con người. Vì vậy thiết bị tưới tiêu, chiếu sáng đang được nghiên cứu, thiết
kế, chế tạo đưa vào thực tiễn ngày được áp dụng càng nhiều. Việc tính toán để
lựa chọn thiết bị hệ thống tưới đáp ứng được nhu cầu tưới theo nông học cây
trồng và phù hợp điều kiện kinh tế, kỹ thuật cho hiệu quả cao là việc cần thiết
cho việc phát triển trên diện rộng của hệ thống tưới này.
Với mục đích tìm hiểu và đáp ứng những nhu cầu ngày càng lớn trong
việc phát triển đời sống, đặc biệt áp dụng những kiến thức được học trên trường
cũng như kiến thức tự tìm hiểu chúng em đã lựa chọn nghiên cứu đề tài “Thiết
kế, chế tạo mô hình hệ thống tưới cây, chiếu sáng, điều chỉnh nhiệt độ tự động,
giám sát và điều khiển các thông số qua app Blynk”. Đề tài có thể giúp chúng
em vận dụng kiến thức để tự tay thiết kế được một bộ mô hình về hệ thống tưới
cây và chiếu sáng tự động, có hướng phát triển mới để áp dụng vào đời sống thực tế. lOMoAR cPSD| 57855709 9
MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Vận dụng kiến thức đã học để nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình hệ
thống tưới cây và chiếu sáng tự động, từ đó đưa vào ứng dụng thực tiễn làm hệ
thống tưới cây và chiếu sáng tự động. Giúp cho việc tưới tiêu, chăm sóc cây
trồng ở nước ta có những phương án mới và đạt được hiệu quả cao.
Xây dựng mô hình hệ thống tưới cây và chiếu sáng tự động theo hướng
IoT có thể tự động hóa việc chăm sóc cây dựa vào các loại cảm biến, vi điều
khiển và các loại module truyền không dây.
Sử dụng cảm biến được gắn vào vi điều khiển để chăm sóc cây: cảm biến
nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng truyền dữ liệu về cho ESP8266. Tự động hóa gồm
tưới phun để tạo độ ẩm, sử dụng đèn để cung cấp ánh sáng. Ngoài ra một màn
hình 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.
Người sử dụng có thể theo dõi từ xa hệ thống trồng cây thông qua App.
Những thông số mà VĐK nhận được từ cảm biến đã được xử lý và đẩy lên App.
ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Đề tài nghiên cứu về các điều kiện phù hợp cho cây hoa hồng, tham khảo
các mô hình, đề tài có sẵn trên thị trường. Mặt khác đề tài khảo sát các linh
kiện điện - điện tử ngoài thực tế. Tính toán và thiết kế mô hình theo dõi và điều
khiển hệ thống tưới cây và chiếu sáng tự động.
PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đề tài chỉ nghiên cứu thiết kế mạch, tính toán chi phí vận vận hành hệ
thống vườn thông minh trong môi trường mô phỏng, mô hình, đồ án. Đề tài
được thực hiện trong vòng 03 tháng kể từ ngày nhận đề tài. Sử dụng các kiến
thức đã được học tập về VĐK kết hợp tự tìm hiểu. Nghiên cứu về phần mềm
thiết kế mạch Altium designer. Nghiên cứu về phần mềm mô phỏng mạch
Proteus. Quy mô và phạm vi được thực hiện trên mô hình thu nhỏ, đánh giá hệ lOMoAR cPSD| 57855709 10
thống thông qua quá trình giám sát thực tế sau đó đưa ra kết quả và hướng phát triển mới cho đề tài.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm, tham khảo đề tài, thiết kế hệ thống,
thiết kế mạch điện tử, lập trình điều khiển, đánh giá ưu nhược điểm, khắc phục,
hoàn thành đồ án và chạy thử.
Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Ý nghĩa khoa học: Việc nghiên cứu đồ án này giúp nhóm bổ sung lý thuyết
cho các bộ môn đã được học trong quá trình học tập tại trường cũng như áp
dụng được kiến thức đã học vào xây dựng một hệ thống trong thực tiễn.
Giá trị thực tiễn: Để sản xuất ngày càng hiện đại, phát triển, hướng đến
một cuộc sống tiện lợi, thông minh, việc áp dụng công nghệ vào trồng trọt là
hoàn toàn cần thiết. Việc áp dụng công nghệ thông minh vào trồng trọt nhà giúp
cho chất lượng, sản lượng của câu trồng từ đó nâng cao sống của con người,
hơn nữa cũng sẽ giúp phát triển chất lượng xã hội và cùng hội nhập với đà phát
triển công nghệ trên toàn thế giới.
CẤU TRÚC CỦA BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Với đề tài này, báo cáo gồm những nội dung sau:
Chương 1: Lý thuyết tổng quan
Chương 2: Cơ sơ lý thuyết
Chương 3: Thiết kế hệ thống và lập trình
Chương 4:Thử nghiệm và đánh giá lOMoAR cPSD| 57855709 11
CHƯƠNG 1-LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu
Hiện nay thu nhập của người dân nước ta đã tăng lên đáng kể. Nhu cầu
của họ không chỉ là “ăn no mặc ấm” mà đã nâng lên một mức mới đó là “ăn
ngon mặc đẹp” và các nhu cầu về vui chơi giải trí, thăm quan du lịch trở nên
rất cần thiết. Chính những nhu cầu đó đã làm phát sinh và thúc đẩy cho ngành
hoa tươi Việt Nam trong những năm gần đây phát triển mạnh. Quy mô hiện nay
không chỉ giới hạn ở những hộ gia đình trồng hoa nhỏ lẻ với mục đích vui chơi
nữa mà ngày nay nó đã trở thành một ngành kinh doanh chính thức và có mức
lợi nhuận tương đối cao nên đã xuất hiện những công ty, tập đoàn, khu vực
trồng hoa chuyên canh với quy mô lớn như: Hà Nội, Đà Lạt…
Hoa tươi không chỉ cung cấp cho nhu cầu trong nước đặc biệt là những
ngày lễ lớn như: ngày Valentine, ngày 8 tháng 3, ngày 20 tháng 10… mà nó
còn mở rộng sang lĩnh vực xuất khẩu ra nước ngoài như: thị trường Trung
Quốc, Nhật Bản…Việc xuất khẩu này không chỉ làm tăng GDP của quốc gia
mà còn giải quyết được công ăn việc làm và góp phần cải thiện mức sống của
người dân nước ta. Chính vì lẽ đó việc trồng hoa đang và sẽ là xu thế mới.
Ứng dụng công nghệ mạng máy tính vào trồng trọt là một trong những ý
tưởng hay của nghiên cứu khoa học ngày nay, giúp con người tiết kiệm được
nhiều thời gian và công sức nhưng vẫn đem lại năng suất cao. Con người có
thể ở nhà sử dụng máy tính hoặc điện thoại mà vẫn có thể điều khiển trang trại
của mình ở ngoại thành giúp tiết kiệm thời gian nhân công hiệu quả.
Trong đề tài này vấn đề được đặt ra là xây dựng một khu hệ thống tưới
cây và chiếu sáng tự động. Với công nghệ tự động hóa chỉ cần chọn loại hoa
màu muốn trồng với những yếu tố điều kiện tăng trưởng. Hệ thống sẽ tự điều
chỉnh môi trường để tăng khả năng phát triển của cây. Bên cạnh đó cơ sở dữ
liệu được liên tục đưa lên App giúp cho chúng ta có thể tra cứu dữ liệu bất kỳ
lúc nào. Dưới đây là ví dụ về một vài hệ thống tưới cây và chiếu sáng tự động. lOMoAR cPSD| 57855709 12
Hình 1-1 Hệ thống tưới cây và chiếu sáng tự động
Một số ví dụ về mô hình hệ thống tưới cây và chiếu sáng tự động trên thế giới và trong nước:
Có thể nói Israel, Singapore và Nhật Bản là những quốc gia tiên phong
trong phát triển và ứng dụng công nghệ để phát triển ngành nông nghiệp quốc
gia. Do điều kiện khí hậu và đất đai ở các nước này rất khắc nhiệt không phù
hợp để cây trồng phát triển, trước tình hình đó họ đã xây dựng lên mô hình
những nông trại thẳng đứng “Verical farm”. Mô hình nông trại thẳng đứng này
tận dụng được tối đa diện tích canh tác, vừa cho sản phẩm đảm bảo chất lượng.
Ngoài ra còn có thể áp dụng các mô hình này trong các gia đình, đáp ứng nhu
cầu sử dụng của các hộ gia đình.
Qua đó có thể thấy các nước trên thế giới áp dụng mô hình “Hệ thống tưới
cây và chiếu sáng tự động” từ rất lâu và cho rất nhiều nơi. Chính vì sự tiện lợi
mà mô hình này đem lại nên nó đã dần trở thành những ứng dụng khá phổ biến
trong việc áp dụng công nghệ để phát triển đời sống của con người. lOMoAR cPSD| 57855709 13
Hình 1-2 Trang trại thẳng đứng Tigris của Plenty nam San Francisco
Nền nông nghiệp nước ta hiện nay đứng thứ 2 ở khu vực Đông Nam Á và
xếp thứ 13 trên thế giới. Với việc các nước trên thế giới đang áp dụng công
nghệ để phát triển nền nông nghiệp thì Việt Nam cũng không thể đứng ngoài.
Với nhiều lợi thế từ đất đai, khí hậu do thiên nhiên ban tặng, mạng lưới sông
ngòi dày đặc đảm bảo nguồn nước tưới tiêu là điều kiện tiên quyết cho phát triển nông nghiệp.
Hình 1 - 3 Mô hình nhà kính tại Đà Lạt lOMoAR cPSD| 57855709 14
1.2 Nội dung lý thuyết
1.2.1 Tổng quan về IOT [1]
Internet of Things (IoT) là thuật ngữ dùng để chỉ các đối tượng có thể được
nhận biết cũng như sự tồn tại của chúng trong một kiến trúc mang tính kết nối.
Đây là một viễn cảnh trong đó mọi vật, mọi con vật hoặc con người được cung
cấp các định danh và khả năng tự động truyền tải dữ liệu qua một mạng lưới
mà không cần sự tương tác giữa con người-với-con người hoặc con người-
vớimáy tính. IoT tiến hoá từ sự hội tụ của các công nghệ không dây, hệ thống
vi cơ điện tử (MEMS) và Internet. Cụm từ này được đưa ra bởi Kevin Ashton
vào năm 1999. Ông là một nhà khoa học đã sáng lập ra Trung tâm Auto-ID ở đại học MIT.
Hình 1-4 Tổng quan IOT
Các thiết bị IoT hoạt động dựa trên sự cảm biến bên trong thiết bị. Chúng
được dùng để kết nối các thiết bị riêng với nhau thông qua các chip cảm biến
nhằm phát hiện và chuyển đổi các thông tin dữ liệu nhận được thành "hành
động" tương ứng tiếp theo thông qua điều hướng mạng Internet. lOMoAR cPSD| 57855709 15
1.2.2 Tổng quan về WIFI [2]
Wi-Fi (802.11): Wi-Fi là một giao thức truyền thông không dây phổ biến
được sử dụng rộng rãi trong mạng không dây… Biểu tượng của mạng WIFI
được thể hiện ở Hình 1-5
Hình 1-5 Biểu tượng Mạng WIFI
Wi-Fi (Wireless Fidelity/802.11) là hệ thống mạng không dây sử dụng
sóng vô tuyến. 802.11 bắt nguồn từ tổ chức IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers).
Các chuẩn Wifi thông dụng hiện nay:
Tổ chức IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) xây dựng
một tập hợp các chuẩn để mô tả thông số kĩ thuật của mạng không dây là IEEE
802.11, chuẩn kết nối 802.11 gồm các chuẩn nhỏ là a/b/g/n/ac.
+ Chuẩn kết nối 802.11: Ra đời năm 1997, chuẩn hỗ trợ tốc độ mạng tối
đa 2 Mbps và sử dụng băng tần 2.4 GHz.
+ Chuẩn kết nối 802.11b: Ra đời vào tháng 7/1999 chuẩn hỗ trợ tốc độ lên
đến 11Mpbs và sử dụng băng tần 2.4 GHz.
+ Chuẩn kết nối 802.11a: Phát triển song song với chuẩn 802.11b, chuẩn
a được sử dụng trong các mạng của doanh nghiệp. Chuẩn hỗ trợ tốc độ tối đa
đến 54 Mpbs và sử dụng băng tần 5 GHz với bang tần này làm giảm tình trạng
bị nhiễu từ các thiết bị khác. Phạm vi hoạt động hẹp từ 40 đến 100m và bị ảnh
hưởng bởicác vật cản. lOMoAR cPSD| 57855709 16
+ Chuẩn kết nối 802.11g: Là thế hệ thứ 3 ra đời năm 2003. Chuẩn hỗ trợ
tốc độ đến 54 Mpbs sử dụng băng tần 2.4 GHz vì vậy chuẩn có tốc độ cao,
phạm vi tín hiệu rộng từ 80 đến 200m. Tuy nhiên dễ bị nhiễu từ các thiết bị
phát sóng khác và có khả năng tương thích ngược với chuẩn 802.11b và ngược lại.
+ Chuẩn kết nối 802.11n (Wifi 802.11 b/g/n): Là chuẩn tương đối mới và
sử dụng khá phổ biến hiện nay, với công nghệ MIMO (Multiple-Input
MultipleOutput) sử dụng nhiều anten hỗ trợ tốc độ tối đa lên đến 600 Mpbs, có
thể hoạt động trên cả hai băng tần 2,4 GHz và 5 GHz, nếu thiết bị Router hỗ
trợ thì cả hai băng tần có thể phát sóng song song. Chuẩn có tốc độ cao, giá
thành phù hợp và phạm vi tín hiệu rất tốt từ 100 đến 250m.
+ Chuẩn 802.11ac (802.11 a/b/g/n/ac): Là chuẩn mới nhất của IEEE sử
dụng công nghệ đa anten đã có trên chuẩn 802.11n với băng tần 5 GHz và tốc
độ tối đa lênđến 1730 Mbps. Tuy nhiên giá thành khá cao so với các chuẩn còn lại.
Ưu điểm của Wifi: Tính tiện dụng, đơn giản gọn nhẹ. Thay đổi và nâng
cấp số lượng truy cập băng thông một cách dễ dàng. Duy trì kết nối Wifi trong
khi đang di chuyển. Tính bảo mật tương đối cao. Tuy nhiên mạng Wifi vẫn
còn một số nhược điểm như là phạm vi kết nối có giới hạn, đi càng xa thiết bị
Router kết nối càng giảm dần. Giải pháp trang bị thêm các điểm Repeater hoặc
Access point. Tuy nhiên giá thành cao.Tốc độ truy cập băng thông giảm rõ rệt
nếu càng nhiều thiết bị kết nối .
1.3 Kết luận chương 1
Qua việc tìm hiểu về hệ thống tưới cây và chiếu sáng tự động, các phương
pháp điều khiển trong thông minh và ưu nhược điểm của chúng, chúng em nhận
thấy đề tài phù hợp với phương pháp điều khiển không dây bằng wifi, bằng
điện thoại thông qua sóng Wifi. Cho nên, chúng em lựa chọn những phương
pháp điều khiển này cho đề tài của mình. Với mô hình hệ thống tưới cây và lOMoAR cPSD| 57855709 17
chiếu sáng tự động trồng cây hoa hồng có diện tích 30 x 40 cm có hệ thống
tưới cây theo luống, chiếu sáng tự động dựa theo cường độ ánh sáng. Được
điều khiển qua app cũng như qua nút nhấn và thông số nhiệt độ, độ ẩm, trạng
thái của các thiết bị sẽ được hiển thị qua màn hình hiển thị LCD cũng như trên app Blynk. lOMoAR cPSD| 57855709 18
CHƯƠNG 2-CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Các linh kiện điện tử
2.1.1 ESP8266 NodeMCU [3]
Dòng chip ESP8266-01 có tích hợp Wi-Fi 2.4Ghz có thể lập trình được,
rẻ tiền được sản xuất bởi một công ty bán dẫn Trung Quốc: Espressif Systems.
Được phát hành đầu tiên vào tháng 8 năm 2014, đóng gói đưa ra thị trường
dạng module ESP-01, được sản xuất bởi bên thứ 3: AI-Thinker. Có khả năng
kết nối Internet qua mạng Wi-Fi một cách nhanh chóng và sử dụng rất ít linh
kiện đi kèm. Với giá cả có thể nói là rất rẻ so với tính năng và khả năng
ESP8266 có thể làm được.
ESP8266 có một cộng đồng các nhà phát triển trên thế giới rất lớn, cung
cấp nhiều Module lập trình mã mở giúp nhiều người có thể tiếp cận và xây
dựng ứng dụng rất nhanh.
Thông số kỹ thuật ESP8266 NodeMCU (Hình 2-1):
- 32-bit RISC CPU: Tensilica Xtensa LX106 running at 80 MHz.
- Hỗ trợ Flash ngoài từ 512KiB đến 4MiB.
- 64KBytes RAM thực thi lệnh.
- 96KBytes RAM dữ liệu. - 64KBytes boot ROM.
- Chuẩn wifi EEE 802.11 b/g/n, Wi-Fi 2.4 GHz Tích hợp TR switch,
balun, LNA, khuếch đại công suất và matching network Hổ trợ WEP, WPA/WPA2, Open network.
- Tích hợp giao thức TCP/IP.
- Hổ trợ nhiều loại anten. - 16 chân GPIO. lOMoAR cPSD| 57855709 19
- Hổ trợ SDIO 2.0, UART, SPI, I²C, PWM, I²S với DMA - 1 ADC 10-bit.
- Dải nhiệt độ hoạt động rộng: -40C ~ 125C. - Nguồn vào: 5V.
Hình H2-ình 1 ESP8266 NodeMCU2-1 - Nguồn ra: 3.3V.
Module NodeMCU ESP8266 ở dạng module nên sẽ tối ưu trong việc thiết
kế phần cứng nhỏ gọn cũng như tiết kiệm chi phí và quan trọng là có khả năng
giảm nhiễu hơn là tự làm thủ công.
Có tích hợp 4 chế độ:
- STA (station mode): NodeMCU kết nối với một wifi.
- AP (access point): Phát wifi để các thiết bị có thể kết nối. - STA và AP.
- Wifi off: Không kết nối wifi.
ESP 8266 rất phù hợp là vi điều khiển cho mô hình IoT.
Lập trình vi điều khiển trên Aduino IDE được hỗ trợ trên window, đây là
một điều rất hay vì cộng đồng arduino đông đảo, hỗ trợ lập trình rất mạnh. lOMoAR cPSD| 57855709 20
2.1.2 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 [4]
DHT11 là một cảm biến kỹ thuật số giá rẻ để cảm nhận nhiệt độ và độ ẩm.
Cảm biến này có thể dễ dàng giao tiếp với bất kỳ bộ vi điều khiển vi nào như
Arduino, Raspberry Pi, ... để đo độ ẩm và nhiệt độ ngay lập tức.
DHT11 [9] là một cảm biến độ ẩm tương đối. Để đo không khí xung
quanh, cảm biến này sử dụng một điện trở nhiệt và một cảm biến độ ẩm điện dung.
Cảm biến DHT11 bao gồm một phần tử cảm biến độ ẩm điện dung và một
điện trở nhiệt để cảm nhận nhiệt độ. Tụ điện cảm biến độ ẩm có hai điện cực
với chất nền giữ ẩm làm chất điện môi giữa chúng. Thay đổi giá trị điện dung
xảy ra với sự thay đổi của các mức độ ẩm. IC đo, xử lý các giá trị điện trở đã
thay đổi này và chuyển chúng thành dạng kỹ thuật số.
Để đo nhiệt độ, cảm biến này sử dụng một nhiệt điện trở có hệ số nhiệt độ
âm, làm giảm giá trị điện trở của nó khi nhiệt độ tăng. Để có được giá trị điện
trở lớn hơn ngay cả đối với sự thay đổi nhỏ nhất của nhiệt độ, cảm biến này
thường được làm bằng gốm bán dẫn hoặc polymer. Dưới đây là hình ảnh thực thế của DHT11.
Hình 2-2 Hình ảnh thực tế của cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 [5]
• Phương thức giao tiếp DHT11 [4]