đề tài thiết kế hệ thống tưới cây tự động trên diện tích lớn bằng cảm biến độ ẩm

Có thể nói trong nông học ngoài những kĩ thuật trồng trọt, chăm sóc thi tưới nước là một trong các khẩu quan trọng nhất trong trồng trọt, để đảm bảo cây sinh trưởng và phát triển bình th

5 Phương pháp nghiên cứu 7

CHƯƠNG 1 TỔNG QUÁT VỀ ĐỀ TÀI 8

1 Khái niện về hệ thống tự động 8

2 Ứng dụng của tự động hóa trong tưới tiêu cho cây trồng 9

3 Các nghiên cứu ở nước ngoài 10

4 Các nghiên cứu trong nước 10

5 Các vấn đề cần nghiên cứu bổ xung 11

CHƯƠNG 2 TỔNG QUÁT VỀ ARDUINO VÀ CÁC LINH KIỆN THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ TRONG ĐỀ TÀI 12

1 Giới thiệu về Arduino 12

1.1 Arduino là gì 12

1.2 phân loại 13

1.3 Tìm hiểu về Arduino R3 13

2 Phần mềm lập trình Arduino IDE 19

3 Các thiết bị và linh kiện 21

3.1 Mô tơ bơm nước 21

1 Yêu cầu thực hiện 29

2 Sơ đồ kết nối và nguyên lý hoạt động của mạch 29

3 Chương trình lập trình hệ thống tưới cây tự động theo cảm biến độ ẩm

của đất trên phần mềm Arduino IDE 30

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN 33

1 Kết quả đạt được 33

2 Hướng phát triển đề tài 33

LỜI MỞ ĐẦU1 Tính cấp thiết của đề tài.

Nền nông nghiệp của nước ta là nền nông nghiệp vẫn còn lạc hậu 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 bảođược đúng yêu cầu Có thể nói trong nông học ngoài những kĩ thuật trồng trọt, chăm sóc thi tưới nước là một trong các khẩu quan trọng nhất trong trồng trọt, để đảm bảo cây sinh trưởng và phát triển bình thường, tưới đúng và tưới đủ theo yêu cầu nông học của cây trồng sẽ không sinh sâu bệnh, hạn chế thuốc trừ sâu cho sản phẩm an toàn, đạt năng suất, hiệu quả cao.Ngoài ra trên những tuyến phố ở khu vực trung tâm thành phố chúng ta vẫn bắt gặp hình ảnh các xe bồn chở nước tưới cây dọc đường gây ùn tắc, mất an toàn giao thông.

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 đang được nghiên cứu, thiết kế, chế tạo đưa vào thực tiễn ngày được áp dụng càng nhiều Thiết bị tưới cũng rất đa dạng về chủng loại (vòi phun mưa, phun sương, vòi nhỏ giọt bù áp, vòi không bù áp, dây tưới nhỏ giọt ) có thông số khác nhau phục vụ cho các loại cây khác nhau được chế tạo từ nhiều nước như Israel, Hàn Quốc, Đài Loan, Trung Quốc sẽ rất thuận tiện cho người sử dụng lựa chọn phủ hợp với nhu cầu sử dụng của mình 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 Hệ thống tưới phun đáp ứng độ ẩm gốc, độ ẩm lá và không khi cho cây trồng phát triển tốt, hệ thống tiết kiệm nước tạo điều kiện cho cây trồng hấp thụ dinh dưỡng không gãy rửa trôi, thoải hóa đất,không gây ô nhiễm môi trường Hệ thống tưới nước tự động có thể kết hợp với bón phân, phun thuốc hóa học Hơn thế nữa, vớiviệc thiết kế một hệ thống tưới cây tự động sẽ giúp cho con người không phải tưới cây, không phải tốn chi phí nhân công tưới nước cũng như giám sát thời gian tưới cây Với hệ thống này, việc tưới cây sẽ là tự động tùy theo nhiệt độ thời tiết nắng hay mưa, độ ẩm cao hay thấp, mùa nào trong năm Tất cả cácđiều kiện đó sẽ được đưa vào Hệ thống tính toán và đưa ra thời gian chính xác để bơm nước Người lao động sẽ không cần phải quan tâm đến việc tưới cây, cây sẽ được sinh trưởng và phát triển tốt hơn nhờ việc tưới cây phù hợp và chính xác hơn.

2 Lý do chọn đề tài.

Hệ thống tưới tự động là hệ thống thiết bị tưới tốt nhất đáp ứng theo yêu cầu sinh trường cây trồng đang được ứng dụng rộng trên các nước phát triển Hệ thống tưới nước tự động là một hình thức tưới nước hợp lý, tiết kiệm sức lao động và chi phí nhân công Vốn đã rất phổ biến từ nhiều nước trên thế giới Tuynhiên ở Việt Nam chi vài ba năm trở lại đây việc vận dụng hệ thống này mới trở thành xu hưởng Hệ thống tưới nước tự động cũng trở nên phổ biến hơn với người nông dân ở nông thôn cùng với quá trình hiện đại hóa nông nghiệp nông thôn nhưng không phải người dân nào cũng mạnh dạn đưa vào xử dụng vi chi phí đầu tư cao.

Mặt khác khoa học kỹ thuật phát triển mạnh mẽ đã làm thay đổi cuộc sống con người, làm cho cuộc sống con người ngày càng trở nên tiện nghi và hiện đại Kỹ thuật điện tử phát triển con người đã tạo ra những thiết bị máy móc hiện đại thay thế cho con người những công việc nặng nhọc và đòi hỏi sự chính xác cao.

Kỹ thuật điện tử phát triển đã nhanh chóng được ứng dụng vào trong nhiều lĩnh vực: công nghiệp, giao thông vận tải, hàng không vũ trụ Các thiết bị điều khiển tự động giữ vai trò cực kỳ quan trọng góp phần lớn cho sự tiến bộ không ngừng của các lĩnh vực này Ngành nông nghiệp nước ta hiện nay còn phụ thuộc nhiều vào khí hậu tự nhiên, và với những phương pháp sản xuất canh tác truyền thống không mang lại năng suất cao Khi kinh tế xã hội phát triển thì nhu cầu con người càng được nâng cao, đòi hỏi chất và lượng nâng cao Do đó cần đến các thiết bị kỹ thuật tiên tiến có khả năng đo đạc và điều khiển được các thông số của môi trường như nhiệt độ, độ ẩm không khí, chất dinh dưỡng cung cấp phù hợp với từng giai đoạn phát triển của cây trồng Xuất phát từ những vấn đề thực tiễn trên em đã nghiên cứu và tiến hành thiết kế : "Hệ Thống Tưới Cây Tự Động theo độ ẩm".

- Mô hình hệ thống tưới cây tự động thích hợp cho các vườn câyăn quả và rau củ

- Tiết kiệm chi phí cho người nông dân và các doanh nghiệp.Về phương diện bản thân:

- Tăng khả năng tự học, tự nghiên cứu, được tiếp xúc thực tế, hiểu rõ hơn những thứ về chuyên ngành.

- Vận dụng kiến thức đã học để nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống tưới tự động, từ đó đưa vào ứng dụng thực tiễn Giúp cho việc tưới tiêu cây trồng ở nước ta có những phương án mới và đạt được hiệu quả cao.

- Giúp ta có thêm nhiều trãi nghiệm, kinh nghiệm cho sau này.- Tìm hiểu được nhiều kiến thức về arduino.

5 Phương pháp nghiên cứu.

Để thực hiện nội dung đề tài nghiên cứu, em tiến hành phương pháp nghiên cứu sau:

Các kết quả nghiên cứu kế thừa:

- Kế thừa công trình nghiên cứu của các thế hệ trước về cơ sở lýthuyết của các phần mềm lập trình và mô phỏng.

- Kế thừa các nghiên cứu có trong thực tiễn.Định hướng nghiên cứu:

- Tìm hiểu tài liệu liên quan về đề tài.- Tìm hiểu phần mềm arduino.

- Thiết kế và thi công mô hình.

- Chạy mô phỏng và chỉnh sửa mô hình.

- Nghiên cứu phần mềm lập trình và mô phỏng trên máy tính.- Tìm ra phương pháp lập trình đơn giản, dễ sử dụng, hiệu quả.

CHƯƠNG 1 TỔNG QUÁT VỀ ĐỀ TÀI

1 Khái niện về hệ thống tự động.

Hệ thống điều khiển tự động là hệ thống bao gồm các phần tử tự động nhằm điều khiển các quá trình xảy ra trong thiên nhiên,cuộc sống mà không có sự tham gia trực tiếp của con người.Hệ thống điều khiển tự động; là tập hợp các thành phần vật lý có mối liên quan và tác động qua lại lẫn nhau để chỉ huy, tự hiệu chỉnh hoặc điều khiển một hệ thống khác.

Hệ thống điều khiển tự động xuất hiện ngày nay rất phổ biến.- Hệ thống điều hoà không khí.

- Hệ thống điều chỉnh độ ẩm.- Hệ thống tự động báo cháy v.v Trong môi trường sản xuất:

Hình 1 hệ thống tưới tự động

Do đó, hệ thống tưới nước tự động là vô cùng quan trọng giúp người nông dân tiết kiệm được thời gian và thuận tiện hơn giúp đạt được năng suất tốt khi cây được tưới nước đúng giờ Đáp ứng được nhu cầu về thời gian và không gian.

2 Ứng dụng của tự động hóa trong tưới tiêu cho cây trồng.

Công trường thực vật là căn cứ địa sản xuất nông nghiệp của hiện đại hóa Toàn bộ quá trình đều có thể điều khiển tự động để giảm bớt sức người, nâng cao sản lượng

Mặc dù tự động hóa ứng dụng từ rất lâu cho việc tưới tiêu, songnó chỉ phát triển ở một số nước phát triển, còn đối với các nước chậm phát triển tuy nền nông nghiệp chiếm tỉ lệ lớn nhưng việcứng dụng tự động hóa cho việc tưới cây vẫn còn rất chậm.

Hiện nay, được sự trợ giúp của nước ngoài các nước đang phát triển đã đưa dẫn tự động hóa vào đời sống và sản xuất, đặc biệtlà các nước đông nam ở trong đó có Việt Nam.

Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ chế tạo thiết bị tự động hóa, kết hợp với thành tựu trong công nghệ vi điện tử và công nghệ thông tin, đã cho phép tạo nên một giải pháp tự động hóa trong mọi lĩnh vực Có thể nói tự động hóa trởthành xu hướng tất yếu cho mọi lĩnh vực cho bất kỳ quốc gia, vùng lãnh thổ nào.

3 Các nghiên cứu ở nước ngoài.

Ở nước ngoài đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng về hệ thống tưới cây tự động: Đầu những năm 80, Liên Xô ( cũ ) đã chế tạo ra một loại máy tự động ứng dụng trong nông nghiệp Khi làm việc loại máy này có thể quan sát được độ ẩm của thổ nhưỡng, nhiệt độ không khí, sức gió Nó có thể xác định được phương pháp tưới và tiến hành tưới cho cây trồng, nhờ một loại máy làm mưa nhân tạo khác.

Hãng robot Droplet giới thiệu robot tưới cây tích hợp những công nghệ tự động mới nhất, điện toán đảm máy và một số dịch vụ kết nối khác cho phép Droplet có khá năng tự động ngắm hưởng vòi phun, lượng nước và tần suất tưới để tự động tưới nước cho cây theo những lịch trình tự tỉnh toán dựa trên phân tích các dữ liệu đầu vào Droplet là 1 chiếc vòi phun tự động có khả năng tự điều chỉnh hướng dòng nước phun ra từ ống đến thân cây trong bán kính 9,14 mét Trước khi robot tự động vận hành người dùng chỉ cần khai báo tên của các loại cây có mặt trong vườn thông qua điện thoại, máy tính bảng, được kết nối không dây với robot Dựa trên thông tin về tên các loại cây Droplet sẽ tự tra cứu thông tin trên mạng nhằm xác định lượng nước cũng như tần số tưới cho phù hợp với từng loại cây Bên cạnh đó, Droplet cũng tự tra cứu dữ liệu về tình hình thời tiết của địa điểm làm việc để xác định mua năng nhằm đưara lịch làm việc thích hợp.

4 Các nghiên cứu trong nước.

Ở nước ta đã có nhiều nghiên cứu và ứng dụng hệ thống tự động vào trong cuộc sống Người dân đã sáng tạo ra các hệ thống bản tự động giúp tiết kiệm sức lao động, hiệu quả mang lại cao hơn so với tưới thủ công Tuy nhiên hệ thống này còn nhiều nhược điểm cần khắc phục để mang lại hiệu quả cao nhấtcó thể.

Ở các trường đại học chuyên ngành kĩ thuật đã có nhiều đề tài về hệ thống tưới nước tự động do sinh viên thực hiện Tuy nhiênvẫn còn nhiều mặt hạn chế cần khắc phục.

Hệ thống tưới phun tự động đa năng- một công trình khoa học của 2 giảng viên trường Cao đẳng Công nghiệp (CĐCN) Huế: tiến sĩ Lê Văn Luận và thạc sĩ Lê Đình Hiếu Các thiết bị chính của hệ thống tưới phun đa năng này gồm có 1 cảm biến đo nhiệt độ và 1 cảm biến đo độ ẩm của đất được cài đặt tại nhà màng trồng hoa, hệ điều khiển được lập trình trên PLC-S7- 1200 Khi các cảm biến cho thông số độ ẩm của đất hoặc nhiệt độ không khi tại nhà màng bảo hiệu cần nước, tín hiệu này sẽ đưa đến hộp điều khiển PLC Tại đây các chức năng sẽ được điều khiển tự động để nhận nước và đưa tưới tự động tưới phun theo các vòi phun lắp đặt, và sẽ tự ngừng trong đúng 5 phút, khi cảm biến báo độ ẩm hoặc nhiệt độ đã đạt yêu cầu Hệ thống tưới phun tự động đa năng là sản phẩm khoa học có ý tưởng hay, tính thiết thực và đã được thử nghiệm có hiệu quả thực tế.

5 Các vấn đề cần nghiên cứu bổ xung.

Các nghiên cứu ở trên đã được ứng dụng từ lâu Tuy nhiên, do giá thành quá cao nên nhiều người chưa có điều kiện để sử dụng các thiết bị đó Vì vậy, tác giả đã thực hiện nghiên cứu hệ thống tưới sử dụng cảm biến độ ẩm của đất để quyết định thời gian tưới cho cây trồng Hệ thống chế tạo đơn giản, chi phi thấpdễ sửa chữa

CHƯƠNG 2 TỔNG QUÁT VỀ ARDUINO VÀCÁC LINH KIỆN THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ TRONG ĐỀ

- Khi arduino chưa ra đời, để làm được một dự án điện tử nhỏ liên quan đến lập trình, biên dịch, chúng ta cần đến sự hỗ trợ của các thiết bị biến dịch khác để hỗ trợ Ví dụ như dùng Vi điềukhiển PIC hoặc IC vì điều khiển họ 8051 , chúng ta phải thiết kế chân nạp onboard, hoặc mua các thiết bị hỗ trợ nạp và biên dịch như mạch nạp 8051, mach nap PIC

- Hiện nay Arduino được biết đến ở Việt Nam rất rộng rãi Từ học sinh trung học, đến sinh viên và người đi làm Những dự án nhỏ và lớn được thực hiện một cách rất nhanh, các mã nguồn mở được chia sẽ nhiều trên diễn đàn trong nước và nước ngoài Giúp ích rất nhiều cho những bạn theo đam mê nghiên cứu chế tạo những sản phẩm có ích cho xã hội.

- Trong những năm qua, Arduino là bộ não cho hàng ngân dự ánđiện tử lớn nhỏ, từ những sản phẩm ra đời ứng dụng đơn giản trong cuộc sống đến những dự án khoa học phức tạp.

Cứ như vậy, thư viện mã nguồn mở ngày một tăng lên, giúp ích cho rất nhiều người mới biết đến Arduino cũng như những

chuyên viên lập trình nhúng và chuyện gia cùng tham khảo và xây dựng tiếp nối

- Bạn muốn thiết kế điều khiển thiết bị thông qua cam biến ảnh sáng Đo nồng độ hóa chất, khi ga và xử lý thông qua cảm biến nồng độ và cam biến khi Bạn muốn làm 1 con robot mini, Bạn muốn quản lý tắt mở thiết bị điện trong nhà, bạn muốn điều khiển motor, nhận dạng ID, Khó hơn xíu là bạn muốn làm một máy CNC hoặc máy in 3D mini, máy bay không người lái

( Flycam) một hệ thống thu thập dữ liệu thông qua GSM, xử lý ảnh, điều khiển vạn vật thông qua internet giao tiếp với điện thoại thông minh

- Để làm được điều đó, từ đơn giản đến phức tạp bạn cần sử dụng ngôn ngữ lập trình Arduino dựa trên sơ đồ hệ thống của bạn thiết kế, thông qua phần mềm Arduino IDE, để thực hiện những yêu cầu đó đưa về bộ phận xử lý trung tâm (Arduino).

1.2 phân loại.

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều phiên bản Arduino như:- Arduino Uno R3

-Arduino Uno R3 CH340-Arduino Mega2560-Arduino Nano

-Arduino Pro Mino-Arduino Lenadro- Arduino Industrial

1.3 Tìm hiểu về Arduino R3.

- Arduino Uno R3 là một board mạch vi điều khiển được phát triển bởi Arduino.cc, một nền tảng điện tử mã nguồn mở chủ yếu dựa trên vi điều khiển AVR Atmega328P.

- Phiên bản hiện tại của Arduino Uno R3 đi kèm với giao diện USB, 6 chân đầu vào analog, 14 cổng kỹ thuật số I / O được sử dụng để kết nối với các mạch điện tử, thiết bị bên ngoài Trong đó có 14 công I/O, 6 chân đầu ra xung PWM cho phép các nhà thiết kế kiểm soát và điều khiển các thiết bị mạch điện tử ngoạivi một cách trực quan.

- Arduino Uno R3 được kết nối trực tiếp với máy tính thông qua USB để giao tiếp với phần mềm lập trình IDE, tương thích với Windows, MAC hoặc Linux Systems, tuy nhiên Windows thích hợp hơn để sử dụng Các ngôn ngữ lập trình như C và C ++ được sử dụng trong IDE.

- Ngoài USB, người dùng có thể dùng nguồn điện ngoài để cấp nguồn cho bo mạch - Các bo mạch Arduino Uno khá giống với các bo mạch khác trong các loại Arduino về mặt sử dụng và chức năng, tuy nhiên các bo mạch Uno không đi kèm với chip điều khiển FTDI USB to Serial.

- Có rất nhiều phiên bản bo mạch Uno, tuy nhiên, Arduino Nano V3 và Arduino Uno là những phiên bản chính thức nhất đi kèm

với vi điều khiển Atmega328 8 bit AVR Atmel trong đó bộ nhớ RAM là 32KB.

- Khi tính chất và chức năng của nhiệm vụ trở nên phức tạp, thẻnhớ SD Mirco có thể được kết nối thêm vào Arduino để lưu trữ được nhiều thông tin hơn.

Hình 1.3a Arduino uno R3-Các tính năng Arduino trên Board

+ Arduino Uno đi kèm với giao diện USB tức là cổng USB được thêm vào bo mạch Arduino để phát triển giao tiếp nối tiếpvới máy tính.

+ Bộ vi điều khiển Atmega328 sử dụng trên bo mạch đi kèm với một số tính năng như hẹn giờ, bộ đếm, ngắt, chân PWM, CPU, chân I/O và dựa trên xung nhịp 16 MHz giúp tạo ra nhiều tần số và số lệnh hơn trong mỗi chu kỳ.

+ Đây là một nền tảng mã nguồn mở, nơi mọi người có thểsửa đổi và tối ưu hóa bảng dựa trên số lượng hướng dẫn và nhiệm vụ muốn đạt được.

+ Arduino đi kèm với một tính năng điều chỉnh tích hợp giúp giữ điện áp trong tầm kiểm soát khi thiết bị được kết nối với thiết bị bên ngoài.

+ Chân reset trên Arduino để thiết lập lại toàn bộ và đưa chương trình đang chạy trở về ban đầu Chân reset này hữu ích khi Arduino bị treo khi đang chạy chương trình

+ Có 14 chân I / O digital và 6 chân analog được tích hợp trên Arduino cho phép kết nối bên ngoài với bất kỳ mạch nào với Arduino Các chân này cung cấp sự linh hoạt và dễ sử dụng cho các thiết bị bên ngoài có thể được kết nối thông qua các chân này.

+ 6 chân analog được đánh dấu là AD đến A5 và có độ phân giải 10 bit Các chân này đo từ 0 đến 5V, tuy nhiên, chúngcó thể được cấu hình ở phạm vi cao bằng cách sử dụng chức năng analogReference () và chân ISF

+ Bộ nhớ flash 13KB được sử dụng để lưu trữ số lượng hướng dẫn dưới dạng mã.

+ Chỉ cần nguồn 5V để sử dụng với Arduino, hoặc lấy nguồn trực tiếp từ cổng USB Arduino có thể hỗ trợ nguồn điện bên ngoài lên đến 12 V có thể được điều chỉnh và giới hạn ở mức 5 V hoặc 3,3 V dựa trên yêu cầu của projects.

-Các chân input - output của Arduino Uno R3

Hình 1.3b sơ đồ chân arduino uno R3

Có một số chân I / O Digital và analog được đặt trên bo mạch hoạt động ở mức logic 5V với dòng từ khoảng từ 20mA đến 40mA.

-Thông số kỹ thuật

+ Chip ATMEGA328P-PU+ Nguồn Cấp: 7-12V

+ Dòng Max chân 5V: 500mA+ Dòng Max 3.3V: 50mA+ Dòng Max Chân I/0: 30mA

+14 Chân Digital I/O (6 chân PWM)+6 Chân đầu vào Analog

+Bộ nhớ Flash 32k

+ Tốc độ xung nhịp 16Mhz+ SRAM 2 KB

+ EEPROM 1 KB

+ Đèn LED: Arduino Uno đi kèm với đèn LED tích hợp đượckết nối thông qua chân 13 Cung cấp mức logic HIGH tương ứngON và LOW tương ứng tắt.

+ Vin: Đây là điện áp đầu vào được cung cấp cho board mạch Arduino Khác với 5V được cung cấp qua cổng USB Pin này được sử dụng để cung cấp điện áp toàn mạch thông qua jack nguồn, thông thường khoảng 7-12VDC

+5V: Chân 5V được sử dụng để cung cấp điện áp đầu ra Arduino được cấp nguồn bằng ba cách đó là USB, chân Vin của bo mạch hoặc giắc nguồn DC.

+USB: Hỗ trợ điện áp khoảng 5V trong khi Vin và Power Jack hỗ trợ dải điện áp trong khoảng từ 7V đến 20V.

+GND: Chân mass chung cho toàn mạch Arduino.+ Reset: Chân reset để thiết lập lại về ban đầu

+ IOREF: Chân này rất hữu ích để cung cấp tham chiếu điện áp cho Arduino

+PWM: PWM được cung cấp bởi các chân 3, 5, 6, 9, 10, 11 Các chân này được cấu hình để cung cấp PWM đầu ra 8 bit

+SPI: Chân này được gọi là giao diện ngoại vi nối tiếp Các chân 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) cung cấp liên lạc SPI với sự trợ giúp của thư viện SPI.