Đồ án Thu thập dữ liệu và điều khiển thiết bị nhà kính qua web server (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Thu thập dữ liệu và điều khiển thiết bị nhà kính qua web server (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG THU THẬP DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ NHÀ KÍNH QUA WEB SERVER GVHD: ThS. NGUYỄN ĐÌNH PHÚ SVTH: TRẦN NAM KHÔI MSSV: 12141116 S K C0 0 4 7 2 3 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2016
2. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THU THẬP DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ NHÀ KÍNH QUA WEB SERVER SVTH: TRẦN NAM KHÔI MSSV: 12141116 Khoá: 2012 Ngành: CN- KT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG GVHD: ThS. NGUYỄN ĐÌNH PHÚ Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2016
3. Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2016
4. Đồ Án Tốt Nghiệp LỜI CẢM ƠN Được sự phân công của khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh và được sự đồng ý của thầy giảng viên hướng dẫn Th.S Nguyễn Đình Phú, tôi đã thực hiện đề tài mang tên “Thu Thập Dữ Liệu Và Điều Khiển Thiết Bị Nhà Kính Qua Web Server”. Để có thể hoàn thành được đề tài này, nhóm thực hiện đề tài xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh nói chung và các thầy, cô trong bộ môn Điện Tử Công Nghiệp nói riêng đã tận tình hướng dẫn, giảng dạy trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và rèn luyện ở trường. Xin chân thành cảm ơn thầy giảng viên hướng dẫn Th.S Nguyễn Đình Phú đã trực tiếp hướng dẫn tận tình, chu đáo và tạo điều kiện để tôi có thể hoàn thành khóa luận này. Cuối cùng xin gửi lời cảm ơn gia đình, các bạn sinh viên trong lớp đặc biệt là các bạn Hồ Minh Thái, Nguyễn Thành Tâm, Nguyễn Ngọc Nam Phương và Châu Quanh Thươne lời cảm ơn sâu sắc vì những đóng góp quý báu về vật chất và tinh thần, sự động viên, giúp đỡ nhiệt tình trong suốt thời gian học tập, cũng như quá trình nghiên cứu, hoàn thành đồ án này. Mặc dù đã cố gắng hết sức để thực hiện đề tài một cách hoàn chỉnh nhất nhưng do buổi đầu làm quen và tiếp cận trong lĩnh vực mới cũng như hạn chế về kiến thức và kinh nghiệm nên không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định mà bản thân chưa nhìn nhận được. Nhóm thực hiện đề tài rất mong nhận được sự góp ý của quý thầy, cô và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn. Nhóm thực hiện đề tài xin chân thành cảm ơn! NHÓM THỰC HIỆN ĐỀ TÀI. Sinh viên: Trần Nam Khôi Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao - ĐH SPKT TP. Hồ Chí Minh Trang i
5. Đồ Án Tốt Nghiệp TÓM TẮT Xã hội ngày càng phát triển với những công nghệ hiện đại và gần gũi với con người. Trong đó ngành Điện tử góp phần lớn và quan trọng mang lại những thành tựu to lớn đó.Với đặc thù của ngành là luôn đón đầu công nghệ, ngành Điện tử luôn cho ra các sản phẩm mới để phục vụ con người, không chỉ trong cuộc sống mà còn trong khoa học, quân sự, y tế, công nghiệp, nông nghiệp .Điều đó không những góp phần thúc đẩy chất lượng cuộc sống ngày càng tốt hơn, mà còn mở ra nhiều hướng đi mới hỗ trợ con người nhiều hơn trong tương lai. Nhu cầu về giám sát, điều khiển các thiết bị và thu thập dữ liệu thông qua mạng không dây ngày càng tăng, theo đó là sự phát triển liên tục của các máy tính nhúng qua hàng thập kỉ hình thành và phát triển đã nhanh chóng khẳng định được vị thế của mình trong xu thế Internet of Things – IoT. Với đề tài này, nhóm thực hiện xây dựng một mô hình thu thập dữ liệu và điều khiển thiết bị. Các board cảm biến và board điều khiển thiết bị được thiết kế có gắn các cảm biến và các thiết bị ngoại vi, kết nối vô tuyến với khối xử lý trung tâm. Các board cảm biến sẽ thu thập và xử lý dữ liệu, board điều khiển thiết bị sẽ ra các quyết định bật/tắt thiết bị dựa vào chương trình đã được lập trình sẵn và gửi thông tin về cho khối xử lý trung tâm. Khối trung tâm bao gồm một máy tính nhúng có chức năng thu thập dữ liệu từ các board cảm biến và board điều khiển thiết bị. Dữ liệu gồm giá trị cảm biến nhiệt độ - độ ẩm không khí, độ ẩm đất, cường độ ánh sáng, cảm biến mưa, trạng thái hoạt động của các thiết bị Dữ liệu sau khi thu thập sẽ được gửi đến máy tính nhúng qua sóng vô tuyến. Nhóm thực hiện đề tài đã cài đặt các chương trình để máy tính nhúng này trở thành một Web Server và Database Server.Máy tính nhúng sau khi khởi động sẽ chạy chương trình nhận dữ liệu và xử lý dữ liệu nhận được đưa vào cơ sở dữ liệu. Một giao diện Web được thiết kế để người dùng có thể đăng nhập, xem thông tin về hệ thống, giám sát dữ liệu cảm biến các board, trạng thái hoạt động của các thiết bị và có thể tương tác để bật/tắt thiết bị khi cần thiết. Ngoài ra, nhóm còn xây dựng một SMS Gateway để có thể tương tác với mô hình qua tin nhắn SMS. Giám sát môi trường bằng Camera và trên board điều khiển thiết bị còn được trang bị thêm màn hình TFT để tương tác với thiết bị, tất cả các hoạt động đều được đồng bộ hóa giữa Web và board điều khiển thiết bị. ABSTRACT The society is growing with modern and friendly technology. The living standards and people’s needs are higher than ever, requiring technical industry must always change, improvetomeet and enhance the quality of life. In fact, Electronics industry largely and importantly contributes to bring such great achievements. Its characteristic is always proactive,create new products to serve people, not only in life but also in science, Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao - ĐH SPKT TP. Hồ Chí Minh Trang ii
6. Đồ Án Tốt Nghiệp military, health care, agriculture That does not only contribute to enhance the quality of life, but also open up new ways to assist people more in the future. The demand for monitoring, control devices and data collection via Wireless networks is increasing. The continuous development of embedded computer for decade formation and development has quickly asserted its position in the trend of Internet of Things– IoT. This project, the implementation team builds a model of data collection and control devices. The sensor boards and controller board are designed with sensors, peripherals to control devices, the connection to the center unit via wireless. The sensor boards will collect and process data. The controller board will make decision to control on/off devices based on the program has been programmed and sent information to the center unit. Center unit includes an embedded computer with data acquisition function from the sensor board and controller board. Data is temperature - air humidity, soil moisture, light intensity, rain sensor and status of devices. After collecting, Data will be sent to the embedded computer via wireless. The groupinstalled a computer program to this embedded computer become Web Server and Database Server. After booting, embedded computer will run the data receiving and process data received into the Database. A Web interface is designed so that users can log in, view system information, data monitoring, status of the device and turn on/off the device when necessary. In addition, the group builds a SMS Gateway to be able to interact with the model via SMS. The environmental monitoring by Camera and controller board is equipped with LCD TFT screen to interact with the devices, all activities are synchronized between the Web and controller board. Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao - ĐH SPKT TP. Hồ Chí Minh Trang iii
7. Đồ Án Tốt Nghiệp MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT ii ABSTRACT ii MỤC LỤC iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vii DANH MỤC HÌNH ẢNH viii DANH MỤC BẢNG BIỂU xi CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1 1.1. Đặt Vấn Đề 1 1.2. Lý Do Chọn Đề Tài 2 1.3. Mục Tiêu Nghiên Cứu 2 1.4. Đối Tượng Và Phạm Vi Nghiên Cứu 3 1.5. Dàn Ý Nghiên Cứu 4 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5 2.1. Máy Tính Nhúng Trong Giám Sát, Điều Khiển Và Thu Thập Dữ Liệu 5 2.2. Tổng Quan Về Web Server 6 2.2.1. Web Server 6 2.2.2. Database Server 7 2.3.Mạng Cảm Biến Không Dây 7 2.3.1. Tổng Quan Về Mạng Cảm Biến Không Dây 7 2.3.2. Ứng Dụng Của Mạng Cảm Biến Không Dây Trong Phát Triển Nông Nghiệp 8 CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG 9 3.1. Giới Thiệu Về Hệ Thống 9 3.1.1. Sơ Đồ Khối Tổng Quát Hệ Thống 9 3.1.2. Sơ Đồ Khối Chi Tiết Khối Trung Tâm 10 3.1.3. Sơ Đồ Khối Chi Tiết Board Điều Khiển Thiết Bị 11 Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao - ĐH SPKT TP. Hồ Chí Minh Trang iv
8. Đồ Án Tốt Nghiệp 3.1.4. Sơ Đồ Khối Chi Tiết Các Board Cảm Biến 12 3.1.5. Nguyên Lý Hoạt Động Của Hệ Thống 13 3.2. Thiết Kế Phần Cứng Hệ thống 14 3.2.1. Khối Xử Lý Trung Tâm 14 3.2.1.1. Tổng Quan Về Kit Raspberry Pi 2 14 3.2.1.2. Cấu Hình Phần Cứng Của Raspberry Pi 2 14 3.2.1.3. Cài Đặt Hệ Điều Hành Raspbian Và Cấu Hình Lần Đầu Cho Kit Raspberry Pi 16 3.2.1.4. Sơ Đồ Kết Nối Ngoại Vi Cho Board Raspberry Pi 18 3.2.2. Board Cảm Biến 18 3.2.2.1. Lựa Chọn Vi Điều Khiển Cho Board Cảm Biến 18 3.2.2.2. Tổng Quan Vi Điều Khiển ATmega8 19 3.2.2.3. Các Thanh Ghi Được Sử Dụng Trong Đề Tài 20 3.2.2.4. Lựa Chọn Cảm Biến 24 3.2.2.5. Lựa Chọn Module Giao Tiếp RF 28 3.2.2.6. Tính Toán Thiết Kế Board Cảm Biến 34 3.2.3. Board Điều Khiển Thiết Bị 40 3.2.3.1. Vi Điều Khiển STM32F103VET6 40 3.2.3.2. Màn Hình TFT 3.2 inch 41 3.2.3.3. Tính Toán Thiết Kế Board Điều Khiển Thiết Bị 46 3.2.4. Mạch Công Suất Điều Khiển Thiết Bị 50 3.2.4.1. Mạch Điều Động Cơ Trượt 50 3.2.4.2. Tính Toán Thiết Kế Mạch Relay 51 3.6. Thiết Kế Mô Hình Nhà Kính 54 3.6.1. Thiết Kế Mô Hình 54 3.6.2. Các Thành Phần Cơ Khí Và Động Lực Dùng Trong Mô Hình 56 CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ PHẦN MỀM 58 4.1. Cài đặt Web Server Trên Raspberry Pi 58 4.2. Giao Tiếp Raspberry Pi Và Module Camera 64 4.2.1. Module Camera Cho Raspberry Pi 65 Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao - ĐH SPKT TP. Hồ Chí Minh Trang v
9. Đồ Án Tốt Nghiệp 4.2.2. Kích Hoạt Chức Năng Camera Trên Raspberry Pi 65 4.2.3. Quan Sát Trực Tiếp Video Từ Camera 67 4.3. Cài Đặt SMS Gateway Cho Raspberry Pi 69 4.3. Đăng Kí Tên Miền Và Network Address Translation (NAT) 71 4.3.1. Đăng Kí Tên Miền 71 4.3.2. Network Address Translation (NAT) 73 4.4. Thiết Kế Giao Diện Trang Web 74 4.5. Lưu Đồ Giải Thuật. 76 4.5.1. Lưu Đồ Giải Thuật Board Raspberry Pi 76 4.5.1.1. Lưu Đồ Giải Thuật Chương Trình UART.py 76 4.5.1.2. Lưu Đồ Giải Thuật Chương Trình Ghi Hình Camera Định Kì 79 4.5.2. Lưu Đồ Giải Thuật Board Cảm Biến 81 4.5.3. Lưu Đồ Giải Thuật Board Điều Khiển Thiết Bị 82 4.5.3.1 Lưu Đồ Chương Trình Chính 82 4.5.3.2. Lưu Đồ Chương Trình Ngắt Nhận Dữ Liệu 84 4.5.4. Lưu Đồ Giải Thuật Cho Web 87 4.5.4.1. Lưu Đồ Giải Thuật Trang Đăng Nhập 87 4.5.4.2. Lưu Đồ Giải Thuật Chương Trình Chính 88 CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 91 5.1. Kiểm Nghiệm Hoạt Động Của Board Raspberry 91 5.1.1. Gửi Nhận Dữ Liệu 91 5.1.2. Giao Tiếp Với Module Camera 94 5.1.3. Kiểm Tra Khoảng Cách Thu Phát Của Module HC-11 95 5.1.4. Hoạt Động Toàn Hệ Thống 95 CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO 106 Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao - ĐH SPKT TP. Hồ Chí Minh Trang vi
10. Đồ Án Tốt Nghiệp DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT CSI Camera Serial Interface. DNS Domain Name System. IP Internet Protocol. HDMI High-Definition Multimedia Interface. HTML HyperText Markup Language. HTTP HyperText Transfer Protocol. PHP Hypertext Preprocessor. RF Radio frequency. RPi Raspberry Pi. SMS Short Message Services. SQL Structured Query Language. TFT Thin Film Transistor. UART Universal Asynchronous serial Receiver and Transmitter. Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao - ĐH SPKT TP. Hồ Chí Minh Trang vii
11. Đồ Án Tốt Nghiệp DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1. Ứng dụng mạng cảm biến trong nông nghiệp. 8 Hình 3.1. Sơ đồ khối tổng quát hệ thống. 9 Hình 3.3. Sơ đồ khối tổng quát board điều khiển cơ cấu chấp hành. 11 Hình 3.4. Sơ đồ khối tổng quát board cảm biến 1 và 2. 12 Hình 3.5. Sơ đồ khối tổng quát board cảm biến 3. 13 Hình 3.6. Board Raspberry Pi 2. 15 Hình 3.7. Phân bố các module trên Raspberry Pi 2. 15 Hình 3.8. Sơ đồ GPIO Raspberry Pi 2. 15 Hình 3.9. Địa chỉ IP Raspberry Pi trong mạng LAN. 16 Hình 3.10. Sơ đồ kết nối ngoại vi cho Raspberry Pi. 18 Hình 3.11. Vi điều khiển Atmega8. 20 Hình 3.12. Thanh ghi TWBR ATmega8. 20 Hình 3.13. Thanh ghi TWCR ATmega8. 21 Hình 3.14. Thanh ghi TWSR ATmega8. 21 Hình 3.15. Thanh ghi TWDR ATmega8. 21 Hình 3.16. Thanh ghi UDR ATmega8. 22 Hình 3.17. Thanh ghi UCSRA ATmega8. 22 Hình 3.18. Thanh ghi UCSRB ATmega8. 22 Hình 3.19. Thanh ghi UCSRC ATmega8. 23 Hình 3.20. Thanh ghi UBRR ATmega8. 23 Hình 3.21. Gửi tín hiệu muốn đo tới DHT11và chờ phản hồi. 25 Hình 3.22. Khoảng thời gian cho bit0 (trái) và bit 1 (phải). 25 Hình 3.23. Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11 26 Hình 3.24. Cảm biến đo độ ẩm đất. 26 Hình 3.25. Module cảm biến mưa TGRS-01. 26 Hình 3.26. Cảm biến đo cường độ ánh sáng BH1750. 28 Hình 3.27. Module thu phát RF HC-11. 28 Hình 3.28. Led báo nguồn. 34 Hình 3.29. Sơ đồ nguyên lý mạch ổn áp 7805. 35 Hình 3.30. Sơ đồ nguyên lý mạch reset. 36 Hình 3.31. Sơ đồ nguyên lý mạch dao động thạch anh. 37 Hình 3.32. Hình ảnh thực tế 3 mạch cảm biến. 38 Hình 3.33. Mạch nguyên lý tổng quát board cảm biến 1 và 2. 39 Hình 3.34. Mạch nguyên lý tổng quát board cảm biến 3. 39 Hình 3.35. Vi Điều Khiển STM32F103VET6. 40 Hình 3.36. Màn hình TFT ILI9325. 42 Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao - ĐH SPKT TP. Hồ Chí Minh Trang viii
12. Đồ Án Tốt Nghiệp Hình 3.37. Giản đồ xung quá trình ghi lệnh/dữ liệu của ILI9325. 44 Hình 3.38. Giản đồ xung giao tiếp XPT2046. 45 Hình 3.39. Mạch ổn áp LM1117. 46 Hình 3.40. Sơ đồ cây xung clock STM32. 48 Hình 3.41. Mạch dao động cho STM32. 49 Hình 3.42. Sơ đồ nguyên lý tổng quát mạch điều khiển thiết bị. 50 Hình 3.43. Module cầu H L298. 51 Hình 3.44. Relay YLE-303H-5. 51 Hình 3.45. Sơ đồ nguyên lý khối kích relay. 52 Hình 3.46. Hình ảnh thực tế mạch relay. 54 Hình 3.47. Kích thước chi tiết các thành phần mặt sau mô hình nhà kính. 55 Hình 3.48. Kích thước chi tiết các thành phần mặt trước mô hình nhà kính. 55 Hình 3.49 Kích thước chi tiết các thành phần bặt bên mô hình nhà kính 55 Hình 3.50 Kích thước chi tiết các thành phần phần động mái mô hình 56 Hình 3.51. Kích thước chi tiết các thành phần tấm trượt cho Raspberry Pi 56 Hình 3.52. Hình ảnh mặt bên và mặt sau mô hình với động cơ và mạch. 57 Hình 3.53. Cơ cấu trượt trượt và công tắc hành trình. 57 Hình 3.54. Cơ cấu trục khủy nâng hạ mái che và cơ cấu bánh răng, đai trượt. 57 Hình 4.1. Màn hình trình duyệt khi cài Web Server thành công. 60 Hình 4.2. Chương trình Web Helloword.php. 60 Hình 4.3. Nhập mật khẩu cho tài khoản root. 61 Hình 4.4. Cài đặt PhpMyadmin cho Apache Web Server. 61 Hình 4.5. Nhập mật khẩu cho database. 62 Hình 4.6. Trang Web truy cập phpmyadmin. 62 Hình 4.7.Table dulieucambien123. 64 Hình 4.8. Table dulieuthietbi. 64 Hình 4.9. Module camera cho Raspberry Pi. 64 Hình 4.10. Kích hoạt module camera. 66 Hình 4.11. Enable chức năng camera. 66 Hình 4.12. Video được stream hiển thị trên trang Web mặc định của MJPG. 68 Hình 4.13. Kiểm tra kết nối USB3G trên Terminal. 70 Hình 4.14. Kiểm tra port kết nối USB3G trên Terminal. 70 Hình 4.15. Cấu hình file gammu-smsdrc. 71 Hình 4.16. Đặt tên miền. 72 Hình 4.17. Đăng kí tên miền thành công. 72 Hình 4.18. Chạy công cụ DUC. 72 Hình 4.19. NAT Port. 73 Hình 4.20. Kích hoạt DDNS. 73 Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao - ĐH SPKT TP. Hồ Chí Minh Trang ix
13. Đồ Án Tốt Nghiệp Hình 4.21. Giao diện trang Web. 75 Hình 4.22.Giao diện trang Web hiển thị stream camera đã tùy biến. 75 Hình 4.23. Lưu đồ giải thuật chương trình UART.py. 77 Hình 4.24. Lưu đồ giải thuật chương trình ghi hình định kì. 80 Hình 4.25. Lưu đồ giải thuật board cảm biến. 81 Hình 4.27. Lưu đồ giải thuật ngắt UART board STM32. 86 Hình 4.28. Lưu đồ giải thuật file index.php. 87 Hình 5.1. Dữ liệu được nhận và lưu vào table. 91 Hình 5.2. Dữ liệu hiển thị trên TFT và trạng thái hoạt động của board cảm biến. 91 Hình 5.3. Dữ liệu được lưu trong table. 92 Hình 5.4. Dữ liệu hiển thị trên TFT và trạng thái hoạt động 3 board cảm biến. 92 Hình 5.5. Dữ liệu trong table. 92 Hình 5.6. Trạng thái hoạt động của thiết bị hiển thị trên TFT. 93 Hình 5.7. Trạng thái thiết bị trong database. 93 Hình 5.8. Trạng thái thiết bị hiển thị trên TFT. 93 Hình 5.9. Camera ghi hình offline không kích hoạt. 94 Hình 5.10. Camera ghi hình offline được kích hoạt. 94 Hình 5.11. File video được lưu dưới dạng *h264 và *mp4. 94 Hình 5.12. Trang đăng nhập trên Laptop. 95 Hình 5.13. Truy cập trang Web trên điện thoại dùng 3G. 95 Hình 5.14. Tab giám sát trên màn hình điện thoại. 96 Hình 5.15. Tab điều khiển trên màn hình Laptop. 96 Hình 5.16. Trạng thái hoạt động của các thiết bị trên màn hình TFT. 97 Hình 5.17. Trạng hoạt động của mô hình nhà kính. 97 Hình 5.18. Cài đặt thông số chế độ auto trên trang Web. 98 Hình 5.19. Thông số chế độ auto hiển thị trên màn hình TFT. 98 Hình 5.20. Hình ảnh Tab Camera. 99 Hình 5.21. Báo trạng thái Camera ghi hình định kì đang hoạt động. 99 Hình 5.22. Module camera được kích hoạt để ghi hình. 100 Hình 5.23. Biểu đồ cảm biến độ ẩm đất board cảm biến 1. 100 Hình 5.24. Nút download. 101 Hình 5.25. Nội dung file excel được download. 101 Hình 5.26. Tin nhắn gửi đi từ điện thoại 101 Hình 5.27. Nội dung tin nhắn chứa trong folder inbox của gammu. 102 Hình 5.28 Đoạn chương trình báo lỗi hệ thống 102 Hình 5.29. Tin nhắn báo lỗi được gửi tới điện thoại. 102 Hình 5.30. Hình ảnh tổng quát toàn bộ mô hình nhà kính. 103 Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao - ĐH SPKT TP. Hồ Chí Minh Trang x
14. Đồ Án Tốt Nghiệp DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Thông số cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11. 24 Bảng 3.2. Thông số module thu phát RF HC-11. 30 Bảng 3.3. Tập lệnh AT cơ bản của module HC-11. 31 Bảng 3.4 Thông số kĩ thuật màn hình TFT ILI 9325. 42 Bảng 3.5. Sơ đồ chân màn hình TFT ILI9325. 43 Bảng 3.6. Bảng chức năng chuỗi truyền đầu tiên khi giao tiếp với XPT2046. 45 Bảng 3.7. Thông số relay YLE-303H-5. 51 Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao - ĐH SPKT TP. Hồ Chí Minh Trang xi
15. Đồ Án Tốt Nghiệp CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Đặt Vấn Đề Cho đến nay, với hơn nửa thế kỉ hình thành và phát triển các hệ thống nhúng đã có mặt ở hầu hết các lĩnh vực như dân dụng, quân sự, y tế, giáo dục, nông nghiệp, công nghiệp Với ưu điểm mà các hệ thống khác không có được như tính ổn định, gọn nhẹ, đáp ứng nhanh và tự động hóa cao các hệ thống nhúng ngày càng được tối ưu hóa và tập trung phát triển để có thể tăng khả năng linh hoạt hoạt, sử dụng trong nhiều ứng dụng tạo điều kiện thuận lợi để sản xuất hàng loạt dẫn đến giảm giá thành sản phẩm. Kỹ thuật Điện tử kết hợp với sự phát triển của Công nghệ thông tin đã, đang và sẽ tiếp tục cho ra những sản phẩm công nghệ mới, không những đa chức năng, đa ứng dụng mà kích thước cũng ngày càng nhỏ hơn, tiện lợi hơn. Một trong những sản phẩm ấy chính là sự ra đời và phát triển của dòng sản phẩm máy tính nhúng mini Raspberry Pi. Kích thước nhỏ gọn cộng với những tính năng như một máy tính tí hon, Raspberry Pi là một công cụ tuyệt vời giúp con người dễ dàng tiếp cận thế giới công nghệ hơn với những ứng dụng, sáng tạo gần gũivới cuộc sống. Là một nước đang phát triển và trong giai đoạn “Công nghiệp hóa, hiện đại hóa”, Việt Nam rất cần tiếp cận với những thiết bịkhoa học kỹ thuật để đáp ứng và hoàn thành chiến lược đặt ra.Vì thế, Việt Nam đã và đang đầu tư nhiều vào nguồn nhân lực để có thể nắm bắt và dần làm chủ được công nghệ. Với sự ra đời và phát triển của Raspberry Pi cộng với việc sản phẩm đã du nhập về Việt Nam, đây là cơ hội để đội ngũ kỹ thuật vừa có cơ hội tiếp cận với nền kỹ thuật tiên tiến của thế giới, vừa góp phần sáng tạo thêm những ứng dụng mới để đưa vào đời sống, nhằm cải thiện và nâng cao chất lượng cuộc sống ngày càng tốt đẹp hơn. Việc nghiên cứu và ứng dụng Raspberry Pi vào thực tế cuộc sống là một điều rất mới mẻ và cũng rất cần thiết.Sự ra đời của máy tính nhúng giá rẻ giúp cho việc thu thập dữ liệu và điều khiển thiết bị từ xa thông qua mạng Internet trở nên dễ dàng hơn. Đặc biệt là trong lĩnh vực nông nghiệp, nền nông nghiệp của Việt Nam tuy có truyền thông lâu đời nhưng chưa phát huy được thế mạnh vốn có của mình do chưa chú trọng áp dụng kỹ thuật - công nghệ đúng đắn vào trong các hoạt động canh tác, chăn nuôi. Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao - ĐH SPKT TP. Hồ Chí Minh Trang 1
16. Đồ Án Tốt Nghiệp 1.2. Lý Do Chọn Đề Tài Nông nghiệp là ngành kinh tế quan trọng của Việt Nam và cho tới hiện nay Việt Nam vẫn là một nước nông nghiệp.Việt Nam có thể tự hào với thế giới về nông nghiệp có truyền thống lâu đời của mình.Tuy nhiên, chất lượng và sản lượng các sản phẩm nông nghiệp của Việt Nam chưa thật sự tương xứng với truyền thống phát triển lâu dài đó.Lĩnh vực nông nghiệp còn mang nặng tính thủ công, sử dụng sức người là chính, ít ứng dụng khoa học kỹ thuật vì vậy mà nền nông nghiệp nước ta vẫn chưa phát huy được lợi thế của mình. Trên thế giới hiện nay “Internet of Things” đã được ứng dụng rất nhiều trong vấn đề giám sát và điều khiển các thiết bị nông nghiệp. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của những máy tính nhúng có kích thước nhỏ gọn nhưng hiệu suất cao đã góp phần làm cho các hoạt động và giám sát từ xa qua mạng Internet trở nên dễ dàng và hiệu quả hơn. Chính vì vậy nhóm đã lựa chọn đề tài “Thu Thập Dữ Liệu Và Điều Khiển Thiết Bị Nhà KínhQua Web Server”làm đề tài tốt nghiệp của mình. Với mục đích ứng dụng những kiến thức đã học trên ghế nhà trường để góp phần phát huy thế mạnh nền nông nghiệp đất nước kết hợp với khoa học - kỹ thuật, xu thế của thế giới, nhằm gia tăng chất lượng nhưng giảm được sức người, sức của về lâu dài. 1.3. Mục Tiêu Nghiên Cứu Các mục tiêu nghiên cứu chính của đề tài này là: - Nghiên cứu và tìm hiểu board Raspberry Pi trong vấn đề thiết lập một Web Server, giao tiếp module camera, USB3G, sử dụng ngoại vi UART, lập trình hệ thống nhúng dựa trên nền hệ điều hành Raspian nên những kiến thức về lập trình hợp ngữ, những chương trình không mang tính chất hệ điều hành không được đề cập. Đề tài chủ yếu làm việc trên lớp User với các hàm, các lệnh quản lý hệ thống. - Xây dựng mạng cảm biến hình sao đơn giản sử dụng các module thuphát RF thông thường. -Tìm hiểu và sử dụng ngôn ngữ Python trên Board Raspberry. -Ứng dụng ngôn ngữ C vào lập trình vi điều khiển. - Tìm hiểu và ứng dụng ngôn ngữ HTML, PHP, Javascript, MySQL và các công cụ đi kèm để tạo trang Web giám sát, điều khiển và cơ sở dữ liệu lưu trữ thông tin thu thập. Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao - ĐH SPKT TP. Hồ Chí Minh Trang 2
17. Đồ Án Tốt Nghiệp -Ứng dụng những kiến thức đã học về vi điều khiển STM32F103VET6 để giao tiếp với màn hình cảm ứng TFT, điều khiển cơ cấu chấp hành và thu nhận dữ liệu từ Raspberry gửi xuống để hiển thị. -Tìm hiểu cấu trúc và lập trình vi điều khiển ATmega8 để đọc dữ liệu từ cảm biến nhiệt độ - độ ẩm, cảm biến độ ẩm đất, cảm biến cường độ ánh sang và cảm biến mưa. -Thiết kế, thi công mô hình thu thập dữ liệu nhà kính, điều khiển thiết bị nhà kính qua Web Server. 1.4. Đối Tượng Và Phạm Vi Nghiên Cứu Đề tài tập trung nghiên cứu các đối tượng cụ thể như sau: - Board Raspberry Pi 2. - Xây dựng Web Server trên Board Raspberry Pi 2. - Truyền, nhận dữ liệu cảm biến và trạng thái hoạt động của các thiết bị đưa lên Web Server. - Kết nối Raspberry Pi và module Camera, USB 3G. - Giao tiếp màn hình TFT cảm ứng điện trở sử dụng vi điều khiển STM32F1. Để xây dựng một mô hình thu thập và điều khiển thiết bị qua Web Server như các mô hình đã được thương mại là rất phức tạp và khá tốn kém. Để đáp ứng việc điều khiển toàn bộ các thiết bị này đòi hỏi phải có một lượng thời gian và kiến thức nhất định, bên cạnh đó còn là vấn đề tài chính. Với lượng thời gian và kiến thức có hạn, trong đề tài này nhóm chỉ viết một trang Web đơn giản để có thể hiển thị thông tin dữ liệu từ cảm biến và trạng thái thiết bị dựa trên những kiến thức nền tảng về các ngôn ngữ lập trình Web, phần giao diện Web được nhóm tham khảo có chỉnh sửa từ các trang hướng dẫn thiết kế Web. Các cảm biến được sử dụng trong đề tài không đi chuyên sâu, cụ thể được ứng dụng trong mô hình nhà kính nào mà chỉ là những cảm biến đo các thông số cơ bản nhất trong các nhà kính được sử dụng hiện nay để từ đó làm nền tảng để xây dựng nên một hệ thống được ứng dụng với từng loại nhà kính trồng các loại cây trồng cụ thể. Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao - ĐH SPKT TP. Hồ Chí Minh Trang 3
18. Đồ Án Tốt Nghiệp 1.5. Dàn Ý Nghiên Cứu Với những yêu cầu đề ra và xác định hướng giải quyết, nhóm nghiên cứu đã xây dựng luận văn gồm các nội dung chính như sau: Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Chương này trình bày một số ứng dụng của máy tính nhúng trong giám sát và điều khiển thiết bị, khái niệm về Web Server, cơ sở dữ liệu và các kiến thức cơ bản về mạng cảm biến. Chương 3: Thiết Kế hệ Thống. Chương này trình bày sơ đồ khối tổng quát của hệ thống và các khối liên quan, thông tin về board Raspberry Pi, lựa chọn linh kiện, tính toán và thiết kế các board cảm biến và board điều khiển cơ cấu chấp hành. Thiết kế cơ khí mô hình nhà kính. Chương 4: Thiết Kế Phần Mềm. Chương này trình bày cách thức cài đặt các gói phần mềm để cài đặt Web Server cho Raspberry Pi, cài đặt hệ quản trị cơ sở dữ liệu, giao tiếp Raspberry Pi với module Camera và USB 3G. Trình bày về phương pháp điều khiển các thiết bị được sử dụng trong đề tài và lưu đồ giải thuật chương trình. Chương 5: Kết Quả Thực Nghiệm Và Đánh Giá. Chương này tổng hợp các kết quả sau khi đã thiết kế và thi công phần cứng, kết quả từ các thuật toán để giải quyết vấn đề. Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển. Trình bày kết quả đã thưc hiện được sau khi hoàn thành đề tài từ đó đưa ra phương hướng phát triển trong tương lai. Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao - ĐH SPKT TP. Hồ Chí Minh Trang 4
19. Đồ Án Tốt Nghiệp CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Máy Tính Nhúng Trong Giám Sát, Điều Khiển Và Thu Thập Dữ Liệu Trong vấn đề giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu máy tính nhúng được thiết kế để thực hiện một ứng dụng cụ thể như: giám sát cửa an ninh, báo cáo tình trạng của cảm biến cho một hệ thống điều khiển hay quản lí đèn giao thông tại chỗ giao nhau đông người qua lại, giám sát môi trường nông nghiệp, và còn rất nhiều các ứng dụng khác nữa. Có hai ưu điểm khi sử dụng máy tính nhúng.Đầu tiên là giảm thiểu được chi phí. Thứ hai là chúng dễ dàng triển khai. Do máy tính nhúng thường nhỏ hơn nhiều so với máy tính có đa dụng, và không cần phải mua một màn hình, bàn phím, chuột nên chi phí ít hơn cho một hệ thống máy tính đa dụng. Kích thước giảm đi cũng giúp triển khai các máy tính nhúng một số lượng lớn tại các địa điểm xa một cách dễ dàng hơn. Trên thị trường có rất nhiều Board máy tính nhúng chạy hệ điều hành có thể được sử dụng làm Web Server giúp cho công việc giám sát và điều khiển hệ thống qua mạng Internet ngày càng dễ dàng hơn. Yêu cầu đặt ra của đề tài là thu thập thông số cơ bản như nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất, cường độ ánh sáng, lượng mưa rồi đưa lên Internet, từ đó cho phép ta theo dõi hoạt động của hệ thống ở bất kì đâu trên thế giới với thiết bị có hỗ trợ kết nối Internet đồng thời còn có thể điều khiển các thiết bị thông qua mạng Internet với giá thành hợp lý. Từ những yêu cầu trên nhóm đã tiến hành tìm hiểu về cấu hình phần cứng, chức năng, hiệu suất và giá thành của các Board nhúng thông dụng trên thị trường Việt Nam để đưa ra một số lựa chọn sau:  Board Raspberry Pi: - Đáp ứng tốt yêu cầu thu thập thông tin nhiệt độ, độ ẩm từ các board cảm biến và board điều khiển thiết bị, có hỗ trợ xây dựng Web Server. - Hỗ trợ kết nối Camera bằng cáp CSI giúp tiết kiệm IO và cổng USB, có các GPIO để người sử dụng tùy biến. - Có khả năng kết nối với Internet để truyền nhận dữ liệu lên Web Client. Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao - ĐH SPKT TP. Hồ Chí Minh Trang 5
20. Đồ Án Tốt Nghiệp - Tiết kiệm năng lượng (Chỉ sử dụng điện năng 5 Watts, tiêu thụ khoảng 3.5 euro/1 năm nếu chạy liên tục 24/7). - Giá thành thấp, chỉ khoảng 1 triệu đồng với phiên bản Raspberry Pi 2.  Board FriendlyARM: - Đáp ứng tốt yêu cầu thu thập thông tin nhiệt độ, độ ẩm từ các board cảm biến và board điều khiển thiết bị, có hỗ trợ xây dựng Web Server. - Hỗ trợ kết nối Camera tuy nhiên không sử dụng kết nối cáp CSI, và có các GPIO tùy biến. - Có khả năng kết nối với Internet để truyền nhận dữ liệu. - Giá thành tương đối cao, hơn 3 triệu đồng.  Board BeagleBone: - Đáp ứng tốt yêu cầu thu thập thông tin nhiệt độ, độ ẩm từ board cảm biến đặc biệt khi kết nối máy tính thì BeagleBone có thể được xem như là một Web Server ảo mà không cần nhiều thao tác cài đặt rườm rà. - Hỗ trợ kết nối Camera tuy nhiên phải sử dụng thêm module kết nối, lượng GPIO lớn. - Có khả năng kết nối với Internet để truyền nhận dữ liệu. - Giá thành vừa phải, khoảng 1.7 triệu đồng. Từ các phân tích trên cho thấy cả ba kit FriendlyARM, Raspberry Pi và BeagleBone đều đáp ứng tốt yêu cầu, tuy nhiên xét về giá thành kit FriendlyARM và BeagleBone có giá cao hơn. Do yêu cầu đặt ra là thực hiện hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển thiết bị qua mạng Web Server với giá thành hợp lý nhất nên nhóm em quyết định chọn kit Raspberry Pi 2 để thực hiện đề tài. 2.2. Tổng Quan Về Web Server 2.2.1. Web Server Máy chủ Web (Web Server) là máy tính mà trên đó cài đặt phần mềm phục vụ Web, đôi khi người ta cũng gọi chính phần mềm đó là Web Server. Tất cả các Web Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao - ĐH SPKT TP. Hồ Chí Minh Trang 6
21. Đồ Án Tốt Nghiệp Server đều hiểu và chạy được các file *.htm và *.html. Tuy nhiên mỗi Web Server lại phục vụ một số kiểu file chuyên biệt chẳng hạn như llS của Microsoft dành cho *.asp, *.aspx ; Apache dành cho *.php ; Sun Java System Web Server của SUN dành cho *.jsp Web Server có khả năng gửi đến máy khách những trang Web thông qua môi trường Internet (hoặc Intranet) qua giao thức HTTP – giao thức được thiết kế để gửi các file đến trình duyệt Web (Web Browser), và các giao thức khác.Tất cả các Web Server đều có một địa chỉ IP hoặc cũng có thể có một Domain Name (tên miền).Bất kỳ một máy tính nào cũng có thể trở thành một Web Server bằng việc cài đặt lên nó một chương trình phần mềm Server Software và sau đó kết nối vào Internet. 2.2.2. Database Server Database Server (máy phục vụ Cơ sở dữ liệu) là máy tính mà trên đó có cài đặt phần mềm hệ quản trị cơ sở dữ liệu. Chúng ta có một số hệ quản trị cơ sở dữ liệu như SQL Server, MySQL, Oracle Database Server phải hoạt động liên tục 24/24 để phục vụ cho việc cung cấp thông tin trực tuyến. Vị trí đặt máy chủ cơ sở dữ liệu đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn dữ liệu, bảo mật, chất lượng và tốc độ lưu chuyển dữ liệu từ Server và máy tính truy cập. 2.3.Mạng Cảm Biến Không Dây 2.3.1. Tổng Quan Về Mạng Cảm Biến Không Dây Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) bao gồm một tập hợp các thiết bị, cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang học) để phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin dữ liệu phân tán với quy mô lớn trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng địa lý nào. Mạng cảm biến không dây có thể liên kết trực tiếp với nút quản lý giám sát trực tiếp hay gián tiếp thông qua một điểm thu phát và môi trường mạng công cộng như Internet hay vệ tinh. Các nút cảm biến không dây có thể được triển khai cho các mục đích chuyên dụng như điều khiển giám sát và an ninh; kiểm tra môi trường; tạo ra không gian sống thông minh; khảo sát đánh giá chính xác trong nông nghiệp; trong lĩnh vực y tế; Lợi thế chủ yếu của chúng là khả năng triển khai hầu như trong bất kì loại Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao - ĐH SPKT TP. Hồ Chí Minh Trang 7
22. S K L 0 0 2 1 5 4