LINK TẢI LUẬN VĂN MIỄN PHÍ CHO AE KET-NOI
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN........................................................................................................ii TÓM TẮT............................................................................................................ iii MỤC LỤC ............................................................................................................iv DANH MỤC HÌNH ẢNH ..................................................................................vii DANH MỤC BẢNG..............................................................................................x DANH MỤC TỪ VIẾT T ẮT ..............................................................................xi CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN..................................................................................1
1.1GIỚI THIỆU TỔNG QUAN .........................................................................1 1.2 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI................................................................................2 1.3 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI............................................................................2 1.4 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI ......................................................................................3 1.5 BỐ CỤC ĐỀ TÀI..........................................................................................3
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT .....................................................................5
2.1 KỸ THUẬT NUÔI CÁ ................................................................................5
2.1.1 Nước nuôi cá..........................................................................................5
2.1.2 Cách thay nước bể cá.............................................................................6
2.1.3 Thức ăn cho cá.......................................................................................6
2.1.4 Ánh sáng ................................................................................................7
2.1.5 Nhiệt độ nước ........................................................................................7
2.1.6 Oxi cho cá ..............................................................................................8
2.1.7 Độ đục của nước ....................................................................................8
2.1.8 Phương pháp lọc tuần hoàn .................................................................10 iv
2.2 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG IOT............................................................12 2.2.1 Giới thiệu .............................................................................................12 2.2.2 Cấu trúc của hệ thống IoT ...................................................................12 2.2.3 Ưu điểm và khuyết điểm......................................................................13
2.3 TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM LẬP TRÌNH ANDROID STUDIO.......14 2.3.1 Khái niệm về hệ điều hành Android ....................................................14 2.3.2 Giới thiệu về phần mềm lập trình Android Studio ..............................14 2.3.3 Ưu điểm và nhược điểm ......................................................................15 2.3.4 Ngôn ngữ lập trình ava và XML ........................................................16
2.4 TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM LẬP TRÌNH CHO VI ĐIỀU KHIỂN ...19 2.4.1 Giới thiệu về Arduino IDE ..................................................................19 2.4.2 Các thao tác trên phần mềm.................................................................19 2.4.3 Ngôn ngữ lập trình C ...........................................................................20
2.5 TỔNG QUAN VỀ FIREBASE ..................................................................21 2.5.1 Giới thiệu .............................................................................................21 2.5.2 Cách thức hoạt động của Firebase .......................................................22 2.5.3 Ưu điểm và khuyết điểm......................................................................22
2.6 CÁC CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU...........................................................23 2.6.1 Chuẩn giao tiếp ONEWIRE.................................................................23 2.6.2 Chuẩn giao tiếp UART ........................................................................25 2.6.3 Chuẩn giao tiếp I2C .............................................................................26 2.6.4 Giao tiếp SPI........................................................................................28
2.7 GIAO THỨC NTP ......................................................................................29 2.7.1 Khái niệm.............................................................................................29
v
2.7.2 cách hoạt động........................................................................29 CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG..................................31 3.1 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG .....................................................31 3.1.1 Chức năng từng khối............................................................................32 3.1.2 Thiết kế từng khối................................................................................32 3.1.2.2 Khối cảm biến........................................................................................35 3.2 THI CÔNG HỆ THỐNG ............................................................................52 3.2.1 Thi công mạch PCB.............................................................................52 3.2.2 Thi công bộ phận cho cá ăn .................................................................53 3.2.3 Thi công bộ phận làm lạnh nước .........................................................54 3.3 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ..........................................................................55 3.3.1 Lưu đồ và giải thuật phần cứng ...........................................................55 3.3.2 Lưu đồ và giải thuật phần mềm ...........................................................62 CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THỰC HIỆN..............................................................64 4.1 KẾT QUẢ MÔ HÌNH THI CÔNG ............................................................64 4.2 KẾT QUẢ PHẦN MỀM ............................................................................68 4.2.1 Chế độ tự động.....................................................................................69 4.2.2 Chế độ thủ công ...................................................................................76 4.3 NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ.....................................................................77 CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..................................80 5.1 KẾT LUẬN.................................................................................................80 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................................................................80 TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................82
vi
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Độ đục của nước ..................................................................................10 Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý hệ thống lọc ..............................................................11 Hình 2.3: Cấu trúc của hệ thống IoT ...................................................................12 Hình 2.4: Logo hệ điều hành Android .................................................................14 Hình 2.5: App Mobile ..........................................................................................14 Hình 2.6: Giao diện phần mềm Android Studio ..................................................15 Hình 2.7: Giao diện phần mềm lập trình Arduino IDE .......................................19 Hình 2.8: Logo Firebase ......................................................................................21 Hình 2.9: Khung truyền của giao tiếp OneWire ..................................................24 Hình 2.10: Truyền thông UART ..........................................................................25 Hình 2.11: Kết nối thiết bị vào bus I2C ở chế độ chuẩn và chế độ nhanh...........27 Hình 2.12: Giao diện kết nối của SPI...................................................................28 Hình 2.13 : Giao thức NTP ..................................................................................29 Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống ......................................................................31 Hình 3.2: Module ESP32 loại 30 chân ................................................................34 Hình 3.3: Sơ đồ chân Module ESP32 ..................................................................35 Hình 3.4: Cảm biến DS18B20 loại chống nước ..................................................36 Hình 3.5: Sơ đồ chân DS18B20...........................................................................36 Hình 3.6: Cảm biến siêu âm HC-SR04................................................................38 Hình 3.7: Sơ đồ chân HC-SR04...........................................................................39 Hình 3.8: Cảm biến đo độ đục của nước .............................................................41 Hình 3.9: Sơ đồ chân cảm biến đo độ đục ...........................................................41
Hình 3.10: Relay SRD-05VDC ...........................................................................42 vii
Hình 3.11: Sơ đồ chân Relay SRD-05VDC.........................................................43 Hình 3.12: Servo MG996 360° ............................................................................44 Hình 3.13: Bơm 5V..............................................................................................45 Hình 3.14: Sò nóng lạnh TEC1-12706 ................................................................46 Hình 3.15: Quạt tản nhiệt.....................................................................................47 Hình 3.16: Màn hình LCD TFT IPS 1.54 Inch ST7789 ......................................48 Hình 3.17: Nguồn tổ ong 12V-15A .....................................................................49 Hình 3.18: Mạch giảm áp MCH-P715.................................................................50 Hình 3.19: Sơ đồ nguyên lý toàn hệ thống ..........................................................51 Hình 3.20: Sơ đồ mạch in hệ thống điều khiển....................................................52 Hình 3.21: Sơ đồ bố trí linh kiện ở chế độ 3D.....................................................52 Hình 3.22: Mặt trước mạch in PCB .....................................................................53 Hình 3.23: Bộ cho cá ăn.......................................................................................54 Hình 3.24: Sắp xếp bố trị linh kiện cho bộ phận làm lạnh ..................................54 Hình 3.25: Bộ phận làm lạnh hoàn thiện .............................................................55 Hình 3.26: Lưu đồ chương trình chính ................................................................56 Hình 3.27: Lưu đồ chương trình kết nối ESP32 ..................................................57 Hình 3.28: Lưu đồ hoạt động chế độ thủ công ....................................................58 Hình 3.29: Lưu đồ hoạt động chế độ tự động ......................................................59 Hình 3.30: Lưu đồ chương trình cho cá ăn ..........................................................60 Hình 3.31: Lưu đồ giải thuật phần mềm..............................................................62 Hình 4.1: Các thành phần của mô hình................................................................64 Hình 4.2: Hộp lọc tràng với bông lọc và sứ lọc lỗ...............................................65 Hình 4.3: Các phần hiển thị của màn hình TFT...................................................66
viii
Hình 4.4: Màn hình TFT khi thay đổi chế độ – a. Chế độ Manual (thủ công), b. Chế độ Auto (tự động)...................................................................................................67
Hình 4.5: Màn hình TFT hiển thị thông số đọc từ cảm biến - a. các thông số trong ngưỡng cho phép, b. Các thông số vượt ngưỡng cho phép. ..........................................67
Hình 4.6: Biểu tượng của ứng dụng khi được cài đặt trên điện thoại..................68 Hình 4.7: Giao diện đăng nhập ............................................................................68 Hình 4.8: Giao diện đăng ký................................................................................69 Hình 4.9: Giao diện chế độ tự động.....................................................................70 Hình 4.10: Phần hiển thị các thông số đọc từ cảm biến.......................................70 Hình 4.11: Bơm lọc được mở ..............................................................................71 Hình 4.12: Trạng thái bộ phận làm lạnh – a. Mở, b. Đóng..................................72 Hình 4.13: Trạng thái bơm cấp nước - a. Mở, b. Đóng .......................................72 Hình 4.14: Khi thay đổi ngưỡng nhiệt và mực nước ...........................................73 Hình 4.15: Thông báo trên điện thoại khi cảm biến vượt ngưỡng.......................74 Hình 4.16: Khi ấn nút Feed Now và 7s sau .........................................................74 Hình 4.17: Đặt giờ cho ăn bằng đồng hồ và bàn phím ........................................75 Hình 4.18: Giao diện chế độ thủ công .................................................................76 Hình 4.19: Trạng thái hiết bị làm lạnh và bơm lọc – a. Cùng bật, b. Cùng tắt....77 Hình 4.20: Trạng thái bơm cấp nước bật và tắt ...................................................77
ix
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Thao tác trên Arduino IDE ..................................................................20 Bảng 3.1: So sánh ESP8266 và ESP32 ................................................................33 Bảng 3.2: Số lượng chân sử dụng các linh kiện...................................................33 Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật ESP32 ...................................................34 Bảng 3.4: Thông số điện áp và dòng tiêu thụ của các linh kiện...........................48 Bảng 4.1: Bảng đánh giá tỷ lệ chính xác ở chế độ thủ công ................................78 Bảng 4.2: Bảng đánh giá tỷ lệ chính xác ở chế độ tự động..................................79
x
Viết tắt
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Mô tả Application Programming Interface
Application
Audio Engineering Society
Bluetooth Low Energy
Central Processing Unit
Content Delivery Network
Endpoint Detection & Response
Formazin Nephelometric Units
Formazin Turbidity Units
Formazin Attenuation Units
General-Purpose Input/Output
Institute for Electrical and Electronics Engineers Internet of Thing
Integrated Development Enviroment Inter-Integrated Circuit
ava Development Kit
ava Runtime Environment
ava Virtual Machine
Liquid Crystal Display
Nephelometric Turbidity Units
Network Time Protocol
API App AES BLE CPU CDN EDR FNU FTU FAU GPIO IEEE IoT IDE I2C DK RE VM LCD NTU NTP
xi
PLL Phase-Locked Loop
RTC Real Time Clock
RF Radio Frequency
SSL Secure Sockets Layer
SPI Serial Peripheral Interface TSS Total suspended solids ULP Ultra low power
UART Universal asynchronous receiver transmitter WPA wifi protected access
XML eXtensible Markup Language
WPA wifi protected access
xii
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
Nuôi cá cảnh là một xu thế đã có từ rất lâu đời và xuất hiện ở nhiều nơi trên thế giới. Tại Việt Nam, việc nuôi cá cảnh được xem là một thành phần văn hoá không thể thiếu ở nhiều hộ gia đình. Theo nghiên cứu việc nuôi cá giúp giảm căng thẳng mang lại cảm giác thoải mái tự do, đồng thời giúp trang trí thêm cho không gian trong nhà trở nên sang trọng và phong thuỷ hơn cho gia chủ.
Hiện nay, trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu hoàn chỉnh về hệ thống điều khiển giám sát nguồn nước và cho ăn cho các mô hình nuôi cá công nghiệp và đã được ứng dụng thành công trong thực tế, điển hình ở các nước phát triển như: Nhật Bản, Hoa Kỳ, Isarel... đã và đang mang lại hiệu quả thiết thực với ý nghĩa thực tiễn trong việc nuôi trồng thủy sản, mang lại hiệu quả kinh tế cao.
Tuy nhiên ở Việt Nam, việc sử dụng phổ biến rộng rãi các công nghệ nuôi cá công nghiệp còn nhiều hạn chế. Các nguyên nhân có thể kể đến như: Thói quen, chưa có các mô hình mẫu để học hỏi, giá thành đầu tư tốn kém... Các hệ thống hiện tại chủ yếu là sử dụng công nghệ của nước ngoài. Các hệ thống xây dựng chưa được nghiên cứu và báo cáo hoàn chỉnh từ quy trình và công nghệ chế tạo khiến nhiều người khó có thể tiếp cận để học hỏi đưa vào thực tế.
Hiện nay, có nhiều mô hình được phát triển và áp dụng trong việc thi công hệ thống bể cá thông minh. Một trong số những mô hình đáng chú ý là “Thiết bị hỗ trợ nuôi cá tự động” của Châu Nguyễn Hoang Ân và Nguyễn Luật Hoài Phong trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM [1], đề tài này giám sát những thay đổi vật lý của môi trường nuôi và duy trì các điều kiện lý tưởng với những thay đổi cần thiết, ngoài ra người dùng còn có thể nắm bắt thông tin và điều khiển được trên website, nhưng vẫn còn một số hạn chế đó là mô hình không có phần hiển thị bên ngoài và vẫn còn phải sử dụng module
1
thời gian thực. Một mô hình khác là mô hình “Thiết kế chế tạo mô hình chăm sóc bể cá ứng dụng IOT” [2] của Lý Thanh Nhân trường đại học Nông Lâm TP. HCM. Đề tài này nuôi cá bằng cách tự động phân bổ lượng nước, ánh sáng, nhiệt độ và độ ph phù hợp cho cá, ngoài ra còn có thể kết nối với điện thoại thông minh qua wifi cho phép người sử dụng bật tắt các thiết bị và kiểm tra trạng thái từ xa, nhưng vẫn còn một số hạn chế đó là mô hình sử dụng web MIT App Inventor có sẵn để làm phần mềm. Bên cạnh đó, có mô hình “Thiết kế lắp đặt hệ thống điều khiển giám sát cho mô hình bể cá thông minh” của Bùi Đức Thành trường đại học Hồng Đức[3]. Đề tài này thực hiện các giải pháp điều khiển môi trường nuôi trồng thuỷ sản cho ao nuôi trong hệ thống ao cá công nghiệp trong thực tế, nhưng vẫn còn một số hạn chế đó là mô hình sử dụng Blynk có sẵn để làm phần mềm và không có màn hình LCD ngoài để quan sát dễ hơn.
1.2 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Vì lý do mong muốn người dùng trong các trường hợp đi xa hay cụ thể như ở trên thành phố về quê có thể theo dõi, giám sát bể cá ở bất cứ đâu, bất cứ khi nào được thuận tiện hơn. Và qua tham khảo các đề tài có liên quan, phân tích các ưu nhược điểm nhóm đã thực hiện đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát bể cá”. Hy vọng rằng nghiên cứu của nhóm sẽ đóng góp quan trọng vào việc nâng cao chất lượng cuộc sống và thời gian của mọi người cũng như sự phát triển của ngành nuôi cá cảnh.
1.3 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
Mục tiêu của đề tài là thiết kế và thi công một hệ thống giúp cho người sử dụng dù ở xa cũng dễ dàng theo dõi thông số của nước trong bể cá như mực nước, độ đục và nhiệt độ đồng thời điều khiển các thiết bị ngoại vi thông qua ứng dụng điện thoại. Qua đó đảm bảo các thông số luôn ở ngưỡng cho phép và màn hình LCD hiển thị các dữ liệu và thời gian tự động cho ăn.
Xây dựng một ứng dụng điện thoại có chức năng cập nhật liên tục các thông số mực nước, độ đục, nhiệt độ trong bể đồng thời điều khiển các thiết bị ngoại vi nhằm đảm các thông số ở ngưỡng giới hạn và thiết lập thời gian tự động cho cá ăn.
2
1.4 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
Đề tài thực hiện có một số giới hạn:
- Ứng dụng chỉ sử dụng được trên điện thoại chạy hệ điều hành android.
- Sản phẩm thiết kế để sử dụng cho các bể cá cảnh trong các hộ gia đình.
- Các thông báo quá ngưỡng chỉ hiển thị khi ứng dụng chạy nền hay đang hoạt
động.
1.5 BỐ CỤC ĐỀ TÀI
Đề tài: “Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát bể cá” có bố cục như sau:
• Chương 1: Tổng Quan
Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu của đề tài, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đề tài.
• Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết
Chương này tập trung vào các lí thuyết liên quan đến đề tài bao gồm các kiến thức về cảm biến, các chuẩn giao tiếp, Internet, mạng di động, các loại module, các thiết bị ngoại vi, vi điều khiển sử dụng trong hệ thống.
• Chương 3: Thiết kế và thi công hệ thống
Chương này trình bày về sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lí của hệ thống, trình bày cách tính toán các thông số cơ bản, lập trình, cách kiểm tra các mạch của toàn bộ hệ thống. Tiến hành thi công phần cứng và lập trình phần mềm: sử dụng các cảm biến, truyền – nhận thông tin qua wifi, điều khiển các thiết bị bằng board ESP32, và đưa dữ liệu lên app dùng ESP32 NodeMCU.
• Chương 4: Kết quả thực hiện
Trình bày kết quả mà nhóm đã thực hiện so với mục tiêu ban đầu, nhận xét hoạt động của hệ thống.
3
• Chương 5: Kết luận và hướng phát triển
Chương này trình bày những kết quả mà đề tài đạt được, đồng thời đưa ra hướng phát triển để có được một đề tài hoàn thiện và đáp ứng được nhu cầu cho cuộc sống hiện đại như ngày nay.
4
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 KỸ THUẬT NUÔI CÁ CẢNH 2.1.1 Nước nuôi cá
Chất lượng nguồn nước là yếu tố quan trọng nhất mà người nuôi cá cần chú ý. Tùy thuộc vào từng loại cá mà chọn loại nước phù hợp, có thể là nước ngọt, nước lợ, hay nước mặn. Tuy nhiên, phần lớn người nuôi cá thường ưu tiên chọn nuôi cá nước ngọt vì cá nước ngọt dễ nuôi và nguồn nước dễ tìm hơn. Do đó, các nội dung tiếp theo sẽ tập trung vào việc nuôi các loại cá sử dụng chủ yếu nguồn nước ngọt.
Hiện nay, hầu hết nước sử dụng cho bể cá là nước máy sinh hoạt. Do đó, cần loại bỏ chất Clo trước khi dùng để nuôi cá. Một cách đơn giản là để nước máy trong các thau, chậu, bồn không đậy nắp ít nhất 24 giờ để Clo bay hơi tự nhiên. Để tăng hiệu quả và tốc độ, có thể đặt các công cụ chứa nước ở nơi thoáng đãng có nhiều ánh nắng và bật thêm máy sục khí oxy. Ngoài ra, có thể sử dụng dung dịch khử Clo, được bán tại các cửa hàng cá cảnh. Chỉ cần nhỏ khoảng 5 giọt dung dịch vào 20 lít nước, sau 5 phút là có thể sử dụng để nuôi cá. Tuy nhiên, nên hạn chế việc sử dụng dung dịch khử Clo, chỉ nên dùng khi cần nước gấp hay không có thời gian để nước tự khử Clo.
Khi sử dụng nước giếng để nuôi cá, cần lưu ý rằng nước giếng thường có pH thấp, khoảng 4.5, và hàm lượng oxy cũng ít. Một số khu vực còn có nước giếng bị nhiễm phèn nặng, cần được xử lý kỹ lưỡng hơn. Để xử lý nước giếng, hãy chứa nước trong các bể chứa và kết hợp sử dụng máy sục khí oxy mạnh để tăng hàm lượng oxy và nâng pH. Ngoài ra, có thể thêm san hô vụn vào hộp lọc để tăng độ pH của nước.
Cách xử lý nước giếng bị nhiễm phèn: Ngoài việc áp dụng các biện pháp đã đề cập như tăng oxy và nâng pH, bạn cần thêm than hoạt tính vào bồn chứa nước. Lượng than hoạt tính nên chiếm khoảng 1/3 thể tích bồn chứa để đảm bảo hiệu quả xử lý.
5
Nuôi cá bằng nước mưa: Nước mưa có tính mát, giúp cá bơi lội tích cực hơn trong mùa hè. Tuy nhiên, do nước mưa có độ pH thấp, cần xử lý giống như nước giếng và bổ sung thêm các yếu tố cần thiết. Tuy nhiên, vì nước mưa dễ làm hồ cá nhanh xuất hiện tảo rêu, vì thế nên hạn chế sử dụng loại nước này. [8]
2.1.2 Cách thay nước bể cá
Không nên hút nước cũ 100% và thay nước mới, ta nên hút nước cũ từ 30 –50% và chêm nước mới vào từ từ nhẹ nhàng để cá có thể thích nghi, hạn chế tình trạng cá bị sốc nước do chênh lệch pH và nhiệt độ.
Hạn chế di chuyển cá sang hồ khác, nếu muốn di chuyển thì nên cân bằng pH và nhiệt độ cho phù hợp để cá không bị sốc cũng như stress do thay đổi môi trường sống.
Dùng ống nhựa hay ống bơm nước nhựa bằng tay và dùng ống bơm tay này hút thức ăn dư thừa, cặn bã dưới đáy hồ, sau đó cho nước mới vào.
Ngoài ra, để hạn chế việc thay nước cá thì có thể sử dụng máy lọc nước để nước cá luôn được trong và hạn chế mất đi đặc tính nước mà cá đã quen sống. Việc lọc nước nếu bật liên tục thì sẽ lãng phí dư thừa. Vì chỉ cần mỗi ngày lọc từ 2-8h là đủ để duy trì nước trong hồ luôn trong. [8]
2.1.3 Thức ăn cho cá
Nên cho cá ăn vừa đủ không nên để thức ăn dư thừa tránh làm thừa nhiều thức ăn
gây ảnh hưởng đến chất lượng nước bể cá.
Cá có tập tính thấy mồi là đớp, nên nhiều người tưởng cá còn đói nên cho ăn nhiều sẽ làm cá bị đầy bụng mà chết. Vì thế cho ăn 2 hay 3 lần/ngày (Sáng và chiều). Nếu lỡ để cá đói vài ngày cá không chết, nhưng cho ăn no quá cá lại rất dễ chết. Ngoài thức ăn khô, tùy loại cá mà ta nên bổ sung thêm thứ ăn tươi như cá con, cá trâm, cá chép mồi... tùy thuộc vào giống cá đang nuôi. [9]
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN........................................................................................................ii TÓM TẮT............................................................................................................ iii MỤC LỤC ............................................................................................................iv DANH MỤC HÌNH ẢNH ..................................................................................vii DANH MỤC BẢNG..............................................................................................x DANH MỤC TỪ VIẾT T ẮT ..............................................................................xi CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN..................................................................................1
1.1GIỚI THIỆU TỔNG QUAN .........................................................................1 1.2 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI................................................................................2 1.3 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI............................................................................2 1.4 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI ......................................................................................3 1.5 BỐ CỤC ĐỀ TÀI..........................................................................................3
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT .....................................................................5
2.1 KỸ THUẬT NUÔI CÁ ................................................................................5
2.1.1 Nước nuôi cá..........................................................................................5
2.1.2 Cách thay nước bể cá.............................................................................6
2.1.3 Thức ăn cho cá.......................................................................................6
2.1.4 Ánh sáng ................................................................................................7
2.1.5 Nhiệt độ nước ........................................................................................7
2.1.6 Oxi cho cá ..............................................................................................8
2.1.7 Độ đục của nước ....................................................................................8
2.1.8 Phương pháp lọc tuần hoàn .................................................................10 iv
2.2 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG IOT............................................................12 2.2.1 Giới thiệu .............................................................................................12 2.2.2 Cấu trúc của hệ thống IoT ...................................................................12 2.2.3 Ưu điểm và khuyết điểm......................................................................13
2.3 TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM LẬP TRÌNH ANDROID STUDIO.......14 2.3.1 Khái niệm về hệ điều hành Android ....................................................14 2.3.2 Giới thiệu về phần mềm lập trình Android Studio ..............................14 2.3.3 Ưu điểm và nhược điểm ......................................................................15 2.3.4 Ngôn ngữ lập trình ava và XML ........................................................16
2.4 TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM LẬP TRÌNH CHO VI ĐIỀU KHIỂN ...19 2.4.1 Giới thiệu về Arduino IDE ..................................................................19 2.4.2 Các thao tác trên phần mềm.................................................................19 2.4.3 Ngôn ngữ lập trình C ...........................................................................20
2.5 TỔNG QUAN VỀ FIREBASE ..................................................................21 2.5.1 Giới thiệu .............................................................................................21 2.5.2 Cách thức hoạt động của Firebase .......................................................22 2.5.3 Ưu điểm và khuyết điểm......................................................................22
2.6 CÁC CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU...........................................................23 2.6.1 Chuẩn giao tiếp ONEWIRE.................................................................23 2.6.2 Chuẩn giao tiếp UART ........................................................................25 2.6.3 Chuẩn giao tiếp I2C .............................................................................26 2.6.4 Giao tiếp SPI........................................................................................28
2.7 GIAO THỨC NTP ......................................................................................29 2.7.1 Khái niệm.............................................................................................29
v
2.7.2 cách hoạt động........................................................................29 CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG..................................31 3.1 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG .....................................................31 3.1.1 Chức năng từng khối............................................................................32 3.1.2 Thiết kế từng khối................................................................................32 3.1.2.2 Khối cảm biến........................................................................................35 3.2 THI CÔNG HỆ THỐNG ............................................................................52 3.2.1 Thi công mạch PCB.............................................................................52 3.2.2 Thi công bộ phận cho cá ăn .................................................................53 3.2.3 Thi công bộ phận làm lạnh nước .........................................................54 3.3 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ..........................................................................55 3.3.1 Lưu đồ và giải thuật phần cứng ...........................................................55 3.3.2 Lưu đồ và giải thuật phần mềm ...........................................................62 CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THỰC HIỆN..............................................................64 4.1 KẾT QUẢ MÔ HÌNH THI CÔNG ............................................................64 4.2 KẾT QUẢ PHẦN MỀM ............................................................................68 4.2.1 Chế độ tự động.....................................................................................69 4.2.2 Chế độ thủ công ...................................................................................76 4.3 NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ.....................................................................77 CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..................................80 5.1 KẾT LUẬN.................................................................................................80 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................................................................80 TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................82
vi
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Độ đục của nước ..................................................................................10 Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý hệ thống lọc ..............................................................11 Hình 2.3: Cấu trúc của hệ thống IoT ...................................................................12 Hình 2.4: Logo hệ điều hành Android .................................................................14 Hình 2.5: App Mobile ..........................................................................................14 Hình 2.6: Giao diện phần mềm Android Studio ..................................................15 Hình 2.7: Giao diện phần mềm lập trình Arduino IDE .......................................19 Hình 2.8: Logo Firebase ......................................................................................21 Hình 2.9: Khung truyền của giao tiếp OneWire ..................................................24 Hình 2.10: Truyền thông UART ..........................................................................25 Hình 2.11: Kết nối thiết bị vào bus I2C ở chế độ chuẩn và chế độ nhanh...........27 Hình 2.12: Giao diện kết nối của SPI...................................................................28 Hình 2.13 : Giao thức NTP ..................................................................................29 Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống ......................................................................31 Hình 3.2: Module ESP32 loại 30 chân ................................................................34 Hình 3.3: Sơ đồ chân Module ESP32 ..................................................................35 Hình 3.4: Cảm biến DS18B20 loại chống nước ..................................................36 Hình 3.5: Sơ đồ chân DS18B20...........................................................................36 Hình 3.6: Cảm biến siêu âm HC-SR04................................................................38 Hình 3.7: Sơ đồ chân HC-SR04...........................................................................39 Hình 3.8: Cảm biến đo độ đục của nước .............................................................41 Hình 3.9: Sơ đồ chân cảm biến đo độ đục ...........................................................41
Hình 3.10: Relay SRD-05VDC ...........................................................................42 vii
Hình 3.11: Sơ đồ chân Relay SRD-05VDC.........................................................43 Hình 3.12: Servo MG996 360° ............................................................................44 Hình 3.13: Bơm 5V..............................................................................................45 Hình 3.14: Sò nóng lạnh TEC1-12706 ................................................................46 Hình 3.15: Quạt tản nhiệt.....................................................................................47 Hình 3.16: Màn hình LCD TFT IPS 1.54 Inch ST7789 ......................................48 Hình 3.17: Nguồn tổ ong 12V-15A .....................................................................49 Hình 3.18: Mạch giảm áp MCH-P715.................................................................50 Hình 3.19: Sơ đồ nguyên lý toàn hệ thống ..........................................................51 Hình 3.20: Sơ đồ mạch in hệ thống điều khiển....................................................52 Hình 3.21: Sơ đồ bố trí linh kiện ở chế độ 3D.....................................................52 Hình 3.22: Mặt trước mạch in PCB .....................................................................53 Hình 3.23: Bộ cho cá ăn.......................................................................................54 Hình 3.24: Sắp xếp bố trị linh kiện cho bộ phận làm lạnh ..................................54 Hình 3.25: Bộ phận làm lạnh hoàn thiện .............................................................55 Hình 3.26: Lưu đồ chương trình chính ................................................................56 Hình 3.27: Lưu đồ chương trình kết nối ESP32 ..................................................57 Hình 3.28: Lưu đồ hoạt động chế độ thủ công ....................................................58 Hình 3.29: Lưu đồ hoạt động chế độ tự động ......................................................59 Hình 3.30: Lưu đồ chương trình cho cá ăn ..........................................................60 Hình 3.31: Lưu đồ giải thuật phần mềm..............................................................62 Hình 4.1: Các thành phần của mô hình................................................................64 Hình 4.2: Hộp lọc tràng với bông lọc và sứ lọc lỗ...............................................65 Hình 4.3: Các phần hiển thị của màn hình TFT...................................................66
viii
Hình 4.4: Màn hình TFT khi thay đổi chế độ – a. Chế độ Manual (thủ công), b. Chế độ Auto (tự động)...................................................................................................67
Hình 4.5: Màn hình TFT hiển thị thông số đọc từ cảm biến - a. các thông số trong ngưỡng cho phép, b. Các thông số vượt ngưỡng cho phép. ..........................................67
Hình 4.6: Biểu tượng của ứng dụng khi được cài đặt trên điện thoại..................68 Hình 4.7: Giao diện đăng nhập ............................................................................68 Hình 4.8: Giao diện đăng ký................................................................................69 Hình 4.9: Giao diện chế độ tự động.....................................................................70 Hình 4.10: Phần hiển thị các thông số đọc từ cảm biến.......................................70 Hình 4.11: Bơm lọc được mở ..............................................................................71 Hình 4.12: Trạng thái bộ phận làm lạnh – a. Mở, b. Đóng..................................72 Hình 4.13: Trạng thái bơm cấp nước - a. Mở, b. Đóng .......................................72 Hình 4.14: Khi thay đổi ngưỡng nhiệt và mực nước ...........................................73 Hình 4.15: Thông báo trên điện thoại khi cảm biến vượt ngưỡng.......................74 Hình 4.16: Khi ấn nút Feed Now và 7s sau .........................................................74 Hình 4.17: Đặt giờ cho ăn bằng đồng hồ và bàn phím ........................................75 Hình 4.18: Giao diện chế độ thủ công .................................................................76 Hình 4.19: Trạng thái hiết bị làm lạnh và bơm lọc – a. Cùng bật, b. Cùng tắt....77 Hình 4.20: Trạng thái bơm cấp nước bật và tắt ...................................................77
ix
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Thao tác trên Arduino IDE ..................................................................20 Bảng 3.1: So sánh ESP8266 và ESP32 ................................................................33 Bảng 3.2: Số lượng chân sử dụng các linh kiện...................................................33 Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật ESP32 ...................................................34 Bảng 3.4: Thông số điện áp và dòng tiêu thụ của các linh kiện...........................48 Bảng 4.1: Bảng đánh giá tỷ lệ chính xác ở chế độ thủ công ................................78 Bảng 4.2: Bảng đánh giá tỷ lệ chính xác ở chế độ tự động..................................79
x
Viết tắt
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Mô tả Application Programming Interface
Application
Audio Engineering Society
Bluetooth Low Energy
Central Processing Unit
Content Delivery Network
Endpoint Detection & Response
Formazin Nephelometric Units
Formazin Turbidity Units
Formazin Attenuation Units
General-Purpose Input/Output
Institute for Electrical and Electronics Engineers Internet of Thing
Integrated Development Enviroment Inter-Integrated Circuit
ava Development Kit
ava Runtime Environment
ava Virtual Machine
Liquid Crystal Display
Nephelometric Turbidity Units
Network Time Protocol
API App AES BLE CPU CDN EDR FNU FTU FAU GPIO IEEE IoT IDE I2C DK RE VM LCD NTU NTP
xi
PLL Phase-Locked Loop
RTC Real Time Clock
RF Radio Frequency
SSL Secure Sockets Layer
SPI Serial Peripheral Interface TSS Total suspended solids ULP Ultra low power
UART Universal asynchronous receiver transmitter WPA wifi protected access
XML eXtensible Markup Language
WPA wifi protected access
xii
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
Nuôi cá cảnh là một xu thế đã có từ rất lâu đời và xuất hiện ở nhiều nơi trên thế giới. Tại Việt Nam, việc nuôi cá cảnh được xem là một thành phần văn hoá không thể thiếu ở nhiều hộ gia đình. Theo nghiên cứu việc nuôi cá giúp giảm căng thẳng mang lại cảm giác thoải mái tự do, đồng thời giúp trang trí thêm cho không gian trong nhà trở nên sang trọng và phong thuỷ hơn cho gia chủ.
Hiện nay, trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu hoàn chỉnh về hệ thống điều khiển giám sát nguồn nước và cho ăn cho các mô hình nuôi cá công nghiệp và đã được ứng dụng thành công trong thực tế, điển hình ở các nước phát triển như: Nhật Bản, Hoa Kỳ, Isarel... đã và đang mang lại hiệu quả thiết thực với ý nghĩa thực tiễn trong việc nuôi trồng thủy sản, mang lại hiệu quả kinh tế cao.
Tuy nhiên ở Việt Nam, việc sử dụng phổ biến rộng rãi các công nghệ nuôi cá công nghiệp còn nhiều hạn chế. Các nguyên nhân có thể kể đến như: Thói quen, chưa có các mô hình mẫu để học hỏi, giá thành đầu tư tốn kém... Các hệ thống hiện tại chủ yếu là sử dụng công nghệ của nước ngoài. Các hệ thống xây dựng chưa được nghiên cứu và báo cáo hoàn chỉnh từ quy trình và công nghệ chế tạo khiến nhiều người khó có thể tiếp cận để học hỏi đưa vào thực tế.
Hiện nay, có nhiều mô hình được phát triển và áp dụng trong việc thi công hệ thống bể cá thông minh. Một trong số những mô hình đáng chú ý là “Thiết bị hỗ trợ nuôi cá tự động” của Châu Nguyễn Hoang Ân và Nguyễn Luật Hoài Phong trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM [1], đề tài này giám sát những thay đổi vật lý của môi trường nuôi và duy trì các điều kiện lý tưởng với những thay đổi cần thiết, ngoài ra người dùng còn có thể nắm bắt thông tin và điều khiển được trên website, nhưng vẫn còn một số hạn chế đó là mô hình không có phần hiển thị bên ngoài và vẫn còn phải sử dụng module
1
thời gian thực. Một mô hình khác là mô hình “Thiết kế chế tạo mô hình chăm sóc bể cá ứng dụng IOT” [2] của Lý Thanh Nhân trường đại học Nông Lâm TP. HCM. Đề tài này nuôi cá bằng cách tự động phân bổ lượng nước, ánh sáng, nhiệt độ và độ ph phù hợp cho cá, ngoài ra còn có thể kết nối với điện thoại thông minh qua wifi cho phép người sử dụng bật tắt các thiết bị và kiểm tra trạng thái từ xa, nhưng vẫn còn một số hạn chế đó là mô hình sử dụng web MIT App Inventor có sẵn để làm phần mềm. Bên cạnh đó, có mô hình “Thiết kế lắp đặt hệ thống điều khiển giám sát cho mô hình bể cá thông minh” của Bùi Đức Thành trường đại học Hồng Đức[3]. Đề tài này thực hiện các giải pháp điều khiển môi trường nuôi trồng thuỷ sản cho ao nuôi trong hệ thống ao cá công nghiệp trong thực tế, nhưng vẫn còn một số hạn chế đó là mô hình sử dụng Blynk có sẵn để làm phần mềm và không có màn hình LCD ngoài để quan sát dễ hơn.
1.2 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Vì lý do mong muốn người dùng trong các trường hợp đi xa hay cụ thể như ở trên thành phố về quê có thể theo dõi, giám sát bể cá ở bất cứ đâu, bất cứ khi nào được thuận tiện hơn. Và qua tham khảo các đề tài có liên quan, phân tích các ưu nhược điểm nhóm đã thực hiện đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát bể cá”. Hy vọng rằng nghiên cứu của nhóm sẽ đóng góp quan trọng vào việc nâng cao chất lượng cuộc sống và thời gian của mọi người cũng như sự phát triển của ngành nuôi cá cảnh.
1.3 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
Mục tiêu của đề tài là thiết kế và thi công một hệ thống giúp cho người sử dụng dù ở xa cũng dễ dàng theo dõi thông số của nước trong bể cá như mực nước, độ đục và nhiệt độ đồng thời điều khiển các thiết bị ngoại vi thông qua ứng dụng điện thoại. Qua đó đảm bảo các thông số luôn ở ngưỡng cho phép và màn hình LCD hiển thị các dữ liệu và thời gian tự động cho ăn.
Xây dựng một ứng dụng điện thoại có chức năng cập nhật liên tục các thông số mực nước, độ đục, nhiệt độ trong bể đồng thời điều khiển các thiết bị ngoại vi nhằm đảm các thông số ở ngưỡng giới hạn và thiết lập thời gian tự động cho cá ăn.
2
1.4 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
Đề tài thực hiện có một số giới hạn:
- Ứng dụng chỉ sử dụng được trên điện thoại chạy hệ điều hành android.
- Sản phẩm thiết kế để sử dụng cho các bể cá cảnh trong các hộ gia đình.
- Các thông báo quá ngưỡng chỉ hiển thị khi ứng dụng chạy nền hay đang hoạt
động.
1.5 BỐ CỤC ĐỀ TÀI
Đề tài: “Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát bể cá” có bố cục như sau:
• Chương 1: Tổng Quan
Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu của đề tài, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đề tài.
• Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết
Chương này tập trung vào các lí thuyết liên quan đến đề tài bao gồm các kiến thức về cảm biến, các chuẩn giao tiếp, Internet, mạng di động, các loại module, các thiết bị ngoại vi, vi điều khiển sử dụng trong hệ thống.
• Chương 3: Thiết kế và thi công hệ thống
Chương này trình bày về sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lí của hệ thống, trình bày cách tính toán các thông số cơ bản, lập trình, cách kiểm tra các mạch của toàn bộ hệ thống. Tiến hành thi công phần cứng và lập trình phần mềm: sử dụng các cảm biến, truyền – nhận thông tin qua wifi, điều khiển các thiết bị bằng board ESP32, và đưa dữ liệu lên app dùng ESP32 NodeMCU.
• Chương 4: Kết quả thực hiện
Trình bày kết quả mà nhóm đã thực hiện so với mục tiêu ban đầu, nhận xét hoạt động của hệ thống.
3
• Chương 5: Kết luận và hướng phát triển
Chương này trình bày những kết quả mà đề tài đạt được, đồng thời đưa ra hướng phát triển để có được một đề tài hoàn thiện và đáp ứng được nhu cầu cho cuộc sống hiện đại như ngày nay.
4
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 KỸ THUẬT NUÔI CÁ CẢNH 2.1.1 Nước nuôi cá
Chất lượng nguồn nước là yếu tố quan trọng nhất mà người nuôi cá cần chú ý. Tùy thuộc vào từng loại cá mà chọn loại nước phù hợp, có thể là nước ngọt, nước lợ, hay nước mặn. Tuy nhiên, phần lớn người nuôi cá thường ưu tiên chọn nuôi cá nước ngọt vì cá nước ngọt dễ nuôi và nguồn nước dễ tìm hơn. Do đó, các nội dung tiếp theo sẽ tập trung vào việc nuôi các loại cá sử dụng chủ yếu nguồn nước ngọt.
Hiện nay, hầu hết nước sử dụng cho bể cá là nước máy sinh hoạt. Do đó, cần loại bỏ chất Clo trước khi dùng để nuôi cá. Một cách đơn giản là để nước máy trong các thau, chậu, bồn không đậy nắp ít nhất 24 giờ để Clo bay hơi tự nhiên. Để tăng hiệu quả và tốc độ, có thể đặt các công cụ chứa nước ở nơi thoáng đãng có nhiều ánh nắng và bật thêm máy sục khí oxy. Ngoài ra, có thể sử dụng dung dịch khử Clo, được bán tại các cửa hàng cá cảnh. Chỉ cần nhỏ khoảng 5 giọt dung dịch vào 20 lít nước, sau 5 phút là có thể sử dụng để nuôi cá. Tuy nhiên, nên hạn chế việc sử dụng dung dịch khử Clo, chỉ nên dùng khi cần nước gấp hay không có thời gian để nước tự khử Clo.
Khi sử dụng nước giếng để nuôi cá, cần lưu ý rằng nước giếng thường có pH thấp, khoảng 4.5, và hàm lượng oxy cũng ít. Một số khu vực còn có nước giếng bị nhiễm phèn nặng, cần được xử lý kỹ lưỡng hơn. Để xử lý nước giếng, hãy chứa nước trong các bể chứa và kết hợp sử dụng máy sục khí oxy mạnh để tăng hàm lượng oxy và nâng pH. Ngoài ra, có thể thêm san hô vụn vào hộp lọc để tăng độ pH của nước.
Cách xử lý nước giếng bị nhiễm phèn: Ngoài việc áp dụng các biện pháp đã đề cập như tăng oxy và nâng pH, bạn cần thêm than hoạt tính vào bồn chứa nước. Lượng than hoạt tính nên chiếm khoảng 1/3 thể tích bồn chứa để đảm bảo hiệu quả xử lý.
5
Nuôi cá bằng nước mưa: Nước mưa có tính mát, giúp cá bơi lội tích cực hơn trong mùa hè. Tuy nhiên, do nước mưa có độ pH thấp, cần xử lý giống như nước giếng và bổ sung thêm các yếu tố cần thiết. Tuy nhiên, vì nước mưa dễ làm hồ cá nhanh xuất hiện tảo rêu, vì thế nên hạn chế sử dụng loại nước này. [8]
2.1.2 Cách thay nước bể cá
Không nên hút nước cũ 100% và thay nước mới, ta nên hút nước cũ từ 30 –50% và chêm nước mới vào từ từ nhẹ nhàng để cá có thể thích nghi, hạn chế tình trạng cá bị sốc nước do chênh lệch pH và nhiệt độ.
Hạn chế di chuyển cá sang hồ khác, nếu muốn di chuyển thì nên cân bằng pH và nhiệt độ cho phù hợp để cá không bị sốc cũng như stress do thay đổi môi trường sống.
Dùng ống nhựa hay ống bơm nước nhựa bằng tay và dùng ống bơm tay này hút thức ăn dư thừa, cặn bã dưới đáy hồ, sau đó cho nước mới vào.
Ngoài ra, để hạn chế việc thay nước cá thì có thể sử dụng máy lọc nước để nước cá luôn được trong và hạn chế mất đi đặc tính nước mà cá đã quen sống. Việc lọc nước nếu bật liên tục thì sẽ lãng phí dư thừa. Vì chỉ cần mỗi ngày lọc từ 2-8h là đủ để duy trì nước trong hồ luôn trong. [8]
2.1.3 Thức ăn cho cá
Nên cho cá ăn vừa đủ không nên để thức ăn dư thừa tránh làm thừa nhiều thức ăn
gây ảnh hưởng đến chất lượng nước bể cá.
Cá có tập tính thấy mồi là đớp, nên nhiều người tưởng cá còn đói nên cho ăn nhiều sẽ làm cá bị đầy bụng mà chết. Vì thế cho ăn 2 hay 3 lần/ngày (Sáng và chiều). Nếu lỡ để cá đói vài ngày cá không chết, nhưng cho ăn no quá cá lại rất dễ chết. Ngoài thức ăn khô, tùy loại cá mà ta nên bổ sung thêm thứ ăn tươi như cá con, cá trâm, cá chép mồi... tùy thuộc vào giống cá đang nuôi. [9]
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
You must be registered for see links