Điều khiển và giám sát trại nuôi gà :Khóa luận tốt nghiệp đại học khoa Công nghệ Điện

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TRẠI NUÔI

GÀ

SINH VIÊN : Hồ Quang Duy

Nguyễn Xuân Nguyễn

LỚP : DHDKTD11B

GVHD : THS. NGUYỄN ĐỨC TOÀN

TP. HCM, NĂM 2019

i

PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1. Họ và tên sinh viên/ nhóm sinh viên được giao đề tài

(1): Hồ Quang Duy, MSSV: 15066491

(2): Nguyễn Xuân Nguyễn, MSSV: 15042211

2. Tên đề tài

ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TRANG TRẠI NUÔI GÀ

3. Nội dung

Tìm hiểu về mô hình trang trại nuôi gà thực tế.

Tìm hiểu về các thiết bị ,cảm biến nhiệt độ, độ ẩm.

Tìm hiểu về phương pháp điều khiển , xây dựng mô hình trang trại gà.

Tạo giao diện trên màn hình HMI bằng phần mềm NEXTION EDITOR

Truyền nhận dữ liệu từ Arduino lên màn hình HMI.

Nghiên cứu phương pháp điều khiển qua Internet thông qua máy tính

4. Kết quả

Xây dựng được phương pháp điều khiển và giám sát thông qua màn hình

cảm ứng HMI.

Hoàn thành giao diện máy tính, giám sát điều khiển các thiết bị bằng

Internet thông qua máy tính.

ii

Giảng viên hướng dẫn Tp. HCM, ngày tháng năm 20..

Sinh viên

iii

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

iv

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

MỤC LỤC

PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ......................................................... i

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ................................................. iii

MỤC LỤC ................................................................................................................ iv

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ ...............................................................................vii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .................................................................................... 1

I. ĐẶT VẤN ĐỀ .............................................................................................. 1

II. MỤC TIÊU ................................................................................................... 1

III. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ......................................................................... 2

IV. BỐ CỤC ........................................................................................................ 3

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU TRANG TRẠI NUÔI GÀ VÀ INTERNET OF

THINGS ................................................................................................................................ 4

I. Giới thiệu về trang trại nuôi gà: .................................................................... 4

1. Thực tại mô hình nuôi gà tại Việt Nam. .................................................... 4

2. Ưu điểm so với phương pháp nuôi gà truyền thống .................................. 5

II. Nền tảng Internet of Things .......................................................................... 5

1. Internet of Things là gì? ............................................................................ 5

2. IOT từ góc nhìn kỹ thuật ........................................................................... 6

3. Ứng dụng IoT .......................................................................................... 11

4. Chuẩn giao tiếp UART ............................................................................ 16

5. Giao thức MQTT ..................................................................................... 18

6. Công nghệ WiFi ...................................................................................... 24

7. Lập trình Node-red .................................................................................. 32

v

8. Lưu trữ đám mây ..................................................................................... 34

CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU VỀ HMI, LINH KIỆN VÀ MODULE SỮ DỤNG .... 37

I. Giới thiệu về HMI ....................................................................................... 37

1. HMI là gì? ............................................................................................... 37

2. Các thiết bị HMI truyền thống ................................................................ 38

3. Các thiết bị HMI hiện đại ........................................................................ 38

4. Vị trí thành phần chính của HMI trong hệ thống tự động hóa hiện đại .. 39

5. Màn hình HMI UART ............................................................................. 40

II. Module Arduino .......................................................................................... 41

1. Giới thiệu về Arduino. ............................................................................. 41

2. Arduino Mega 2560 ................................................................................. 42

3. Cấu trúc phần cứng .................................................................................. 42

4. Chuẩn giao tiếp ....................................................................................... 45

III. Module ESP8266 ESP-12E NODEMCU ................................................... 46

IV. Cảm biến ..................................................................................................... 48

1. DHT 22 .................................................................................................... 48

2. Cảm biến Ánh sáng ................................................................................. 49

3. Cảm biến siêu âm HY-SRF05 ................................................................. 50

4. Cảm Biến nước mưa (Rain Water Sensor ) ............................................. 51

V. Module thời gian thực RTC DS1307 .......................................................... 52

VI. Module TB6600 .......................................................................................... 53

CHƯƠNG 4: THI CÔNG ........................................................................................ 57

I. Sơ đồ kết nối phần cứng và nguyên lý hoạt động cảu hệ thống ................. 57

1. Sơ đồ kết nối phần cứng .......................................................................... 57

vi

2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống .......................................................... 60

II. Code chương trình ...................................................................................... 60

1. Code chương trình Arduino ..................................................................... 60

2. Code chương trình ESP8266 ................................................................... 85

III. Thiết kế giao diện màn hình HMI ........................................................... 88

1. Cách tạo giao diện HMI bằng phần mềm Nextion Editor ....................... 88

2. Bảo mật màn hình HMI ........................................................................... 93

3. Chế độ điều khiển AUTO, MANUAL và cài đặt thời gian .................... 99

4. Lưu đồ giải thuật ................................................................................... 106

VI. Ứng dụng điều khiển qua máy tính. ...................................................... 108

1. Lập trình Node-red ................................................................................ 108

2. Thiết kế ứng dụng .................................................................................. 109

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .......................................................... 116

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI............... 118

I. Kết luận ..................................................................................................... 118

II. Hướng phát triển. ...................................................................................... 118

TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 119

PHỤ LỤC .............................................................................................................. 120

vii

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Hình 2.1 – Các khía cạnh của IoT ............................................................................ 7

Hình 2.2 – Mô tả tổng quan hệ thống IoT ................................................................ 7

Hình 2.3 – Các thiết bị khác nhau và mối quan hệ với đối tượng thực .................... 8

Hình 2.4 – Ứng dụng SmartHome .......................................................................... 11

Hình 2.5 – Internet công nghiệp ............................................................................ 13

Hình 2.6 – IoT với nông nghiệp ............................................................................. 14

Hình 2.7 – Thành phố thông minh .......................................................................... 15

Hình 2.8 – Ứng dụng IoT trong chăn nuôi, sản xuất nông trại .............................. 16

Hình 2.9 – Khung truyền tín hiệu UART ............................................................... 17

Hình 2.10 – Kiến trúc mức cao của MQTT ............................................................ 19

Hình 2.11 – Ứng dụng của MQTT ......................................................................... 22

Hình 2.12 – Điện toán đám mây ............................................................................. 35

Hình 3.1 – HMI là gì? ............................................................................................. 37

Hình 3.2 – HMI Scada System ............................................................................... 39

Hình 3.3 – HMI Nextion Editor ............................................................................. 41

Hình 3.4 – Arduino Mega 2560 .............................................................................. 44

Hình 3.5 – Mở rộng cánh cửa với IoT .................................................................... 45

Hình 3.6 – ESP 8266 .............................................................................................. 47

Hình 3.7 – Sensor DHT22 ...................................................................................... 48

Hình 3.8 – Module cảm biến ánh sáng ................................................................... 49

Hình 3.9 – Cảm biến siêu âm HY-SRF05 .............................................................. 51

Hình 3.10 – Cảm biến mưa ..................................................................................... 52

Hình 3.11 – Module thời gian thực RTC DS1307 ................................................. 53

Hình 3.12 – IC TB6600 của hãng Toshiba ............................................................. 53

Hình 3.13 – Sơ đồ nguyên lý của mạch TB6600................................................... 54

Hình 3.14 – Bên trong IC 74HC14 ......................................................................... 54

viii

Hình 3.15 – Bên trong IC 6N137 (trái) và IC PC817 (phải) ................................ 55

Hình 3.16 – Sơ đồ kết nối module TB6600 với Arduino và động cơ bước 2 pha. 56

Hình 4.1 – Sơ đồ kết nối phần cứng ....................................................................... 57

Hình 4.2 – Sơ đồ chân kết nối của bộ điều khiển chính ......................................... 58

Hình 4.3 – Sơ đồ mạch vẽ bằng phần mềm Altium. .............................................. 59

Hình 4.4 – Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống ............................................. 60

Hình 4.5 – Giao diện phần mềm Nextion Editor .................................................... 89

Hình 4.6 – Tùy chọn độ phân giải màn hình HMI ................................................. 90

Hình 4.7 – Thêm Fonts chữ cho ứng dụng ............................................................. 91

Hình 4.8 – Điều chỉnh thông số cho đối tượng ..................................................... 91

Hình 4.9 – Tùy chọn thêm trang cho ứng dụng ...................................................... 92

Hình 4.10 – Thiệt lập sự kiện ................................................................................. 92

Hình 4.11 – Lưu đồ giải thuật chế độ bảo mật HMI .............................................. 93

Hình 4.12 – Thiết lập sự kiện cho các nút .............................................................. 94

Hình 4.13 – Giao diện khi nhập mật khẩu sai ........................................................ 95

Hình 4.14 – Giao diện khi nhập đúng mật khẩu ..................................................... 96

Hình 4.15 – Giao diện đổi mật khẩu ....................................................................... 97

Hình 4.16 – Thiết lập giao diện nhập mật khẩu ..................................................... 98

Hình 4.17 – Giao điện chế độ điều khiển AUTO ................................................. 100

Hình 4.18 – Giao diện chế độ MANUAL ............................................................ 102

Hình 4.19 – Giao diện chế độ cài đặt theo giờ ..................................................... 104

Hình 4.20 – lưu đồ giải thuật chế độ Auto ........................................................... 106

Hình 4.21 – Lưu đồ giải thuật chế độ Time ......................................................... 107

Hình 4.22 – Lưu đồ giải thuật chế độ giám sát HMI ............................................ 108

Hình 4.23 – Lưu đồ giải thuật điều khiên giám sát qua Node-red ....................... 109

Hình 4.24 – Cài đặt và truy cập vào node-red ...................................................... 110

Hình 4.25 – Giao diện phần mềm node-red ......................................................... 111

Hình 4.26 – Điều chỉnh thông số cho nút nhấn .................................................... 112

Hình 4.27 – Thiết lập thông số cho khối input Firebase của LIGHT ................... 113

Hình 4.28 – Thiệt lập thông số khối output Firebase ........................................... 113

ix

Hình 4.29 – Thiết lập cho khối input MQTT nhận tín hiệu ................................. 114

Hình 4.30– Thiết lập thông số cho khối MQTT của fan. ..................................... 114

Hình 4.31 – Giao diện điều khiển trên Node-red ................................................. 115

Hình 4.32 – Giao diện giám sát trên Node-red ..................................................... 115

Hình 5.1 – Mô hình điều khiển và giám sát trang trại gà ..................................... 116

Hình 5.2 – Giao diện điều khiển trên máy tính .................................................... 117

Hình 6.1 – Lưu đồ giải thuật chế độ chống trộm và bơm tự động ....................... 120

Hình 6.2 – Trang trại gà tại Texas - Mỹ ............................................................... 120

Hình 6.3 – Van nước và thức ăn cho gà ............................................................... 121

Hình 6.4 – Bồn thức ăn của trang trang trại gà .................................................... 121

Khóa luận tốt nghiệp Hồ Quang Duy – Nguyễn Xuân Nguyễn

1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

I. ĐẶT VẤN ĐỀ

Công nghệ ngày càng phát triển, đời sống con người ngày càng được nâng cao, xu

hướng các dây chuyền tự động, hệ thống thông minh ngày càng được phát triển. Thực tế

cho thấy, sự phát triển mạnh mẽ của các ứng dụng Internet of Things là nhờ cơ sở hạ

tầng ngày càng phát triển, cùng với đó là chi phí sản xuất thấp. Chính vì vậy việc điều

khiển và giám sát thiết bị công nghiệp từ xa thông qua Internet đang là xu thế phát triển

mới trong ngành công nghiệp tự động hóa cũng như trong các nhà máy sản xuất.

Và trong thời đại công nghiệp hóa hiện đại hóa hiện nay, việc phát minh và chế tạo

ra các thiết bị thông minh có khả năng điều khiển từ xa đang và sẽ rất được quan tâm và

rất hữu ích cho cuộc sống hàng ngày.

Hiện nay, mặc dù khái niệm IOT và công nghệ điều khiển giám sát các thiết bị từ

xa đã trở nên khá quen thuộc và được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực của đời sống con

người, đặc biệt ở các nước phát triển có nền khoa học công nghệ tiên tiến. Tuy nhiên,

những công nghệ này chưa được áp dụng một cách rộng rãi ở nước ta, do những điều kiện

về kỹ thuật, kinh tế, nhu cầu sử dụng. Song nó vẫn hứa hẹn là một đích đến tiêu biểu cho

các nhà nghiên cứu, cho những mục đích phát triển đầy tiềm năng.

Trên cơ sở đó được sự định hướng và chỉ dẫn của Ths. Nguyễn Đức Toàn nhóm đã

chọn đề tài khóa luận “Điều khiển và giám sát trang trại gà” thông qua màn hình HMI

và ứng dụng IoT để điều khiển và giám sát từ xa thông qua Internet.

II. MỤC TIÊU

Tìm hiểu phương pháp điều khiển trong trang trại gà, xây dựng phương pháp điều

khiển và giám sát, sử dụng màn hình điểm nổi để điều khiển và giám sát hệ thống.

Thiết kế hệ thống giám sát nhiệt độ, độ ẩm cho trang trại gà, điều kiển các thiết bị

điện thông qua màn hình cảm ứng HMI và điều khiển giám sát qua máy tính thông qua

Internet.

Xây dựng hệ thống gồm nhiều chế độ điều khiển:

 Điều khiển trực tiếp qua màn hình cảm ứng HMI:

Khóa luận tốt nghiệp Hồ Quang Duy – Nguyễn Xuân Nguyễn

2

 Xây dựng, thiết kế giao diện màn hình đơn giản, dễ sữ dụng. Làm nỗi

bật được các đối tượng cần giám sát và điều khiển.

 Chế độ cài đặt cho chạy tự động: cho phép người dùng cài đặt nhiệt

độ, độ ẩm. Qua đó các thiết bị như đèn sưởi ấm, và quạt hút ẩm sẽ

hoạt động theo thông số cài đặt của người dùng.

 Chế độ điều khiển trực tiếp bằng tay: cho phép người dùng trực tiếp

điều khiển đèn, quạt hút, mái che, van bồn thức ăn.

 Chế độ cài đặt theo thời gian: cho phép người dùng cài đặt thời gian

để van thức ăn đóng mở 1 cách tự động.

 Điều khiển và giám sát qua máy tính thông qua mạng.

 Tạo giao diện, cài đặt cấu hình cho nút điều khiển và biểu đồ.

 Giao diện đơn giản, dễ sữ dụng và làm nỗi bật được các đối tượng

cần điều khiển và giám sát.

III. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp thông qua 9 nội dung sau đây:

– Nội dung 1: Tìm hiểu mô hình thực tế, tham khảo các tài liệu, các nội dung

liên quan đến đề tài.

– Nội dung 2: Lập trình Arduino, nhận và hiển thị các thông số nhiệt độ, độ

ẩm, tín hiệu bật tắt các thiết bị lên phần mềm.

– Nội dung 3: Tạo giao diện HMI cho màn hình cảm ứng và kết nối màn hình

cảm ứng HMI với arduino.

– Nội dung 4: Viết chương trình cho ESP8266 và giao tiếp với Arduino để

đưa dữ liệu lên web.

– Nội dung 5: Thiết kế giao diện điều khiển giám sát trên máy tính và điện

thoại thông qua Node-red và App Inventer.

– Nội dung 6: Thiết kế và thi công mô hình thiết bị hoàn thiện.

– Nội dung 7: Chạy thử nghiệm, sửa lỗi và tối ưu chương trình hệ thống.

– Nội dung 8: Viết báo cáo khóa luận tốt nghiệp.

– Nội dung 9: Báo cáo khóa luận tốt nghiệp.

Khóa luận tốt nghiệp Hồ Quang Duy – Nguyễn Xuân Nguyễn

3

IV. BỐ CỤC

Với đề tài “Điều khiển và giám sát trang trại gà” thì bố cục của khóa luận tốt

nghiệp gồm các chương sau:

 Chương 1. Tổng quan: Trình bày tổng quan về mục tiêu, đối tượng và

phạm vi nghiên cứu của đề tài.

 Chương 2. Giới thiệu về trang trại gà và Internet of things: chương này

giới thiệu về thực tại các trại gà , cơ sở lý thuyết và tầm quan trọng của

Internet of things trong sản xuất và đời sống.

 Chương 3. Linh kiện và module sữ dụng: chương này giới liệu về các

thiết bị phần cứng, thông số kỹ thuật của các linh kiện và module sữ dụng.

 Chương 4. Thi công: chương này trình bày thiết kế phần cứng, đưa ra lưu

đồ giải thuật, thiết kế giao diện điều khiển và giám sát cho màn hình cảm

ứng HMI, cũng như xây dựng giao diện điều khiển thông qua máy tính và

điện thoại.

 Chương 5: kết quả thực nghiệm: kết quả thực nghiệm của mô hình, qua

đó đưa ra đánh giá và nhận xét.

 Chương 6: Kết luận và hướng phát triển của đề tài: tóm tắt nội dung của

đề tài và kết luận những công việc đã làm được, nhưng mặt hạn chế. Từ đó

rút ra được nhận xét về khả năng ứng dụng trong thực tế và hướng phát triễn

của đề tài.