Thiết kế hệ thống vườn rau thông minh sử dụng năng lượng mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG VƯỜN RAU THÔNG MINH SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Ngành Kỹ thuật điện, điện tử Giảng viên hướng dẫn PGS TS NGUYỄN HÙNG Sinh viên thực hiện MSSV Lớp VŨ TRẦN NHẤT THỐNG 1711020148 17DDCA1 HUỲNH CÔNG HẬU 1711020211 17DDCA1 HUỲNH ANH TUYỀN 1711020150 17DDCA1 TP Hồ Chí Minh, 092021 2 LỜI CẢM ƠN Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực.

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Đ ẶT VẤN ĐỀ

Hiện nay, sự phát triển vượt bậc của khoa học công nghệ mang lại nhiều cơ hội, nhưng cũng đồng thời kéo theo nhiều nguy cơ như thiên tai, hiệu ứng nhà kính và ô nhiễm môi trường Việt Nam, một quốc gia nông nghiệp, đang đối mặt với thách thức khi quy mô, chất lượng và sản lượng nông nghiệp vẫn thấp hơn so với các nước khác Nguyên nhân chủ yếu là do công nghệ sản xuất còn hạn chế và ảnh hưởng của thiên tai.

Các hệ thống điều khiển từ xa qua Internet ngày càng trở nên phổ biến, cho phép các thiết bị giao tiếp dữ liệu hiệu quả Để đáp ứng nhu cầu thực tiễn và khắc phục những vấn đề hiện tại, nhóm chúng em đã quyết định phát triển mô hình vườn rau thông minh sử dụng năng lượng mặt trời.

T ÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

Tại các quốc gia phát triển như Đức, Mỹ và Nhật Bản, năng lượng mặt trời đã trở thành nguồn năng lượng phổ biến, được nhiều người ủng hộ thay thế cho các nguồn năng lượng truyền thống khác.

Trong những năm gần đây, Việt Nam đã đẩy mạnh nghiên cứu và ứng dụng năng lượng mới, đặc biệt là năng lượng mặt trời Tuy nhiên, phần lớn người dân vẫn chưa sẵn sàng sử dụng nguồn năng lượng này do thiếu nhận thức về lợi ích và lo ngại về chi phí đầu tư ban đầu cao, trong khi thu nhập bình quân của họ vẫn ở mức thấp.

Nền nông nghiệp Việt Nam đang đối mặt với nhiều thách thức, bao gồm thiên tai, sâu bệnh và điều kiện môi trường khắc nghiệt Những yếu tố này không chỉ ảnh hưởng đến năng suất cây trồng mà còn khiến người nông dân rơi vào hoàn cảnh khó khăn, cản trở sự phát triển theo hướng nông nghiệp hiện đại.

M ỤC TIÊU ĐỀ TÀI

- Mục tiêu đạt được sau khi hoàn thành đề tài:

 Lắp đặt được mô hình hệ thống vườn rau thông minh sử dụng điện mặt trời

 Am hiểu các thiết bị sử dụng, cách đấu nối và lập trình trên Arduino IDE

 Áp dụng phần mềm AutoCad, Proteus cho việc mô phỏng hệ thống và app Blynk cho việc giám sát hệ thống cũng như điều khiển.

N HIỆM VỤ NGHIÊN CỨU

- Đề tài này sẽ tập trung nghiên cứu và giải quyết các vấn đề sau:

 Thiết kế mô hình vườn rau thông minh

 Sử dụng pin năng lượng mặt trời và bộ lưu điện để cấp nguồn hoạt động cho toàn bộ hệ thống

 Hệ thống sẽ dùng điện mặt trời từ bộ lưu điện, khi thiếu hụt sẽ tư động chuyển nguồn điện lưới để cung cấp cho hệ thống

 Giám sát các thông số điện áp từ pin mặt trời và điện lưới

 Đo các thông số nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất

 Tự bơm nước để tưới cây khi độ ẩm thấp và tắt khi độ ẩm cao hoặc theo thời gian

 Điều khiển và giám sát từ xa thông qua Internet bằng app Blynk

 Dừng lại ở mức độ học tập chứ chưa đưa vào thực tế để sử dụng

P HƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Đề tài này được thực hiện qua 2 bước nghiên cứu: Nghiên cứu kỹ thuật và Nghiên cứu thực tiễn

Nghiên cứu kỹ thuật nhằm xây dựng hệ thống tự động chăm sóc vườn rau an toàn bằng cách kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm thông qua các thiết bị Hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời để cung cấp điện cho các thiết bị, đồng thời thu thập thông tin từ điện mặt trời và vườn rau, truyền tải lên phần mềm trên điện thoại để dễ dàng giám sát Điều này không chỉ nâng cao hiệu quả trong nông nghiệp hiện đại mà còn đáp ứng nhu cầu thiết thực của người nông dân.

Nghiên cứu thực tiễn cho thấy sản phẩm mới giúp giảm công sức và thời gian cho người trồng, đồng thời nâng cao chất lượng sản phẩm Trong nông nghiệp, việc triển khai các dự án trồng rau nhà lưới quy mô lớn không chỉ giúp kiểm soát tốt các khâu trung gian mà còn cho phép vận hành hệ thống dễ dàng, quản lý và bảo dưỡng thuận tiện.

P HẠM VI NGHIÊN CỨU

- Hệ thống vườn rau thông minh sử dụng năng lượng Mặt Trời hướng đến nhiều đối tượng tiêu thụ khác nhau

Trong bài viết này, chúng tôi sẽ tập trung nghiên cứu về hệ thống chăm sóc vườn rau tự động kết hợp với hệ thống điện năng lượng Mặt Trời nối lưới có khả năng dự trữ Hệ thống này bao gồm các thành phần như năng lượng Mặt Trời, pin Mặt Trời, bộ tích trữ năng lượng, mạch đo thông số điện năng và mạch điều khiển tự động cho vườn rau, nhằm đáp ứng nhu cầu của nông dân.

Ý NGHĨA ĐỀ TÀI

Hệ thống vườn rau thông minh sử dụng năng lượng mặt trời giúp giải quyết vấn đề điện năng và tự động hóa quá trình chăm sóc vườn rau tại nhiều khu vực Điều này không chỉ mang lại sự chủ động về thời gian cho nông dân trong việc chăm sóc cây trồng mà còn tiết kiệm nhân lực và sức lao động hiệu quả.

K ẾT CẤU CỦA ĐỒ ÁN

- Đề tài này được trình bày 6 chương:

• Chương 1: Giới thiệu đề tài

• Chương 2: Tổng quan giải pháp

• Chương 3: Phương pháp giải quyết

• Chương 4: Thiết kế hệ thống

• Chương 5: Thi công mô hình

• Chương 6: Kết luận và hướng phát triển đề tài

TỔNG QUAN GIẢI PHÁP

N ĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Điện năng lượng mặt trời là quá trình chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng thông qua tấm pin mặt trời, còn được gọi là quang điện Quá trình này diễn ra khi photon tác động lên electron, làm tăng năng lượng của chúng và tạo ra dòng điện Các tấm pin mặt trời được ghép lại thành mô đun, giúp tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi quang năng thành điện năng.

Điện năng lượng mặt trời đang nổi lên như một xu hướng tương lai, nhờ vào việc đây là nguồn năng lượng tái tạo sạch, mang lại nhiều lợi ích và thân thiện với môi trường.

Hình 2.1: Năng lượng mặt trời – Năng lượng sạch [4]

2.1.2 Bản đồ bức xạ mặt trời tại Việt Nam

Việt Nam sở hữu nguồn năng lượng mặt trời phong phú, với cường độ bức xạ mặt trời trung bình hàng ngày khoảng 3,69 kWh/m2 ở phía Bắc và 5,9 kWh/m2 ở phía Nam Mức độ bức xạ này phụ thuộc vào lượng mây và tầng khí quyển của từng khu vực, dẫn đến sự chênh lệch đáng kể về bức xạ mặt trời giữa các địa phương trong nước Thông thường, cường độ bức xạ ở phía Nam cao hơn so với phía Bắc.

H Ệ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Hiện nay, có nhiều loại hệ thống điện mặt trời phổ biến, bao gồm điện mặt trời áp mái, điện mặt trời nối lưới, điện mặt trời nổi, hệ thống điện mặt trời độc lập và hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới có dự trữ.

Điện mặt trời áp mái là hệ thống năng lượng tái tạo với các tấm quang điện được lắp đặt trên mái của nhà ở, công trình dân dụng hoặc công nghiệp Hệ thống này có công suất tối đa 01 MWp và có thể kết nối trực tiếp hoặc gián tiếp với lưới điện Quốc gia.

Điện mặt trời nối lưới là các dự án năng lượng mặt trời được kết nối trực tiếp với lưới điện Quốc gia, không bao gồm các dự án điện mặt trời mái nhà Các dự án điện mặt trời mặt đất có quy mô từ 30, 50 cho đến vài trăm MW thuộc loại điện mặt trời nối lưới.

 Điện mặt trời nổi: là dự án điện mặt trời nối lưới có các tấm quang điện được lắp đặt trên cấu trúc nối trên mặt nước

Hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập là một giải pháp không nối lưới, yêu cầu tích trữ năng lượng vào ắc quy để duy trì công suất Để đảm bảo cung cấp điện liên tục, hệ thống này cần bộ pin lưu trữ, thường phải thay thế từ 3 đến 8 năm một lần, tùy thuộc vào chi phí và chất lượng pin Pin đắt tiền có tuổi thọ lâu hơn, trong khi tấm pin năng lượng mặt trời có thể kéo dài tới 30 năm Tuy nhiên, việc trang bị và bảo trì pin lưu trữ thường phức tạp và tốn kém, cộng với tổn thất năng lượng do chu trình xả nạp cao.

Hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới có dự trữ kết hợp giữa điện mặt trời độc lập và hệ thống hòa lưới, mang lại lợi ích của cả hai Hệ thống này không chỉ cho phép hòa lưới mà còn cung cấp một bộ lưu trữ điện để sử dụng độc lập trong trường hợp cần thiết.

- Trong giới hạn của đề tài, chúng em chỉ nghiên cứu loại hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới có dự trữ

2.2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống

- Hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới có dự trữ (Hybrid) bao gồm các thành phần:

 Các thiết bị khác: vật tư lắp đặt, hệ thống giám sát, …

Hình 2.3: Cấu tạo của hệ thống điện mặt trời hòa lưới có lưu trữ [7]

- Nguyên lý hoạt động của hệ thống:

Hệ thống này ưu tiên sử dụng nguồn điện một chiều từ các tấm pin mặt trời để chuyển đổi thành nguồn điện xoay chiều, phục vụ cho các thiết bị tiêu thụ điện Đồng thời, hệ thống cũng sạc cho ắc quy khi ắc quy chưa đầy.

Khi nguồn điện từ các tấm pin mặt trời dư thừa, nó sẽ được hòa vào lưới điện để bán cho điện lực Ngược lại, khi nguồn điện từ pin mặt trời và ắc quy không đủ, hệ thống sẽ tự động lấy thêm điện từ lưới để cung cấp cho các thiết bị điện và sạc cho ắc quy.

Khi mất điện lưới hoặc khi bạn ngắt kết nối với điện lưới, hệ thống điện mặt trời Hybrid sẽ tự động chuyển sang sử dụng nguồn điện từ các tấm pin mặt trời kết hợp với nguồn dự phòng từ ắc quy, đảm bảo cung cấp điện cho các thiết bị tiêu thụ.

Hệ thống điện mặt trời Hybrid ưu tiên cung cấp điện cho thiết bị theo thứ tự: điện mặt trời, ắc quy, và điện lưới Khi điện lưới mất, vào ban ngày, hệ thống sẽ sử dụng năng lượng từ các tấm pin mặt trời Nếu nguồn điện từ pin mặt trời không đủ, Inverter Hybrid sẽ lấy điện từ ắc quy để cung cấp cho thiết bị cho đến khi ắc quy cạn kiệt.

Nếu hệ thống Hybrid có công suất pin mặt trời hoặc dung lượng ắc quy nhỏ, trong trường hợp mất điện, người dùng nên ưu tiên sử dụng các thiết bị tiêu thụ ít điện như quạt, tivi và đèn Cần hạn chế hoặc không sử dụng các thiết bị có công suất lớn như thang máy, điều hòa, máy nước nóng và bếp điện để tránh làm quá tải hệ thống Hybrid và giúp ắc quy hoạt động bền bỉ hơn.

2.2.3 Ứng dụng của hệ thống điện năng lượng mặt trời

Hệ thống điện mặt trời rất phù hợp cho những khu vực còn hạn chế về điện, hoặc nơi có điện lưới không ổn định Nó cũng là giải pháp lý tưởng cho các thiết bị cần nguồn điện luôn ổn định.

- Ví dụ như thiết bị nhà thông minh, vườn rau thông minh, đèn sân vườn, hệ thống an ninh camera, hệ thống chiếu sáng, hệ thống mạng, …

T ỔNG QUAN VỀ I NVERTER

Bộ kích điện inverter DC-AC, hay còn gọi là biến tần, là thiết bị quan trọng trong hệ thống điện mặt trời Nó có chức năng chuyển đổi dòng điện một chiều (DC) từ các tấm pin năng lượng mặt trời thành dòng điện xoay chiều (AC) Dòng điện AC này không chỉ tương thích với hầu hết các thiết bị điện trong gia đình mà còn có thể đưa điện mặt trời vào lưới điện lưu trữ.

Hình 2.5: Bộ chuyển đổi điện áp (Nguồn Internet)

- Bộ phận ổn áp DC

- Bộ chuyển đổi DC sang AC

2.3.3 Phân Loại Inverter năng lượng Mặt Trời

- Inverter có 3 loại phổ biến như sau:

Các loại Inverter này thường có kích thước và trọng lượng nhỏ hơn so với các loại Inverter khác cùng công suất, vì chúng không sử dụng biến áp sắt từ lớn Tuy nhiên, một số Inverter biến đổi hai bước có thể nặng hơn do sử dụng biến áp sắt từ thông thường để nạp ắc quy.

Hình 2.6: Các dạng sóng đầu ra cơ bản của bộ Inverter [17]

Sóng hình sin là dạng sóng lý tưởng cho điện xoay chiều, được tạo ra bởi mạch điện và khuếch đại qua transistor công suất và biến áp Mặc dù về

Nguyên lý hoạt động của hệ thống này tương tự như một bộ amply công suất lớn, nhưng hiệu suất thấp do đặc tính của các transistor thông thường Khi chỉ ở hai trạng thái đóng hoặc mở, tổn hao năng lượng là thấp Tuy nhiên, khi transistor hoạt động ở trạng thái đóng một phần, nó sẽ tỏa ra nhiều nhiệt, dẫn đến hiệu suất sử dụng kém.

Hình 2.7: Dạng sóng sin chuẩn [17]

Dạng sóng vuông là loại sóng đầu ra không mong muốn, đặc biệt không phù hợp với các thiết bị có tính cảm kháng cao như quạt điện, máy bơm nước, tủ lạnh và điều hòa Mặc dù một số thiết bị sử dụng động cơ như cửa cuốn vẫn có thể hoạt động do thời gian vận hành ngắn, nhưng việc sử dụng bộ lưu điện với đầu ra dạng sóng vuông sẽ khiến các thiết bị này nhanh chóng nóng lên và phát ra âm thanh rè rè khó chịu Mặc dù vẫn có thể sử dụng, nhưng dạng sóng vuông gây thiệt hại cho các thiết bị điện.

Dạng sóng giả lập sin là sự kết hợp giữa sóng sin và sóng vuông, mang lại những đặc tính vượt trội hơn so với sóng vuông, đặc biệt là khi số bước làm mỏng tăng lên, giúp sóng gần giống với sóng sin hơn Điều này xảy ra do các xung dương và xung âm của sóng vuông được tách ra và làm cao hơn, dẫn đến điện áp cực đại và hình dáng tổng thể gần gũi với sóng sin Ngoài ra, sóng giả lập sin có thể được tạo ra bằng cách cộng hai sóng vuông lệch pha từ 0 đến 180 độ Inverter loại này có hiệu suất cao, có thể đạt từ 80% đến 85% hoặc cao hơn, tùy thuộc vào công suất và loại tải.

Hình 2.9: Dạng sóng sin gần giống sin chuẩn [17]

2.3.4 Ảnh hưởng của dạng sóng không sin tới các thiết bị tiêu thụ điện

Dạng sóng đầu ra của các Inverter không hoàn toàn giống với dạng sóng hình sin của lưới điện dân dụng, điều này có thể ảnh hưởng đến một số thiết bị điện Các thiết bị cảm kháng, như động cơ điện trong quạt, điều hòa, tủ lạnh và máy bơm nước, thường gặp khó khăn khi hoạt động với dạng sóng vuông Trong khi sóng sin chuẩn giúp động cơ hoạt động mượt mà, dạng sóng xung lại khiến động cơ làm việc kém hiệu suất, phát ra tiếng kêu và có thể nóng hơn bình thường.

Sự chuyển đổi mức điện áp của sóng vuông có thể gây ra sự thay đổi đột ngột trong từ trường của các cuộn dây, dẫn đến mô men của roto cũng thay đổi nhanh chóng Hiện tượng này có thể xảy ra khi điện áp tăng đột ngột từ 0V lên mức cực đại hoặc khi hãm về mức 0V, gây ra hiệu suất làm việc kém và làm cho các cuộn dây thường xuyên bị nóng.

H Ệ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

2.4.1 Pin năng lượng mặt trời là gì?

Pin năng lượng Mặt trời, hay còn gọi là pin quang điện, bao gồm nhiều tế bào quang điện - các phần tử bán dẫn có khả năng biến đổi năng lượng ánh sáng thành điện năng thông qua các cảm biến ánh sáng Cường độ dòng điện, hiệu điện thế và điện trở của pin mặt trời thay đổi tùy thuộc vào lượng ánh sáng chiếu lên chúng Tế bào quang điện thường được ghép lại thành các tấm pin với 60 hoặc 72 tế bào Chúng có thể hoạt động dưới ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng nhân tạo và có thể được sử dụng như cảm biến ánh sáng, ví dụ như cảm biến hồng ngoại.

Hình 2.10: Tấm pin năng lượng mặt trời (Nguồn Internet)

2.4.2 Cấu tạo tấm pin năng lượng mặt trời

Pin năng lượng mặt trời bao gồm 8 bộ phận chính: khung nhôm, kính cường lực, lớp màng EVA, solar cell, tấm nền pin ở phía sau, hộp đấu dây (junction box), cáp điện và Jack kết nối MC4 Các thành phần này phối hợp chặt chẽ để tạo ra hiệu suất tối ưu cho hệ thống năng lượng mặt trời.

Hình 2.11: Các thành phần cấu tạo của tấm pin [13]

Khung nhôm là một yếu tố quan trọng trong việc tạo ra cấu trúc vững chắc cho việc tích hợp các tấm solar cell và các bộ phận khác Với thiết kế nhẹ nhưng cứng cáp, khung nhôm bảo vệ các thành phần bên trong khỏi tác động của gió lớn và các lực ngoại cảnh Nhiều hãng như Canadian Solar còn anode hóa và gia cố thanh ngang của khung để tăng cường độ bền cho tấm pin Màu sắc phổ biến của khung nhôm thường là bạc.

Hình 2.12: Khung nhôm bảo vệ [13]

Kính cường lực đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ solar cell khỏi các tác động thời tiết như nhiệt độ, mưa, tuyết, bụi và mưa đá (đường kính 2,5cm trở xuống) Với độ dày từ 2mm, kính cường lực được thiết kế để chịu đựng va đập từ bên ngoài, đảm bảo hiệu suất và độ bền cho hệ thống năng lượng mặt trời.

Độ dày lý tưởng cho tấm pin mặt trời là khoảng 4mm, với phần lớn có kích thước từ 3,2 đến 3,3mm Điều này giúp đảm bảo khả năng bảo vệ tối ưu đồng thời duy trì độ trong suốt, cho phép ánh sáng ít bị phản xạ và khả năng hấp thụ tốt hơn.

Hình 2.13: Kính cường lực bảo vệ [13]

Lớp màng EVA, hay còn gọi là Ethylene vinyl acetate, là chất kết dính quan trọng trong pin mặt trời Nó bao gồm hai lớp màng polymer trong suốt, được đặt trên và dưới solar cell, giúp kết nối solar cell với lớp kính cường lực phía trên và tấm nền phía dưới Lớp EVA không chỉ có khả năng hấp thụ và bảo vệ solar cell khỏi rung động, bụi bẩn và hơi ẩm, mà còn chịu đựng nhiệt độ khắc nghiệt và có độ bền rất cao.

Hình 2.14: Lớp màng tấm pin [13]

- Lớp Solar cell (tế bào quang điện):

Pin mặt trời được cấu tạo từ các tế bào quang điện (solar cell) nhỏ, trong đó các loại pin phổ biến như mono và poly được làm từ silic, một chất bán dẫn thông dụng Mỗi tế bào có tinh thể silic được kẹp giữa hai lớp dẫn điện, bao gồm ribbon và các thanh busbar Tế bào quang điện sử dụng hai loại silic khác nhau, loại N và loại P, để tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi năng lượng.

Pin mặt trời hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng mặt trời và ánh sáng nhân tạo Chúng có khả năng cảm biến ánh sáng, bao gồm cảm biến hồng ngoại, giúp phát hiện ánh sáng và bức xạ điện từ khác trong phạm vi nhìn thấy, cũng như đo cường độ ánh sáng.

Hình 2.15: Các tế bào quang điện [13]

- Tấm nền pin (phía sau):

Tấm nền có chức năng cách điện, bảo vệ cơ học và chống ẩm, thường được làm từ các vật liệu như polymer, nhựa PP, PVF và PET Độ dày của tấm nền có thể khác nhau tùy thuộc vào từng hãng sản xuất, nhưng phần lớn tấm nền sẽ có màu trắng.

Hình 2.16: Tấm nền phía sau pin [13]

Với sự tiến bộ của công nghệ, Canadian Solar đã giới thiệu dòng pin năng lượng mặt trời BiKu, nổi bật với thiết kế không có tấm nền phía sau Thay vào đó, pin sử dụng mặt kính cường lực trong suốt, cho phép hấp thụ ánh sáng từ cả hai mặt, tối ưu hóa hiệu suất năng lượng.

Hộp đấu dây (junction box) là bộ phận quan trọng nằm ở phía sau tấm pin năng lượng mặt trời, có chức năng tập hợp và chuyển năng lượng điện ra ngoài Với vai trò là điểm trung tâm trong hệ thống, hộp đấu dây được thiết kế bảo vệ chắc chắn để đảm bảo an toàn cho quá trình truyền tải điện năng.

Hình 2.17: Hộp kết nối dây [13]

Cáp điện DC là loại cáp chuyên dụng cho hệ thống điện năng lượng mặt trời, nổi bật với khả năng cách điện một chiều DC xuất sắc Ngoài ra, cáp này còn có khả năng chống chịu tốt trước các yếu tố khắc nghiệt của thời tiết như tia cực tím, bụi, nước và độ ẩm, cũng như các tác động cơ học khác.

Jack kết nối MC4 là đầu nối điện phổ biến dùng để kết nối các tấm pin mặt trời, với "MC" là viết tắt của nhà sản xuất Multi-Contact Loại jack này cho phép người dùng dễ dàng kết nối các tấm pin và dãy pin bằng cách gắn jack từ các tấm pin liền kề với nhau một cách thủ công.

2.4.3 Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời

Tấm pin mặt trời được tạo thành từ nhiều tế bào quang điện, trong đó mỗi tế bào sử dụng hai lớp silic khác nhau Lớp silic loại N chứa các electron dư thừa, trong khi lớp silic loại P có các lỗ trống cho electron, tạo nên sự tương tác cần thiết để chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng.

Hình 2.20: Cấu tạo của solar cell [13]

Tại tiếp xúc giữa hai loại silic trong cấu trúc P/N Junction, electron có khả năng di chuyển qua bề mặt tiếp giáp, dẫn đến việc tạo ra điện tích dương ở một bên và điện tích âm ở bên kia.

Hình 2.21: Các hạt điện tích bị hút về 2 phía [13]

- Bạn có thể hình dung, ánh sáng là một dòng các hạt nhỏ li ti gọi là các hạt Proton (bắn ra từ mặt trời)

B Ộ ĐIỀU KHIỂN SẠC CHO PIN MẶT TRỜI

2.5.1 Giới thiệu bộ điều khiển sạc

Bộ điều khiển sạc đóng vai trò quan trọng như một thiết bị trung gian giữa các tấm pin mặt trời và bình ắc quy lưu trữ Chức năng chính của nó là quản lý quá trình sạc bình ắc quy từ nguồn điện được tạo ra bởi pin mặt trời, đảm bảo hiệu suất và an toàn trong việc lưu trữ năng lượng.

Bảo vệ bình ắc quy là rất quan trọng để đảm bảo tuổi thọ của nó Khi bình ắc quy đạt mức đầy (khoảng 13,8V – 14,2V đối với ắc quy 12V), bộ điều khiển sẽ ngăn chặn việc nạp thêm điện, tránh tình trạng sôi bình Ngược lại, khi mức điện áp gần cạn (khoảng 10,7V đối với ắc quy 12V), bộ điều khiển sẽ tự động ngắt nguồn tải để bảo vệ bình khỏi hư hại.

Bảo vệ tấm pin mặt trời là rất quan trọng để duy trì hiệu suất hoạt động Nguyên lý hoạt động của dòng điện là từ nơi có điện áp cao đến nơi có điện áp thấp Vào ban ngày, khi ánh nắng chiếu sáng, điện áp của tấm pin 12V có thể đạt từ 15 đến hơn 20V, cao hơn điện áp của ắc quy, dẫn đến dòng điện chảy từ pin xuống ắc quy Ngược lại, vào ban đêm, khi không có ánh sáng, điện áp của tấm pin giảm xuống dưới điện áp của ắc quy, gây ra dòng điện đi ngược từ ắc quy lên tấm pin, điều này có thể làm giảm hiệu suất và gây hư hỏng cho tấm pin Do đó, bộ điều khiển được sử dụng để ngăn chặn dòng điện chảy ngược lên tấm pin, bảo vệ và duy trì hiệu suất của hệ thống năng lượng mặt trời.

Tăng cường hiệu suất sạc là yếu tố quan trọng giúp tối ưu hóa công suất từ tấm pin mặt trời, đảm bảo rằng chúng ta có thể đạt được công suất sạc tối đa Pmax Điều này không chỉ nâng cao hiệu quả sử dụng của tấm pin mà còn góp phần vào việc tiết kiệm năng lượng và chi phí.

Hình 2.28: Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời [9]

2.5.2 Phân loại bộ điều khiển sạc

 Bộ điều khiển sạc PWM (Pulse - Width Modulating)

Bộ điều khiển sạc xung giúp kéo dài tuổi thọ của ắc quy bằng cách cho phép sạc với dòng điện tối đa mà pin mặt trời sản xuất Điều này đảm bảo ắc quy đạt được điện áp ngưỡng đã được cài đặt sẵn trong quá trình sạc.

Khi ắc quy đạt đến điện áp ngưỡng, bộ sạc sẽ sử dụng MOSFET để điều chỉnh liên tục bằng xung PWM, giúp giảm điện áp từ pin mặt trời xuống mức phù hợp với điện áp của bình.

Hình 2.29: Cấu trúc bộ điều khiển sạc PWM [9]

- Bộ điều khiển sạc xung sẽ hoạt động gần tới điểm công suất cực đại đường cong hoạt động được thể hiện ở hình 2.29

Hình 2.30: Đường cong hoạt động của bộ điều khiển sạc PWM [9]

 Giá thành rẻ hơn gấp 2 – 3 lần so với bộ điều khiển sạc MPPT

 Có kích thước nhỏ hơn bộ điều khiển sạc MPPT

 Tuổi thọ cao hơn do có ít linh kiện điện tử hơn và tỏa nhiệt ít hơn bộ điều khiển sạc MPPT

 Hiệu suất thấp hơn bộ điều khiển sạc MPPT

 Yêu cầu điện áp ra của pin mặt trời phải bằng với điện áp định mức của ắc quy

 Bộ điều khiển sạc MPPT (Maximum Power Point Tracker)

Bộ điều khiển sạc MPPT không kết nối trực tiếp pin mặt trời với bộ lưu trữ, mà điện từ pin mặt trời sẽ được chuyển qua bộ chuyển đổi DC/DC Bộ chuyển đổi này có nhiệm vụ giảm điện áp từ pin mặt trời và tăng cường dòng điện để nạp cho ắc quy hiệu quả hơn.

Hình 2.31: Cấu trúc bộ điều khiển sạc MPPT [9]

Bộ điều khiển sạc MPPT áp dụng thuật toán đáp ứng nhằm tối ưu hóa điểm công suất cực đại của pin mặt trời, điều chỉnh điện áp đầu ra của bộ DC/DC để đạt hiệu suất sạc tối đa.

Hình 2.32: Đường cong hoạt động của bộ điều khiển sạc MPPT [9]

 Có hiệu suất sạc bình cao hơn bộ sạc PWM

 Điện áp ra của pin mặt trời và điện áp định mức của ắc quy có thể tùy ý

 Linh hoạt trong việc mở rộng hệ thống

 Có hiệu suất sạc bình cao hơn bộ sạc PWM

 Điện áp ra của pin mặt trời và điện áp định mức của ắc quy có thể tùy ý

 Linh hoạt trong việc mở rộng hệ thống.

B Ộ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG (Ắ C - QUY )

Bộ tích trữ năng lượng là một thành phần quan trọng trong hệ thống pin năng lượng Mặt Trời Vào ban ngày, điện năng từ tấm pin được lưu trữ trong bộ tích trữ, giúp cung cấp năng lượng cho tải tiêu thụ vào ban đêm hoặc trong những ngày mưa khi không có ánh nắng.

Trong hệ thống nguồn pin năng lượng Mặt Trời hòa lưới có lưu trữ hiện nay, năng lượng từ tấm pin chủ yếu được lưu trữ trong các bộ ắc quy có dung lượng phù hợp.

- Trên thực tế thường phân biệt thành hai loại ắc quy thông dụng hiện nay là:

 Ắc quy sử dụng điện môi bằng Axit gọi tắt là ắc quy Axit (hoặc ắc quy axit-chì) và cũng được chia làm 2 loại chính sau:

• Ắc quy Axit-chì hở (Vented Lead-Acid Batteries)

• Ắc quy Axit-chì kín (Valve-Regulated Lead - Acid)

 Ắc quy kiềm (Nickel - Cadmium Batteries)

Mặc dù có hai loại ắc quy chính, ắc quy kiềm ít phổ biến hơn do giá thành cao hơn nhiều so với ắc quy axit có cùng thông số như điện áp định mức và dung lượng Ah.

Hiện nay, ắc quy Axit-chì là loại ắc quy phổ biến nhất trên thị trường, trong khi ắc quy kiềm chủ yếu được sử dụng trong các nhà máy công nghiệp như nhà máy điện, nhà máy thép, giàn khoan, trạm điện và trạm viễn thông Trong đồ án này, chúng tôi chọn sử dụng ắc quy Axit-chì.

Ắc quy chì được cấu tạo từ hai bản cực: bản cực dương (+) làm bằng chì oxit (PbO2) và bản cực âm (-) làm bằng chì (Pb) Giữa các bản cực là dung dịch axít sulfuric (H2SO4) loãng, trong đó nước (H2O) chiếm phần lớn thể tích.

Các cực của ắc quy được thiết kế với số lượng lớn để tăng dung lượng, với mỗi bình ắc quy bao gồm nhiều ngăn cells Việc mắc nhiều tấm cực song song giúp tăng tổng diện tích bề mặt, cho phép phản ứng diễn ra đồng thời ở nhiều vị trí, từ đó nâng cao dòng điện cực đại và dung lượng của ắc quy.

Hình 2.33: Cấu tạo bình ắc quy axit-chì kiểu kín [10]

Một bình ắc quy kín khí thông thường bao gồm các thành phần chính như vỏ bảo vệ ngăn axit rò rỉ, cọc bình để kết nối với tải bên ngoài hoặc ghép nối các bình, các bản cực dương và âm, dung dịch điện phân, và tấm chắn giữa các bản cực.

- Nếu là ắc quy axit-chì hở khí thì cấu tạo cũng giống với ắc quy kín nhưng sẽ có thêm nút thông hơi

Khi ắc quy ở trạng thái nạp đầy, các bản cực của nó ở trạng thái hóa học ban đầu, với cực dương là PbO2 và cực âm là Pb Trong quá trình phóng điện và nạp điện, trạng thái hóa học của các cực này sẽ thay đổi Hình 2.34 minh họa quá trình biến đổi hóa học trong các chu kỳ phóng và nạp của ắc quy.

Hình 2.34: Các trạng thái hoạt động của ắc quy [10]

- Quá trình phóng điện: Nếu như giữa hai cực ắc quy có một thiết bị tiêu thụ điện, khi này xảy ra phản ứng hóa học sau:

 Tại cực dương: 2PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O + O2

 Tại cực âm: Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2

Phản ứng chung gộp lại trong toàn bình là:

- Quá trình phóng điện kết thúc khi mà PbO2 ở cực dương và Pb ở cực âm hoàn toàn chuyển thành PbSO4

Quá trình nạp điện trong ắc quy diễn ra khi dòng điện nạp tạo ra phản ứng ngược lại với phản ứng tự nhiên, dẫn đến sự thay đổi hóa học bên trong bình Kết quả cuối cùng của quá trình này là sự tích tụ năng lượng, cho phép ắc quy hoạt động hiệu quả hơn.

- Kết thúc quá trình nạp thì ắc quy trở lại trạng thái ban đầu (cực dương là PbO2, cực âm là Pb).

B Ộ CHUYỂN NGUỒN TỰ ĐỘNG ATS

Hình 2.35: Thiết bị chuyển nguồn tự động ATS [11]

Bộ chuyển nguồn tự động ATS (Automatic Transfer Switches) là thiết bị quan trọng cho phép chuyển đổi giữa hai nguồn điện, tự động chuyển từ điện lưới sang máy phát điện khi có sự cố mất điện Khi nguồn điện lưới chính gặp vấn đề, ATS sẽ ngay lập tức kích hoạt nguồn điện dự phòng, đảm bảo cung cấp điện liên tục Khi nguồn điện chính được khôi phục, thiết bị sẽ tự động chuyển trở lại sử dụng nguồn điện lưới, giúp duy trì hoạt động ổn định cho các thiết bị điện.

C ÔNG NGHỆ IOT

IoT, viết tắt của Internet of Things (Internet vạn vật), là một hệ thống bao gồm các thiết bị tính toán, máy móc cơ khí, kỹ thuật số và con người, có khả năng kết nối và truyền dữ liệu qua mạng mà không cần sự can thiệp của con người.

Hình 2.36: Tổng quan IOT (Nguồn Internet) 2.8.2 Cấu trúc

The Internet of Things (IoT) consists of four key components: Devices (Things), Gateways for connectivity, Network and Cloud infrastructure, and Services for data analysis and processing.

- Các yêu cầu, tiêu chí:

 Có kết nối dựa trên sự nhận diện

 Khả năng tự quản của mạng lưới

 Các khả năng dựa vào vị trí

 Khởi động và sử dụng

2.8.3 Các đặc trưng cơ bản

- Dịch vụ liên quan đến “Things”

- Có thể thay đổi linh hoạt

 Truy cập thông tin từ mọi lúc, mọi nơi trên mọi thiết bị

 Cải thiện việc giao tiếp giữa các thiết bị điện tử được kết nối

 Chuyển dữ liệu qua mạng Internet giúp tiết kiệm thời gian và tiền bạc

 Tự động hóa các nhiệm vụ giúp cải thiện chất lượng dịch vụ của doanh nghiệp

 Khi nhiều thiết bị được kết nối và nhiều thông tin được chia sẻ giữa các thiết bị, có thể lấy cắp thông tin bí mật

Các doanh nghiệp đang phải đối mặt với số lượng lớn thiết bị IoT, điều này tạo ra thách thức trong việc thu thập và quản lý dữ liệu từ các thiết bị này.

 Nếu có lỗi trong hệ thống, có khả năng mọi thiết bị được kết nối sẽ bị hỏng

Thiếu tiêu chuẩn quốc tế về khả năng tương thích cho IoT khiến việc giao tiếp giữa các thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau trở nên khó khăn.

2.8.5 Vai trò và ứng dụng

- Cung cấp cho các doanh nghiệp cái nhìn chi tiết về mọi thứ

Tự động hóa quy trình giúp giảm chi phí lao động và chất thải, đồng thời cải thiện dịch vụ Qua đó, sản xuất và giao hàng trở nên tiết kiệm hơn.

 Các dịch vụ dành riêng cho ngành như cảm biến trong nhà máy phát điện hoặc thiết bị định vị thời gian thực để chăm sóc sức khỏe

 Các thiết bị IoT được sử dụng trong tất cả các ngành công nghiệp như điều hòa không khí thông minh hoặc hệ thống an ninh.

T ỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH TRỒNG RAU

Hiện nay, Việt Nam đang triển khai nhiều hệ thống trồng rau khác nhau, trong đó hai loại hình chính nổi bật nhất là

 Trong quy mô công nghiệp, diện tích lớn: Loại nhà lưới kín và loại nhà lưới hở

 Trong quy mô hộ gia đình nhỏ lẻ

Trong mùa hè, các vùng trồng rau thường rơi vào tình trạng ruộng bỏ không hoặc chỉ trồng tạm một số loại rau màu để chờ qua giai đoạn nắng gắt Thời gian từ tháng 5 đến tháng 8 là khoảng thời gian khó khăn cho việc canh tác rau màu do thời tiết khắc nghiệt.

Mưa nắng thất thường gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến rau màu, khi mưa xuống làm giập lá và khi nắng lên thì cây héo úa, thối rễ Để khắc phục tình trạng này, nhiều nơi đã áp dụng phương pháp trồng rau trong nhà màng và nhà lưới Tuy nhiên, nhà màng ở phía Bắc thường gặp vấn đề quá nóng, làm giảm hiệu quả trồng trọt Trong khi đó, nhà lưới được ưa chuộng hơn với việc sử dụng lưới cắt mưa và lưới chắn côn trùng để bảo vệ cây trồng.

Hình 2.37: Mô hình nhà lưới (Nguồn Internet)

- Tuy rằng có những ưu điểm không thể phủ nhận nhưng các mô hình ở trên vẫn còn nhiều điểm hạn chế như:

Nhà lưới kín tạo ra môi trường với nhiệt độ và độ ẩm cao hơn so với bên ngoài Nếu không có biện pháp giám sát chặt chẽ, rất dễ xảy ra tình trạng nấm mốc.

 Trong loại hình nhà lưới hở thì do không được che chắn kỹ sẽ rất dễ côn trùng tấn công

 Phương pháp trồng tại gia đình thì có quy mô và diện tích nhỏ, khó lắp đặt hiệu quả

 Giá thành lắp đặt và đầu tư lớn thường gấp 5 đến 10 lần giá thành của phương pháp canh tác truyền thống

 Năng lượng sử dụng vẫn là bằng điện lưới nên phải tiêu tốn một số tiền nhất định mỗi tháng

Hệ thống theo dõi và giám sát hiện nay chủ yếu dựa vào kinh nghiệm thực tế của con người, điều này tạo ra khó khăn cho những người thiếu kinh nghiệm trong lĩnh vực trồng trọt.

Nhằm khắc phục những khuyết điểm đã nêu, nhóm thực hiện đồ án sẽ giữ lại các ưu điểm của các phương pháp hiện có và tìm cách cải thiện những hạn chế tồn tại.

 Năng lượng sử dụng sẽ là năng lượng sạch từ năng lượng mặt trời

 Có cơ chế giám sát, theo dõi thông qua mạng Internet, từ đó sẽ dễ dàng hơn cho người sử dụng khi ở xa khu vườn.

T ỔNG QUAN PHẦN CỨNG

Module ESP8266 là một giải pháp wifi tiết kiệm chi phí, được ưa chuộng trong các ứng dụng Internet và Wifi Nó cũng được sử dụng để thay thế cho các module khác trong nhiều dự án truyền thông.

ESP8266 là một chip tích hợp cao, lý tưởng cho thế giới Internet of Things (IoT) Chip này cung cấp giải pháp kết nối mạng Wifi toàn diện, cho phép lưu trữ ứng dụng và giảm tải các chức năng kết nối Wifi từ bộ xử lý ứng dụng.

ESP8266 sở hữu khả năng xử lý và lưu trữ mạnh mẽ, cho phép nó dễ dàng tích hợp với các bộ cảm biến, vi điều khiển và các thiết bị ứng dụng cụ thể khác.

 Hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n không dây

 Wifi 2.4 GHz, hỗ trợ WPA/WPA2

 Có 3 chế độ hoạt động: Client, Access Point, Both Client và Access Point

 Hỗ trợ các chuẩn bảo mật như: OPEN, WEP, WPA_PSK, WPA2_PSK, WPA_WPA2_PSK

 Hỗ trợ cả 2 giao tiếp TCP và UDP

 Làm việc như các máy chủ có thể kết nối với 5 máy con

 LED chỉ báo truyền nhận TX/RX

 NodeMCU có cổng USB-TTL với IC CH340G hoạt động ổn định với chuẩn công nghiệp

 IC chính: ESP8266 Wifi SoC

 Phiên bản firmware: NodeMCU Lua

 Chip nạp và giao tiếp UART: CH340

 GPIO tương thích hoàn toàn với firmware Node MCU

 Cấp nguồn: 5VDC MicroUSB hoặc Vin

 GIPO giao tiếp mức 3.3VDC

 Tích hợp Led báo trạng thái, nút Reset, Flash

 Tương thích hoàn toàn với trình biên dịch Arduino

Hình 2.39: Sơ đồ các chân của ESP8266 [18]

2.10.2 Module đo công suất AC PZEM-004T

Mạch đo công suất AC PZEM-004T được thiết kế để theo dõi và giám sát các thông số điện năng AC như điện áp, dòng điện tiêu thụ, công suất và năng lượng tiêu thụ Với khả năng hỗ trợ giao tiếp UART, mạch này cho phép kết nối và truyền thông hiệu quả với máy tính và vi điều khiển.

 Đo lường được các thông số điện như: điện áp, dòng điện, công suất hoạt động và điện năng tiêu thụ

 Cài đặt ngưỡng báo động bằng phần mềm

Khi công suất tiêu thụ của thiết bị điện vượt quá giới hạn mà người sử dụng đã cài đặt, module sẽ phát tín hiệu cảnh báo tình trạng quá tải.

Thiết bị lưu trữ dữ liệu về điện năng tiêu thụ ngay cả khi tắt nguồn, cho phép ghi lại năng lượng tích lũy trước khi ngắt điện Ngoài ra, người dùng có thể dễ dàng reset lượng điện năng tiêu thụ tích lũy thông qua phím cứng trên module.

 Giao tiếp nối tiếp với thiết bị điều khiển hoặc máy tính qua UART (9600/8N1)

 Module sử dụng phương pháp đo dòng điện gián tiếp thông qua cuộn dây

Module còn được trang bị opto quang cách ly giữa mạch đo điện năng và mạch nhận tín hiệu UART, giúp đảm bảo an toàn cho cả mạch điều khiển và người sử dụng.

• Độ chính xác của phép đo: 0,5%

• Phép đo bắt đầu: 0,02A (PZEM-004T-100A)

• Độ chính xác của phép đo: 0,5%

• Độ chính xác của phép đo: 0,5%

 Kích thước board mạch chủ : 78 x 38 x 20mm

 Trọng lượng: 90g cả bao bì

 Bộ sản phẩm gồm: Board mạch chủ + CT mở – PZCT-02 + Manual

• Không được đấu nối sai dây

• Module thích hợp để trong nhà

Hình 2.41: Sơ đồ nối dây để sử dụng module PZEM 004T [19]

- Giao tiếp: Module sử dụng giao tiếp nối tiếp TTL qua UART với tốc độ

Baudrate mặc định 9600bit/s, khung truyền gồm 8bit/s, 1bit stop và không bit kiểm tra parity

Cảm biến DHT11 là một trong những thiết bị đo nhiệt độ và độ ẩm phổ biến nhất hiện nay nhờ vào chi phí thấp và khả năng thu thập dữ liệu dễ dàng thông qua giao tiếp 1-wire Với bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp, DHT11 cung cấp dữ liệu chính xác mà không cần thực hiện thêm bất kỳ phép tính nào.

Hình 2.43: Sơ đồ chân cảm biến DHT11 [20]

 Dòng sử dụng: 2,5mA max (khi truyền dữ liệu)

 Đo tốt ở độ ẩm 20 to 70%RH với sai số 5%

 Đo tốt ở nhiệt độ 0 to 50°C sai số ±2°C

 Tần số lấy mẫu tối đa 1Hz (1 giây 1 lần)

 Kích thước 15mm x 12mm x 5.5mm

Hình 2.44: Sơ đồ kết nối DHT11 với ESP8266 [20]

2.10.4 Cảm biến độ ẩm đất

Cảm biến độ ẩm đất (Soil Moisture Sensor) là thiết bị quan trọng trong các hệ thống tưới nước tự động và vườn thông minh Nó giúp đo lường độ ẩm của đất thông qua đầu dò, cung cấp giá trị Analog và Digital qua hai chân kết nối, cho phép giao tiếp với Vi điều khiển để thực hiện nhiều ứng dụng khác nhau.

Hình 2.45: Cảm biến độ ẩm đất [21]

 Kích thước PCB: 3cm * 1.6cm

 Led đỏ báo nguồn vào, Led xanh báo độ ẩm

 DO: Đầu ra tín hiệu số (0 và 1)

 AO: Đầu ra Analog (Tín hiệu tương tự)

 Có lỗ cố định để lắp đặt thuận tiện

 Sử dung chip LM393 để so sánh, ổn định làm việc

 Lưu ý: Module khi chưa phát hiện ở mức 1, khi phát hiện độ ẩm cho ra mức 0

Hình 2.46: Sơ đồ chân của cảm biến độ ẩm đất [21]

Khi module cảm biến độ ẩm phát hiện độ ẩm thay đổi, điện áp đầu vào của IC LM393 cũng sẽ thay đổi IC này nhận biết sự thay đổi và gửi tín hiệu 0V để thông báo, từ đó tính toán để đọc chính xác độ ẩm của đất.

 Cảm biến độ ẩm đất rất nhạy với độ ẩm môi trường xung quanh, thường được sử dụng để phát hiện độ ẩm của đất

 Khi độ ẩm đất vượt quá giá trị được thiết lập, ngõ ra của module D0 ở mức giá trị là 0V

Ngõ ra D0 có khả năng kết nối trực tiếp với các vi điều khiển như Arduino, PIC, AVR, và STM, giúp phát hiện tín hiệu cao và thấp, từ đó xác định độ ẩm của đất.

 Đầu ra Analog A0 có thể được kết nối với bộ chuyển đổi ADC, có thể nhận được các giá trị chính xác hơn độ ẩm của đất

Khi đất khô và thiếu độ ẩm, điện áp ra của nó đạt khoảng 3,3V Ngược lại, trong môi trường có độ ẩm cao, điện áp sẽ gần bằng 0V, nhưng không phải tuyệt đối Hiện tượng này xảy ra do hai phiến kim loại trong cảm biến cảm nhận độ dẫn điện của môi trường; khi độ ẩm tăng, điện áp giảm.

Cảm biến độ ẩm đất tích hợp IC LM393 cho phép đọc hai trạng thái là Analog và Digital Khi độ ẩm đạt ngưỡng cài đặt, cảm biến sẽ chuyển tín hiệu chân D0 từ mức cao xuống mức thấp.

 Lưu ý: Không nên sử dụng cảm biến này quá lâu vì có thể bị ăn mòn bản kim loại

Độ ẩm của đất có mối quan hệ tỷ lệ nghịch với khả năng chống chịu của nó; nghĩa là, khi hàm lượng nước trong đất tăng lên, khả năng chống chịu của đất sẽ giảm xuống Cảm biến được thiết kế dưới dạng điện cực có điện trở thay đổi theo độ ẩm và độ sâu của nó trong đất.

Loại đất và nhiệt độ là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ ẩm của đất Vì vậy, việc sử dụng cảm biến để đo độ ẩm đất có thể không đáp ứng đủ yêu cầu cho các ứng dụng hoặc nghiên cứu khoa học phức tạp hơn.

 Cảm biến đi kèm với app mobile Blynk giúp hiển thị tín hiệu kỹ thuật số hoặc tín hiệu tương tự

- Gửi giá trị cảm biến qua WiFi:

C HUẨN GIAO TIẾP UART

UART, viết tắt của Universal Asynchronous Receiver-Transmitter, là công nghệ truyền dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ Nó chuyển đổi dữ liệu giữa dạng song song và nối tiếp, cho phép dữ liệu từ bus hệ thống được chuyển đổi thành dạng nối tiếp để truyền đi, và ngược lại, dữ liệu nhận dạng nối tiếp được chuyển đổi thành dạng song song để CPU có thể đọc Để đảm bảo việc truyền dữ liệu hiệu quả, cả bên phát và bên nhận cần phải tự tạo xung clock với tần số giống nhau, thường được gọi là tốc độ baud, ví dụ như 2400 baud, 4800 baud, hoặc 9600 baud.

UART của PC hỗ trợ hai kiểu giao tiếp: giao tiếp đồng thời và không đồng thời Giao tiếp đồng thời cho phép UART gửi và nhận dữ liệu cùng lúc, trong khi giao tiếp không đồng thời chỉ cho phép một thiết bị truyền dữ liệu tại một thời điểm Trong giao tiếp không đồng thời, tín hiệu điều khiển hoặc mã xác định bên nào được phép truyền dữ liệu Kiểu giao tiếp này thường xảy ra khi cả hai chiều chia sẻ một đường dẫn hoặc khi có hai đường dẫn nhưng chỉ một thiết bị giao tiếp qua một đường tại cùng một thời điểm.

Hình 2.50: Giao tiếp UART (Nguồn Internet)

Để thiết lập giao tiếp giữa hai thiết bị thông qua chuẩn UART, cần kết nối dây Tx (chân gửi tín hiệu) của thiết bị phát với chân Rx (chân nhận tín hiệu) của thiết bị thu, đồng thời nối chân Rx của thiết bị phát với chân Tx của thiết bị thu.

Tx (chân gửi tín hiệu) của bên thu được gọi là nối chéo dây Để đảm bảo việc truyền nhận tín hiệu giữa hai bên, cả hai bên nhận và phát cần phải có tốc độ baud giống nhau.

PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT

G IẢI PHÁP THỰC HIỆN

3.1.1 Giải pháp cho hệ thống điện năng lượng mặt trời

Trong những năm gần đây, năng lượng mặt trời đã trở thành một trong những nguồn năng lượng chính tại Việt Nam Giải pháp này được ưu tiên và khuyến khích nhờ vào khả năng tiết kiệm điện năng và tác động tích cực đến môi trường.

- Tùy thuộc vào nhu cầu của người sử dụng mà hệ thống điện năng lượng mặt trời được phân ra làm 3 giải pháp chính:

 Hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập:

• Tấm pin hấp thu ánh sáng mặt trời tạo ra điện 1 chiều (DC)

• Dòng điện đi qua Điều khiển sạc năng lượng mặt trời nạp vào bộ lưu trữ (bình ắc quy)

• Điện 1 chiều từ bộ lưu trữ cung cấp trực tiếp cho thiết bị DC hay đi qua bộ chuyển đổi cung cấp thiết bị AC

Hình 3.1: Hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập [6]

 Hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới:

• Tấm pin hấp thu ánh sáng mặt trời tạo ra điện 1 chiều (DC)

• Điện DC đi qua bộ kích điện hòa lưới chuyển thành điện AC cùng pha, cùng tần số với điện lưới

• Sau đó, dòng điện AC đi đến tủ điện để cung cấp cho các thiết bị

• Khi điện mặt trời tạo ra nhiều hơn lượng cần thiết, điện dư sẽ được đưa lên lưới

• Nếu không đủ, sẽ lấy thêm điện từ lưới bù vào, để cung cấp cho các thiết bị

Hình 3.2: Hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới [6]

 Hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới có lưu trữ (Hybrid):

Hệ thống hoạt động tương tự như hệ thống hòa lưới, nhưng với ưu điểm là dòng điện được ưu tiên lưu trữ đầy vào ắc quy trước, trong khi các thiết bị khác sẽ nhận nguồn điện từ lưới điện.

• Khi ắc quy đầy, dòng điện sẽ chuyển qua bộ kích điện hòa lưới và tiếp tục quy trình như điện hòa lưới

• Khi mất điện lưới, bộ kích điện hòa lưới sẽ lấy điện được dự trữ trong bình ắc quy, chuyển nguồn cung cấp cho các thiết bị

• Khi có điện lưới trở lại, bình ắc quy được nạp đầy thì hệ thống tự động chuyển sang chế độ hòa lưới bình thường

Hình 3.3: Hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới có lưu trữ [6]

- So sánh các loại hệ thống:

Bảng 3.1: So sánh các hệ thống điện năng lượng mặt trời

Nội dung HTNLMT độc lập HTNLMT hòa lưới HTNLMT hòa lưới có dự trữ

Bộ điều khiển Bình ắc quy

Bộ hòa lưới Đồng hồ điện

Bộ hòa lưới Đồng hồ điện Bình ắc quy

Hiệu quả tiết kiệm năng lượng Ít nhất

Bị hạn chế công suất tiêu thụ điện do lưu trữ vào bình ắc quy

Cao nhất Không sử dụng ắc quy, cung cấp tối đa năng lượng

Do dự trữ vào ắc quy nên bị giảm công suất Đầu tư giá cả

Do có bình ắc quy nên giá gấp 2 lần NLMT hòa lưới

Chi phí thấp nhất Trung bình

Do ắc quy có giá thành cao

Tải tiêu thụ Giới hạn tải tiêu thụ Không giới hạn tải tiêu thụ

Không giới hạn tải tiêu thụ

Do nguồn điện bị hạn chế về công suất và ắc quy

Sử dụng tối ưu nguồn năng lượng

Do ắc quy có giá thành cao

Chi phí tiết kiệm điện năng

Dài Ngắn Dài nhất Ứng dụng

Thích hợp cho vùng sâu vùng xa, vùng chưa có điện lưới

Khu vực có điện lưới tương đối ổn định

Thích hợp cho vùng thường xuyên mất điện

Dự phòng sự cố mất điện

Chi phí bảo trì, bảo dưỡng

Rất Cao Ắc quy mau hỏng do không được nạp đầy

Thấp Gần như bằng không

Cao Tuổi thọ Ắc quy chỉ từ 3-5 năm

Tính ổn định của hệ thống

Lệ thuộc vào cường độ ánh sáng mặt trời do đó không ổn định khi công suất tải tăng lên

Cao Vận hành song song với lưới điện, không ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống

Cao Vận hành song song với lưới điện, không ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống

Hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới có dự trữ là giải pháp tối ưu nhất, giúp đảm bảo nguồn điện liên tục trong trường hợp mất điện lưới, từ đó bảo vệ sự vận hành của các tải hoạt động và tránh ảnh hưởng đến hoạt động sản xuất.

Khi hệ thống điện mặt trời gặp sự cố hoặc cần bảo trì, chúng ta có thể sử dụng điện lưới để đảm bảo tải vẫn hoạt động bình thường.

3.1.2 Giải pháp cho hệ thống vườn rau thông minh

- Hiện nay nền nông nghiệp các quốc gia phát triển như Nhật Bản, Isarel, … đa số đã sử dụng hệ thống thông minh

- Ở nước ta cũng đang áp dụng, triển khai một số hệ thống vườn rau thông minh Các hệ thống giám sát, điều khiển thông minh như:

Nhờ vào việc nhận biết khi nào cây trồng thiếu nước, nông dân có thể được cảnh báo để thực hiện tưới nước kịp thời, bằng tay hoặc thông qua hệ thống tưới tự động Hệ thống này sẽ tự động tưới cho cây đến khi đạt đủ lượng nước cần thiết và tự dừng lại, giúp giảm thiểu lượng nước tưới thừa Điều này không chỉ tiết kiệm nước trong mùa khô mà còn tiết kiệm điện năng cho hệ thống tưới.

Biết cách xác định lượng nước thừa trong vườn giúp người dân kịp thời tháo nước, từ đó nước thoát nhanh hơn, giảm thiệt hại cho cây trồng do ngập úng và thối rễ.

Hệ thống kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm trong vườn có vai trò quan trọng trong việc đảm bảo cây trồng phát triển tối ưu Việc điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm phù hợp sẽ giúp người dân tạo ra môi trường lý tưởng cho sự sinh trưởng của cây, từ đó nâng cao năng suất và chất lượng nông sản.

Với các giải pháp này, nông dân có thể hoàn toàn yên tâm về vườn của mình, ngay cả khi đang bận rộn với những công việc khác, mà không phải lo lắng về việc vườn bị thiệt hại.

- Tiết kiệm lượng nước thừa đổ vào vườn ảnh hưởng đến phát triển bộ rễ dẫn đến ảnh hưởng đến năng suất

- Khống chế lượng nước vào vườn quá nhiều khi vào mùa mưa dẫn đến cây trồng trong vườn bị thối rễ mà chết

P HƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

- Thiết kế cho hệ thống điện năng lượng mặt trời:

 Thiết kế tủ điện cho hệ thống điện năng lượng mặt trời

 Thiết kế bộ điều khiển sạc pin mặt trời

 Thiết kế mạch đo sản lượng điện sinh ra từ pin mặt trời và bán ra điện lưới

 Thiết kế giám sát thông số điện năng đo được hiển thị qua app Blynk trên smartphone được kết nối với thiết bị qua wifi

- Thiết kế cho hệ thống vườn rau thông minh:

 Thiết kế mô hình vườn rau

 Thiết kế lắp đặt hệ thống điện năng lượng mặt trời cho vườn rau

 Thiết kế hệ thống vườn rau thông minh có thể điều khiển và giám sát thiết bị thông qua app Blynk trên smartphone được kết nối internet

G IỚI HẠN NỘI DUNG

- Chọn vườn rau là đối tượng nghiên cứu

- Thiết kế mô hình nhà lưới cho vườn rau

- Điều khiển và giám sát khu vườn bằng Blynk trên smartphone thông qua wifi

- Sử dụng 1 tấm pin năng lượng mặt trời Mono 20W và bộ lưu điện 12V 9Ah để cấp nguồn dự phòng cho toàn bộ hệ thống

- Sử dụng 1 module để đo các thông số điện mặt trời và 1 hệ thống điều khiển giám sát vườn rau

- Dừng lại ở mức độ mô hình học tập chứ chưa đưa vào thực tế sử dụng

THIẾT KẾ HỆ THỐNG

THI CÔNG MÔ HÌNH