BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ BÁO CÁO ĐỒ ÁN CƠ ĐIỆN TỬ Đề tài Nghiên cứu và thiết kế hệ thống vườn thông minh Giáo viên hướng dẫn Ths Nguyễn Đức Minh Sinh viên thực hiện.
GIỚI THIỆU CHUNG
Tổng quan về hệ thống vườn thông minh
Rau xanh là thực phẩm thiết yếu, cung cấp khoáng chất và vitamin quan trọng cho sức khỏe con người, giúp cân bằng dinh dưỡng trong bữa ăn hàng ngày Tuy nhiên, tại Việt Nam, ô nhiễm môi trường và an toàn thực phẩm đang trở thành vấn đề nghiêm trọng Nguyên nhân chính bao gồm việc lạm dụng hóa chất độc hại, thuốc bảo vệ thực vật và chất kích thích sinh trưởng, cùng với việc sử dụng đất và nước ô nhiễm để trồng rau Điều này dẫn đến tình trạng người tiêu dùng tiêu thụ nhiều sản phẩm nông nghiệp, như rau xanh và hoa quả, mà không rõ nguồn gốc.
Hình 1.1: Thực trạng phun thuốc trừ sâu cho rau
Theo thống kê, trong một năm cả nước ghi nhận hơn 170 vụ ngộ độc thực phẩm, với gần 5.000 người mắc Tình hình an toàn thực phẩm trong nông nghiệp đang trở nên phức tạp, khiến người tiêu dùng, kể cả những người làm trong ngành quản lý an toàn thực phẩm, khó lòng xác định được độ an toàn của sản phẩm rau quả đang bày bán Điều này đặc biệt nghiêm trọng khi thiếu thông tin về quy trình kiểm soát an toàn thực phẩm từ trồng trọt, thu hoạch, chế biến, bảo quản cho đến khi sản phẩm được đưa ra thị trường.
Theo thống kê từ UBND Thành phố Hà Nội, đến tháng 10/2019, đa số người tham gia diễn đàn trồng rau xanh là cư dân thành thị, xuất phát từ nhiều lý do khác nhau.
Hình 1.2: Thực trạng thực phẩm bẩn gây ung thư
Nhóm đã phát triển hệ thống vườn thông minh tự động với quy trình khép kín, có khả năng tự điều chỉnh độ ẩm, nhiệt độ và ánh sáng phù hợp với từng loại cây trồng Phương thức chăm bón hoàn toàn tự động và có thể điều khiển từ xa, giúp giảm thiểu sâu bệnh và tiết kiệm thời gian, công sức cho người trồng, đồng thời nâng cao chất lượng sản phẩm Đặc biệt, rau được sản xuất không sử dụng hóa chất nông nghiệp, đảm bảo an toàn cho người tiêu dùng, phù hợp với cư dân đô thị bận rộn nhưng vẫn mong muốn trồng rau sạch cho gia đình.
Mặc dù công nghệ nhà thông minh ngày càng phổ biến, nhưng tự động hóa khu vườn vẫn chưa được nhiều người áp dụng Nhiều người làm vườn vẫn phải sử dụng máy cắt cỏ truyền thống và tốn nhiều thời gian để tưới cây Tuy nhiên, với vườn thông minh, các thiết bị như đèn chiếu sáng, máy cắt cỏ và hệ thống tưới tiêu được kết nối và phối hợp một cách dễ dàng nhờ công nghệ hiện đại.
Hình 1.3: Lợi ích từ vườn thông minh
Bằng cách tự động hóa các công việc như cắt cỏ và tưới nước, bạn chỉ cần thiết lập thiết bị theo yêu cầu Việc kiểm soát các hoạt động định kỳ qua ứng dụng giúp nâng cao hiệu quả làm vườn đáng kể.
Mục tiêu đề tài
Hệ thống vườn thông minh được xây dựng cho phép người dùng dễ dàng kiểm soát và điều khiển, đồng thời tự động điều chỉnh các yếu tố môi trường trong vườn Những ứng dụng của hệ thống này sẽ mang lại sự tiện lợi và hiệu quả trong việc chăm sóc cây trồng.
Bài viết này giới thiệu ba cơ chế điều khiển linh hoạt: người dùng có thể bật tắt công tắc bằng tay (ON/OFF), điều khiển từ xa qua website và ứng dụng di động, hoặc tự động bật tắt theo giá trị đã được cài đặt sẵn.
Hệ thống có khả năng điều khiển thông qua các nút bấm, đồng thời cũng hỗ trợ điều khiển tự động khi nhận được tín hiệu Ngoài ra, nó còn gửi giá trị trạng thái bật tắt hiện tại lên Webserver.
Đọc các giá trị nhiệt độ, độ ẩm và gửi lên Wedsever và hiển thị giá trị trên wed, mobile app để người dùng dễ dàng theo dõi.
Tự động bật tắt công tắc dựa trên giá trị cảm biến.
Phương pháp nghiên cứu
Kiểm tra hoạt động của các cảm biến bằng Firebase Thông qua đó tích luỹ
Cuối mỗi quy trình, việc thực hiện kiểm tra và đánh giá (test and verification) là rất cần thiết để giảm thiểu rủi ro và đảm bảo hiệu quả Điều này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn giảm thiểu chi phí phát sinh trong quá trình thực hiện.
Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi của đề tài gồm:
Ứng dụng điện thoại chạy hệ điều hành Android
Dữ liệu của các cảm biến được hiển thị trên LCD và trên App Android.
App Android khi có kết nối mạng mới có thể điều khiển được hệ thống.
Hệ thống hoạt động với ba chế độ: tự động, thủ công và theo thời gian Chế độ thủ công cho phép người dùng điều khiển dễ dàng thông qua nút nhấn trên bảng điều khiển hoặc qua ứng dụng Android.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Các yêu cầu đối với hệ thống vườn thông minh
Nhà kính có kết cấu vững chắc, chịu được các yếu tố bất lợi của môi trường.
Các cơ cấu chấp hành hoạt động ổn áp, hợp lý, tránh lãng phí điện năng và tài nguyên.
Bộ điều khiển, cảm biến có thể hoạt động ổn định liên tục, dễ dàng tìm kiếm và thay thế.
Thích ứng được với nhiều loại cảm biến và được sử dụng rộng rãi.
Hệ thống có giao diện hợp lý, bắt mắt và dễ dàng thao tác với người sử dụng.
2.1.1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống
Mô hình vườn thông minh IOT sử dụng module wifi ESP32 kết hợp với cảm biến độ ẩm và nhiệt độ, giúp người dùng theo dõi tình trạng môi trường một cách dễ dàng Người dùng có thể điều khiển thiết bị thủ công hoặc thiết lập mức nhiệt độ, độ ẩm để tự động bật tắt thiết bị thông qua smartphone.
Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm thu thập thông tin từ khu vườn và truyền dữ liệu đến Module ESP32 để hiển thị giá trị trên màn hình Đồng thời, các giá trị này cũng được gửi lên máy chủ để lưu trữ và xử lý.
Dữ liệu được gửi lên máy chủ để lưu trữ và xử lý trước khi truyền đến điện thoại thông minh qua Internet Khi điện thoại gửi lệnh điều khiển, lệnh này sẽ được chuyển lên máy chủ để điều khiển thiết bị phần cứng Việc điều khiển các cơ cấu chấp hành dựa trên các giá trị cài đặt phù hợp với từng loại cây trồng, từ thông số nhiệt độ và độ ẩm, giúp quyết định tác động relay để kích hoạt các cơ cấu chấp hành Thông số này cũng được hiển thị trên màn hình LCD và lưu trữ trên máy tính Khi độ ẩm thấp hơn mức cài đặt hoặc nhiệt độ vượt quá giới hạn, các cơ cấu chấp hành sẽ tự động hoạt động để điều chỉnh độ ẩm và nhiệt độ về mức tối ưu.
Phần cơ khí xây dựng nhà kính
Các ống sắt có thể được gia công để tạo ra những thiết kế nhà kính đẹp mắt, bền bỉ và có thể sử dụng trong nhiều năm mà không cần bảo trì.
Hình 2.4: Khung nhà kính thực tế
Các ống sắt làm khung nhà kính được liên kết bằng ốc vít và bu lông, mang lại độ chắc chắn cao hơn so với phương pháp hàn và đảm bảo khả năng chống gỉ sét Khung nhà kính đóng vai trò quan trọng trong việc nâng đỡ toàn bộ trọng lượng của cấu trúc, đồng thời chịu đựng các tác động liên tục từ thời tiết như nắng, mưa, gió và bão.
Hệ thống khung nhà kính đóng vai trò quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả hoạt động của toàn bộ nhà kính Việc lựa chọn vật liệu phù hợp cho khung là cần thiết, đồng thời cần chú ý đến kỹ thuật lắp đặt, đặc biệt là việc chôn cọc và cố định khung chắc chắn để chịu đựng được gió mạnh trong nhiều năm.
Ngoài khung sắt hỗ trợ cấu trúc, lớp kính bao bọc bên ngoài, dùng làm tường và mái nhà kính, cũng đóng vai trò quan trọng Hiện nay, có ba loại vật liệu phổ biến được sử dụng cho mục đích này.
Kính thuỷ tinh là vật liệu truyền thống phổ biến, nổi bật với khả năng truyền sáng tốt và giữ nhiệt hiệu quả vào ban đêm, giúp tiết kiệm chi phí sưởi ấm cho nhà kính Mặc dù chi phí đầu tư ban đầu có thể cao, nhưng kính thuỷ tinh ít cần bảo trì, từ đó giúp tiết kiệm chi phí lâu dài.
Tấm nhựa hiện đang được sử dụng rộng rãi, với ba loại chính là nhựa PC, sợi thủy tinh và acrylic Nhựa PC (polycarbonate) nổi bật với độ bền cao, khả năng giữ nhiệt và chống tia UV tốt, đồng thời có giá thành hợp lý và trọng lượng nhẹ, thuận tiện cho việc thi công Sợi thủy tinh có ưu điểm về khả năng truyền ánh sáng nhưng lại dễ bị giòn và dễ cháy, nên ít được sử dụng Acrylic, với cấu trúc hai lớp gồm acrylic màu vàng và polycarbonate trong suốt, có khả năng truyền nhiệt và ánh sáng tốt nhất, đồng thời có thời gian sử dụng lên đến hơn 10 năm.
Màng nhựa là một loại vật liệu phổ biến hiện nay nhờ vào giá thành thấp và hiệu suất sử dụng cao Chất liệu của màng nhựa được sản xuất từ các thành phần như Ethylvinyl acetate, polyvinyl clorua và polyethylen.
Màng nhựa PE là vật liệu phổ biến nhất trong nông nghiệp, được sản xuất từ hạt nhựa PE nguyên sinh cao cấp, mang lại độ dẻo dai và bền bỉ Với màu trắng trong và khả năng xuyên sáng tốt, màng giúp cung cấp ánh nắng cần thiết cho quá trình quang hợp của cây trồng Đặc biệt, bề mặt màng PE còn được phủ lớp UV, bảo vệ cây trồng khỏi các tia UV có hại, ngăn ngừa tình trạng cháy nắng trong điều kiện nhiệt độ cao.
Màng PE nhà kính có trọng lượng nhẹ, giúp việc chuyển và lắp đặt trở nên dễ dàng Tuy nhiên, để đảm bảo không gây hư hỏng và kéo dài tuổi thọ sử dụng của vật liệu, việc lắp đặt cần được thực hiện đúng kỹ thuật Bên cạnh đó, các vật tư phụ cũng cần được chú trọng trong quá trình lắp đặt.
Nẹp chắn zic-zac là phụ kiện tách rời, khi lắp đặt sẽ kết hợp để tạo thành khung cố định chắc chắn cho các mép của màng nhà kính Thanh nẹp có chiều rộng khoảng 2.5 cm, độ dày 0.5 mm và chiều dài 2m Được làm từ thép mạ kẽm chống gỉ, thanh nẹp có hai đầu uốn cong để làm điểm tựa gài cây zic-zac vào.
Hình 2.7: Nẹp chắn zic-zac
Máng xối là thanh kim loại hình chữ U hoặc tròn, được lắp đặt ở giữa và mép nhà kính để thu nước mưa, giúp ngăn ngừa tình trạng đọng nước và tăng cường khả năng chịu lực cho cấu trúc Nguyên lý hoạt động của máng xối nhà kính tương tự như các loại máng xối trên mái nhà, nhưng kích thước nhỏ hơn Thường được chế tạo từ thép không gỉ, phụ kiện này có khả năng chống ăn mòn và gỉ sét hiệu quả.
Cùm khoá bằng thép không gỉ có thiết kế hình tròn với hai đầu khoan lỗ để lắp bu lông cố định, giúp tăng cường độ bền và tính ổn định Kích thước của cùm chìa khoá có thể nhỏ vừa hoặc lớn hơn ống khung sắt, phù hợp cho việc lắp đặt Hai loại cùm nhà kính phổ biến hiện nay là cùm một lỗ và cùm hai lỗ, đáp ứng nhu cầu đa dạng trong xây dựng và lắp đặt.
2.2.2 Các kích thước yêu cầu
Chiều cao hông nhà tối thiểu: 3m
Chiều cao đến đỉnh tối thiếu: 4.5m
Từ mặt đất lên 1m quây bằng màng nilon để tránh côn trùng và nước bắn vào khi mưa.
Từ 1m trở lên đến 3m quây bằng lưới thưa, để thoáng gió và hạn chế tác hại của mưa tạt vào.
Phần điện
2.3.1 Bộ điều khiển Đối với các dự án, sản phẩm yêu cầu điều khiển và theo dõi thông qua Internet, hệ thống phải có khả năng kết nối được vào mạng Internet Vì vậy nếu sử dụng các bộ vi điều khiển như Arduino UNO, Arduino MEGA… ta cần phải kết nối thêm module Wifi để có thể truy cập Internet Tuy nhiên, NODEMCU ESP32 có thể giải quyết vấn đề này khi vừa có thể điều khiển hệ thống, vừa có thể kết nối sóng Wifi.
ESP32 là một chip tích hợp Wi-Fi và Bluetooth 2,4 GHz, được chế tạo bằng công nghệ 40 nm siêu tiết kiệm năng lượng của TSMC Chip này mang lại hiệu suất và công suất RF tối ưu, thể hiện sự mạnh mẽ, linh hoạt và độ tin cậy cao trong nhiều ứng dụng và điều kiện nguồn điện khác nhau.
ESP32 là một vi mạch lý tưởng cho các ứng dụng di động, thiết bị đeo và Internet vạn vật (IoT) nhờ vào thiết kế tiết kiệm năng lượng Chip này tích hợp nhiều tính năng hiện đại như định vị xung nhịp chi tiết, nhiều chế độ năng lượng và khả năng chia tỷ lệ năng lượng động Trong các ứng dụng IoT trung tâm cảm biến, ESP32 chỉ được kích hoạt khi phát hiện điều kiện cụ thể, giúp giảm thiểu mức tiêu thụ năng lượng Ngoài ra, đầu ra của bộ khuếch đại công suất có thể điều chỉnh, tạo ra sự cân bằng lý tưởng giữa phạm vi giao tiếp, tốc độ dữ liệu và mức tiêu thụ điện năng.
ESP32 là một giải pháp tích hợp hoàn hảo cho các ứng dụng IoT sử dụng Wi-Fi và Bluetooth, với khoảng 20 thành phần bên ngoài Nó bao gồm công tắc ăng-ten, RF balun, bộ khuếch đại công suất, bộ khuếch đại nhận tiếng ồn thấp, bộ lọc và mô-đun quản lý điện năng.
ESP32 có thể hoạt động độc lập hoặc như thiết bị phụ cho MCU chủ, giúp giảm chi phí giao tiếp Nó hỗ trợ giao tiếp với các hệ thống khác, cung cấp chức năng Wi-Fi và Bluetooth qua các giao diện SPI/SDIO hoặc I2C/UART.
CPU Xtensa Dual-Core LX6 microprocessor
Wifi 802.11 b/g/n/e/i Điện áp hoạt động 2.2-3.6V Điện áp đầu vào 5V
Bluetooth V4.2 BR/EDR and BLE
Bảng 2.1: Bảng thông số cơ bản ESP32
Bảng 2.2: Sơ đồ chân ESP32 b, Relay
Relay, hay còn gọi là rơ-le, là một công tắc điện từ hoạt động bằng dòng điện nhỏ để điều khiển dòng điện lớn hơn Với cấu tạo là nam châm điện và hệ thống tiếp điểm đóng cắt được thiết kế module hóa, relay dễ dàng lắp đặt và sử dụng trong nhiều ứng dụng điện.
Rơ le điện từ hoạt động dựa trên nguyên tắc lực hút điện từ, khi mạch cảm nhận dòng sự cố, nó sẽ kích hoạt trường điện từ tạo ra từ trường tạm thời Từ trường này di chuyển phần ứng rơle, giúp mở hoặc đóng các kết nối.
Hình 2.11: Nguyên lý hoạt động của Relay
2.3.2 Cảm biến a, Cảm biến nhiệt độ
Nhiệt độ ảnh hưởng đến mọi sự sống và các hệ thống vật lý, hóa học, do đó nó trở thành đại lượng được đo nhiều nhất trên thế giới Việc đo nhiệt độ giúp cung cấp thông số chính xác về môi trường, từ đó có biện pháp điều chỉnh phù hợp Có nhiều phương pháp và thiết bị khác nhau để đo nhiệt độ, trong đó cảm biến nhiệt là một trong những công cụ phổ biến.
Hình 2.12: Cảm biến nhiệt độ
Cảm biến nhiệt là thiết bị đo sự biến đổi nhiệt độ của các đại lượng cần thiết Khi nhiệt độ thay đổi, cảm biến sẽ phát tín hiệu, và từ tín hiệu này, các bộ đọc sẽ chuyển đổi thành giá trị nhiệt độ cụ thể.
Cảm biến đo nhiệt độ có cấu tạo chính là 2 dây kim loại khác nhau được gắn vào đầu nóng và đầu lạnh.
Ngoài ra, nó còn được cấu tạo bởi nhiều bộ phận khác, cụ thể như sau:
Bộ phận cảm biến là thành phần quan trọng nhất, ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của thiết bị cảm biến Nó được lắp đặt bên trong vỏ bảo vệ sau khi đã kết nối với đầu nối.
Dây kết nối cho các bộ phận cảm biến có thể được thiết lập với 2, 3 hoặc 4 dây, tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của hệ thống Vật liệu của dây kết nối sẽ được lựa chọn dựa trên điều kiện sử dụng và môi trường của dầu đo.
Hình 2.13: Cấu tạo cảm biến nhiệt
Chất cách điện gốm đóng vai trò quan trọng trong việc ngăn ngừa đoản mạch và đảm bảo cách điện an toàn giữa các dây kết nối và vỏ bảo vệ.
Phụ chất làm đầy, bao gồm bột alumina mịn đã được sấy khô và rung, có chức năng chính là lấp đầy các khoảng trống, giúp bảo vệ cảm biến khỏi rung động.
Vỏ bảo vệ là bộ phận quan trọng giúp bảo vệ cảm biến và dây kết nối, cần được làm từ vật liệu phù hợp và kích thước chính xác, có thể sử dụng thêm lớp bọc nếu cần thiết Đầu kết nối, được chế tạo từ vật liệu cách điện như gốm, chứa các bảng mạch và cho phép kết nối điện trở hiệu quả.
Cảm biến nhiệt hoạt động dựa trên cơ sở là sự thay đổi điện trở của ki loại so với sự thay đổi nhiệt độ vượt trội.
Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh, sức điện động V sẽ được phát sinh từ đầu lạnh Để đảm bảo độ chính xác, nhiệt độ ở đầu lạnh cần phải ổn định và có thể đo được, đồng thời phụ thuộc vào chất liệu Điều này dẫn đến sự xuất hiện của các loại cặp nhiệt độ và môi trường, mỗi loại tạo ra một sức điện động khác nhau.
E, J,K,R,S,T. b, Cảm biến độ ẩm đất
Phần mềm
Firebase là nền tảng của Google hỗ trợ phát triển ứng dụng di động và web, cung cấp nhiều công cụ và dịch vụ hữu ích cho các nhà phát triển Đây là một bộ công cụ giúp họ tạo ra và mở rộng ứng dụng theo nhu cầu của người dùng.
Firebase nhằm mục đích giải quyết ba vấn đề chính cho các nhà phát triển:
Xây dựng một ứng dụng nhanh chóng
Tự tin phát hành và giám sát ứng dụng
Firebase là một nền tảng đa năng, nó cung cấp rất nhiều dịch vụ khác nhau cho người dùng Các trường hợp sử dụng Firebase khá rộng điển hình:
Ứng dụng thời gian thực
Ứng dụng trò chuyện và nhắn tin
Tối ưu hóa quảng cáo dựa trên hành vi của người dùng
Nền tảng Firebase không phải là sự lựa chọn ngẫu nhiên, mà là kết quả của nhiều ưu điểm nổi bật mà nó mang lại cho người dùng.
Sử dụng dễ dàng: Những người dùng có thể đăng ký một tài khoản
Firebase cho phép người dùng đăng nhập thông qua tài khoản Google, giúp việc phát triển ứng dụng trở nên dễ dàng và thuận tiện hơn cho các lập trình viên.
Firebase giúp tăng tốc độ phát triển ứng dụng, cho phép lập trình viên tiết kiệm thời gian trong quá trình phát triển và tiếp thị sản phẩm.
Firebase cung cấp nhiều dịch vụ đa dạng cho việc phát triển trang web, cho phép người dùng lựa chọn giữa hai loại cơ sở dữ liệu: Firestore và Realtime, phù hợp với nhu cầu của họ.
Nền tảng cho Google phát triển: google firebase là gì? Firebase được
Google đã mua lại và tích hợp ứng dụng này vào hệ sinh thái của mình, nhằm tận dụng tối đa sức mạnh và các dịch vụ hiện có của Google.
Firebase giúp lập trình viên chú trọng vào việc phát triển giao diện người dùng nhờ vào kho Backend mẫu phong phú và đa dạng.
Firebase là một ứng dụng không có máy chủ, điều này giúp tối ưu hóa hiệu suất làm việc nhờ vào khả năng mở rộng cụm database một cách linh hoạt.
Học máy: Ứng dụng Firebase sẽ cung cấp học máy cho các lập trình viên để hỗ trợ tốt nhất cho việc phát triển ứng dụng
Firebase App hỗ trợ tạo lập các chỉ mục, giúp nâng cao thứ hạng của ứng dụng trên bảng xếp hạng Google, từ đó tăng cường lưu lượng truy cập.
Hình 2.26: Ưu điểm của Firebase
Các đặc điểm vượt trội được đánh giá cao:
Theo dõi lỗi: Đây là một công cụ để phát triển cũng như khắc phục lỗi vô
Bên cạnh những ưu điểm nổi bật thì Firebase cũng tồn tại một số nhược điểm nhất định:
Firebase không phải là một nền tảng mã nguồn mở, điều này có thể làm cho nó trở thành lựa chọn không tối ưu cho nhiều nhà phát triển Bởi vì người dùng không thể chỉnh sửa mã nguồn của Firebase, điều này hạn chế khả năng tùy chỉnh và linh hoạt cho ứng dụng.
Việc chuyển đổi sang các nhà cung cấp khác đối với những ứng dụng lớn là một thách thức, đặc biệt khi người dùng không có quyền truy cập vào mã nguồn Để thực hiện điều này, toàn bộ Backend của ứng dụng cần phải được xây dựng lại từ đầu.
Hình 2.27: Người dùng không có quyền truy cập mã nguồn
Firebase, một sản phẩm con của Google, hiện đang gặp khó khăn trong việc hoạt động tại nhiều quốc gia Trang web chính thức của Firebase đã bị chặn ở nhiều nơi trên thế giới, bao gồm cả Trung Quốc.
Cơ sở dữ liệu NoSQL như Firebase chỉ hỗ trợ định dạng JSON và không sử dụng SQL, điều này khiến người dùng gặp khó khăn trong việc xử lý dữ liệu nhanh chóng Việc chuyển đổi từ cơ sở dữ liệu này sang một hệ thống khác sẽ không dễ dàng.
Firebase chỉ chạy trên Google Cloud: Firebase trở thành một phần của
Google và toàn bộ hạ tầng ứng dụng hoạt động trên Google Cloud, do đó người dùng không thể triển khai ứng dụng trên các nhà cung cấp dịch vụ đám mây khác.
Truy vấn chậm có thể xảy ra khi sử dụng Cloud Firebase, vì không phải tất cả các cơ sở dữ liệu đều phù hợp với mọi tình huống Điều này có thể làm tiêu tốn thời gian của bạn khi làm việc với ứng dụng.
Tính toán thiết kế vườn thông minh
Tính toán thiết kế nhà kính
Chọn vật liệu xây dựng nhà kính:
Ống thép mạ kẽm được lựa chọn làm khung nhà kính vì tính chắc chắn, giúp nâng đỡ toàn bộ sức nặng của công trình Chúng có khả năng chống chịu tốt trước các yếu tố như bão, gió, và đặc biệt là môi trường nóng ẩm mà không bị han gỉ.
Hình 3.39: Ống thép mạ kẽm
Màng nhựa PE là lựa chọn lý tưởng cho việc phủ nhà kính nhờ vào độ bền và tính dai khi tiếp xúc với thời tiết khắc nghiệt Với độ dày 200 micromet, màng Polyetylen (PE) không chỉ nhẹ mà còn có tuổi thọ trên 3 năm, đảm bảo hiệu quả sử dụng lâu dài cho các công trình nhà kính.
Các kích thước của khung nhà:
Khoảng cách giữa các vì kèo: 4.5m
Hình 3.41: Mô hình nhà kính 3D
Tính chọn các cơ cấu chấp hành
Với diện tích 18x8m, có thể trồng 13 hàng cây, mỗi hàng cách nhau 60cm Trong mỗi hàng dài 18m, khoảng cách giữa các cây là 40cm, cho phép trồng 45 cây mỗi hàng Mỗi cây sẽ được tưới bằng một béc tưới nhỏ giọt bù áp có lưu lượng 6 lít/giờ.
Qua đó tính được hệ thống cần lưu lượng nước tối thiểu là
Trong đó : V là lưu lượng nước tối thiểu của máy bơm
L là lưu lượng nước mỗi béc nhỏ giọt
Mỗi béc tưới nhỏ giọt hoạt động ổn định dưới áp suất 0.03 bar Ta tính được áp suất cần cung cấp tại đầu đường ống là:
Trong đó: P là áp suất tối thiểu máy bơm
N là số lượng cây p là áp suất hoạt động mỗi béc tưới
Khi lựa chọn máy bơm, nên chọn máy có lưu lượng và cột áp cao hơn ít nhất 1,5 lần so với yêu cầu hoạt động của thiết bị, tùy thuộc vào điều kiện địa hình Điều này giúp đảm bảo hiệu suất làm việc tối ưu cho máy bơm Ngoài áp suất cần thiết cho thiết bị tưới, cần tính thêm tổn hao áp suất trong hệ thống đường ống do các yếu tố như lọc, bộ châm dinh dưỡng, co, tê, giảm, v.v Do đó, máy bơm nên có lưu lượng từ 5m³/giờ và cột áp từ 26m trở lên.
Thỏa mãn các yêu cầu trên, ta có thể chọn máy bơm ly tâm Marino CM100.
Sản phẩm bảo hành chính hãng: 12 tháng
Tính chọn quạt thông gió
Đối với nhà kính 8x18 m 2 , chiều cao hông nhà 3,0 m, chiều cao đến đỉnh 4.5m ta cần tính được thể tích của nhà kính xấp xỉ:
V = Chiều dài x chiều rộng x chiều cao
Tổng lượng không khí trao đổi trong nhà kính được xác định theo quy chuẩn là 70 lần tuần hoàn gió mỗi giờ, tức là mỗi phút sẽ có một lần thay đổi toàn bộ không khí trong nhà kính Do đó, tổng lượng không khí cần thiết cho việc này là rất quan trọng để đảm bảo môi trường tối ưu cho cây trồng.
T = X x V (m 3 /h) Trong đó: X là số lần thay đôi không khí.
V là thể tích không gian.
=> T = 70 x 540 = 37800 m 3 Qua tìm hiểu nhóm đã tổng hợp được một số model quạt thông gió:
Model Đường kính cánh (mm)
(vòng/p hút) Điện áp đầu vào (kW)
Bảng 3.3: Thông số kĩ thuật một số mẫu quạt
Dựa trên lưu lượng khí cần thiết và thông số kỹ thuật của các mẫu quạt thông gió, nhóm đã quyết định chọn quạt BNF-900 Số lượng quạt BNF-900 cần sử dụng được tính toán theo công thức cụ thể.
N=T/Q Trong đó: T là tổng lượng không khí cần dùng
Q là lưu lượng gió của quạt (m 3 /h).
Các thông số và hình ảnh cụ thể mẫu quạt BNF-900:
Tính toán, thiết kế hệt hống điện, điện tử
Hình 3.44: Sơ đồ khối hệ thống
Khối nguồn đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống, bao gồm các thành phần như khối xử lý trung tâm, khối giao tiếp Wi-Fi, khối webserver, khối điều khiển trực tiếp và hiển thị, khối cảm biến, khối relay và khối cơ cấu chấp hành.
Khối xử lý trung tâm: Thu thập dữ liệu từ các thiết bị sau đó xử lý và điều khiển khối chấp hành và khối hiển thị.
Khối giao tiếp WiFi đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối giữa khối điều khiển trung tâm và server, giúp nhận và gửi dữ liệu để điều khiển các thiết bị điện trong khu vườn một cách hiệu quả.
Khối webserver được thiết kế để xây dựng giao diện cho cả web và ứng dụng di động, giúp hiển thị và lưu trữ dữ liệu Ngoài ra, nó cho phép người dùng thao tác và điều khiển hệ thống một cách gián tiếp thông qua kết nối Wifi.
Khối điều khiển trực tiếp và hiển thị: Cho phép người dùng theo dõi các thông số môi trường, thao tác điều khiển trực tiếp ngay trên màn hình.
Khối cảm biến đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập các thông số môi trường, từ đó giúp điều khiển và giám sát khu vườn hiệu quả.
Khối module Relay cho phép đóng ngắt các tiếp điểm theo sự điều khiển của ngõ ra ESP32, giúp điều khiển thiết bị một cách hiệu quả Nó cũng đảm bảo sự cách ly giữa mạch công suất và mạch điều khiển, tăng cường độ an toàn và độ tin cậy cho hệ thống.
Khối chấp hành bao gồm các thiết bị giúp điều chỉnh thông số và cơ cấu của khu vườn, đảm bảo duy trì điều kiện tối ưu cho sự phát triển Đồng thời, việc lựa chọn Aptomat bảo vệ hệ thống là rất quan trọng để đảm bảo an toàn và hiệu suất hoạt động của khu vườn.
Ta đã tính toán và chọn được các cơ cấu chấp hành cho hệ thống, từ đó ta tính được tổng công suất tiêu thụ tối đa:
Trong đó: là tổng công suất các bơm là tổng công suất các quạt
Hệ thống sử dụng điện lưới 220V, ta tính được I của hệ thống:
Do hệ thống có thiết bị động cơ, dòng của Aptomat cần gấp 2 đến 2,5 lần dòng của hệ thống:
I2 có thể tính toán giá trị là 2,5 x 11 = 26,25 A, với thiết kế gọn nhẹ và dễ lập trình Ngoài ra, IC còn tích hợp chức năng cảnh báo nhiệt độ khi vượt ngưỡng, đặc biệt có khả năng cấp nguồn từ chân data (parasite power).
Hình 3.46: Cảm biến nhiệt độ DS18B32
Thông số của Cảm biến nhiệt độ DS18B20 dây mềm:
Dải đo nhiệt độ: -55 đến 125 độ C ( -67 đến 257 độ F)
Sai số: +- 0.5 độ C khi đo ở dải -10 – 85 độ C
Độ phân giải: người dùng có thể chọn từ 9 – 12 bits
Chuẩn giao tiếp: 1-Wire (1 dây).
Có cảnh báo nhiệt khi vượt ngưỡng cho phép và cấp nguồn từ chân data.
Thời gian chuyển đổi nhiệt độ tối đa: 750ms (khi chọn độ phân giải 12bit).
Mỗi IC có một mã riêng (lưu trên EEPROM của IC) nên có thể giao tiếp nhiều DS18B20 trên cùng 1 dây
Ống thép không gỉ (chống ẩm, nước) đường kính 6mm, dài 50mm
Đường kính đầu dò: 6mm
Cảm biến nhiệt độ DS18B20 sử dụng chuẩn giao tiếp 1-Wire, cho phép truyền và nhận dữ liệu chỉ với một dây duy nhất, khác với các giao thức như I2C, UART hay SPI cần nhiều dây hơn Mặc dù tốc độ truyền dữ liệu của 1-Wire thấp, nhưng nó rất phù hợp cho việc thu thập dữ liệu thời tiết và nhiệt độ, nơi không yêu cầu tốc độ cao Để đảm bảo hoạt động ổn định, dây kết nối cần được nối với nguồn thông qua điện trở kéo lên (pull-up resistor) khi ở trạng thái rảnh.
Giao tiếp 1-Wire hoạt động với hai chế độ: standard và overdrive, với tốc độ truyền dữ liệu lần lượt là 15 kbps và 111 kbps Chuẩn giao tiếp này tuân theo mô hình master-slave, cho phép kết nối nhiều thiết bị slave trên một đường truyền dữ liệu, nhưng chỉ có một thiết bị master duy nhất.
Trong giao tiếp 1-Wire, đường dây luôn duy trì trạng thái cao (High), và các thao tác cơ bản trên bus được xác định bởi khoảng thời gian mà đường truyền được kéo xuống mức thấp (Low).
Gửi bit 1: Khi muốn gửi đi bit 1, thiết bị Master sẽ kéo bus xuống mức 0 trong một khoảng thời gian A (às) và trở về mức 1 trong khoảng B (às).
Gửi bit 0: Thiết bị Master kéo bus xuống mức 0 trong một khoảng thời gian
Trong quá trình truyền dữ liệu, bus sẽ trở về mức 1 trong khoảng thời gian D (às) Thiết bị Master sẽ giảm bus xuống mức 1 trong khoảng A (às) Trong khoảng thời gian E (às) tiếp theo, thiết bị Master sẽ thực hiện việc lấy mẫu Nếu bus ở mức 1 trong thời gian E (às), thiết bị Master sẽ đọc bit 1; ngược lại, nếu bus ở mức 0, thiết bị Master sẽ đọc bit 0.
Thiết bị Master thực hiện reset bằng cách hạ bus xuống mức 0 trong khoảng thời gian H (às) trước khi trở lại mức 1, khoảng thời gian này được gọi là tín hiệu reset Sau đó, trong khoảng thời gian I (às), thiết bị Master sẽ lấy mẫu dữ liệu Nếu thiết bị Slave gửi tín hiệu 0 (bus ở mức 0), Master sẽ nhận biết rằng Slave vẫn hoạt động và quá trình trao đổi dữ liệu sẽ tiếp tục Ngược lại, nếu Slave gửi tín hiệu 1 (bus ở mức 1), Master sẽ hiểu rằng không còn thiết bị Slave nào kết nối và sẽ dừng quá trình Một ví dụ về thiết bị Slave là cảm biến độ ẩm đất điện dung SEN0193.
Hình 3.49: Cảm biến độ ẩm đất điện dung SEN0193
Cảm biến độ ẩm đất điện dung là một giải pháp tiên tiến với độ bền và tuổi thọ vượt trội so với cảm biến điện trở truyền thống Loại cảm biến này hoạt động hiệu quả trong dải điện áp từ 3.3V đến 5.5V, phù hợp cho hầu hết các vi điều khiển hiện có.
Mạch cảm biến độ ẩm sử dụng mạch tạo xung NE555, với tụ điện trong mạch để tính tần số thông qua hai bản cực thiết kế trên hai mặt PCB Trong môi trường ẩm, hơi nước xung quanh hai bản cực hoạt động như môi trường điện môi, làm tăng hằng số điện môi khi mật độ nước cao hơn, dẫn đến điện dung của mạch tạo tần số tăng và tần số giảm (f = 1/ (R.C)) Tần số này được đưa qua mạch lọc thông thấp, tạo ra mức điện áp tương ứng với giá trị độ ẩm đất tại chân AOUT.
Điện áp hoạt động: 3.3 – 5.5 VDC
Hình 3.50: Thuật toán điều khiển
3.5.2 Thiết lập Firebase Để bắt đầu sử dụng Firebase ta truy cập đến trang chủ ở địa chỉ: https://firebase.google.com/ do Firebase là dịch vụ của google nên ta đăng nhập bằng tài khoản Gmail của mình.
Sau đó ta sẽ được chuyển đến giao diện như dưới, chọn và add project.
Hình 3.52: Add project mới Đặt tên cho project và nhấn continue đến step 3
Hình 3.53: Đặt tên cho project Ở đây ta chọn Default Account for Firebase rồi chọn Create project và đợi
Firebase khởi tạo project của chúng ta
Sau khi khởi tạo project xuất hiện giao diện sau:
Hình 3.55: Tạo dự án thành công
Chúng ta có thể thấy một số dịch vụ nổi bật như:
Hosting: cung cấp dịch vụ lưu trữ nhanh và an toàn cho ứng dụng web, nội dung tĩnh và động cũng như các dịch vụ vi mô của bạn.
