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, 09/2021 i ii iii iv LỜI CAM ĐOAN Chúng xin cam đoan đồ án tốt nghiệp “THIẾT KẾ HỆ THỐNG VƯỜN RAU THÔNG MINH SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI” cơng trình nghiên cứu thành viên nhóm Những nội dung, hình ảnh phục vụ cho việc thực đồ án từ nguồn khác nêu rõ phần tài liệu tham khảo Các số liệu, kết trình bày đồ án hoàn toàn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác, phát có gian lận chúng tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm nội dung đồ án Tp Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 08 năm 2021 Sinh viên thực HUỲNH CÔNG HẬU HUỲNH ANH TUYỀN VŨ TRẦN NHẤT THỐNG LỜI CẢM ƠN Trên thực tế khơng có thành công mà không gắn liền với hỗ trợ, giúp đỡ dù hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp Trong suốt thời gian từ bắt đầu làm đồ án đến nay, chúng em nhận nhiều quan tâm giúp đỡ q thầy bạn bè Với lịng biết ơn sâu sắc nhất, chúng em xin gửi đến quý thầy cô Viện Kỹ thuật HUTECH – Trường Đại học Công Nghệ TP.HCM với tri thức tâm huyết để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em suốt thời gian làm đồ án vừa qua Và đặc biệt, chúng em xin chân thành cảm ơn Thầy PGS.TS Nguyễn Hùng tận tâm hướng dẫn, giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án Nếu khơng có lời hướng dẫn dạy bảo thầy chúng em nghĩ khó đề hồn thành đồ án hạn Do kiến thức chúng em hạn chế gặp số khó khăn định lúc thực đồ án nên khơng tránh khỏi thiếu sót, chúng em mong nhận ý kiến đóng góp quý báu quý thầy cô bạn học lớp để kiến thức chúng em hoàn thiện MỤC LỤC Phiếu đăng ký tên đề tài ĐATN Phiếu giao nhiệm vụ LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH LỜI MỞ ĐẦU 13 Chương 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 14 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 14 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 14 1.3 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 15 1.4 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU 15 1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 16 1.6 PHẠM VI NGHIÊN CỨU .16 1.7 Ý NGHĨA ĐỀ TÀI 16 1.8 KẾT CẤU CỦA ĐỒ ÁN .17 Chương 2: TỔNG QUAN GIẢI PHÁP 18 2.1 NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 18 2.1.1 Tổng quan 18 2.1.2 Bản đồ xạ mặt trời Việt Nam 18 2.2 HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 19 2.2.1 Tổng quan 19 2.2.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động hệ thống 21 2.2.3 Ứng dụng hệ thống điện lượng mặt trời 22 2.3 TỔNG QUAN VỀ INVERTER 23 2.3.1 Inverter gì? 23 2.3.2 Cấu tạo Inverter 24 2.3.3 Phân Loại Inverter lượng Mặt Trời 24 2.3.4 Ảnh hưởng dạng sóng khơng sin tới thiết bị tiêu thụ điện 26 2.4 HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 27 2.4.1 Pin lượng mặt trời gì? 27 2.4.2 Cấu tạo pin lượng mặt trời 28 2.4.3 Nguyên lý hoạt động pin lượng mặt trời 32 2.4.4 Phân loại pin lượng mặt trời 36 2.5 BỘ ĐIỀU KHIỂN SẠC CHO PIN MẶT TRỜI 38 2.5.1 Giới thiệu điều khiển sạc 38 2.5.2 Phân loại điều khiển sạc 39 2.6 BỘ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG (ẮC-QUY) 42 2.6.1 Tổng quan 42 2.6.2 Phân loại Ắc quy 42 2.6.3 Cấu tạo 43 2.6.4 Nguyên lý hoạt động 44 2.7 BỘ CHUYỂN NGUỒN TỰ ĐỘNG ATS 45 2.8 CÔNG NGHỆ IOT .45 2.8.1 IOT gì? 45 2.8.2 Cấu trúc 46 2.8.3 Các đặc trưng 47 2.8.4 Ưu nhược điểm 47 2.8.5 Vai trò ứng dụng 47 2.9 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH TRỒNG RAU .48 2.10 TỔNG QUAN PHẦN CỨNG 49 2.10.1 Module Wifi ESP8266 49 2.10.2 Module đo công suất AC PZEM-004T 51 2.10.3 DHT11 54 2.10.4 Cảm biến độ ẩm đất 56 2.10.5 Module Relay 59 2.10.6 Động DC bơm nước P385 60 2.11 CHUẨN GIAO TIẾP UART 61 Chương 3: PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT 62 3.1 GIẢI PHÁP THỰC HIỆN .62 3.1.1 Giải pháp cho hệ thống điện lượng mặt trời 62 3.1.2 Giải pháp cho hệ thống vườn rau thông minh 66 3.2 PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ .67 3.3 GIỚI HẠN NỘI DUNG 67 Chương 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 68 4.1 SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG 68 4.1.1 Sơ đồ khối hệ thống điện lượng mặt trời 68 4.1.2 Sơ đồ khối hệ thống vườn rau 69 4.2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 70 4.2.1 Tính toán thiết kế hệ thống điện 70 4.2.2 Thiết kế mạch đo điện 73 4.2.3 Thiết kế tủ điện 75 4.3 THIẾT KẾ VƯỜN RAU .77 4.3.1 Thiết kế mơ hình 77 4.3.2 Thiết kế hệ thống vườn rau 79 4.4 DANH SÁCH THIẾT BỊ SỬ DỤNG .80 4.5 CHỐNG SÉT CHO HỆ THỐNG .81 4.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 82 Chương 5: THI CƠNG MƠ HÌNH 83 5.1 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT 83 5.1.1 Lưu đồ giám sát sản lượng điện 83 5.1.2 Lưu đồ giám sát điều khiển vườn rau 84 5.2 LẬP TRÌNH VI ĐIỀU KHIỂN .85 - Bước 3: Chỉnh thông số độ ẩm HUMID Hình 5.10: Chỉnh thơng số nhiệt độ, độ ẩm - Bước 4: Điều chỉnh thông số cảm biến độ ẩm đất SOIL Hình 5.11: Tạo thơng số độ ẩm đất 92 - Bước 5: Thêm nút nhấn điều khiển Hình 5.12: Nút nhấn điều khiển đặt thời gian bơm - Bước 6: Thêm đồ thị hiển thị thơng tin lưu trữ Hình 5.13: Đồ thị thơng tin lưu trữ 93 - Bước 7: Lấy token Hình 5.14: Lấy token qua E-Mail để cấu hình cho ESP8266 - Kết sau điều chỉnh: Hình 5.15: Giao diện sau điều chỉnh 94 - Thế xác định cấu hình điện thoại với ESP8266, cịn nhiều nhược điểm cần khắc phục tình trạng delay, trễ nhiều ấn nút điều khiển, phản hồi chậm với chế độ điều khiển tay - Tuy nhiên sử dụng mức đáp ứng với nhu cầu nghiên cứu tìm hiểu ứng dụng nhà 5.3.2 Giám sát thông số - Giám sát thông số đo từ điện Mặt Trời hòa lưới:  Giao diện Home cho thấy trạng thái bán mua vào hệ thống điện Mặt Trời, công suất Solar, công suất tải hiển thị thơng số khác Hình 5.16: Hiển thị thông số giao diện Home app Blynk 95  Giao diện Pin Solar, tải tiêu thụ hiển thị điện áp, dịng, cơng suất mạch đo Hình 5.17: Giao diện Pin Solar Tải tiêu thụ app Blynk  Giao diện thống kê hiển thị sản lượng đo đạc từ pin Mặt Trời Hình 5.18: Giao diện Thống kê app Blynk 96  Giao diện Cài đặt báo lỗi, thời gian hoạt động reset Hình 5.19: Giao diện Cài đặt app Blynk 5.4 Kết mơ 5.4.1 Mơ hình mơ kiến trúc - Mơ hình mơ phần mềm AutoCAD 2019, phiên 3D Mô đèn (màu hồng), đầu phun nước (màu xanh), pin mặt trời đặt mái hệ thống ống, dây dẫn Hình 5.20: Tổng quan mơ hình mơ kiến trúc mơ hình mái 97 5.4.2 Kết mơ hệ thống điện mặt trời Hình 5.21: Hệ thống điện mặt trời mô Proteus - Hệ thống điện lượng mặt trời hịa lưới có lưu trữ mô phần mềm Proteus hình 5.21 - Hệ thống bao gồm pin lượng mặt trời, inverter chuyển đổi từ 48V sang nguồn 220V, điều khiển sạc, ắc quy, ESP8266, PZEM004T, tải vườn rau - Ở ta sử dụng đồng hồ đo AC Ammeter, AC Voltmeter, Wattmeter để đo thơng số cơng suất (kW), dịng điện (V), điện áp (A) sau inverter, trước tải tiêu thụ từ điện lưới vào thay cho app Blynk kết nối wifi - Dùng Lamp để giả lập tín hiệu điện lưới vào tải tiêu thụ, Motor DC để giả lập tín hiệu động bơm 98 - Ta khởi chạy thử mơ đo thơng số sau: Hình 5.22: Các thơng số đo Hình 5.23: Hệ thống sau chạy thử mô Proteus 99 5.4.3 Kết mô hệ thống vườn rau Hình 5.24: Hệ thống vườn rau mơ Proteus - Hệ thống vườn rau mô Proteus hình 5.24 - Hệ thống bao gồm thiết bị như: Màn hình LCD hiển thị thông số mô thay cho app Blynk, cảm biến độ ẩm đất, DHT11, ESP8266, module relay, motor bơm, đèn led Hình 5.25: Hệ thống chạy mơ Proteus - Các thông số nhiệt độ, độ ẩm khơng khí, độ ẩm đất hiển thị lên hình LCD 100 - Thơng số nhiệt độ set mức 30oC, nhiệt độ môi trường đo từ cảm biến cao mức set 30oC bơm phun sương để giảm nhiệt độ (làm mát) vườn rau lên mức chạy, nhiệt độ thấp mức set bơm mức khơng hoạt động Ngồi ta điều khiển bật tắt bơm tay Hình 5.26: Giá trị nhiệt độ độ ẩm môi trường đo 101 - Thông số độ ẩm đất ta set mức 50%, độ ẩm đất thấp mức set 50% bơm lên mức chạy, cịn độ ẩm lớn bơm mức khơng chạy Ngồi ta điều khiển bật tắt bơm tay Hình 5.27: Giá trị độ ẩm đất đo 5.5 Đánh giá kết - Sau q trình thiết kế, thi cơng mô vận hành thử mô hệ thống nhóm có đánh giá sau đây:  Hệ thống hoạt động đạt mục tiêu đề ban đầu ổn định Mơ hình mơ có tính thẩm mỹ, thể rõ cách thức hoạt động, điều khiển thiết bị  Với kiến thức cịn hạn chế nên mơ hình mơ cịn nhiều thiếu sót chưa mơ hết tính đề ban đầu đề tài  Mơ hình mơ chưa cho người xem thấy rõ hết hoạt động hệ thống thực tế 102 Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 6.1 Kết luận - Qua trình nghiên cứu thực đề tài đồ án tốt nghiệp, chúng em nhận thấy đề tài có khả ứng dụng vào thực tiễn cao, đáp ứng nhu cầu sống ngày xu hướng thời đại - Đồng thời chúng em thực xây dựng mơ hình hồn chỉnh để cho mơ hình chạy cách tối ưu cịn có vài điểm hạn chế như:  Hệ thống phụ thuộc nhiều vào điều kiện tốc độ Internet tốc độ xử lý thiết bị  Hệ thống chưa xây dựng hết tính tốt cho vườn rau thơng qua Smartphone - Bên cạnh đó, chúng em học thêm kiến thức có thêm nhiều kinh nghiệm liên quan đến ngành Kĩ thuật điện – điện tử nói chung đồ án tốt nghiệp nói riêng, học được:  Cách dựng mơ hình 3D phần mềm AutoCAD  Cách vẽ lưu đồ giải thuật trang web Draw.io  Cách thiết kế mặt cho vườn rau  Cách lắp đặt hệ thống lượng mặt trời  Cách lập trình ESP8266 Arduino IDE  Cách Thiết kế giao diện giám sát, điều khiển app Blynk  Cách mô hệ thống phần mềm Proteus 103 6.2 Kiến nghị - Do mơ hình mơ linh kiện chúng em chọn lựa để phù hợp cho việc học tập nên độ xác khơng cao linh kiện công nghiệp - Việc áp dụng công nghệ đại vào ngành trồng trọt giúp gia tăng suất chất lượng sản phẩm - Cần phải liên tục cải tiến, phát triển tối ưu công nghệ cho nông nghiệp để phát triển nông nghiệp Việt Nam 6.3 Hướng phát triển - Hệ thống tiếp tục phát triển, cải tiến mơ hình vườn rau thơng minh sử dụng lượng mặt trời cách bổ sung số tính tiện ích áp dụng sống như: -  Sử dụng cánh tay robot để gieo hạt, thu hoạch  Gợi ý điều kiện chăm sóc phù hợp cho loại khác Hệ thống mở rộng sử dụng quy mơ cơng nghiệp, diện tích lớn mà qua người dùng theo dõi, giám sát điều khiển hoạt động hệ thống từ xa 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Minh Tuấn, IoT Maker VietNam Internet of Things cho người bắt đầu [2] Tài liệu hệ thống vườn rau https://hocarm.org/he-thong-nong-nghiep-thong-minh-voi-arm-tiva/ https://tamsach.com/aquaponics-192/he-thong-trong-rau-thong-minh.html [3] Tài liệu hệ thống vườn rau thông minh sử dụng ESP8266 https://ohtech.vn/he-thong-nong-nghiep-thong-minh-phien-ban-esp8266/ [4] Các nguồn lượng https://moitruong.com.vn/phat-trien-ben-vung/tiet-kiem-nang-luong/6-nguon-nangluong-sach-tai-viet-nam-21108.htm [5] Bản đồ xạ lượng mặt trời Việt Nam http://www.homevietsolar.vn/tin-tuc/ban-do-buc-xa-nang-luong-mat-troi-tai-vietnam.html [6] Tài liệu loại hệ thống điện mặt trời https://ctpsolar.com/so-sanh-cac-he-thong-dien-nang-luong-mat-troi-hien-nay/ [7] Tài liệu hệ thống điện mặt trời hòa lưới có lưu trữ https://lesmart.vn/he-thong-dien-nang-luong-mat-troi-hoa-luoi-co-du-tru-hybrid [8] Tài liệu so sánh pin mặt trời http://kingteksolar.com.vn/tin-tuc/so-sanh-tam-pin-dien-nang-luong-mat-troi-monova-poly.html [9] Tài liệu điều khiển sạc lượng mặt trời https://smarthomeplus.vn/products/bo-dieu-khien-sac-nang-luong-mat-troi-pwm-1224v-30a-fsc1 https://givasolar.com.vn/bo-dieu-khien-sac-nang-luong-mat-troi-mppt-va-pwm/ [10] Tài liệu ắc quy http://eni-florence.com/chuc-nang-va-nguyen-ly-hoat-dong-cua-binh-ac-quy 105 [11] Tài liệu ATS https://thietbidienthanhtam.com/san-pham/bo-chuyen-doi-hai-nguon-dien-tu-dongats-2p-63a-sp796658.html [12] Tài liệu tính tốn điện mặt trời https://gpsolar.vn/tinh-toan-cong-suat-dien-mat-troi.html [13] Cấu tạo nguyên lý hoạt động pin lượng mặt trời https://datsolar.com/cau-tao-va-nguyen-ly-lam-viec-pin-nang-luong-mat-troi/ [14] Tài liệu so sánh pin lượng mặt trời http://kingteksolar.com.vn/tin-tuc/so-sanh-tam-pin-dien-nang-luong-mat-troi-monova-poly.html [15] Giải pháp ứng dụng điện mặt trời với nông nghiệp https://givasolar.com/giai-phap-ung-dung-dien-mat-troi-ket-hop-voi-nong-nghiep/ [16] Tài liệu chống sét http://trungtamcodien.net/he-thong-chong-set-phan-1.html [17] Các dạng sóng điện https://www.ntechgroup.vn/co-the-ban-chua-biet-dang-song-dien-dau-ra-cua-upslien-quan-rat-nhieu-den-thiet-bi-cua-ban-p16c40 [18] Tài liệu ESP8266 https://imaker.vn/arduino-nodemcu-lua-wifi-v3-ch340 [19] Tài liệu PZEM-004T https://ahtlab.com/san-pham/mach-do-cong-suat-ac-pzem-004t/ [20] Tài liệu DHT11 https://vidieukhien.xyz/2018/04/01/esp8266-doc-nhiet-do-do-am-tu-cam-biendht11-bai-5/ [21] Tài liệu cảm biến độ ẩm đất https://icdayroi.com/cam-bien-do-am-dat 106