GIỚI THIỆU TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY
Trong bối cảnh xã hội phát triển nhanh chóng, con người ngày càng ít thời gian cho các hoạt động ngoài trời như trồng cây và tưới rau Sự tiến bộ trong các ngành kỹ thuật điện, điện tử và tự động hóa đã đóng góp quan trọng cho nông nghiệp và đời sống Với khí hậu nhiệt đới gió mùa, Việt Nam có điều kiện lý tưởng cho việc trồng cây ăn quả và rau hữu cơ, đặc biệt là ở các khu vực nhà cao tầng Xu hướng trồng rau trên ban công và sân thượng ngày càng được ưa chuộng, nhưng phương pháp thủ công khó mang lại hiệu quả cao do thiếu thời gian và nhiều yếu tố tác động như thời tiết và sâu bệnh Đối với những ngôi nhà có diện tích hạn chế, việc áp dụng công nghệ nhà kính sẽ giúp tiết kiệm công sức, tự động hóa và nâng cao độ chính xác trong việc giám sát và điều khiển môi trường trồng trọt.
Hiện nay, một số đề tài nổi bật trong lĩnh vực nông nghiệp công nghệ cao bao gồm hệ thống IoTs chăm sóc vườn cây ăn quả sử dụng năng lượng mặt trời, hệ thống IoTs ứng dụng Gateway cho nông nghiệp, hệ thống tưới cây tự động và mô hình nông nghiệp 4.0.
Dựa trên đánh giá thực tế và nhu cầu ngày càng cao về việc trồng cây trong các khu vực nhà ở, chúng tôi đề xuất nghiên cứu "Hệ thống chăm sóc cây trồng" nhằm nâng cao hiệu quả và năng suất cây trồng, đồng thời giảm thiểu công sức chăm sóc cho người sử dụng.
TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Về tính cấp thiết của đề tài, hướng mới và điểm nhấn của đề tài chúng tôi là hệ thống tưới cây và hệ thống máy vòm:
- Khi nhiệt độ môi trường cao hơn chế độ cài đặt và độ ẩm đất thấp so với thông số cài thì hệ thống tưới sẽ bật
- Trời nắng quá, độ ẩm khô quá, duy trì ngưỡng ẩm, nóng bằng cách phun sương
- Hiển thị các thông số cường độ sáng, nhiệt độ, độ ẩm, độ ẩm đất trên màn hình OLED
Hệ thống máy vòm tự động điều chỉnh theo thời tiết: khi trời mưa và độ ẩm đất vượt mức cài đặt, máy vòm sẽ tự động đóng lại Ngoài ra, khi độ sáng vượt quá ngưỡng cài đặt, máy vòm cũng sẽ đóng lại để bảo vệ cây trồng.
MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Tìm hiểu về cách thức sinh trưởng phù hợp các loại rau, củ, đất, phù hợp trồng ở khuôn viên ban công, sân thượng
Tìm hiểu về cơ sở lý thuyết về thiết kế và thi công cách trồng một khay trồng rau, vườn rau ở ban công, sân thượng
Thiết kế được hệ thống chăm sóc cây trồng tại nhà
Thiết kế được hệ thống tự động chăm sóc cho cây trồng thông qua giám sát các thông số nhiệt độ, độ ẩm, cường độ ánh sáng, lượng mưa
Thiết kế quản lý hệ thống tưới nước phun sương, che mưa máy vòm qua app Blynk, giám sát, điều khiển thiết bị qua mạng Internet
Hoàn thành hoàn chỉnh được mô hình khay trồng rau
Nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng sản phẩm có khả năng hữu ích trong việc giảm thiểu công sức chăm sóc cây trồng và đạt độ chính xác trên 60%.
NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu lý thuyết về module vi điều khiển ESP32 và các cảm biến như nhiệt độ, độ ẩm, độ ẩm đất, cường độ sáng, và mưa Bên cạnh đó, tìm hiểu về module relay, máy bơm 12V, động cơ DC, module màn hình OLED và module điều khiển động cơ L298N.
Nghiên cứu về hệ thống phun sương tự động, điều khiển lưu lượng dòng nước sao cho phù hợp với nhiệt độ, độ ẩm môi trường
Nghiên cứu phần cứng lắp đặt hệ thống máy vòm thông minh khi trời nắng gắt hoặc mưa
Nghiên cứu về giao diện app điều khiển thiết bị Blynk
Nghiên cứu, rèn luyện các kỹ thuật lắp ráp điện tử cơ bản, kiểm tra, thiết kế, mô phỏng
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Module ESP32 hỗ trợ kết nối Wifi và Bluetooth, cùng với các cảm biến như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, độ ẩm đất, cảm biến mưa và ánh sáng Hệ thống còn bao gồm động cơ DC giảm tốc 12V, module điều khiển động cơ DC L298N, module relay, màn hình OLED và máy bơm nước 12V, tạo nên một giải pháp hoàn chỉnh cho các ứng dụng IoT.
Kết nối các module và cảm biến với module thu phát Wifi, Bluetooth ESP32 để hoàn thành mạch Hệ thống chăm sóc cây trồng tại nhà
Nghiên cứu các hệ thống thực tế có sẵn trên thị trường Mục đích để tăng thêm độ ứng dụng cao cho sản phẩm
Nghiên cứu các lý thuyết về ngôn ngữ lập trình của module thu phát Wifi, Bluetooth ESP32, ứng dụng Arduino IDE, app Blynk.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu được thực hiện dựa trên các hệ thống trồng cây trong mô hình nhà kính thực tế, kết hợp tham khảo từ các đề tài của các khóa học trước, cùng với tài liệu, sách vở và video trên mạng, bao gồm cả Youtube.
BỐ CỤC ĐỒ ÁN
Chương 1: Tổng quan: Nêu ra các tổng quan về nhiệm vụ, đối tượng nghiên cứu, mục tiêu, phương pháp cũng như tính cấp thiết
Chương 2: Cơ sở lý thuyết: Trình bày, giới thiệu các linh kiện phần cứng có trong hệ thống Giới thiệu các chuẩn truyền thông, board, giao tiếp Wifi và các công nghệ liên quan, giới thiệu chương trình lập trình, app quản lý
Chương 3: Thiết kế hệ thống: Trình bày sơ đồ khối, chức năng các khối, nguyên lý hoạt động chung, sơ đồ nguyên lý Nêu các phương pháp xử lý dữ liệu, phương án thiết kế, tính toán cho từng khối rồi từ đó thi công mô hình
Chương 4: Thi công hệ thống: Trình bày các công việc như thi công bo mạch, mô hình Trình bày các lưu đồ giải thuật và giải thích
Chương 5: Kết quả - nhận xét - đánh giá: Trình bày về kết quả của từng khối nhỏ và kết quả thực tế của hệ thống qua hình ảnh, rút ra nhận xét và đánh giá
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển: Kết luận về hệ thống và hướng phát triển cần cải thiện thêm
GIỚI THIỆU VỀ MÔ HÌNH TRỒNG RAU TRÊN BAN CÔNG, SÂN THƯỢNG NGOÀI THỰC TẾ
Nhu cầu trồng rau hữu cơ sạch tại nhà đang ngày càng tăng cao trong các hộ gia đình hiện đại Tuy nhiên, việc chăm sóc và tưới tiêu rau củ tốn nhiều thời gian, đặc biệt khi thời tiết có nhiều biến đổi Do chưa áp dụng nhiều tiến bộ khoa học kỹ thuật, nhiều người chỉ chú trọng vào việc trồng cây, tưới nước, bón phân và thu hoạch theo mùa vụ Dưới đây là một số mô hình trồng rau tại ban công hiệu quả.
Hình 2 1 Trồng rau sạch ở ban công
Để bắt đầu trồng rau, việc lựa chọn không gian là rất quan trọng Nếu gia đình quyết định trồng các loại rau ra hoa như cà chua, đậu đũa hay dưa leo, nên ưu tiên chọn những vị trí có nhiều ánh nắng, chẳng hạn như ban công.
Hình 2 2 Trồng cà chua tại ban công
Nếu muốn trồng những cây cần ít ánh sáng mặt trời hơn như rau thơm, xà lách thì chọn bệ cửa sổ,…
Để đảm bảo cây trồng phát triển tốt, không nên sử dụng đất vườn thông thường vì chúng có thể bị nén chặt trong chậu, gây thiếu không khí và cản trở nước thấm xuống Thay vào đó, cần lựa chọn đất tơi xốp, giàu dinh dưỡng, và bổ sung thêm phân hữu cơ Việc trộn đất với mùn dừa và vỏ trấu sẽ giúp tăng cường hàm lượng dinh dưỡng cho đất, tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của cây.
Khi chọn chậu trồng cây, bạn nên lựa chọn loại chậu phù hợp với nhu cầu sử dụng Trên thị trường hiện có nhiều chất liệu chậu phổ biến như sứ, nhựa và gốm Quan trọng là chậu cần có lỗ thoát nước để đảm bảo cây không bị ngập úng, đồng thời phải có độ bền cao và dễ dàng di chuyển.
Thùng xốp có thể được sử dụng hiệu quả để trồng rau, bằng cách khoét từ 6 đến 8 lỗ với kích thước vừa phải cho mỗi thùng Ngoài ra, vỏ chai cũng là một lựa chọn tuyệt vời; bạn có thể khoét lỗ xung quanh để tạo không gian cho rau phát triển.
Hình 2 3 Trồng rau trong thùng xốp, chai nhựa
Những loại rau nên trồng ở ban công:
Rau ăn lá như rau cải, rau muống và rau diếp cá, cùng với các loại rau gia vị như bạc hà, kinh giới và quế, rất dễ trồng trong chậu Chúng có thời gian thu hoạch nhanh và ít bị sâu bệnh, làm cho việc canh tác trở nên thuận lợi và hiệu quả.
Hình 2 4 Các loại rau ăn lá trồng ở ban công
- Các loại cây cho quả nhanh và không chiếm nhiều diện tích: đậu đũa, cà chua bi, ớt, cà tím,
Hình 2 5 Chậu trồng cây treo ở ban công
- Những căn hộ có ban công diện tích hẹp thì nên dùng chậu treo ban công bằng thép.
GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN
Linh kiện đầu vào: Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11, độ ẩm đất, mưa, cường độ ánh sáng, nguồn adapter 12V-2A
- Các động cơ: Bơm nước 12V, động cơ DC 12V
- Các module điều khiển: module relay, module điều khiển động cơ DC L298N, module công tắc hành trình
- Module hiển thị: màn hình OLED
Module điều khiển trung tâm: module Wifi, Buletooth ESP32
Các module và linh kiện sử dụng các chuẩn truyền dữ liệu như I2C, WiFi, USB và ONE-WIRE Để điều khiển thiết bị, người dùng có thể sử dụng điện thoại Android, laptop cùng với ứng dụng lập trình Arduino IDE và app Blynk.
CÁC LINH KIỆN CẢM BIẾN ĐẦU VÀO
2.3.1 Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11
Cảm biến DHT11 là một trong những cảm biến nhiệt độ và độ ẩm phổ biến trên thị trường nhờ vào giá thành phải chăng và khả năng truyền dữ liệu qua giao tiếp I2C Với bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp, DHT11 cung cấp dữ liệu chính xác, đáp ứng tốt nhu cầu sử dụng.
Hình 2 6 Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11
Hình 2 7 Sơ đồ chân cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11 Bảng 2 1 Thông số kỹ thuật cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11 Điện áp đầu vào 3 → 5 VDC
Dòng vào 2.5 mA max (khi truyền sữ liệu) Độ ẩm đo khoảng 20 % - 90 % (sai số 5 %RH)
Nhiệt độ đo khoảng 0 - 50 % (sai số 2 °C)
Tần số lấy mẫu max 1 Hz (1 giây / lần)
Kích thước 15 mm x 12 mm x 5.5 mm Ứng dụng: Đo nhiệt độ, độ ẩm, các trạm thời tiết cục bộ, kiểm soát khí hậu tự động, giám sát môi trường
2.3.2 Cảm biến độ ẩm đất
Cảm biến độ ẩm đất với thiết kế chân chống ăn mòn mang lại độ bền và ổn định vượt trội so với các loại đầu dò hiện có Thiết bị này đo độ ẩm của đất và cung cấp hai giá trị đầu ra là Analog và Digital thông qua các chân A0 và D0.
Hình 2 8 Cảm biến độ ẩm đất đầu dò chống ăn mòn Bảng 2 2 Sơ đồ chân cảm biến độ ẩm đất
D0 Đầu ra cho tín hiệu Digital
A0 Đầu ra cho tín hiệu Analog
Bảng 2 3 Thông số kỹ thuật cảm biến độ ẩm đất Điện áp đầu vào 3.3 → 12 VDC Đầu dò Chống ăn mòn, độ bền, ổn định cao
Tín hiệu ra Analog: theo nguồn điện áp tương ứng
Tín hiệu ra Digital: High hoặc Low
Chiều dài dây 1 m Ứng dụng: Hệ thống tưới cây tự động, vườn thông minh ứng dụng IoTs
Cảm biến nước mưa được thiết kế với một lá chắn để phát hiện sự xuất hiện của mưa hoặc nước trên bề mặt Nó bao gồm một module chuyển đổi tín hiệu kết nối với vi điều khiển và đèn LED để báo hiệu trạng thái trên lá chắn Cảm biến này cung cấp hai loại tín hiệu đầu ra: tín hiệu Analog tại chân A0 và tín hiệu Digital tại chân D0.
Hình 2 10 Sơ đồ chân cảm biến mưa Bảng 2 4 Thông số kỹ thuật cảm biến mưa Điện áp đầu vào 3 → 5 VDC
Tín hiệu ra DO: dùng điều khiển Relay, Buzzer
Tín hiệu ra AO: Analog
LED Báo hiệu có mưa, nước trên bề mặt lá chắn
Chiết áp Điều chỉnh độ nhạy
Kích thước module chuyển đổi 3.2 cm x 1.4 cm
Lá chắn Dùng FR-04 2 bề mặt, phủ nike, chống oxi hóa
Kích thước lá chắn 5 cm x 4.0 cm Ứng dụng: báo hiệu mưa, mực nước tự động,
2.3.4 Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750FVI
Cảm biến cường độ sáng BH1750FVI là mạch tích hợp cảm biến cường độ ánh sáng kỹ thuật số cho giao diện bus nối tiếp hai dây
Hình 2 11 Cảm biến cường độ sáng BH1750FVI Bảng 2 5 Sơ đồ chân cảm biến cường độ sáng BH1750FVI
VCC Cấp nguồn cho cảm biến (3.3V)
SDA Giao tiếp tích hợp liên kết I2C
SCL Giao tiếp tích hợp liên kết I2C
Bảng 2 6 Thông số kỹ thuật cảm biến cường độ sáng BH1750FVI Đường kính ngoài 26 mm Đường kính cạnh lớn 28,5 mm
Cao 26 mm Điện áp hoạt động 5 VDC
Giá trị ánh sáng đầu vào 1 - 65535 lx Độ nhảy đỉnh bước sóng 560 nm
Phụ thuộc ánh sáng yếu Sợi đốt, huỳnh quang, halogen, đèn LED trắng, Ứng dụng: điện thoại di động, TV LCD và máy ảnh kỹ thuật số
Hình 2 12 Nguồn Adapter 12V-2A Bảng 2 7 Thông số kỹ thuật nguồn Adapter 12V-2A Điện áp đầu vào 220 V Điện áp đầu ra 12 V
Màu sắc đen của đèn LED nguồn giúp chuyển đổi điện áp từ 220V xuống 12V, cung cấp nguồn cho các linh kiện điện tử Thiết bị này có thể cấp nguồn trực tiếp cho vi điều khiển và các thiết bị điện tử khác, bao gồm router và wifi.
CÁC LINH KIỆN ĐẦU RA
Relay là một thiết bị chuyển mạch hoạt động bằng điện, trong đó dòng điện chạy qua cuộn dây tạo ra từ trường hút lõi sắt non, dẫn đến việc thay đổi trạng thái công tắc Dòng điện này có khả năng bật hoặc tắt, cho phép relay chuyển đổi giữa hai vị trí khác nhau.
Relay là thiết bị quan trọng trong các bo mạch điều khiển tự động, được sử dụng để đóng cắt dòng điện lớn mà hệ thống điều khiển không thể can thiệp trực tiếp Với nhiều loại hình dáng, kích thước và chân cắm khác nhau, relay đóng vai trò thiết yếu trong việc quản lý và điều khiển dòng điện cao.
Relay có 2 trạng thái ON/OFF Relay hoạt động ở trạng thái ON hay OFF tùy vào có dòng điện qua relay không
Bảng 2 8 Sơ đồ chân và thông số kỹ thuật module relay
1 DC+ Kết nối với điện áp cung cấp dương (cấp nguồn theo điện áp relay)
2 DC- Kết nối với mặt đất cung cấp
3 IN Đầu cuối kích hoạt tín hiệu 1 của module relay
4 NO Chân thường mở Khi relay ở trạng thái ON, chân COM sẽ nối với chân
5 NC Chân thường đóng Khi relay ở trạng thái OFF, chân COM sẽ nối với chân NC
6 COM Chân chung: nơi kết nối đường cấp nguồn chờ, được kết nối với 1 trong
2 chân còn lại Việc kết nối chung phụ thuộc vào trạng thái hoạt động của relay
- Chia tín hiệu đến các bộ phận trong hệ thống mạch điều khiển
Các thiết bị tự động hóa được sử dụng phổ biến trong sinh hoạt và các ngành công nghiệp nhờ vào khả năng giám sát hệ thống an toàn Chúng có chức năng ngắt điện cho máy móc, đảm bảo an toàn cho người lao động và thiết bị.
2.4.2 Module điều khiển động cơ DC L298N
Module điều khiển động cơ DC L298 dùng điều khiển 2 động cơ DC hoặc 1 động cơ bước Dùng tản nhiệt làm mát IC để điều khiển dòng 2A
Hình 2 14 Module điều khiển động cơ DC L298N
Hình 2 15 Sơ đồ chân module điều khiển động cơ DC L298N
Bảng 2 9 Sơ đồ chân module điều khiển động cơ DC L298N
OUT1 Động cơ DC A cực +
OUT2 Động cơ DC A cực -
OUT3 Động cơ DC B cực +
OUT4 Động cơ DC B cực -
+12V Chân +12V là kết nối nguồn điện
+5V Cung cấp 5V nếu tháo jumper Hoạt động như một đầu ra 5V nếu có nút nhảy
Jumper Jumper tại chỗ sử dụng nguồn điện của động cơ để cấp nguồn cho chip Đã loại bỏ jumper, cần cung cấp 5V cho cực +5V Nếu nguồn cung cấp vượt quá 12V, nên tháo jumper để đảm bảo an toàn cho thiết bị.
IN1 Đầu vào 1 cho Động cơ A
IN2 Đầu vào 2 cho Động cơ A
IN3 Đầu vào 1 cho Động cơ B
IN4 Đầu vào 2 cho Động cơ B
EN1 Kích hoạt chân cho Động cơ A
EN2 Kích hoạt chân cho Động cơ B
Bảng 2 10 Thông số kĩ thuật module điều khiển động cơ DC L298N
Chip chính L298N Điện áp đầu vào 5 VDC
Dòng điều khiển 2 A (MAX 1 cầu H duy nhất)
Nhiệt độ bảo quản -20 ℃ đến +135 ℃
16 Ứng dụng: động cơ DC, điều khiển động cơ DC từ vi điều khiển, động cơ bước, rơ le, robot,
2.4.3 Động cơ DC Động Cơ DC giảm tốc JGB37-520 12V quay với tốc độ cao sử dụng rộng rãi ở nhiều lĩnh vực điện tử công suất, điện tử ứng dụng, các mô hình sản phẩm Tác dụng chuyển điện năng thành cơ năng Động cơ có bộ giảm tốc, tăng lực kéo, tích hợp hộp giảm tốc
Hình 2 16 Động cơ DC 12V Bảng 2 11 Thông số kỹ thuật động cơ DC 12V Điện áp đầu vào 9 → 12 VDC
Tốc độ không tải 960 vòng/phút Điện áp phù hợp 12 - 15V
Trọng lượng 70 g Đường kính trục 5.5 mm
Chiều dài trục 12 mm Đường kính motor 27.7 mm
Chiều dài của động cơ 71 mm Ứng dụng: Máy sấy tóc, đồ chơi robot mô hình, xe mô hình, khoan mini
Máy bơm nước mini 12V DC sử dụng động cơ 365DC- Motor 12V là máy bơm nước loại mini motor DC12V có công suất hoạt động ổn định và tốt
Hình 2 17 Máy bơm nước mini DC 12V Bảng 2 12 Thông số kỹ thuật máy bơm nước mini DC 12V
Model 365 bơm màng micro DC Điện áp đầu vào 12 VDC
Dòng điện khi không có tải 0.23 A
Lưu lượng nước bơm tối đa 2 - 3 lít/phút Áp suất nước tối đa 1 - 2.5 kg
Chiều dài động cơ 32 mm Đường kính động cơ 28 mm
Chiều dài bơm 36 mm Đường kính bơm 40 mm*35mm
Trọng lượng 111 g Ứng dụng: gia dụng, Y tế, chế đồ DIY, bơm nước bình trà, thiết bị bể cá, hệ thống cấp và tuần hoàn nước,
Màn hình OLED 1.3 inch cung cấp hình ảnh, biểu tượng và văn bản sắc nét với chi phí hợp lý Sử dụng giao thức I2C, màn hình đảm bảo đường truyền ổn định và dễ dàng giao tiếp, rất phù hợp cho các ứng dụng tiết kiệm năng lượng và yêu cầu hiển thị sáng.
Hình 2 18 Màn hình OLED Bảng 2 13 Sơ đồ chân màn hình OLED
VCC Cấp nguồn cho màn hình
SDA Giao tiếp tích hợp liên kết I2C
SCL Giao tiếp tích hợp liên kết I2C
Bảng 2 14 Thông số kỹ thuật màn hình OLED 1.3 inch
Driver SSD1306 Ứng dụng Arduino, ESP, STM32,
Tiêu thụ 0.08W (tối đa cho màn hình)
Giao tiếp Giao tiếp I2C (thông qua 2 chân SCL, SDA)
Kích thước screen 0.96 inch (128 x 64 pixel)
Chức năng Dùng điều chỉnh cường độ sáng và độ tương phản Ứng dụng: hiển thị các thông số ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm
2.4.6 Module công tắc hành trình Endstop RAMPS 3D
Công tắc hành trình cho máy in 3D là thiết bị quan trọng giúp xác định các điểm hành trình của trục trong thiết kế máy in Nó dễ dàng thao tác nhờ vào dây cắm và đèn báo kích hoạt, đồng thời có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM
ESP32 là bộ vi điều khiển Hệ thống trên chip (SoC) giá rẻ và tiết kiệm năng lượng, được phát triển bởi Espressif, với tính năng không dây Wi-Fi và Bluetooth cùng bộ xử lý lõi kép Đây là phiên bản nâng cấp của ESP8266, mang lại nhiều tính năng mới và cải tiến.
- Chi phí thấp: điều này giúp mọi người dễ dàng tiếp cận nó
ESP32 nổi bật với công suất thấp, tiêu thụ ít năng lượng hơn so với các bộ vi điều khiển khác Nó còn hỗ trợ các chế độ năng lượng thấp, bao gồm chế độ ngủ sâu, giúp tiết kiệm điện hiệu quả.
ESP32 sở hữu khả năng kết nối Wi-Fi linh hoạt, cho phép nó dễ dàng kết nối với internet qua chế độ trạm hoặc tạo ra mạng Wi-Fi riêng qua chế độ điểm truy cập Điều này rất cần thiết cho các dự án IoT và tự động hóa gia đình, khi nhiều thiết bị có thể giao tiếp và tương tác với nhau thông qua khả năng Wi-Fi của ESP32.
- Bluetooth: ESP32 hỗ trợ Bluetooth cổ điển và Bluetooth Low Energy (BLE), rất hữu ích cho nhiều ứng dụng IoT
- Lõi kép: hầu hết các ESP32 đều là lõi kép, chúng đi kèm với 2 bộ vi xử lý Xtensa 32-bit LX6: lõi 0 và lõi 1
ESP32 cung cấp một giao diện đầu vào và đầu ra ngoại vi đa dạng, cho phép người dùng dễ dàng đọc dữ liệu từ môi trường bên ngoài và gửi lệnh hoặc tín hiệu ra bên ngoài.
20 ngoài) các thiết bị ngoại vi như cảm ứng điện dung , ADC , DAC, UART, SPI , I2C , PWM ,
ESP32 hoàn toàn tương thích với ngôn ngữ lập trình Arduino, điều này mang lại sự tiện lợi cho những lập trình viên đã quen thuộc với việc lập trình bo mạch Arduino.
ESP32 hoàn toàn tương thích với MicroPython, cho phép lập trình viên sử dụng chương trình cơ sở MicroPython, một phiên bản được tối ưu hóa của Python 3 dành cho các bộ vi điều khiển và hệ thống nhúng.
Hình 2 20 Module ESP32, ESP-WROOM-32 [13]
- Kết nối không dây WiFi: Tốc độ dữ liệu 150.0 Mbps với HT40
• Bluetooth: BLE (Bluetooth năng lượng thấp) và Bluetooth cổ điển
• Bộ xử lý: Bộ vi xử lý Tensilica Xtensa Dual-Core 32-bit LX6, chạy ở
• RTC fas SRAM : 8 KB (để lưu trữ dữ liệu và CPU chính trong khi Khởi động RTC từ chế độ ngủ sâu)
• RTC SRAM chậm : 8KB (để truy cập bộ đồng xử lý trong chế độ ngủ sâu)
eFuse có dung lượng 1 Kbit, trong đó 256 bit được sử dụng cho hệ thống, bao gồm địa chỉ MAC và cấu hình chip Phần còn lại, 768 bit, được dành cho các ứng dụng của khách hàng, như Flash-Encryption và Chip-ID.
• Đèn flash nhúng : đèn flash được kết nối nội bộ qua IO16, IO17, SD_CMD, SD_CLK, SD_DATA_0 và SD_DATA_1 trên ESP32-D2WD và ESP32-PICO-D4
- Công suất thấp: đảm bảo rằng vẫn có thể sử dụng các chuyển đổi ADC, chẳng hạn như trong khi ngủ sâu
- Đầu vào/Đầu ra ngoại vi:
• Giao diện ngoại vi với DMA bao gồm cảm ứng điện dung
• I2C (Mạch tích hợp liên kết)
• UART (Bộ thu/phát không đồng bộ đa năng)
• SPI (Giao diện ngoại vi nối tiếp)
• I2S (Âm thanh liên mạch tích hợp)
• RMII (Giao diện độc lập với phương tiện giảm)
• PWM (Điều chế độ rộng xung)
- Bảo mật: bộ tăng tốc phần cứng cho AES và SSL/TLS
Thông số kỹ thuật ESP32 DEVKIT V1 DOIT:
Bảng 2 15 Thông số kỹ thuật ESP32 DEVKIT V1 DOIT
Wi-Fi 2,4 GHz lên tới 150 Mbit/s
Bluetooth BLE (Bluetooth Low Energy) và Bluetooth kế thừa
Xung nhịp Lên đến 240 MHz
Số chân 30, 36 hoặc 38 (tùy thuộc vào kiểu loại)
Thiết bị ngoại vi Cảm ứng điện dung, ADC, DAC, I2C (Mạch tích hợp liên kết),
UART, CAN 2.0, SPI, I2S, RMII và PWM là những giao thức truyền thông quan trọng trong hệ thống điện tử hiện đại UART cho phép truyền dữ liệu không đồng bộ, trong khi CAN 2.0 được sử dụng rộng rãi trong mạng vùng điều khiển SPI là giao diện ngoại vi nối tiếp giúp kết nối các thiết bị, còn I2S hỗ trợ truyền âm thanh giữa các IC RMII cung cấp giao diện độc lập với phương tiện, giúp giảm thiểu độ trễ, và PWM được sử dụng để điều chế độ rộng xung, điều chỉnh năng lượng cho các thiết bị điện.
Nút RESET và KHỞI ĐỘNG được tích hợp sẵn, cùng với đèn LED màu xanh kết nối với GPIO2, giúp người dùng dễ dàng theo dõi trạng thái hoạt động Đèn LED màu đỏ cho biết bảng đang được cấp nguồn, đảm bảo rằng thiết bị luôn trong tình trạng sẵn sàng hoạt động.
- Board mạch ESP32 có 36 chân, mỗi bên 18 chân Số lượng GPIO có sẵn tùy thuộc vào kiểu bo mạch
- ESP32 đi kèm với giao diện microUSB, có thể sử dụng để kết nối bảng với máy tính để tải mã lên hoặc cấp nguồn
Chip CP2102 (USB to UART) cho phép giao tiếp với máy tính qua cổng COM bằng giao diện nối tiếp, trong khi chip CH340 cũng rất phổ biến Để máy tính có thể giao tiếp với bo mạch, cần kiểm tra bộ chuyển đổi chip USB sang UART trên bo mạch và cài đặt các trình điều khiển cần thiết.
Nút RESET (có thể được gắn nhãn EN) cho phép khởi động lại bảng, trong khi nút KHỞI ĐỘNG giúp đặt bảng ở chế độ nhấp nháy để nhận mã.
Bài viết đề cập đến bo mạch với đèn LED màu xanh dương tích hợp, kết nối với GPIO 2, hỗ trợ gỡ lỗi và cung cấp đầu ra vật lý trực quan Bên cạnh đó, bo mạch còn có đèn LED màu đỏ, phát sáng khi được cấp nguồn.
Cách sử dụng sơ đồ chân GPIO của ESP32:
Hình 2 21 Tóm tắt sơ đồ chân của ESP-WROOM-32
CÁC CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU
Giao tiếp I2C cho phép kết nối nhiều thiết bị Slave với một thiết bị Master, tương tự như giao thức SPI, và cũng hỗ trợ nhiều thiết bị Master điều khiển một hoặc nhiều thiết bị Slave Giao thức này được ứng dụng rộng rãi trong việc hiển thị văn bản trên màn hình OLED, LCD, cũng như cho phép nhiều vi điều khiển ghi dữ liệu vào một thẻ nhớ duy nhất.
Giống giao tiếp UART, I2C chỉ dùng hai dây để truyền dữ liệu giữa các thiết bị:
- SDA (Serial Data): đường truyền cho Master và Slave để gửi và nhận dữ liệu
- SCL (Serial Clock): đường mang tín hiệu xung nhịp Đối với giao thức truyền thông nối tiếp I2C thì dữ liệu truyền từng bit dọc theo một đường duy nhất
Dữ liệu được truyền qua các tin nhắn, trong đó mỗi tin nhắn được chia thành các khung dữ liệu Mỗi tin nhắn bao gồm một khung địa chỉ chứa địa chỉ nhị phân của Slave và một hoặc nhiều khung dữ liệu chứa thông tin cần truyền.
Chế độ hoạt động: có 3 chế độ truyền dữ liệu trên bus I2C:
Một số thiết bị IC sử dụng I2C: module I2C cho LCD, module thời gian thực Ưu điểm của I2C:
- Hỗ trợ nhiều Master, Slave, dùng 2 dây
- Xác nhận mỗi khung được chuyển thành công nhờ bit ACK / NACK
- Phần cứng không phức tạp bằng UART
- Được biết đến nhiều và sử dụng nhiều trên thị trường
- Truyền dữ liệu với tốc độ thấp hơn SPI
- Khung truyền có kích thước rất nhỏ chỉ 8 bit
- Phần cứng rất phức tạp khi so sánh với SPI
Wifi là hệ thống truy cập internet không dây giống sóng truyền hình, radio và điện thoại
Chuẩn thông dụng nhất hiện nay là Wifi: một công cụ kết nối trên điện thoại, máy tính bảng, laptop,
Hình 2 23 Sơ đồ kết nối chuẩn Wifi Để có thể kết nối Wifi cần có Router:
- Dữ liệu từ mạng Internet được router lấy từ kết nối hữu tuyến truyền tới tín hiệu vô tuyến và truyền đi
- Bộ chuyển tín hiệu không dây trên các thiết bị di động thu nhận tín hiệu này rồi giải mã chúng sang các dữ liệu cần thiết
USB là chuẩn dùng để kết nối đa nhiệm hướng tới truyền dữ liệu và năng lượng giữa các thiết bị với nhau
Tác dụng của chuẩn giao tiếp USB:
- Truyền năng lượng cho thiết bị, linh kiện điện tử
- Trao đổi dữ liệu của thiết bị dùng giao tiếp USB
- Kết nối các thiết bị dùng chuẩn chân cắm
Các chuẩn USB thông dụng hiện nay: Type A, Type B, Type B USB 3.0, Type C, Type Mini-A, Type Micro-A, Type Mini-B, Type Micro-B, Type Micro-B USB 3.0
2.6.4 Chuẩn giao tiếp ONE-WIRE
One-Wire là một hệ thống bus giao tiếp hiệu quả, cho phép truyền dữ liệu và nguồn qua một chân tín hiệu duy nhất Mặc dù có tốc độ truyền dữ liệu thấp hơn so với I2C, One-Wire lại hỗ trợ khoảng cách truyền xa hơn, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các thiết bị nhỏ như nhiệt kế kỹ thuật số và công cụ đo thời tiết.
Hình 2 24 Giao tiếp One-Wire
Hình 2 25 Khung truyền của giao tiếp One Wire
- Khi gửi bit 1: Bus sẽ được thiết bị Master kéo xuống mức 0 về mức 1 từ khoảng thời gian A(às) tới khoảng thời gian B(às)
- Khi gửi bit 0: Bus sẽ được thiết bị Master kéo xuống mức 0 về mức 1 từ khoảng thời gian C(às) tới khoảng thời gian D(às)
Khi thiết bị Master kéo bus xuống mức 1 trong khoảng thời gian A (às), nó sẽ lấy mẫu ở khoảng thời gian E (às) tiếp theo Nếu bus ở mức 1 trong khoảng thời gian E, thiết bị Master sẽ đọc bit 1; ngược lại, nếu bus ở mức 0, Master sẽ đọc bit 0.
Khi thực hiện reset, thiết bị Master sẽ kéo bus xuống mức 1 trong khoảng thời gian H (às), sau đó bus sẽ trở về mức 1 Khoảng thời gian này được gọi là tín hiệu reset Trong khoảng thời gian I (às) tiếp theo, thiết bị Master sẽ tiến hành lấy mẫu.
Khi thiết bị Slave gửi tín hiệu về 0, Master sẽ nhận biết sự hiện diện của Slave, qua đó quá trình trao đổi dữ liệu sẽ được tiếp tục diễn ra.
Khi bus nhận tín hiệu từ thiết bị Slave, Master sẽ xác định rằng không có sự hiện diện của Slave và từ đó dừng quá trình Ứng dụng của tính năng này thường thấy ở các thiết bị và cảm biến không yêu cầu tốc độ cao.
PHẦN MỀM LẬP TRÌNH VÀ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN
2.7.1 Phần mềm lập trình Arduino IDE
Phần mềm Arduino IDE là một công cụ miễn phí và mã nguồn mở, cho phép người dùng cài đặt, lập trình và nâng cấp theo quy định của nhà phát triển.
Phần mềm bảo mật thông tin có vai trò quan trọng trong việc bảo vệ dữ liệu người dùng Khi phát sinh lỗi, nhà phát triển sẽ nhanh chóng sửa chữa và cập nhật để đảm bảo an toàn cho thông tin cá nhân.
Hình 2 26 Phần mềm Arduino IDE 2.7.1.1 Ngôn ngữ lập trình C/C++ hữu ích và dễ tiếp cận
Arduino IDE dùng ngôn ngữ lập trình C/C++ rất tiện dụng, dễ nhận dạng, thuận lợi trong việc lập trình các bo mạch
Hình 2 27 Code C trên Arduino IDE 2.7.1.2 Hỗ trợ lập trình tốt cho bo mạch Arduino, Esp32
Arduino IDE tích hợp một module quản lý bo mạch, cho phép người dùng dễ dàng chọn và thay đổi board mạch qua menu Ngoài ra, Arduino IDE hỗ trợ phát hiện lỗi trong mã lập trình, giúp sửa chữa nhanh chóng, tránh tình trạng bo mạch hoạt động với code lỗi lâu dài, điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý và gây hư hỏng cho bo mạch.
Hình 2 28 Tương thích với module ESP32
2.7.1.3 Thư viện hỗ trợ phong phú
Arduino IDE cung cấp hàng trăm thư viện miễn phí, được cộng đồng người dùng và nhà phát triển chia sẻ rộng rãi Những thư viện này phục vụ cho nhiều nhu cầu, từ công việc đến học tập, giúp người dùng dễ dàng tiếp cận và sử dụng.
Hình 2 29 Thư viện trên Adruino IDE rất đa dạng 2.7.1.4 Giao diện dễ sử dụng, đơn giản
Arduino IDE có giao diện rất dễ dùng, thân thiện, đơn giản Các hình bên dưới trình bày các tính năng nổi bật của phần mềm lập trình:
Check chương trình với nút Verify: kiểm tra code có lỗi hay không để truyền tới bo mạch
Hình 2 30 Nhấn Verify trên Adruino IDE để kiểm tra code
Tải đoạn code vào bo mạch với nút Upload
Hình 2 31 Nhấn Upload trên Adruino IDE để tải code vào bo
Khu vực lập trình: chương trình sẽ viết tại khu vực có ô màu trắng
Hình 2 32 Khu vực lập trình code trên Adruino IDE
Thanh Menu: có các định dạng thông dụng như File, Edit, Sketch là công cụ hữu dụng giúp việc lập trình trở nên đơn giản hơn
Hình 2 33 Thanh Menu trên Adruino IDE
2.7.1.5 Hỗ trợ phong phú các nền tảng
Arduino IDE được sử dụng rộng rãi trên nhiều nền tảng như Windows, Mac OS và Linux, nhờ vào độ phổ biến cao Người dùng có thể dễ dàng truy cập công cụ này từ đám mây, tạo điều kiện thuận lợi cho việc kiểm soát và phát triển các chương trình lập trình cho bo mạch.
Hình 2 34 Arduino IDE hỗ trợ đa nền tảng 2.7.2 Ứng dụng điều khiển hệ thống Blynk V2
Ứng dụng Blynk giúp người dùng dễ dàng điều khiển các thiết bị qua Wifi, đặc biệt trong lĩnh vực nhà thông minh Với Blynk, bạn có thể thiết kế các công tắc tùy chỉnh để bật hoặc tắt thiết bị một cách đơn giản và tiện lợi.
Blynk đã cho ra mắt nền tảng mới là Blynk V2 Platform với các nâng cấp mới, giao diện tuyệt vời
2.7.2.1 Các nâng cấp của Blynk V2
Các module ESP giờ đây hỗ trợ tính năng tải firmware mới qua tiến trình, thay thế cho kết nối serial, mang lại sự tiện lợi khi không thể sử dụng kết nối vật lý.
Có thể thêm icon, image và các button để thiết kế riêng cho mình các tính năng trực quan hơn cho thiết bị
Có thể đồng bộ hóa 2 thiết bị khi đã biết được data stream mà không cần phải kết nối data giữa các thiết bị khác nhau
Các Widget box không giới hạn chức năng Energy như các phiên bản trước
Truy cập vào đường link: https://blynk.cloud, sau đó ta đăng nhập hoặc tạo tài khoản mới
Hình 2 35 Màn hình đăng nhập Blynk V2
Mail sẽ gửi về địa chỉ đã nhập để ta tạo mật khẩu
Tiếp theo đặt tên cho Profile
Hình 2 37 Đặt tên cho Profile trên Blynk V2
Giao diện sau khi tạo profile Tiếp theo cần tạo các template
Hình 2 38 Giao diện sau khi tạo Profile trên Blynk V2 2.7.2.3 Tạo Template trên Blynk V2
Template được xem như một bản mẫu thiết bị, giúp tạo ra các Things giống nhau mà không cần tạo nhiều lần
Chọn Template → New Template để tạo Template
Hình 2 39 Chọn New Template trên Blynk V2
Hình 2 40 Điền thông tin vào Template trên Blynk V2
Giao diện sau khi tạo template, sao chép thông tin FIRMWARE
CONFIGURATION để nhập code vào
Hình 2 41 Giao diện Blynk sau khi tạo Template
38 Tạo Datastreams, Chọn New Datastream, chọn các lựa chọn và cài Virtual Pin
Hình 2 42 Tạo Datastreams trên Blynk V2
Hình 2 43 Datastreams đã được cài trên Blynk V2
Tiếp theo vào cài đặt Web Dashboard
Hình 2 44 Cài đặt mục Web Dashboard trên Blynk V2
Chọn Switch và cài đặt datastream vào button đó
Hình 2 45 Cài đặt Datastreams vào các Button trên Blynk V2
Chọn Save để hoàn thành
2.7.2.4 Cài đặt Blynk trên điện thoại
Sau khi nạp code trên máy tính, ta tiến hành nạp trên điện thoại
Tải ứng dụng Blynk IoT về điện thoại
41 Đăng nhập tài khản đã đăng ký
Hình 2 46 Đăng nhập tài khoản Blynk trên Smartphone
Hình 2 47 Chọn Add new device trên App Blynk
Hình 2 48 Tiến hành Connect to Wifi trên App Blyn
Hình 2 49 Thông báo từ Blynk muốn gửi kết nối về
Cài đặt setup wifi và configuring device
Hình 2 50 Setup Wifi trên App Blynk
Hình 2 51 Configuring device trên App Blynk
Tiếp theo đổi tên cho thiết bị
Hình 2 52 Đổi tên cho thiết bị trên App Blynk
Hình 2 53 Giao diện Blynk hoàn thành Setup
YÊU CẦU HỆ THỐNG
3.1.1 Yêu cầu chung của hệ thống Ở chương này, nhóm sẽ trình bày về sơ đồ khối, chức năng mỗi khối, nguyên lý hoạt động chung, thiết kế chi tiết các khối và sơ đồ nguyên lý của bo mạch hệ thống
Hệ thống chăm sóc cây trồng có các tính năng như sau:
• Có 2 chế độ là: tự động và điều khiển bằng tay
Trong chế độ điều khiển bằng tay, người dùng có thể sử dụng nút nhấn để bật và tắt hệ thống tưới cây Bên cạnh đó, cũng có tùy chọn cài đặt thời gian để tự động tắt động cơ tưới cây, mang lại sự tiện lợi và hiệu quả trong việc chăm sóc cây trồng.
• Ở chế độ tự động khi độ ẩm đất thấp hơn so với thông số cài thì hệ thống tưới sẽ bật
• Hiển thị độ ẩm qua màn hình OLED và app Blynk
• Có 2 chế độ là: tự động và điều khiển bằng tay
• Ở chế độ điều khiển bằng tay sử dụng nút nhấn để bật tắt hạ nhiệt
Khi nhiệt độ môi trường vượt quá mức cài đặt và độ ẩm đất thấp hơn thông số đã định, hệ thống phun sương sẽ tự động kích hoạt để điều chỉnh điều kiện môi trường.
• Hiển thị nhiệt độ qua màn hình OLED và app Blynk
• Có 2 chế độ là: tự động và điều khiển bằng tay
• Ở chế độ điều khiển bằng tay sử dụng nút nhấn để đóng mở mái vòm
Trong chế độ tự động, mái vòm sẽ tự động đóng lại khi trời mưa và độ ẩm đất vượt quá mức cài đặt Ngược lại, khi độ ẩm đất thấp hơn thông số cài đặt, mái vòm sẽ mở ra Ngoài ra, khi cường độ ánh sáng vượt quá mức cài đặt, mái vòm cũng sẽ đóng lại để bảo vệ cây trồng.
• Hiển thị cường độ sáng qua màn hình OLED và app Blynk
Với yêu cầu và các tính năng cho hệ thống như trên, nhóm đề ra lựa chọn thiết kế phần cứng, phần mềm như sau:
- Khối nguồn: sử dụng adapter 12V-2A, adapter 5V-1A sử dụng cổng Micro USB cấp cho module ESP32
- Khối xử lý trung tâm: sử dụng module Wifi, Bluetooth ESP32
- Khối App: sử dụng app Blynk
Khối cảm biến sử dụng các cảm biến chi phí hợp lý từ thị trường như cảm biến cường độ sáng BH1750FVI, cảm biến mưa, cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11 và cảm biến đất, giúp thu thập dữ liệu môi trường hiệu quả.
- Khối điều khiển động cơ: gồm module điều khiển động cơ DC L298N, module relay, module công tắc hành trình
- Khối động cơ: gồm 2 động cơ bơm nước 12V, động cơ DC
- Khối hiển thị: gồm màn hình OLED
- Thiết kế bo mạch phù hợp để liên kết các module
- Sử dụng phần mềm lập trình Arduino IDE để lập trình cho hệ thống
- Sử dụng Blynk app làm trình điều khiển hệ thống.
SƠ ĐỒ KHỐI
Hình 3 1 Sơ đồ khối hệ thống
Chức năng của từng khối:
- Khối nguồn: Chức năng cấp nguồn cho toàn bộ hoạt động của hệ thống
Khối xử lý trung tâm có nhiệm vụ thu thập dữ liệu từ khối cảm biến và ứng dụng Blynk, sau đó tiến hành xử lý thông tin để điều khiển các khối động cơ, khối điều khiển động cơ và khối hiển thị.
- Khối app: Hiển thị các thông số môi trường và cho phép người sử dụng điều khiển, thao tác linh hoạt thông qua kết nối Wifi
Khối cảm biến bao gồm các cảm biến nhiệt độ và độ ẩm (DHT11), cảm biến độ ẩm đất, cảm biến cường độ ánh sáng (BH1750FVI) và cảm biến mưa Những cảm biến này thu thập thông số từ môi trường, giúp điều khiển và kiểm soát hiệu quả khay trồng.
Khối điều khiển động cơ bao gồm module L298N và module relay Module L298N nhận tín hiệu từ ESP32 để điều khiển động cơ DC bật tắt theo công tắc hành trình Trong khi đó, relay được sử dụng để đóng ngắt các tiếp điểm, giúp điều khiển động cơ bơm theo tín hiệu từ ESP32.
Khối động cơ bao gồm động cơ bơm nước tự động tưới cây khi độ ẩm đất thấp và phun sương để hạ nhiệt khi nhiệt độ cao Đồng thời, động cơ DC giúp che mưa khi trời mưa và độ ẩm đất tăng, cũng như che nắng khi cường độ ánh sáng vượt quá mức cài đặt.
- Khối hiển thị: Hiển thị rõ các thông số từ môi trường trực tiếp trên màn hình OLED để người dùng quan sát
ESP32 hoạt động bằng cách thu thập dữ liệu từ các cảm biến để hiển thị thông số lên màn hình OLED và ứng dụng Blynk Hệ thống có hai chế độ: Auto và Manual Trong chế độ Manual, người dùng có thể điều khiển mái vòm và máy bơm thông qua ứng dụng Blynk, bao gồm cả việc hẹn giờ tắt máy bơm Ngược lại, trong chế độ Auto, hệ thống tự động so sánh các giá trị như nhiệt độ, độ ẩm đất và cường độ sáng với các thông số đã cài đặt trên ứng dụng Blynk để điều chỉnh hoạt động của máy bơm và mái vòm, đồng thời sử dụng cảm biến mưa để điều chỉnh mái vòm phù hợp với độ ẩm của cây trồng.
THIẾT KẾ CHI TIẾT HỆ THỐNG CHĂM SÓC CÂY TRỒNG
Hình 3 2 Sơ đồ nguyên lý
3.3.2.1 Khối xử lý trung tâm
Khối xử lý trung tâm được lập trình để nhận dữ liệu từ các cảm biến, xử lý thông tin và điều khiển hoạt động của động cơ Ngoài ra, khối này còn được điều khiển bởi ứng dụng và hiển thị các thông số môi trường thông qua khối hiển thị.
Trong dự án “Thiết kế và thi công mô hình hệ thống chăm sóc cây trồng”, nhóm đã quyết định sử dụng module Wifi và Bluetooth ESP32 nhờ vào những ưu điểm vượt trội của nó.
- Chi phí thấp, giúp mọi người dễ dàng tiếp cận nó
- Công suất thấp, tiêu thụ ít năng lượng so với các loại vi điều khiển khác, có hỗ trợ trạng thái ngủ sâu để tiết kiệm năng lượng điện
Dễ dàng kết nối với mạng Wifi để truy cập internet hoặc tạo ra mạng không dây riêng, cho phép các thiết bị xung quanh kết nối thuận tiện.
- Hỗ trợ Bluetooth cổ điển và Bluetooth năng lương thấp, hữu ích cho nhiều ứng dụng IoT
- Hỗ trợ nhiều loại đầu vào, và đầu ra ngoại vi như ADC, DAC, UART, SPI, I2C, PWM,
- Tương thích với ngôn ngữ lập trình Adruino, MicroPython
Hình 3 3 Khối xử lý trung tâm
Bảng kết nối chân các linh kiện với khối xử lý trung tâm ESP32
Bảng 3 1 Kết nối các chân của các linh kiện với khối điều khiển trung tâm
Chân Kết nối Mục đích
GPIO34 A0 Giao tiếp với cảm biến độ ẩm đất
GPIO5 OUT Giao tiếp với cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11
GPIO13 D0 Giao tiếp với cảm biến mưa
GPIO21 và GPIO22 Lần lượt SDA và SCL Giao tiếp I2C với cảm biến ánh sáng và màn hình OLED
GPIO2 và GPIO15 IN của relay tưới cây và
IN của relay phun sương
Giao tiếp với hai module relay
GPIO14, GPIO27, GPIO26 Lần lượt EN1, IN1, IN2 Giao tiếp với module điều khiển động cơ DC L298N
GPIO23 và GPIO19 Lần lượt OUT công tắc 1 và OUT công tắc 2
Giao tiếp với module công tắc hành trình
Khối app yêu cầu một trang web hoặc phần mềm dễ dàng tinh chỉnh, cho phép người dùng điều chỉnh các thông số như độ ẩm đất, nhiệt độ, thời gian thực, hẹn giờ, hẹn phút, ngưỡng sáng và mưa Phần mềm cần hỗ trợ cả chế độ tự động và thủ công, bao gồm các chức năng bật tắt máy vòm, tưới cây và phun sương, giúp người dùng linh hoạt và thuận tiện trong việc sử dụng và tùy chỉnh.
Nhóm đã chọn ứng dụng Blynk làm công cụ điều chỉnh các thông số cài đặt hệ thống nhờ vào tính thực tế, dễ sử dụng và khả năng tùy biến cao Ứng dụng này có sẵn trên cả hai nền tảng Android và iOS, cung cấp phiên bản miễn phí và bản trả phí với mức giá hợp lý.
Bảng 3 2 Hệ thống tưới cây và phun sương liên kết giữa Blynk App và ESP32
Trên Blynk App Trên NodeMCU
Widget Chức năng Chân kết nối
Hiển thị giá trị cảm biến nhiệt độ
G5 kết nối với cảm biến nhiệt độ, độ ẩm
Float doC dht.readTemperature(); //Đọc nhiệt độ C
Hiển thị giá trị cảm biến độ ẩm đất
G34 kết nối với cảm biến độ ẩm đất analogVal analogRead(analogPin); // 0 →
1023 int TBcb = analogVal / 10; int phantramao = map(TBcb,
0, 1023, 0, 100); //Chuyển giá trị Analog thành giá trị % int phantramthuc = 100 – phantramao; //Tính giá trị phần trăm thực, chuyển điện thế khô thành ẩm
V3 LCD Hiển thị giờ thời gian thực timeClient.update();
String T timeClient.getFormattedTime(); Blynk.virtualWrite(V3, T);
V5 Button Chuyển đổi chế độ Auto với
BLYNK_WRITE(V5) { // điều chỉnh chế độ value param.asInt(); }
V6 Button Bật tắt tưới cây ở chế độ Manual
BLYNK_WRITE(V6) { // Lay gia tri hen gio button = param.asInt();}
V8 Button Bật tắt tưới hạ nhiệt ở chế độ Manual
BLYNK_WRITE(V8) { // Lay gia tri hen gio
Lấy giá trị ngưỡng của độ ẩm đất
BLYNK_WRITE(V9) { // Lấy giá trị ngưỡng dodat Ref1 param.asInt(); }
Lấy giá trị ngưỡng của nhiệt độ
Lấy giá trị ngưỡng nhietdo Ref2 = param.asInt(); } Blynk.syncVirtual(V10);
Lấy giá trị hẹn giờ
BLYNK_WRITE(V12) { // Lay gia tri hen gio giotat = param.asInt();}
Lấy giá trị hẹn phút
BLYNK_WRITE(V13) { // Lay gia tri hen gio phuttat = param.asInt();}
Bảng 3 3 Hệ thống máy vòm liên kết giữa Blynk App và ESP32
Trên Blynk App Trên Node MCU
Widget Chức năng Chân kết nối Code cho NodeMCU
Hiển thị giá trị cảm biến ánh sáng
SDA với SCL kết nối với cảm biến ánh sáng
// light float lux lightMeter.readLightLevel();
Lấy giá trị ngưỡng của cường độ ánh sáng
BLYNK_WRITE(V11) { // Lấy giá trị ngưỡng ánh sáng Ref3 param.asInt(); }
V7 Button Đóng mở máy vòm ở chế độ MANUAL
BLYNK_WRITE(V7) { // Nut nhan mai vom button2 param.asInt(); }
Khối cảm biến sử dụng các cảm biến để thu thập thông tin về độ ẩm đất, nhiệt độ, cường độ ánh sáng và lượng mưa từ môi trường, sau đó truyền dữ liệu đến vi điều khiển ESP32.
Nhóm đã chọn các module cảm biến giá cả phải chăng như cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11 để thu thập dữ liệu nhiệt độ, cảm biến độ ẩm đất để đo độ ẩm trong đất, và cảm biến mưa để phát hiện mưa Khi có mưa, hệ thống sẽ ra lệnh cho module điều khiển động cơ DC L298N đóng rèm Ngoài ra, cảm biến cường độ sáng sẽ tự động đóng rèm khi mức sáng vượt qua ngưỡng đã được cài đặt.
Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11
Hình 3 5 Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm kết nối chân với module ESP32
Cách nối dây cho cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11 cho module ESP32 như sau:
- Dây VCC của cảm biến DHT11 nối với nguồn 5V của ESP32 và dây GND của cảm biến DHT11 nối vào chân GND của ESP32
- Chân OUT của cảm biến DHT11 nối với chân GPIO5 của ESP32
Cách giao tiếp của cảm biến nhiệt độ - độ ẩm và ESP32:
Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11 sử dụng giao tiếp OneWire để kết nối với ESP32 qua một dây tín hiệu duy nhất Trong hệ thống này, ESP32 đóng vai trò là thiết bị Master, giao tiếp với DHT11 bằng cách tạo ra các khe thời gian khác nhau Dựa vào các khe thời gian và mức điện áp tương ứng, DHT11 sẽ thực hiện các lệnh cần thiết để đo nhiệt độ và độ ẩm.
Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750FVI
Hình 3 6 Cảm biến BH1750FVI kết nối chân với module ESP32
Cách nối dây cho cảm biến cường độ sáng BH1750FVI cho module ESP32 như sau:
Dây VCC của cảm biến cường độ sáng BH1750FVI cần được kết nối với nguồn 5V của ESP32, trong khi dây GND của cảm biến phải nối vào chân GND của ESP32.
- Chân SCL của cảm biến cường độ sáng BH1750FVI nối với chân GPIO22 của module ESP32
- Chân SCA của cảm biến cường độ sáng BH1750FVI nối với chân GPIO21 của module ESP32
Cách giao tiếp của cảm biến cường độ sáng BH1750FVI và ESP32:
Cảm biến cường độ sáng BH1750 kết nối với module ESP32 thông qua giao tiếp I2C Tín hiệu được truyền qua hai chân SDA và SCL, cung cấp xung điều khiển Khi nhận được xung điều khiển, BH1750 sẽ trả về địa chỉ cố định là 0X23 hoặc 0X5C cho thiết bị Master, giúp thiết bị Master xác định được đối tượng đang giao tiếp.
Hình 3 7 Cảm biến mưa kết nối chân với module ESP32
Cách nối dây cho cảm biến mưa cho module ESP32 như sau:
- Dây VCC của cảm biến mưa nối với nguồn 5V của module ESP32 và dây GND của cảm biến mưa nối vào chân GND của ESP32
- Chân D0 của cảm biến mưa nối với chân GPIO13 của module ESP32
Cách giao tiếp của cảm biến mưa và ESP32:
Khi mùa thu đến, trời mưa sẽ làm ướt đầu thu Sau đó, giá trị ẩm ướt được chuyển đổi từ tín hiệu Analog sang Digital thông qua IC so sánh LM393, cho ra giá trị 1 khi trời mưa và 0 khi trời nắng Giá trị này sau đó được truyền vào module ESP32 qua chân D0 của module cảm biến mưa.
Cảm biến độ ẩm đất
Hình 3 8 Cảm biến đô ẩm đất kết nối chân với module ESP32
Cách nối dây cho cảm biến độ ẩm đất cho module ESP32 như sau:
Dây VCC của cảm biến độ ẩm đất được kết nối với nguồn 5V của module ESP32, trong khi dây GND của cảm biến sẽ nối vào chân GND của module ESP32.
- Chân A0 của cảm biến độ ẩm đất sẽ nối với chân GPIO34 của module ESP32 Cách giao tiếp của cảm biến độ ẩm đất và ESP32:
- Chân dữ liệu A0 khi kết nối với ESP32 có giá trị 0-1023, ESP32 sẽ qui đổi thành % với giá trị đã đo được
3.3.2.4 Khối điều khiển động cơ
Sử dụng module điều khiển giúp đóng ngắt hiệu quả động cơ bơm 12V, cho phép điều chỉnh xoay thuận nghịch động cơ DC giảm tốc 12V một cách ổn định Ngoài ra, module còn tích hợp công tắc hành trình, đóng vai trò là điểm đi và điểm dừng, hỗ trợ trong việc vận hành máy vòm.
Nhóm đã chọn sử dụng module relay để điều khiển hai hệ thống tưới cây và phun sương, với các thông số cài đặt thủ công và tự động Đồng thời, module điều khiển động cơ DC L298N được sử dụng để điều khiển động cơ DC mở và đóng máy vòm, đi kèm với công tắc hành trình Lý do cho sự lựa chọn này là vì các module này dễ dàng mua và tìm thấy trên thị trường.
Hình 3 9 Khối điều khiển động cơ
Hình 3 10 2 module relay kết nối chân với module ESP32
Cách nối dây cho module relay cho module ESP32 thực hiện việc tưới cây và phun sương như sau:
- Chân VCC và GND của relay 1 và relay 2 sẽ nối lần lượt với chân 5V và GND của module ESP32
- Chân tín hiệu của relay 1 và relay 2 sẽ nối lần lượt với chân GPIO2, GPIO15 của module ESP32
Module điều khiển động cơ DC L298N
Hình 3 11 Module L298N kết nối chân với module ESP32
Cách nối dây cho khối điều khiển động cơ DC L298N với module ESP32 như sau:
- Chân 12V của module L298N nối với nguồn adapter 12V, chân GND của module L298N nối với chân GND của ESP32
- Chân EN1, IN1, IN2 của module L298N lần lượt nối với chân GPIO14, GPIO27, GPIO26 của module ESP32
Module công tắc hành trình
Hình 3 12 2 module công tắc hành trình kết nối với module ESP32
Cách nối dây cho module công tắc hành trình 1 và 2 với module ESP32 như sau:
Chân GND của công tắc hành trình 1 và 2 được kết nối với chân GND của module ESP32, trong khi chân VCC của công tắc hành trình 1 và 2 được nối với chân 5V của module ESP32.
- Chân OUT của công tắc hành trình 1 nối với chân GPIO23 của module ESP32, OUT của công tắc hành trình 2 nối với chân GPIO23 của module ESP32
GIỚI THIỆU
Chương thi công hệ thống nhóm sẽ trình bày quy trình thi công bo mạch mô phỏng và thực tế, bao gồm lắp ráp và sắp xếp hoàn chỉnh phần cứng Bên cạnh đó, chương sẽ kiểm tra mạch và cung cấp hình ảnh minh họa cho cả hệ thống mô phỏng lẫn thực tế Ngoài ra, các lưu đồ giải thuật cho các hệ thống nhỏ trong tổng thể hệ thống cũng sẽ được trình bày và giải thích chi tiết.
THI CÔNG HỆ THỐNG
Hình 4 1 Đi dây bo mạch chính
Mạch có kích thước 25x16 được thiết kế với các khoảng trống hợp lý để lắp đặt các linh kiện rời như hai module relay, module điều khiển động cơ L298N, cảm biến môi trường và công tắc hành trình.
Hình 4 2 Sơ đồ mặt trước kết nối các linh kiện 4.2.2 Bo mạch thực tế hoàn chỉnh
Hình 4 3 Hình ảnh thực tế bo mạch hoàn chỉnh
ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH
Hình 4 4 Hình ảnh bo mạch được đóng gói hoàn chỉnh
Bo mạch hệ thống được lắp đặt trong bìa hộp carton để giảm các rủi ro từ môi trường như mưa, bụi, nước, nhiệt độ cao,
Sau khi hoàn thành việc in và đóng gói mạch, nhóm tiến hành lắp ráp và kiểm tra, đồng thời bố trí các linh kiện một cách hợp lý để đảm bảo hiệu suất tối ưu cho sản phẩm.
Hình 4 5 Mô hình hệ thống chăm sóc cây trồng nhìn từ trên cao
Hình 4 6 Bố trí phù hợp các linh kiện
Các linh kiện phần cứng được bố trí như sau:
- Cảm biến cường độ sáng được bố trí ở phần trên và bên trái máy vòm để thu nhận ánh sáng từ môi trường
- Cảm biến độ ẩm đất được cắm vào hộp đất ở phía dưới mô hình, để đo thông số độ ẩm đất
Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm được lắp đặt trên thanh trụ đỡ của máy vòm, nằm dưới hệ thống phun sương bên trái, nhằm đo lường các thông số nhiệt độ và độ ẩm từ môi trường xung quanh.
- Cảm biến mưa được bố trí ở phía trước và bên trái máy vòm thực hiện việc báo động mưa
- Hệ thống phun sương gồm 4 béc phun được bố trí ở phần gần trên cùng gần máy vòm thực hiện việc tưới phun sương hạ nhiệt
- Hệ thống tưới cây gồm 4 béc tưới cây được bố trí ở phía dưới gần sát khay trồng thực hiện việc tưới cây
- Hệ thống 2 bơm nước được bố trí ở giữa và phía trước khay trồng thực hiện việc cung cấp nước tưới cây và hạ nhiệt
Màn hình OLED bên trái máy vòm hiển thị các thông số quan trọng như ánh sáng, nhiệt độ và độ ẩm đất, được thu thập từ các cảm biến.
Hình 4 7 Hệ thống máy vòm
Nhóm thực hiện việc bố trí máy vòm như sau:
Các Poly GT2 được thiết kế để động cơ DC giảm tốc điều khiển dây đai, giúp chạm công tắc hành trình đầu tiên để đóng máy vòm khi có mưa và cường độ ánh sáng vượt ngưỡng Băng chuyền sau đó sẽ chạy về công tắc hành trình thứ hai để mở máy vòm khi trời không mưa và ánh sáng môi trường yếu.
- Hệ thống kéo lưới gồm một thanh sắt được bố trí cố định theo dây đai nhằm thực hiện việc đóng mở máy vòm
LẬP TRÌNH HỆ THỐNG
4.4.1 Lưu đồ giải thuật hệ thống tưới cây
74 Hình 4 8 Lưu đồ giải thuật hệ thống tưới cây
Bắt đầu chương trình thu thập dữ liệu độ ẩm đất từ cảm biến và thời gian thực trên Internet để hiển thị trên Blynk và màn hình OLED Tiếp theo, ESP32 sẽ kiểm tra trạng thái nút nhấn điều khiển chế độ từ ứng dụng Blynk, với giá trị 1 đại diện cho chế độ tự động (Auto) và giá trị 0 cho chế độ thủ công (Manual).
Trong chế độ Auto, hệ thống sẽ kiểm tra giá trị độ ẩm đất từ cảm biến Nếu độ ẩm lớn hơn thông số cài đặt từ ứng dụng Blynk, động cơ bơm sẽ được tắt Ngược lại, nếu độ ẩm thấp, hệ thống sẽ kiểm tra thời tiết; nếu có mưa, động cơ bơm sẽ tắt, còn nếu không có mưa, động cơ bơm sẽ được bật để tưới cây.
Trong chế độ Manual, người dùng có thể điều khiển động cơ bơm thông qua nút nhấn trên ứng dụng Blynk, với x = 0 để tắt động cơ và x = 1 để bật động cơ Ngoài ra, người dùng còn có thể cài đặt thời gian cụ thể để tự động bật động cơ bơm.
Phương pháp chống nhiễu khi sử dụng nút nhấn được áp dụng khi button khác với giá trị mặc định (macdinh = 0), đảm bảo rằng sự kiện nhấn nút chỉ được xử lý một lần duy nhất Điều này giúp ngăn chặn ảnh hưởng của nhiễu nhỏ hoặc các nhấn nút không chính xác.
• Bằng cách kiểm tra giá trị của biến "button" và so sánh nó với giá trị
Đoạn mã trên đảm bảo rằng sự kiện nhấn nút chỉ được xử lý khi giá trị của "button" thay đổi và không phải là giá trị mặc định "macdinh".
Nếu giá trị của "button" khác "macdinh", câu lệnh if bên ngoài sẽ được thực hiện Sau đó, câu lệnh if bên trong sẽ kiểm tra nếu giá trị của "button" là 1, thì biến "x" sẽ được đảo ngược Điều này đảm bảo rằng biến "x" chỉ thay đổi khi có sự kiện nhấn nút, giúp tránh bị ảnh hưởng bởi các tín hiệu nhiễu ngắn.
• So sánh thời gian thật với thời gian cài đặt ở Blynk app nếu giờ bằng nhau thì động cơ sẽ tự động tắt
4.4.2 Lưu đồ giải thuật hệ thống phun sương
Hình 4 9 Lưu đồ giải thuật hệ thống phun sương
Bắt đầu chương trình hệ thống để lấy giá trị nhiệt độ và độ ẩm từ cảm biến, sau đó hiển thị dữ liệu lên ứng dụng Blynk và màn hình OLED Tiếp theo, ESP32 sẽ kiểm tra trạng thái của nút nhấn điều khiển chế độ từ ứng dụng Blynk, với giá trị 1 đại diện cho chế độ tự động (Auto) và giá trị 0 cho chế độ thủ công (Manual).
Chế độ Auto tự động kiểm tra giá trị nhiệt độ từ cảm biến để so sánh với thông số cài đặt trên ứng dụng Blynk Nếu nhiệt độ vượt quá thông số này, động cơ bơm sẽ được bật; ngược lại, động cơ bơm sẽ tắt.
Khi sử dụng chế độ Manual trên ứng dụng Blynk, bạn có thể điều khiển động cơ bơm bằng nút nhấn Cụ thể, nếu button1 = 1, động cơ bơm sẽ được bật, ngược lại, nếu không đúng, động cơ bơm sẽ tắt.
4.4.3 Lưu đồ giải thuật hệ thống máy vòm
Hình 4 10 Lưu đồ giải thuật hệ thống mái vòm
Bắt đầu chương trình, hệ thống sẽ thu thập giá trị ánh sáng từ cảm biến và hiển thị trên Blynk cùng màn hình OLED Sau đó, ESP32 sẽ kiểm tra trạng thái của nút nhấn điều khiển chế độ từ ứng dụng Blynk, với giá trị 1 cho chế độ tự động và 0 cho chế độ thủ công.
- Nếu ở chế độ Auto sẽ kiểm tra trời có mưa hay không
Nếu trời không mưa, hệ thống sẽ kiểm tra cường độ sáng từ cảm biến để xác định xem nó có vượt quá giá trị cài đặt trên ứng dụng Blynk hay không Nếu mái vòm đang mở (CTHT2 = 1), hệ thống sẽ đóng mái vòm bằng cách điều khiển động cơ xoay theo chiều thuận Ngược lại, nếu cường độ sáng thấp hơn giá trị cài đặt, hệ thống sẽ tiếp tục theo dõi thông số này.
Mái vòm sẽ được điều khiển thông qua công tắc hành trình: nếu tín hiệu đúng, mái vòm sẽ mở ra nhờ động cơ xoay theo chiều nghịch; nếu tín hiệu sai, động cơ DC sẽ tự động dừng hoạt động.
Khi trời mưa, hệ thống sẽ kiểm tra độ ẩm đất qua cảm biến, so sánh với giá trị cài đặt trên ứng dụng Blynk Nếu mái vòm đang mở (CTHT2 = 1) và độ ẩm lớn hơn giá trị cài đặt, mái vòm sẽ tự động đóng lại bằng động cơ xoay chiều thuận Ngược lại, nếu mái vòm đang đóng (CTHT2 = 0) và độ ẩm nhỏ hơn giá trị cài đặt, mái vòm sẽ mở ra nhờ động cơ xoay chiều nghịch Nếu cả hai điều kiện đều không đúng, động cơ DC sẽ ngừng hoạt động.
- Nếu ở chế độ Manual sử dụng nút nhấn từ Blynk app để đóng mở mái vòm
Nếu button2 = 1 và mái vòm đang mở theo công tắc hành trình (CTHT2 = 1: mái vòm mở, CTHT2 = 0: mái vòm đóng), thì mái vòm sẽ được đóng lại (động cơ xoay theo chiều thuận) Nếu không, kiểm tra nếu button2 = 0 và mái vòm đang đóng theo công tắc hành trình; nếu đúng, mái vòm sẽ mở ra (động cơ xoay theo chiều nghịch) Nếu cả hai điều kiện đều sai, động cơ DC sẽ dừng hoạt động.
4.4.4 Lưu đồ giải thuật toàn hệ thống
Hình 4 11 (a) Lưu đồ giải thuật toàn hệ thống
(b) Lưu đồ giải thuật của hệ thống tưới cây chế độ Manual
(c) Lưu đồ giải thuật của hệ thống tưới cây ở chế độ Auto (d) Lưu đồ giải thuật của mái vòm ở chế độ Auto
(e) Lưu đồ giải thuật của mái vòm ở chế độ Manual
Bắt đầu chương trình thu thập dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm đất và cường độ ánh sáng từ cảm biến, cũng như thời gian thực từ Internet để hiển thị trên ứng dụng Blynk và màn hình OLED Tiếp theo, ESP32 kiểm tra trạng thái nút nhấn điều khiển chế độ từ ứng dụng Blynk (giá trị: chế độ nút nhấn, 1: Tự động, 0: Thủ công).
GIỚI THIỆU
Chương kết quả - nhận xét - đánh giá sẽ tổng hợp những kết quả nghiên cứu và thực nghiệm đã đạt được trong 15 tuần qua Bên cạnh đó, chương này cũng sẽ đưa ra những nhận xét và đánh giá về hướng phát triển của mô hình, nhằm đảm bảo khả năng ứng dụng hiệu quả trong thực tế.
KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
Qua đề tài nghiên cứu này, nhóm đã thu nhận được nhiều kiến thức, kinh nghiệm và nghiên cứu quý báu, mang lại giá trị thực tiễn cao.
Để sử dụng hiệu quả các cảm biến trong đời sống, bạn cần nắm vững thông số kỹ thuật của các loại cảm biến như ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm, mưa và đất Việc lựa chọn cảm biến phù hợp với nhu cầu cụ thể và điều kiện thực tế là rất quan trọng để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong ứng dụng.
Biết cách sử dụng và lập trình module Wifi, Bluetooth ESP32 là điều cần thiết, vì đây là vi điều khiển nhỏ gọn, giá cả phải chăng và dễ sử dụng, được ứng dụng rộng rãi hiện nay Nhóm sử dụng vi điều khiển này để kết nối với các cảm biến, module màn hình OLED và các module trong khối động cơ, giúp nâng cao trình độ lập trình và tạo nền tảng cho việc triển khai các ý tưởng lập trình thông minh hơn trong tương lai.
Nhóm đã sử dụng thành thạo phần mềm Arduino IDE để lập trình cho vi điều khiển ESP32, nhờ vào tính phổ biến, dễ sử dụng và thư viện phong phú Blynk app được chọn làm công cụ điều khiển hệ thống và tự động hóa chăm sóc khay trồng rau, vì nó cho phép tạo giao diện điều khiển dễ dàng và kết nối với cảm biến qua Wifi, hỗ trợ cả chế độ tự động và thủ công Nhóm đã lập trình thành công các hệ thống tưới cây, phun sương và điều khiển máy vòm, giúp quản lý các thông số từ cảm biến qua ứng dụng một cách thuận tiện.
Nhóm đã nắm vững cách sử dụng các module điều khiển động cơ, bao gồm việc sử dụng module relay để điều khiển đóng ngắt các tiếp điểm trên máy bơm mini, phục vụ cho việc tưới nước và phun sương trong hệ thống Đồng thời, nhóm cũng sử dụng module điều khiển động cơ DC L298N để điều khiển động cơ DC 12V, thực hiện việc đóng mở máy vòm cho hệ thống.
Nhóm đã chọn sử dụng nguồn Adapter 12V-2A để cung cấp năng lượng cho động cơ DC, L298N và máy bơm, trong khi Adapter 5V-1A được sử dụng cho module ESP32 cùng các cảm biến và linh kiện khác.
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Hình 5 1 Màn hình OLED hiển thị ba thống số môi trường
Màn hình OLED thực hiện hiển thị các thông số cường độ sáng, nhiệt độ, độ ẩm đất từ môi trường
Hình 5 2 Động cơ bơm bật vòi tưới cây khi người dùng bật ON ở chế độ Manual
Hình 5 3 Động cơ bơm tắt vòi tưới cây khi thời gian thực và thời gian cài trên Blynk bằng nhau
Khi sử dụng chế độ Manual trên ứng dụng Blynk, người dùng có thể bật và tắt động cơ bơm nước dễ dàng bằng nút nhấn Ngoài ra, người dùng còn có khả năng cài đặt thời gian để động cơ bơm thực hiện tưới cây Nếu thời gian thực tế trùng khớp với thời gian đã cài đặt trên ứng dụng Blynk, động cơ bơm sẽ tự động tắt.
Hình 5 4 Động cơ bơm tắt vòi tưới cây khi độ ẩm đất cao hơn ngưỡng cài đặt ở chế độ
Hình 5 5 Động cơ bơm bật vòi tưới cây khi độ ẩm đất thấp hơn ngưỡng cài đặt ở chế độ Auto
Khi độ ẩm đất thấp hơn ngưỡng cài đặt trên Blynk app, thì động cơ bơm sẽ bật vòi tưới cây
Khi độ ẩm đất cao hơn ngưỡng cài đặt trên Blynk app và trời có mưa thì thì động cơ bơm sẽ tắt vòi tưới cây
Hình 5 6 Động cơ bơm bật vòi phun sương khi người dùng bật ON ở chế độ Manual
Khi sử dụng chế độ Manual, người dùng có thể điều khiển việc bật và tắt động cơ bơm nước để thực hiện tưới phun sương hạ nhiệt cho khay trồng rau thông qua nút nhấn trên ứng dụng Blynk.
Hình 5 7 Động cơ bơm tắt vòi phun sương khi nhiệt độ thấp hơn ngưỡng cài đặt ở chế độ Auto
Hình 5 8 Động cơ bơm bật vòi phun sương khi nhiệt độ cao hơn ngưỡng cài đặt ở chế độ Auto
Khi nhiệt độ môi trường cao hơn ngưỡng cài đặt từ Blynk app thì động cơ bơm sẽ bật vòi phun sương hạ nhiệt cho khay trồng rau
Khi nhiệt độ môi trường thấp hơn ngưỡng cài đặt từ Blynk app thì động cơ bơm sẽ tắt vòi phun sương
Hình 5 9 Mái vòm đóng khi người dùng bật ON ở chế độ Manual
Khi ở chế độ Manual, người sử dụng sẽ sử dụng nút nhấn từ Blynk app để thực hiện việc đóng và mở máy vòm
Hình 5 10Cường độ ánh sáng cao hơn ngưỡng cài đặt ở chế độ Auto
Hình 5 11 Cường độ ánh sáng thấp hơn ngưỡng cài đặt ở chế độ Auto
Khi trời nắng nóng cường độ sáng của môi trường cao hơn ngưỡng cài đặt thì mái vòm sẽ tự động đóng lại, ngược lại mái vòm sẽ mở
Hình 5 12Khi trời mưa và độ ẩm đất cao hơn ngưỡng cài đặt ở chế độ Auto
Hình 5 13 Khi trời không mưa và độ ẩm đất thấp hơn ngưỡng cài đặt ở chế độ Auto
Khi trời mưa, nếu độ ẩm của đất vượt quá ngưỡng cài đặt, mái vòm sẽ tự động đóng lại; ngược lại, nếu độ ẩm đất thấp hơn ngưỡng, mái vòm sẽ mở ra.
NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ
Sau một thời gian nghiên cứu, thiết kế và thi công, đồ án tốt nghiệp của nhóm với đề tài “Thiết kế và thi công mô hình hệ thống chăm sóc cây trồng” đã hoàn thành cơ bản Mô hình này mang lại nhiều ưu điểm nổi bật trong việc tối ưu hóa quy trình chăm sóc cây trồng, giúp nâng cao hiệu quả sản xuất nông nghiệp.
Mô hình hoạt động của hệ thống tưới cây rất ổn định, cho phép người dùng thao tác linh hoạt ở cả hai chế độ tự động và bằng tay Hệ thống này có khả năng thực hiện các chức năng như tưới cây, phun sương và điều chỉnh đóng mở máy vòm dựa trên các thông số đã được cài đặt.
- Ngoài ra còn có thể cài đặt thời gian để tắt động cơ tưới cây ở chế độ Manual hệ thống tưới cây
- Hiển thị được các thông số từ môi trường đo từ cảm biến lên màn hình OLED với các chi tiết sắc nét
- Giao diện app điều khiển được nhóm thiết kế đơn nhất, dễ thao tác và sử dụng
- Thi công, bố trí phần cứng mô hình tương đối hoàn chỉnh
- Hệ thống còn phụ thuộc vào tốc độ đường truyền mạng và dữ liệu di động
- Một số phần cứng được bố trí có thể gây nguy hiểm cho trẻ nhỏ
Hệ thống đã đáp ứng yêu cầu của nhóm với mạch hoạt động ổn định sau nhiều lần thử nghiệm Mô hình thiết kế đẹp, dễ sử dụng và linh kiện được bố trí hợp lý Tuy nhiên, vẫn còn một số khuyết điểm như hệ thống máy vòm chưa hoạt động ổn định, quá trình thi công mạch in và hàn các module còn sai sót, cùng với việc bố trí linh kiện và đi dây chưa được thẩm mỹ.
KẾT LUẬN
Sau 15 tuần nghiên cứu và phát triển, nhóm đã hoàn thành báo cáo đồ án “Thiết kế và thi công mô hình hệ thống chăm sóc cây trồng” theo yêu cầu Trong quá trình thực hiện, nhóm đã đạt được một số kết quả đáng chú ý.
- Hệ thống hoạt động ổn định, dễ thao tác, có tính thẩm mỹ
- Hệ thống có thể điều khiển được cả hai chế độ tự động và bằng tay qua app Blynk trên điện thoại
- Giao diện điều khiển được thiết kế trên Blynk app giúp hệ thống dễ sử dụng, thao tác
- Các thông số môi trường được hiển thị sắc nét, chi tiết lên màn hình OLED
Mạch bơm nước tưới cây tự động khi độ ẩm đất giảm, đồng thời phun sương để hạ nhiệt khi nhiệt độ tăng cao, đáp ứng hiệu quả nhu cầu của người sử dụng.
- Mạch thực hiện đóng máy vòm che nắng khi cường độ sáng vượt ngưỡng thông số cài đặt, che mưa khi trời có mưa
Nhưng hệ thống vẫn còn một số nhược điểm như:
- Băng chuyền thực hiện đóng mở máy vòm vẫn chưa ổn định
- Bố trí các béc phun sương và tưới cây chưa hài hòa để tưới đồng đều cho khay trồng.
HƯỚNG PHÁT TRIỂN
- Lắp đặt thêm hệ thống camera giám sát hệ thống và giám sát thông qua app
- Lăp thêm các hệ thống bảo vệ an toàn cho trẻ nhỏ
- Hệ thống báo lỗi tự động khi các cảm biển, động cơ có sự cố, hư hỏng
- Tự động ngắt nguồn điện khi xảy ra chập điện do các yếu tố nước, lửa, môi trường
- Mở rộng việc nâng cấp các cảm biến, thiết bị, động cơ với mức công suất lớn phù hợp với nhu cầu thực tế
- Hệ thống có thể thực hiện tự động tưới và bón phân đồng đều cho các khu vực như yêu cầu