TỔNG QUAN
GIỚI THIỆU
Ngày nay, công nghệ đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp, giúp tự động hóa quy trình vận hành máy móc và giảm thiểu sức lao động Trong khi các quốc gia phát triển đã có những bước tiến vượt bậc trong việc áp dụng hệ thống tự động cho nông nghiệp, thì các quốc gia đang phát triển vẫn gặp nhiều hạn chế Do đó, việc cải tiến thiết bị giám sát và điều khiển từ xa thông qua máy tính hoặc điện thoại không chỉ nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn tiết kiệm thời gian cho người nông dân trong cuộc sống hàng ngày.
Nhóm sinh viên đã quyết định nghiên cứu đề tài “Thiết kế và thi công mô hình tích hợp trồng rau nuôi cá”, nhằm phát triển một hệ thống giám sát các thông số cần thiết cho cây trồng và hồ cá Hệ thống này sử dụng các cảm biến hiện đại để tự động điều khiển các chức năng như bơm nước từ hồ cá để tưới cây, bật tắt đèn trồng cây và sưởi ấm cho hồ cá, tất cả đều hoạt động mà không cần sự can thiệp trực tiếp của con người.
MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Nhóm sinh viên thực hiện đề tài “Thiết kế và thi công mô hình tích hợp trồng rau nuôi cá” nhằm tạo ra một hệ thống mô hình với các chức năng tích hợp, kết hợp giữa việc trồng rau và nuôi cá, mang lại hiệu quả cao trong việc sử dụng tài nguyên và nâng cao năng suất.
Giám sát các thông số môi trường là rất quan trọng, bao gồm nhiệt độ và độ ẩm không khí, độ ẩm đất nơi trồng cây, cường độ sáng môi trường, cũng như nhiệt độ nước trong khu vực nuôi cá.
Hệ thống tự động tưới cây hoạt động dựa trên các yêu cầu về nhiệt độ và độ ẩm, khi nhiệt độ không khí tăng cao hoặc độ ẩm đất giảm xuống dưới mức đã thiết lập, động cơ bơm nước sẽ tự động bơm nước từ hồ cá để tưới phun sương cho cây trồng Đồng thời, cảm biến cường độ ánh sáng sẽ điều chỉnh đèn chiếu sáng trong khu vườn, tự động tắt vào ban ngày và bật khi trời tối, đảm bảo cây trồng nhận đủ ánh sáng cần thiết.
- Hiển thị các thông số cảm biến lên màn hình LCD để dễ dàng theo dõi và điều khiển
Trong chế độ tự động, hệ thống hoạt động hoàn toàn tự động mà không cần sự can thiệp của người dùng Ngược lại, ở chế độ thủ công, người dùng có thể tùy chỉnh và điều khiển thiết bị thông qua các nút nhấn.
-Hiển thị thông số lên App, người dùng có thể theo dõi và điều khiển từ xa.
GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
Đề tài thực hiện với một số yêu cầu như sau:
Hệ thống giám sát tự động theo dõi các thông số quan trọng như nhiệt độ, độ ẩm môi trường, nhiệt độ nước, độ ẩm đất và cường độ ánh sáng Nó có khả năng điều khiển bơm nước khi nhiệt độ môi trường tăng cao hoặc độ ẩm đất giảm, cũng như tự động điều chỉnh đèn theo ánh sáng môi trường và bật đèn sưởi ấm nước khi nhiệt độ nước xuống thấp.
Xây dựng ứng dụng cho phép hiển thị các thông số quan trọng như nhiệt độ, độ ẩm không khí, nhiệt độ nước, độ ẩm đất và cường độ ánh sáng Ứng dụng còn hỗ trợ người dùng điều khiển bơm nước, đèn và hệ thống sưởi ấm thông qua chế độ thủ công trực tiếp trên App.
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
- Cảm biến dùng để đo nhiệt độ và độ ẩm không khí, nhiệt độ của nước, độ ẩm của đất và cường độ ánh sáng
- Động cơ bơm nước 12V, đèn 12V, cây sưởi 220V
Mô hình hệ thống trồng rau và nuôi cá kết hợp cả nuôi trồng thủy sản và thủy canh, mang lại hiệu quả cao trong việc tối ưu hóa tài nguyên Đồ án tốt nghiệp của nhóm tập trung vào việc phát triển các tính năng đo lường nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất trồng cây, nhiệt độ nước nuôi cá và thông số ánh sáng môi trường, nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm.
Động cơ bơm nước sẽ hoạt động khi nhiệt độ môi trường đạt từ 35°C trở lên hoặc độ ẩm đất dưới 60%, nhằm tưới nước cho đất Đồng thời, đèn sưởi sẽ giúp làm ấm nước trong quá trình tưới.
3 nhiệt độ nước dưới 25°C Bật đèn khi trời tối hay khi cường độ sáng môi trường bé hơn 50 lux
- Nghiên cứu việc truyền và nhận cơ sở dữ liệu giữa các thiết bị phần cứng
- Tìm hiểu và xây dựng hệ thống giám sát, điều khiển thông qua app.
BỐ CỤC QUYỂN BÁO CÁO
Bố cục của đồ án được trình bày gồm 5 phần như sau:
Bài viết này sẽ giới thiệu tổng quan về đề tài nghiên cứu, nêu rõ mục tiêu, giới hạn và các phương pháp nghiên cứu được áp dụng Đồng thời, chúng tôi sẽ xác định đối tượng và phạm vi nghiên cứu cụ thể Cuối cùng, bài viết sẽ trình bày bố cục của quyển báo cáo một cách rõ ràng và mạch lạc.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
GIỚI THIỆU VỀ IOT
Internet vạn vật (IoT) là khái niệm được đề xuất bởi Kevin Ashton vào năm 1999, bao gồm nhiều cảm biến, mạch điện, hệ thống nhúng và giao diện thông minh IoT cho phép kết nối các thiết bị điện tử, giúp con người dễ dàng theo dõi và điều khiển từ xa qua mạng máy tính Ứng dụng của IoT rất đa dạng, từ nhà thông minh, tòa nhà thông minh đến các hệ thống tự động và giám sát thông tin, tất cả đều có thể được điều khiển thông qua điện thoại hoặc máy tính.
Hình 2.1 Ứng dụng của IOT trong cuộc sống hiện nay [1]
Trong tương lai, Internet vạn vật (IoT) sẽ trở thành xu hướng phổ biến, ảnh hưởng đến mọi khía cạnh của cuộc sống Do đó, con người sẽ tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng IoT trong nhiều lĩnh vực khác nhau để cải thiện chất lượng cuộc sống.
Xu hướng phát triển của IoT đã thúc đẩy các chuyên gia trong lĩnh vực khoa học công nghệ nghiên cứu và ứng dụng công nghệ này vào nhiều lĩnh vực trong cuộc sống Những lĩnh vực đang được phát triển mạnh mẽ bao gồm:
Nhà và văn phòng thông minh cho phép giám sát và điều khiển các thiết bị một cách tự động, như tắt đèn, quạt, máy lạnh, rèm cửa và khóa cửa mà không cần điều khiển thủ công Các thiết bị này có thể kết nối với nhau qua Internet, giúp người dùng vận hành từ xa thông qua thiết bị di động hoặc trợ lý ảo.
Thiết bị đeo thông minh hỗ trợ IoT, như đồng hồ thông minh, đã trở thành phụ kiện phổ biến trong đời sống hiện đại Đồng hồ thông minh không chỉ cho phép nghe gọi và đọc tin nhắn giống như một chiếc smartphone thu nhỏ, mà còn hiển thị thông báo, theo dõi vị trí và trạng thái cơ thể người dùng để đưa ra những nhắc nhở cần thiết Ngoài đồng hồ thông minh, thị trường hiện nay còn có nhiều thiết bị đeo khác như kính thực tế ảo, vòng tay thông minh và tai nghe không dây, mang lại nhiều tiện ích cho người dùng.
Nông trại thông minh đã cách mạng hóa ngành nông nghiệp, chuyển từ việc phụ thuộc hoàn toàn vào sức lao động của con người sang việc ứng dụng công nghệ và máy móc Sự tích hợp của Internet vạn vật (IoT) vào nông nghiệp cho phép nông dân dễ dàng kiểm soát và theo dõi các thông tin quan trọng như nhiệt độ và độ ẩm, đồng thời điều khiển trang thiết bị một cách hiệu quả Điều này không chỉ giúp tiết kiệm sức lao động mà còn nâng cao năng suất lao động một cách đáng kể.
Xe tự hành, một trong những công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực xe thông minh, đang phát triển nhanh chóng nhờ vào trí tuệ nhân tạo (AI) và công nghệ cảm biến thông minh trong Internet of Things (IoT) Các cảm biến này đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập thông tin từ môi trường xung quanh, bao gồm các mối nguy hiểm và tình trạng giao thông Hệ thống xe tự hành tích hợp nhiều thiết bị như camera, cảm biến khoảng cách, RADAR và anten RF, giúp xử lý thông tin để đưa ra quyết định an toàn và hiệu quả.
AI trong xe tự hành sẽ dự đoán các tình huống có thể xảy ra, cung cấp cảnh báo và hỗ trợ người lái để đảm bảo an toàn, tránh va chạm trong môi trường xung quanh.
Nhà máy thông minh, hay Smart Factory, là một trong những lĩnh vực đầu tiên ứng dụng IoT trong ngành công nghiệp sản xuất Việc này giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất thông qua giám sát chuỗi cung ứng, quản lý hàng hóa, tự động hóa trong sản xuất hàng loạt, kiểm tra chất lượng và cải tiến sản phẩm Ngoài ra, IoT còn hỗ trợ trong việc đóng gói và quản lý tổng thể nhà máy, mang lại hiệu quả cao về chi phí và quản lý.
GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ WIFI
Wifi, viết tắt của Wireless Fidelity, là hệ thống truy cập internet không dây, sử dụng sóng vô tuyến tương tự như sóng điện thoại, truyền hình và radio Đây là công cụ kết nối thiết yếu cho điện thoại, laptop, máy tính bảng và nhiều thiết bị thông minh khác, bao gồm cả smartwatch.
Nguyên tắc hoạt động của Wifi bắt đầu từ Router, thiết bị thu phát thông tin từ mạng Internet qua kết nối hữu tuyến Router chuyển đổi dữ liệu này thành tín hiệu vô tuyến và phát đi Các thiết bị di động sử dụng bộ chuyển tín hiệu không dây (adapter) để nhận và giải mã tín hiệu, biến nó thành dữ liệu cần thiết cho người dùng.
Quá trình này có thể thực hiện ngược lại, Router nhận tín hiệu vô tuyến từ Adapter và giải mã chúng rồi gởi qua Internet
2.2.2 Một số chuẩn kết nối Wifi hiện nay
Chuẩn 802.11, được IEEE giới thiệu vào năm 1997, là tiêu chuẩn mạng không dây đầu tiên với tốc độ tối đa chỉ 2 Mbps và hoạt động trên băng tần 2.4GHz.
Chuẩn 802.11b được giới thiệu vào tháng 7/1999, hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu lên đến 11Mbps Hoạt động trên băng tần 2.4GHz, chuẩn này dễ bị nhiễu từ các thiết bị điện tử khác.
Chuẩn 802.11a được phát triển song song với chuẩn b, hoạt động ở tần số 5GHz để giảm thiểu nhiễu từ các thiết bị khác Mặc dù tốc độ xử lý của chuẩn này đạt 54 Mbps, nhưng nó gặp khó khăn trong việc xuyên qua các vách tường và có giá thành tương đối cao.
Chuẩn 802.11g cải tiến hơn so với chuẩn 802.11b, nhưng vẫn hoạt động ở tần số 2.4GHz, dẫn đến khả năng bị nhiễu Chuẩn này hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu lên tới 54 Mbps.
Chuẩn 802.11n, ra mắt năm 2009, hiện đang là chuẩn kết nối Wi-Fi phổ biến nhất nhờ những ưu điểm vượt trội so với chuẩn b và g Với tốc độ tối đa lên đến 300Mbps, chuẩn này hỗ trợ hoạt động trên cả băng tần 2,4 GHz và 5 GHz 802.11n không chỉ có phạm vi phát sóng lớn hơn mà còn cung cấp tốc độ cao hơn và giá thành hợp lý, dần dần thay thế chuẩn 802.11g.
Chuẩn 802.11ac, được IEEE giới thiệu vào đầu năm 2013, hoạt động ở băng tầng 5 GHz và mang lại tốc độ cao nhất lên đến 1730 Mbps Tuy nhiên, do giá thành cao, các thiết bị phát tín hiệu cho chuẩn này chưa phổ biến, dẫn đến việc tối ưu hóa hiệu suất bị hạn chế.
Chuẩn 802.11ad, được giới thiệu vào năm 2014, hỗ trợ băng thông lên đến 70 Gbps và hoạt động ở dải tần 60GHz Tuy nhiên, nhược điểm lớn của chuẩn này là sóng tín hiệu khó xuyên qua các bức tường, dẫn đến việc nếu router không nằm trong tầm nhìn, thiết bị sẽ mất kết nối với Wifi.
Chuẩn 802.11ax, hay còn gọi là Wi-Fi 6, là phiên bản nâng cấp mới nhất cho công nghệ mạng không dây Wi-Fi 6 mang lại tốc độ nhanh hơn, dung lượng lớn hơn và hiệu suất năng lượng tốt hơn so với các chuẩn kết nối không dây trước đây Tên gọi Wi-Fi 6 sẽ chính thức được áp dụng từ năm nay.
Wifi Hotspot: Mỗi thiết bị di động không chỉ kết nối theo các chuẩn đã nêu mà còn có khả năng phát sóng Wifi cho các thiết bị khác Điều này có nghĩa là thiết bị di động có thể hoạt động như một Router, cung cấp kết nối internet cho những thiết bị xung quanh.
GOOGLE FIREBASE
Google Firebase là một bộ dịch vụ điện toán đám mây do Google cung cấp, giúp lưu trữ và đồng bộ hóa dữ liệu trên nhiều thiết bị trong thời gian thực Dịch vụ này vẫn hoạt động hiệu quả ngay cả khi ứng dụng đang ở chế độ ngoại tuyến.
Hình 2.2 Logo của Google Firebase [3]
Firebase của Google hỗ trợ nhiều hệ điều hành như Apple, Android và JavaScript SDK, giúp người dùng phát triển ứng dụng trên nhiều nền tảng mà không cần lo lắng về tính tương thích Hệ thống cơ sở dữ liệu NoSQL của Firebase cho phép lưu trữ dữ liệu một cách nhanh chóng và hiệu quả, đảm bảo tốc độ ghi và đọc dữ liệu cực kỳ nhanh chóng.
Các khả năng chính của google firebase bao gồm [4]:
Dữ liệu trong cơ sở dữ liệu thời gian thực của Firebase được đồng bộ hóa ngay lập tức mỗi khi có sự thay đổi Tất cả các thiết bị kết nối sẽ nhận được cập nhật trong vòng vài mili giây, đảm bảo tính chính xác và kịp thời của thông tin.
Ứng dụng Firebase có khả năng hoạt động ngoại tuyến nhờ vào việc lưu trữ cơ sở dữ liệu thời gian thực vào bộ nhớ Điều này cho phép người dùng tiếp tục tương tác với ứng dụng ngay cả khi không có kết nối mạng Khi thiết bị được kết nối lại, dữ liệu sẽ được đồng bộ ngay lập tức với máy chủ, đảm bảo không bỏ lỡ bất kỳ thay đổi nào từ phía máy chủ.
Cơ sở dữ liệu có thể được truy cập không chỉ qua máy chủ ứng dụng mà còn trực tiếp từ các thiết bị di động hoặc ngay trên trình duyệt web.
Người dùng có thể chia nhỏ dữ liệu của mình trên nhiều phiên bản cơ sở dữ liệu trong cùng một dự án Firebase để dễ dàng kiểm soát và theo dõi Đồng thời, họ có khả năng kiểm soát quyền truy cập của các thiết bị khác trong từng cơ sở dữ liệu Việc quản lý quyền truy cập vào dữ liệu được thực hiện thông qua các Quy tắc bảo mật cơ sở dữ liệu thời gian thực của Firebase, được tùy chỉnh cho từng phiên bản cơ sở dữ liệu.
TỔNG QUAN VỀ ESP32
ESP32 là một chip tích hợp Wifi và Bluetooth do Espressif Systems, một công ty Trung Quốc, phát triển Chip này được thiết kế bởi TSMC với công nghệ 40nm, mang lại hiệu suất và công suất tối ưu cho các ứng dụng.
ESP32 được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động với mức tiêu thụ điện năng thấp, thích ứng tốt trong nhiều điều kiện khác nhau Với chi phí sản xuất thấp, giá thành hợp lý, ESP32 trở thành giải pháp lý tưởng cho nhiều ứng dụng IoT hiện nay, bao gồm nhà thông minh, thiết bị điện tử đeo tay, vườn thông minh, và hệ thống giám sát, theo dõi.
• Chip xử lí: ESP32-D0WDSPI Flash: 32Mbits
• Phạm vi tần số: 2.4~2.5GHz
• Bluetooth: Bluetooth v4.2 BR/EDR và BLE
• Hỗ trợ giao diện: UART, SPI, SDIO, I2C, LED PWM, Motor PWM, I2S, IR.
• Chuẩn 30 chân cắm 2.54mm, ra chân đầy đủ module ESP32
• Tích hợp Led Status, nút nhấn BOOT và ENABLE
• Điện áp hoạt động: 2.7 ~ 3.6V (đối với chân 3V3), tối đa 9V (đối với chân Vin)
• Dòng điện hoạt động trung bình: 80 mA
• Dòng điện tối thiểu từ nguồn điện: 500 mA
ESP32 được sử dụng bao gồm có 30 chân, được thể hiện như hình sau:
Hình 2.3 Sơ đồ chân của ESP32 [5]
ESP32 có tổng cộng 25 chân GPIO, bao gồm 15 chân ADC, 4 chân UART, 25 ngõ ra PWM, 2 chân DAC 8bit, 9 chân cảm biến điện dung, 3 chân SPI và 1 chân I2C để kết nối với cảm biến và thiết bị ngoại vi Nó cũng có 4 chân nguồn: 1 chân Vin cho nguồn ngoài, 2 chân GND và 1 chân 3.3V Các chân GPIO cho phép người dùng gán chức năng khác nhau thông qua lập trình, hỗ trợ tín hiệu số và tương tự, cũng như cảm biến điện dung Các chân này có thể được cấu hình để kéo mức cao, mức thấp hoặc đặt làm trở kháng cao.
Hình 2.4 Chân GPIO của ESP32 [5]
Mặc dù ESP32 sở hữu 25 chân GPIO với nhiều chức năng đa dạng, nhưng một số chân không đáp ứng được nhu cầu sử dụng của người dùng.
Trong số các chân GPIO, GPIO 34, GPIO 35, GPIO 36 và GPIO 39 là bốn chân không thể xuất giá trị ngõ ra Những chân này chỉ có thể được cài đặt làm chân tín hiệu ngõ vào để đọc các giá trị tương tự và số Ngoài ra, chúng cũng không thể được cấu hình làm điện trở mức cao hoặc mức thấp như các chân GPIO khác.
ESP32 có 15 chân ADC ngõ vào có thể sử dụng để chuyển tín hiệu tương tự sang tín hiệu số Các chân ADC được thể hiện ở hình sau:
Hình 2.5 Chân ADC của ESP32 [5]
Các chân ADC có khả năng xử lý tín hiệu 12 bit, cho phép phát hiện 4096 mức trạng thái khác nhau Khi điện áp đầu vào nằm trong khoảng từ 0 đến 3.3V, giá trị ADC sẽ thay đổi từ 0 đến 4095 Tỉ lệ điện áp tương ứng là 3.3V chia cho 4096, tương đương với 0.08 mV trên mỗi đơn vị.
Tiếp đó, đây là sơ đồ 2 chân của giap tiếp I2C:
Hình 2.6 Chân giao tiếp I2C của ESP32 [5]
ESP32 hỗ trợ một giao tiếp I2C duy nhất, cho phép kết nối tối đa 112 cảm biến và thiết bị ngoại vi Hai chân SDA và SCL được quy định lần lượt là GPIO21 và GPIO22.
MODULE RELAY
Rơ-le là một linh kiện điện tử thụ động, hoạt động như một công tắc điều khiển, cho phép sử dụng điện áp ngõ vào nhỏ để kích hoạt điện áp ngõ ra lớn hơn Chúng được dùng để điều khiển các thiết bị có công suất cao như bóng đèn, máy bơm và quạt Hiện nay, rơ-le được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống IoT, đặc biệt trong nhà thông minh và khu vườn thông minh, giúp tự động bật tắt thiết bị một cách hiệu quả.
Hình ảnh minh hoạ của một rơ-le như hình dưới:
Hình 2.7 Rơ-le kích mức 5V [7]
Module rơ-le với opto cách ly riêng mang lại độ an toàn cao hơn trong quá trình sử dụng Người dùng có thể tùy chỉnh việc kích mở rơ-le thông qua chân IN ở mức cao hoặc thấp Sản phẩm này phù hợp cho cả điện một chiều (DC) và điện xoay chiều (AC).
- Điện áp hoạt động: 5 VDC
- Dòng tiêu thụ: khoảng 80mA
- Giới hạn áp và dòng tối đa ngõ ra: 250VAC ~ 10A hoặc 30VDC ~ 10A
- 2 đèn thông báo trạng thái của rơ-le đóng hay ngắt
- Do có hai loại kích mức cao và thấp để người dùng có thể tuỳ chọn
CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ DS18B20
Cảm biến DS18B20 của hãng MAXIM là một thiết bị đo nhiệt độ môi trường, được thiết kế dưới hai dạng: IC và dây mềm Phiên bản kim loại có thể gặp khó khăn khi sử dụng trong môi trường ẩm ướt.
Hình 2.8 Cảm biến DS18B20 dạng IC [8]
Hình 2.9 DS18B20 phiên bản dây mềm [9]
Hình 2.10 Sơ đồ chân cảm biến DS18B20 [10]
- Chuẩn giao tiếp 1 dây, cảm biến chỉ cần 1 dây để kết nối và nhận dữ liệu
- Nguồn cần cấp từ 3 VDC đến 5.5 VDC
- Dải đo nhiệt độ: -55 ℃ - 125 ℃ ( -67 ℉ cho đến - 257 ℉)
- Sai số: ±0.5 ℃ khi đo ở khoảng -10 ℃ đến -85 ℃
- Độ phân giải của 9 – 12 bits
- Có thể cấp nguồn chung cho chân data, còn gọi là parasite power
- Thời gian trễ tối đa có thể thay đổi nhiệt độ: 750ms (ở 12 bit).
CẢM BIẾN ÁNH SÁNG BH1750
Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750 tích hợp ADC nội, cho phép đo cường độ ánh sáng theo đơn vị lux Với khả năng xử lý dữ liệu, cảm biến cung cấp giá trị ánh sáng trực tiếp bằng lux thông qua giao thức I2C.
Hình 2.11 Cảm biến ánh sáng BH1750 [11]
Người sử dụng có thể lập trình để đọc giá trị trực tiếp mà không cần thông qua việc tính toán
- Nguồn cấp đầu vào: 3 – 5 VDC
Cường độ ánh sáng trong các điều kiện khác nhau có sự biến đổi rõ rệt Vào những ngày nhiều mây, độ rọi ánh sáng ngoài trời thường dao động từ 50 đến 500 lux Trong khi đó, khi trời nắng nhưng ở trong nhà, cường độ sáng có thể đạt từ 100 đến 1000 lux Ở môi trường tối, độ rọi ánh sáng chỉ khoảng 0.02 lux, nhưng mức tối thiểu được ghi nhận là từ 1 lux, tương ứng với điều kiện ánh sáng tối.
CẢM BIẾN ĐỘ ẨM ĐẤT
Cảm biến độ ẩm đất sử dụng đầu dò để xác định độ ẩm của đất, trả về giá trị số cho người dùng Thiết bị này thường được ứng dụng trong các hệ thống vườn thông minh, giúp thu thập tín hiệu để phân biệt giữa đất ẩm và đất khô Nhờ vào thông tin này, người dùng có thể điều chỉnh điều kiện tưới nước một cách hiệu quả.
Hình 2.12 Cảm biến độ ẩm đất [12]
Hoạt động của cảm biến khá đơn giản Đầu dò hình nĩa với hai dây dẫn được
Cảm biến 17 kết nối với mạch tích hợp IC LM393, hoạt động như một biến trở điều chỉnh theo hàm lượng nước trong đất Giá trị điện trở của cảm biến thay đổi tỷ lệ nghịch với độ ẩm của đất; khi đất ẩm, điện trở giảm, dẫn đến khả năng dẫn điện tốt hơn Ngược lại, khi độ ẩm thấp, điện trở tăng Cảm biến cung cấp điện áp đầu ra tương ứng với điện trở, giúp người dùng xác định chính xác mức độ ẩm trong đất.
Các loại đất khác nhau có thể ảnh hưởng đến độ nhạy của cảm biến khi đo đạc, do đó người sử dụng cần tự hiệu chuẩn phạm vi thông số đo đạc của cảm biến để xác định trạng thái của đất một cách chính xác.
- < 500: đất lúc này quá ẩm ướt, với độ ẩm cao
- Từ 500- 700: đất bình thường, độ ẩm cân bằng
- >750: đất khô, độ ẩm thấp cần phải tưới nước
- Điện áp hoạt động: 3.3 – 5 VDC
Đầu ra D0 cung cấp tín hiệu số với hai mức: cao và thấp, cho phép điều chỉnh độ ẩm mong muốn thông qua biến trở kết hợp với mạch so sánh LM393 tích hợp.
- Đầu ra A0 (đầu ra analog)
Để đọc giá trị trung bình của cảm biến độ ẩm đất, cần xây dựng một hàm với ngưỡng giá trị ADC từ 0 đến 1023, tương thích với tỷ lệ phần trăm từ 0 đến 100%.
- Đất khô: Giá trị ADC: 1023 => 100%
- Đất ẩm ướt: Giá trị ADC: 0 => 0%
CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM DHT11
Cảm biến DHT11 là một lựa chọn phổ biến để đo nhiệt độ và độ ẩm do chi phí thấp Nó phát hiện hơi nước bằng cách đo giữa hai điện cực, với độ ẩm cao làm giảm điện trở và độ ẩm thấp thì ngược lại Đo nhiệt độ được thực hiện thông qua cảm biến nhiệt tích hợp Thiết bị này được sử dụng để theo dõi độ ẩm không khí trong quá trình trồng lan, với nhiệt độ cần giám sát từ 5 - 35 °C và độ ẩm từ 60 - 80% ở Việt Nam.
- Điện áp ngõ vào: 3 - 5VDC
- Khoảng độ ẩm: từ 20 đến 90 % Ở 100% không khí càng ẩm, ngược lại ở 0% thì không khí càng khô
- Khoảng nhiệt độ: 0 đến 50°C (sai số 2°C)
- Lấy mẫu với tần số 1 lần/ giây
LCD 20X4 KẾT HỢP MODULE I2C
Màn hình LCD là thiết bị hiển thị thông tin phổ biến và kinh tế, có khả năng trình bày đa dạng các ký tự như chữ, số và hình ảnh đồ họa.
LCD được kết nối vào mạch theo nhiều cách giao thức giao tiếp khác nhau
Từ việc kết nối trực tiếp với vi điều khiển, cho đến giao tiếp I2C,
- Điện áp hoạt động: 5 VDC
- Hiển thị được 80 kí tự với toàn bộ màn hình
Việc sử dụng màn hình LCD thường gặp khó khăn do cần nhiều chân kết nối, vì vậy việc sử dụng module I2C là cần thiết để giảm số lượng kết nối với khối điều khiển trung tâm Module chuyển đổi giao tiếp I2C kết hợp với driver HD44780 có thể áp dụng cho nhiều loại màn hình LCD như LCD 1602, LCD 2004, và các loại khác.
Hình 2.15 Module giao tiếp I2C với LCD [14]
- Điện áp ngõ vào: 2.5 - 6VDC
- Hỗ trợ màn hình: LCD 2004
- Tích hợp Jump cho việc cung cấp đèn nền cho LCD hoặc ngắt kết nối
- Điều chỉnh biến trở xoay để thay đổi độ tương phản màn hình
ĐỘNG CƠ BƠM NƯỚC 12V
Động cơ bơm nước có nhiều ứng dụng đa dạng, bao gồm phun sương tưới cây, rửa xe, làm mát không gian sống, cũng như trang trí và tạo cảnh quan.
[15] Động cơ Máy Bơm Mini MB385 6-12VDC sẽ được nhóm sử dụng với chức năng phun sương qua béc phun sương để tạo độ ẩm cho cây trồng
Để tưới nước hiệu quả và thuận tiện, việc lựa chọn ống dẫn và béc phun nước là rất quan trọng Béc phun, hay còn gọi là đầu phun nước, có thể được lắp cố định trên ống phun để tối ưu hóa quá trình tưới.
Máy bơm hoạt động khi được cấp nguồn 12VDC, với đầu hút được đặt vào bể nước Động cơ sẽ bơm nước qua ống dẫn, và khi nước đi qua các béc, nó sẽ được phun ra ngoài.
- Điện áp ngõ vào: 12VDC
- Lưu lượng nước: 1 - 2 lít/ phút
MẠCH HẠ ÁP DC-DC BUCK 5A XL4015E
Mạch Buck là bộ chuyển đổi DC-DC thông dụng, có chức năng chuyển đổi điện áp cao thành điện áp thấp hơn Nó không chỉ giúp chuyển đổi năng lượng hiệu quả mà còn tăng tuổi thọ pin và giảm nhiệt độ trong quá trình hoạt động.
Phương pháp giảm áp xung được sử dụng để giảm áp DC với dòng đầu ra lên đến 5A, mạch tích hợp đồng hồ LED và phím chức năng giúp chọn hiển thị áp đầu vào và đầu ra, thuận tiện cho việc theo dõi Mạch hạ áp DC XL4015 có dòng tối đa 5A, kích thước nhỏ gọn, hiệu suất tốt và hoạt động ổn định, rất phù hợp cho việc thiết kế nguồn cho các thiết bị nhỏ gọn, hệ thống camera giám sát, thiết bị tự động và điện tử.
- Model: XL4015-ADJ DC-DC 5A
- Hiệu suất chuyển đổi: lên đến 96%
- Kích thước bên ngoài: 66x39x18mm
CÂY SƯỞI ẤM HỒ CÁ 100W RS-208B
Sự thay đổi yếu tố môi trường trong hồ cá, đặc biệt là chênh lệch nhiệt độ vào mùa đông, có thể làm cá trở nên lười hoạt động và dễ mắc bệnh Khi trời lạnh, cá thường co cụm ở đáy hồ, nơi có nhiều mầm bệnh Cây sưởi là giải pháp hiệu quả giúp điều chỉnh môi trường hồ cá, với khả năng điều chỉnh nhiệt độ phù hợp theo từng mùa Vào mùa hè, người dùng có thể giảm nhiệt độ hoặc tắt thiết bị khi không cần thiết.
Sản phẩm có công suất lên tới 100W, theo hướng dẫn sử dụng Do được làm từ thủy tinh, cần sử dụng nhiệt kế để đo nhiệt độ môi trường nước, vì có sự chênh lệch từ 1 đến 2 độ Phạm vi làm ấm của sản phẩm rất hiệu quả.
Nhiệt độ nước lý tưởng cho cá dao động từ 20 đến 32 độ, tùy thuộc vào từng loại cá Khi sử dụng, cần đảm bảo chìm hoàn toàn trong nước để tránh tình trạng nổ do để trên cạn Sau khi sưởi, nên đợi ít nhất 10 đến 15 phút trước khi lấy thiết bị sưởi ra khỏi bể, vì sự chênh lệch nhiệt độ đột ngột có thể gây nổ Thiết bị chỉ nên được sử dụng trong bể nhỏ với thể tích từ 50-150 lít.
LỌC VI SINH QS 200A
Máy lọc QS là thiết bị lý tưởng cho bể thủy sinh, có khả năng loại bỏ bụi bẩn và mùn trong nước, giúp nước trong sạch hơn Đồng thời, máy còn cung cấp oxy hòa tan, tạo môi trường sống cho vi sinh vật có lợi, giúp phân hủy chất mùn và các chất hữu cơ, từ đó đảm bảo chất lượng nước tốt cho sự phát triển của cá.
Đầu lọc vi sinh với thiết kế nhỏ gọn, dễ dàng gắn trên thành bể, hoạt động hiệu quả cùng máy sủi Để vệ sinh, chỉ cần tháo phần mút lọc, rửa sạch và lắp lại, quy trình này nên thực hiện từ 2 tuần đến 1 tháng một lần Sản phẩm này phù hợp cho bể cá có thể tích dưới 100 lít.
ỨNG DỤNG KEDULAR
nhiệt độ nước dưới 25°C Bật đèn khi trời tối hay khi cường độ sáng môi trường bé hơn 50 lux
- Nghiên cứu việc truyền và nhận cơ sở dữ liệu giữa các thiết bị phần cứng
- Tìm hiểu và xây dựng hệ thống giám sát, điều khiển thông qua app
1.5 BỐ CỤC QUYỂN BÁO CÁO
Bố cục của đồ án được trình bày gồm 5 phần như sau:
Bài viết này cung cấp cái nhìn tổng quan về đề tài nghiên cứu, xác định mục tiêu cụ thể và giới hạn của nghiên cứu Nó cũng trình bày các phương pháp nghiên cứu được áp dụng, đối tượng nghiên cứu cũng như phạm vi nghiên cứu Cuối cùng, bài viết sẽ nêu rõ bố cục của quyển báo cáo để người đọc dễ dàng theo dõi.
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chương này cung cấp cái nhìn tổng quan về lý thuyết ứng dụng Internet of Things (IoT) hiện nay, bao gồm cách giao tiếp giữa các thiết bị phần cứng và phần mềm Nó nhấn mạnh vai trò của vi xử lý như bộ điều khiển trung tâm và mô tả các thiết bị có trong hệ thống IoT.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG
YÊU CẦU VÀ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG
Hệ thống có các chức năng sau:
- Giám sát nhiệt độ, độ ẩm, cường độ ánh sáng môi trường
- Giám sát được nhiệt độ nước của hồ cá
- Tự động bật đèn sưởi ấm hồ cá khi nhiệt độ nước thấp
- Tự động bật và tắt động cơ tưới nước khi độ ẩm đất vượt ngưỡng
- Tự động bật và tắt đèn khi trời tối
- Xem các thông số cảm biến, điều khiển thiết bị máy bơm nước, đèn sưởi ấm và đèn chiếu sáng từ xa qua thiết bị di động
3.1.2 Sơ đồ khối và chức năng
Sau khi tiến hành nghiên cứu, nhóm thực hiện đã tổng hợp mô hình hoạt động của đồ án tốt nghiệp thông qua sơ đồ hệ thống.
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống a) Board điều khiển
Khối điều khiển trung tâm đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập dữ liệu từ cảm biến và tín hiệu nút nhấn Sau khi xử lý thông tin, nó sẽ gửi dữ liệu này để điều khiển các khối chức năng khác trong hệ thống.
- Khối cảm biến: thu thập dữ liệu từ môi trường bên ngoài và đưa dữ liệu đến bộ điều khiển trung tâm để xử lý
Khối điều khiển thiết bị chịu trách nhiệm điều khiển rơ-le để bật tắt bơm nước, hệ thống sưởi và đèn theo yêu cầu của hệ thống Nó chờ nhận dữ liệu từ khối điều khiển trung tâm để thực hiện các chức năng này.
Khối điều khiển cho phép người dùng thực hiện việc điều chỉnh các thông số một cách thủ công khi cần thiết, đồng thời hỗ trợ khả năng điều khiển từ xa thông qua website, mang lại sự tiện lợi và linh hoạt trong việc sử dụng.
- Khối hiển thị: hiển thị các thông số quan trọng cho người dùng quan sát trên màn hình LCD và quan sát từ xa từ website
- Khối nguồn: cung cấp điện áp cho hệ thống đảm bảo cung cấp nguồn ổn định cho hệ thống hoạt động tốt firebase ứng dụng quản lý wifi wifi
BOARD ĐIỀU KHIỂN ANDROID PHONE
30 b) Ứng dụng quản lý trên điện thoại
- Cho phép người dùng có thể quan sát và theo dõi thông số cảm biến của hệ thống
- Chọn chế độ tự động để hệ thống tự điều khiển các thiết bị, chọn chế độ thủ công để có thể điều khiển thiết bị bằng tay
- Ứng dụng thuận tiện, dễ dàng cho người dùng
3.1.3 Hoạt động của hệ thống
Sau khi cấp nguồn cho hệ thống, hệ thống hoạt động theo các bước như sau:
- Bước 1: Điện áp từ mạch nguồn sẽ được cấp cho toàn bộ hệ thống từ khối cảm biến, khối động cơ, khối điều khiển trung tâm, để hoạt động
- Bước 2: Khối điều khiển trung tâm sau khi cấp nguồn sẽ ngay lập tức kết nối đến Wifi được thiết lập trước
Khối cảm biến thu thập dữ liệu bên ngoài và gửi về khối trung tâm để xử lý Các chức năng và thông số sẽ được hiển thị trên màn hình LCD, đồng thời dữ liệu sẽ được cập nhật lên Realtime Firebase.
- Bước 4: Các dữ liệu sẽ được cập nhật xuống ứng dụng đã cài đặt trước trên thiết bị di dộng
- Bước 5: Khi các thông số của khối cảm biến chạm đến mức cài đặt trước, khối điều khiển trung tâm sẽ điều khiển các khối thiết bị hoạt động
- Bước 6: Ở chế độ thủ công, cho phép người dùng điều khiển thiết bị qua ứng dụng trên thiết bị di động, điều khiển bằng nút nhấn trên hệ thống.
THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
3.2.1 Khối điều khiển trung tâm
Khối điều khiển trung tâm chịu trách nhiệm đọc thông số từ khối cảm biến, sau đó truyền dữ liệu đến khối hiển thị để hiển thị trên màn hình LCD Đồng thời, nó cũng điều khiển khối động cơ khi các thông số cảm biến đạt mức giới hạn đã được thiết lập trước.
Board ESP32 DEVKIT V1 sẽ được nhóm lựa chọn để giao tiếp với các cảm biến, điều khiển động cơ và đưa dữ liệu lên internet.
31 khi tìm hiểu theo datasheet, ESP32 sẽ được kết nối như sau:
Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển trung tâm
Khối cảm biến được kết nối như sau: chân VP kết nối với cảm biến đo độ ẩm đất (A0), chân D15 kết nối với cảm biến DHT11, cảm biến cường độ ánh sáng BH1750 sử dụng chung 2 chân SCL và SDA ở khối hiển thị LCD tương ứng với chân D22 và D21, và chân D4 kết nối với cảm biến đo nhiệt độ nước (DS18B20).
- Khối điều khiển thiết bị: chân D13 kết nối với đèn sưởi (SUOI); chân D12 kết nối với đèn chiếu sáng (DEN); chân D14 kết nối động cơ bơm nước (BOM)
Khối điều khiển bao gồm các chân kết nối quan trọng: chân D5 được sử dụng để kết nối nút nhấn điều khiển đèn, chân D18 kết nối với nút nhấn điều khiển bơm nước, và chân D19 kết nối với nút nhấn điều khiển thiết bị sưởi ấm hồ cá.
Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến
Khối cảm biến bao gồm cảm biến cường độ ánh sáng BH1750, cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11, cảm biến độ ẩm đất và cảm biến nhiệt độ nước DS18B20 Các chân Vcc của các cảm biến này được cấp nguồn 5Vdc, trong khi chân GND được kết nối với GND của khối nguồn.
Cảm biến độ ẩm đất là thiết bị có 2 chân ngõ ra, bao gồm ngõ ra tương tự và ngõ ra số Trong đó, chân ngõ ra tương tự được sử dụng và được kết nối với chân A0 (SOIL) của khối điều khiển trung tâm.
Cảm biến ánh sáng BH1750 được thiết kế với khả năng tích hợp I2C, cho phép kết nối dễ dàng Để đọc dữ liệu từ cảm biến, các chân SCL và SDA của BH1750 cần được nối với chân D22 và D21 của khối điều khiển trung tâm.
- Cảm biến DHT11: Sử dụng cho việc đo nhiệt độ và độ ẩm trong không khí Được kết nối với chân D15 của khối điều khiển trung tâm (DHT11)
Cảm biến DS18B20 được chọn để đo nhiệt độ trong môi trường nước nhờ vào thiết kế dây mềm, phù hợp cho hệ thống Cảm biến này được kết nối với điện trở 4.7kΩ và hoạt động ở mức thấp, với chân tín hiệu được nối với chân D4 của khối điều khiển trung tâm.
3.2.3 Khối hiển thị Để có thể quan sát trực tiếp các thông số trên mô hình nhóm đã quyết định sử dụng một module LCD20x4 có tích hợp I2C để dễ dàng quan sát Sơ đồ khối của khối hiển thị như sau:
Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý khối module LCD kết nối IC2
Màn hình LCD 20x4 được tích hợp chuẩn giao tiếp I2C, kết nối các chân SCL và SDA với chân D22 và D21 của khối điều khiển trung tâm Đồng thời, hai chân VDD và VSS được nối với nguồn Vcc và GND từ khối nguồn.
3.2.4 Khối điều khiển thiết bị
Việc sử dụng module relay mang lại sự linh hoạt cho các thiết bị có điện áp vào lớn hơn Như trong nghiên cứu của nhóm, module relay cho phép điều khiển động cơ và đèn hoạt động hiệu quả ở mức điện áp cao.
Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý khối động cơ và đèn
Ba module relay hoạt động bằng cách nhận tín hiệu từ khối điều khiển trung tâm qua chân IN Cụ thể, chân IN của ba module (SUOI, DEN, BOM) được kết nối với khối trung tâm thông qua ba chân tương ứng là D13, D12 và D14.
- 2 chân cấp nguồn cho relay DC+ và DC- được kết nối với nguồn 5V
Ở ngõ ra, chân COM kết nối với điện áp dương của thiết bị, trong khi chân NO được nối với nguồn cấp hoạt động cho thiết bị Đối với module relay điều khiển đèn chiếu sáng và động cơ bơm, chân NO sẽ kết nối với nguồn vào 12Vdc, và chân âm của thiết bị sẽ được nối với GND của nguồn 12Vdc.
NO sẽ nối với nguồn 220Vac
Khối điều khiển được thiết kế với 3 nút nhấn, cho phép điều khiển các thiết bị như đèn chiếu sáng, bơm nước và hệ thống sưởi ấm hồ cá Điện áp cấp tại ngõ vào là 3V và hoạt động ở mức cao Khi nhấn nút điều khiển, thiết bị tương ứng sẽ bật và hoạt động, trong khi khi ở mức thấp, thiết bị sẽ ngừng hoạt động.
Hình 3.6 Khối điều khiển nút nhấn
Sử dụng Adapter 12V 2A để cấp nguồn cho hệ thống hoạt động
Bảng 3.1 Thống kê điện áp, dòng hoạt động
TÊN LINH KIỆN ĐIỆN ÁP
DÒNG HOẠT ĐỘNG TRUNG BÌNH
CẢM BIẾN ĐỘ ẨM ĐẤT 5V 15mA
Nhóm sử dụng nguồn 5V-1.5A và 12V-2A cho máy bơm và đèn chiếu sáng, cùng với nguồn 220VAC cho thiết bị sưởi ấm nước hồ cá Mạch nguồn được thiết kế với Adapter 12V, sau đó sử dụng bộ mạch Buck DC-DC để hạ áp thành 5V Đối với nguồn 220V, nhóm thực hiện kết nối với rơ-le để điều khiển thiết bị sưởi ấm.
Hình 3.7 Mạch nguồn kết nối với mạch DC-DC
3.2.7 Sơ đồ khối toàn hệ thống
Sau khi thiết kế các khối và kết nối các khối lại với nhau được sơ đồ khối hệ thống như hình
Hình 3.8 Sơ đồ toàn hệ thống
3.2.8 Lưu đồ giải thuật hệ thống
Quy trình hoạt động của toàn bộ phần cứng được thể hiện qua lưu đồ giải thuật như hình:
KHAI BÁO THƯ VIỆN, ĐỊNH NGHĨA CHÂN,
KHAI BÁO BIẾN, KHAI BÁO WIFI VÀ FIREBASE ĐỌC DỮ LIỆU CẢM BIẾN XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ BAUD
TẮT ĐÈN ĐỌC TRẠNG THÁI ON/OFF TRÊN FIREBASE, TRẠNG THÁI NÚT NHẤN
WIFI ĐÃ ĐƯỢC KẾT NỐI
BẬT ĐÈN TẮT ĐÈN BẬT ĐÈN
CƯỜNG ĐỘ ÁNH SÁNG=