Thiết kế và thi công hệ thống thông minh giám sát, điều khiển thiết bị điện trong gia đình và khu vườn ứng dụng công nghệ mạng lora và webserver

TỔNG QUAN

ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong thời kỳ công nghệ 4.0 hiện nay, máy móc ngày càng hiện đại đã thay thế sức lao động con người trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là nông nghiệp Với hơn 65,4% dân số sống ở nông thôn và 42% lao động trong ngành nông nghiệp, nông nghiệp công nghệ cao đang trở thành xu hướng chủ đạo Công nghệ tiên tiến được áp dụng nhằm cải thiện chất lượng và năng suất nông sản, đồng thời giảm thiểu công sức lao động Việc giám sát các thông số như ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm và lượng mưa, cùng với khả năng điều khiển các thiết bị như đèn, quạt và bơm nước, giúp tối ưu hóa quá trình sản xuất nông nghiệp.

Việc tìm kiếm giải pháp mới để nâng cao chất lượng nông sản và năng suất thu hoạch đã trở thành ưu tiên hàng đầu của nhà nước trong những năm qua Các ứng dụng công nghệ mới, đặc biệt là IoT (Internet Of Things), đã giúp tối ưu hóa việc chăm sóc, thu hoạch và phát hiện vấn đề nguy hại đến cây trồng, từ đó nâng cao năng suất cây trồng một cách đáng kể Nhóm chúng tôi đã chọn đề tài “Thiết kế và thi công hệ thống thông minh giám sát, điều khiển các thiết bị điện trong gia đình và khu vườn ứng dụng công nghệ mạng Lora và Webserver”, vì Lora là công nghệ mạng không dây với khả năng truyền tải tín hiệu xa 5-10Km, tiêu tốn ít năng lượng và có giá thành hợp lý.

Bộ môn Điện tử Công nghiệp - Y sinh 2 rất thích hợp cho các ứng dụng IoT trong nông nghiệp, nhờ khả năng trao đổi dữ liệu ở mức thấp và duy trì trong thời gian dài.

MỤC TIÊU

Hệ thống giám sát và điều khiển giúp theo dõi các thông số nhiệt độ và độ ẩm, đồng thời điều khiển thiết bị như đèn và máy bơm trong khu vườn Với công nghệ mạng LORA, người dùng có thể điều khiển các thiết bị điện trong nhà như đèn và quạt Tất cả dữ liệu từ hệ thống đều có thể được theo dõi từ xa qua Webserver, mang lại sự tiện lợi và hiệu quả cho người sử dụng.

Hệ thống bao gồm một Master, đóng vai trò là bộ điều khiển trung tâm, giám sát và điều khiển tất cả các thiết bị trong hệ thống, cùng với hai Slave được đặt tại hai khu vườn khác nhau.

GIỚI HẠN

- Hệ thống có thể thêm giám sát bằng camera tại mỗi bộ điều khiển và thêm nguồn dự phòng khi có sự cố mất điện

- Phát triển thêm nhiều tính năng tiện ích, ứng dụng trong ngôi nhà IOTs như: Hệ thống cảnh báo chống trộm, hệ thống cảnh báo cháy

- Board mạch của bộ xử lý trung tâm được đặt trong hộp mica có kích thước 15x15x8cm

- Board mạch của hai bộ xử lý con được đặt trong hộp mica có kích thước 10x15x8cm.

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

- Nội dung 1: Kết nối bộ xử lý trung tâm với hai bộ xử lý con để thu thập dữ liệu và điều khiển các thiết bị

- Nội dung 2: Kết nối hai bộ xử lý con với các cảm biến và thiết bị để thu thập dữ liệu và điều khiển các thiết bị

- Nội dung 3: Kết nối NodeMCU ESP32 với Internet để cập nhật dữ liệu dùng cho việc hiển thị

- Nội dung 4: Nghiên cứu xây dựng Webserver giám sát và điều khiển hệ thống

- Nội dung 5: Thiết kế mô hình hệ thống

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3

- Nội dung 6: Nguyên cứu lập trình để giao tiếp giữa Webserver, Module Wifi,

Arduino, các cảm biến và Lora

- Nội dung 7: Thi công phần cứng, chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống

- Nội dung 8: Viết báo cáo thực hiện

- Nội dung 9: Bảo vệ luận văn.

BỐ CỤC

Chương này giới thiệu lý do chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu, giới hạn của đề tài, các nội dung sẽ được nghiên cứu và cấu trúc của báo cáo.

- Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Chương này trình bày các lý thuyết liên quan đến đề tài từ đó có cơ sở để thực hiện thiết kế và thi công đề tài

- Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán

Chương này trình bày về các yêu cầu của đề tài, sơ đồ khối và các thiết kế, tính toán liên quan đến đề tài

- Chương 4: Thi Công Hệ Thống

Chương này sẽ tóm tắt quá trình thực hiện và hoàn thành hệ thống Lắp ráp và kiểm tra để hoàn thiện sản phẩm

- Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá

Chương này trình bày kết quả cuối cùng của đề tài Từ đó rút ra nhận xét và đánh giá

- Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển

Chương này sẽ tổng kết mô hình đã hoàn thiện so với mục tiêu ban đầu, đồng thời đề xuất các hướng phát triển cho đề tài trong tương lai.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

GIỚI THIỆU CÁC CHUẨN TRUYỀN THÔNG

2.1.1 CHUẨN TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY WIFI

WiFi (Wireless Fidelity) là hệ thống mạng không dây sử dụng các sóng vô tuyến, tương tự như điện thoại di động, truyền hình và radio

WiFi hiện nay là công cụ kết nối thiết yếu cho điện thoại, máy tính và các thiết bị IoT trong nhà thông minh Nó hoạt động bằng cách truyền và nhận sóng vô tuyến, chuyển đổi mã nhị phân sang sóng vô tuyến và ngược lại So với các sóng vô tuyến khác, WiFi sử dụng tần số 2.4 GHz hoặc 5 GHz, cao hơn so với tần số của điện thoại di động, thiết bị cầm tay và truyền hình Tần số cao này cho phép tín hiệu mang theo nhiều dữ liệu hơn, nâng cao khả năng kết nối.

Hiện nay, hầu hết các thiết bị WiFi đều tuân theo chuẩn 802.11n, hoạt động ở tần số 2.4GHz với tốc độ tối đa 300 Megabit/s Kết nối WiFi dựa trên chuẩn IEEE 802.11, chủ yếu phát trên băng tần 54 Mbps và có tín hiệu mạnh nhất trong khoảng cách 100 feet.

UART, viết tắt của Universal Asynchronous Receiver/Transmitter, là một vi mạch tích hợp trong vi điều khiển, khác với các giao thức truyền thông như I2C và SPI Chức năng chính của UART là truyền dữ liệu nối tiếp, cho phép giao tiếp giữa hai thiết bị thông qua hai phương thức: giao tiếp dữ liệu nối tiếp và giao tiếp dữ liệu song song Đây là chuẩn giao tiếp phổ biến, thường được sử dụng trong việc kết nối giữa các vi điều khiển và các thiết bị khác.

Hình 2.1 Chuẩn truyền thông UART

Trong giao tiếp UART, có hai loại chính là truyền UART và nhận UART, cho phép giao tiếp trực tiếp giữa chúng Để thực hiện điều này, chỉ cần hai cáp kết nối giữa các chân truyền (Tx) và nhận (Rx) của UART Việc truyền dữ liệu từ Tx UART sang Rx UART được thực hiện một cách không đồng bộ, tức là không cần tín hiệu CLK để đồng bộ hóa các bit đầu ra.

Hình 2.2 Giao tiếp UART giữa 2 thiết bị

➢ Một vài thông số trong truyền nhận UART:

Bit bắt đầu, hay còn gọi là start bit, là bit đầu tiên được truyền trong một Frame, có vai trò quan trọng trong việc thông báo cho thiết bị nhận rằng một gói dữ liệu sắp được truyền đến Bit này là yếu tố bắt buộc để đảm bảo quá trình truyền dữ liệu diễn ra chính xác.

Stop bit là một hoặc nhiều bit dùng để thông báo cho thiết bị nhận rằng quá trình gửi dữ liệu đã hoàn tất Thiết bị nhận sẽ thực hiện việc kiểm tra khung truyền để đảm bảo tính chính xác của dữ liệu, vì vậy bit này là bắt buộc.

- Frame: quy định về số bit trong mỗi lần truyền

- Parity bit: kiểm tra dữ liệu truyền có đúng không Trên thực tế, bit này không được sử dụng rộng rãi nên không bắt buộc

Dữ liệu cần truyền là các bit thông tin được gửi từ bên gửi đến bên nhận Độ dài khung dữ liệu thường nằm trong khoảng từ 5 đến 8 bit, và nếu không sử dụng bit chẵn lẻ, chiều dài có thể lên đến 9 bit Thông thường, bit LSB (Least Significant Bit) của dữ liệu sẽ được truyền trước, điều này rất hữu ích cho quá trình truyền tải.

SPI, viết tắt của Serial Peripheral Interface, là một giao thức truyền thông được phát triển bởi Motorola Giao thức này hoạt động theo mô hình Master-Slave và cho phép truyền dữ liệu song công toàn phần, nghĩa là quá trình truyền và nhận dữ liệu có thể diễn ra đồng thời.

SPI sử dụng 4 đường giao tiếp nên đôi khi được gọi là chuẩn truyền thông “ 4 dây”

- SCK (Serial Clock): Thiết bị Master tạo xung tín hiệu SCK và cung cấp cho

Slave Xung này có chức năng giữ nhịp cho giao tiếp SPI Mỗi nhịp trên chân SCK báo

1 bit dữ liệu đến hoặc đi → Quá trình ít bị lỗi và tốc độ truyền cao

MISO (Master Input Slave Output) refers to the signal generated by the Slave device and received by the Master device It is essential to connect the MISO line between the Master and Slave devices for proper communication.

MOSI (Master Output Slave Input) là tín hiệu do thiết bị Master tạo ra và được thiết bị Slave nhận Để đảm bảo hoạt động hiệu quả, đường MOSI cần phải được kết nối giữa thiết bị Master và thiết bị Slave.

SS (Slave Select) là tín hiệu dùng để chọn thiết bị Slave cụ thể trong giao tiếp Để thiết lập kết nối với thiết bị Slave, Master cần kéo chân SS tương ứng xuống mức 0 (Low).

Bộ môn Điện tử Công nghiệp - Y sinh 7 thường được biết đến với tên gọi CS (Chip Select) Chân SS của vi điều khiển (Master) có thể được người dùng tạo ra bằng cách cấu hình một chân GPIO bất kỳ ở chế độ Output.

I2C (Inter-Integrated Circuit) là giao thức giao tiếp nối tiếp đồng bộ do Philips Semiconductors phát triển, cho phép truyền nhận dữ liệu giữa các IC thông qua chỉ hai đường tín hiệu.

Các bit dữ liệu sẽ được truyền từng bit một theo các khoảng thời gian đều đặn được thiết lập bởi 1 tín hiệu xung Clock

Bus I2C thường được sử dụng để giao tiếp ngoại vi cho rất nhiều loại IC khác nhau như các loại vi điều khiển, cảm biến, EEPROM,…

I2C sử dụng 2 đường truyền tín hiệu:

- SCL - Serial Clock Line: Tạo xung Clock do Master phát đi

- SDA - Serial Data Line: Đường truyền nhận dữ liệu

Giao tiếp I2C bao gồm quá trình truyền nhận dữ liệu giữa các thiết bị chủ tớ, hay Master - Slave

Thiết bị Master là một vi điều khiển có chức năng điều khiển tín hiệu SCL và thực hiện việc gửi, nhận dữ liệu hoặc lệnh qua đường SDA đến các thiết bị khác.

Các thiết bị nhận lệnh và tín hiệu từ thiết bị Master được gọi là thiết bị Slave, thường là các IC hoặc vi điều khiển.

GIỚI THIỆU MẠNG LORA

LoRa là công nghệ không dây cho phép truyền dữ liệu thấp trên khoảng cách lớn, phục vụ cho các cảm biến và bộ truyền động trong M2M và IoT Công nghệ này hỗ trợ kết nối M2M với khoảng cách lên tới 15-20 km và có khả năng kết nối hàng triệu node mạng LoRa hoạt động trên băng tần không cần cấp phép, với tốc độ truyền từ 0,3 kbps đến khoảng 30 kbps.

Mạng LoRa rất phù hợp cho các thiết bị thông minh cần trao đổi dữ liệu ở mức thấp nhưng kéo dài thời gian sử dụng Các thiết bị sử dụng công nghệ LoRa có khả năng duy trì kết nối và chia sẻ dữ liệu lên đến 10 năm chỉ với một nguồn năng lượng pin.

Mô hình sử dụng mạng LoRa và IoT bao gồm ba khối chính:

Khối Gateway, hay còn gọi là khối điều khiển chính, sử dụng vi điều khiển để thu thập dữ liệu và gửi tín hiệu điều khiển đến các node cảm biến qua mạng Lora, cũng như thông qua giao tiếp wifi hoặc bluetooth Dữ liệu thu thập được sẽ được truyền tải lên web server thông qua giao thức MQTT.

Các sensor node sử dụng mạng LoRa để truyền tải dữ liệu về nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ khí CO và cường độ sáng từ cảm biến đến khối Gateway Trong bài viết này, dữ liệu nồng độ khí CO từ sensor node sẽ được gửi về Gateway để thực hiện đánh giá.

Máy chủ hiển thị giao diện người dùng, tạo ra các biểu đồ thể hiện giá trị đọc từ cảm biến và lưu trữ các giá trị này để đánh giá hiệu suất hoạt động của hệ thống cùng với các chức năng điều khiển thiết bị.

GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG

2.3.1 VI ĐIỀU KHIỂN a Board Arduino Nano

Arduino Nano là phiên bản nhỏ gọn của các board như Arduino Uno R3, được thiết kế để sử dụng với breadboard Mặc dù kích thước nhỏ, Arduino Nano vẫn sở hữu đầy đủ chức năng giống như các board Arduino khác nhờ vào việc sử dụng vi điều khiển Atmega328P.

Trên board tích hợp opamp tự động chuyển nguồn khi có điện áp cao hơn vào board nên board không cần sử dụng công tắc chọn nguồn

Board Arduino Nano sử dụng chip FTDI FT232RL để chuyển đổi COM sang UART, khác với các board Arduino khác sử dụng chip giả lập COM Điều này giúp việc truyền UART trở nên đơn giản hơn và hiệu quả hơn so với các board sử dụng chip giả lập.

- Thiết kế chuẩn kích thước, chân Arduino Nano

- IC nạp và giao tiếp UART: CH340

- Điện áp cấp: 5VDc cổng USB hoặc 6-9VDc chân Raw

- Mức điện áp giao tiếp GPIO: TTL 5VDc

- Số chân GPIO: 14 chân, trong đó có 6 chân PWM

- Số chân Analog: 8 chân (hơn Arduino Nano 2 chân)

- Bộ nhớ Flash: 32KB (2KB Bootloader)

- Tích hợp Led báo nguồn, led chân D13, LED RX, TX

- Tích hợp IC chuyển điện áp 5V LM1117

- Kích thước: 18.542 x 43.18mm b Board WiFi ESP32 NodeMCU

ESP32 là một SoC giá rẻ từ Espressif Systems, kế thừa ESP8266, với các phiên bản lõi đơn và lõi kép của bộ vi xử lý 32-bit Xtensa LX6 Nó tích hợp Wi-Fi và Bluetooth, cùng với các thành phần RF như bộ khuếch đại công suất, bộ khuếch đại nhận tiếng ồn thấp, công tắc ăng-ten, bộ lọc và Balun RF Những tính năng này giúp đơn giản hóa thiết kế phần cứng, giảm thiểu số lượng linh kiện bên ngoài cần thiết.

Module hỗ trợ các chuẩn giao tiếp SPI, UART, I2C và I2S và có khả năng kết nối với nhiều ngoại vi như các cảm biến, các bộ khuếch đại…

Hình 2.6 Board WiFi ESP32 NodeMCU

- Điện áp sử dụng: 3 - 3.6VDC

- Dòng điện sử dụng: 90mA

- 448 KB ROM for booting and core functions

- Bộ nhớ: 448 Kbyte ROM, 520 Kbyte SRAM, 6 Kbyte SRAM trên RTC và QSPI hỗ trợ đèn flash / SRAM chip16 KB SRAM in RTC

- Wi-Fi: 802.11 B/g/n/E/I (802.11N @ 2.4 GHz lên đến 150 Mbit/S)

- Bluetooth: 4.2 BR/EDR BLE 2 chế độ điều khiển

2.3.2 MODULE THU PHÁT RF LORA AS32-TTL-100 433MHZ

Module thu phát RF AS32 - TTL - 100 sử dụng chip Semtech SX1278 theo chuẩn LoRaTM không dây, kết hợp công nghệ GFSK truyền thống và công nghệ LoRa (long range) giúp chống nhiễu và giảm tiêu thụ điện năng Với chuẩn giao tiếp UART, module này có độ mạnh tín hiệu phát lên đến 100mW, cho phép truyền tải khoảng cách xa với mức tiêu thụ điện năng thấp.

Module thu phát RF AS32-TTL-100 lý tưởng cho các ứng dụng phức tạp cần truyền tải dữ liệu không dây, bao gồm điều khiển nhà thông minh, ô tô điện tử, hệ thống báo động an ninh, giám sát và kiểm soát công nghiệp, cũng như điều khiển từ xa cho tưới tiêu Với khả năng truyền xa lên đến vài km, module này thích ứng linh hoạt theo mục đích sử dụng và mức năng lượng tiêu thụ.

Hình 2.7 Module thu phát RF LORA AS32-TTL-100 433MHZ

- Kích thước: 20x36mm (không có Aten và đầu nối SMA)

- Tần số hoạt động : 410 - 441MHz, bước 1000KHz, tần số mặc định 433MHz

- Điện áp hoạt động: 2 ~ 5.5 VDC

- Khoảng cách truyền dẫn: khoảng 3000m (ở điều kiện lý tưởng)

- Công suất phát tối đa: 20 dBm (khoảng 100mW), có thể điều chỉnh 4 mức độ (0

- 3), tăng hoặc giảm mỗi khoảng 3dBm

- Tốc độ truyền trong không khí: 2.4 kbps (mặc định) Có thể cấu hình ở các giá trị: 0.3, 1.2, 2.4, 4.8, 9.6, 19.2 Kbps

- Dòng nghỉ: 1,5uA (MD1 = 1; MD0 = 1)

- Dòng nhận: 14.5 mA(Mode 0 or Mode 1) Minium 30mA(Mode 2 + 2s wake up time)

- Dạng anten: Anten SMA, Anten lò xo

➢ Các chế độ làm việc:

Chế độ M0 M1 Mô tả Ghi chú

0 0 Giao tiếp UART và kênh truyền không dây hoạt động Quá trình truyện nhận dữ liệu hoạt động

Bên nhận phải làm việc ở Mode 1 hoặc Mode 2

Giao tiếp UART và kênh truyền không dây hoạt động theo cách khác nhau Trong khi Mode 0 không có mã hóa, Mode 1 bổ sung một đoạn mã hóa tự động ban đầu, cho phép bên nhận hoạt động ở chế độ 2.

Bên nhận có thể làm việc Mode 0, Mode

Khi UART không hoạt động, module không dây sẽ chuyển sang chế độ làm việc trên sóng radio Thiết bị sẽ kích hoạt UART và bắt đầu truyền dữ liệu ngay sau khi nhận được tín hiệu đánh thức.

Bên truyền phải làm việc ở chế độ 1, không làm việc ở chế độ này

Sleep 1 1 Cài đặt thông số

Bảng 2.1 Các chế độ cài đặt của Lora

2.3.3 MODULE CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ - ĐỘ ẨM DHT11

Cảm biến nhiệt độ DHT11 là thiết bị đo nhiệt độ thời gian thực với tín hiệu số, nổi bật nhờ độ chính xác cao, kích thước nhỏ gọn và giá thành phải chăng Với thiết kế chân TO-92 chỉ gồm 3 chân, DHT11 dễ dàng trong việc giao tiếp và sử dụng.

Cảm biến DHT11 là thiết bị đo nhiệt độ và độ ẩm, hoạt động thông qua một chân dữ liệu Nó có khả năng đo độ ẩm trong khoảng từ 20% đến 90%RH và nhiệt độ từ 0°C đến 50°C, với độ chính xác là ±5%RH và ±2°C.

DHT11 là một lựa chọn hợp lý trong số các cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm như DHT22, AM2301, và CJMCU-SHT10, nhờ vào giá thành rẻ và độ chính xác tương đối cao.

Hình 2.8 Module cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11

- Dòng sử dụng: 2.5mA max (khi truyền dữ liệu)

- Khoảng đo độ ẩm: 20% - 90% RH (sai số 5%RH)

- Khoảng đo nhiệt độ: 0-50°C (sai số 2°C)

- Tần số lấy mẫu tối đa: 1Hz (1 giây/lần)

- Kích thước 15mm x 12mm x 5.5mm

2.3.4 MODULE CẢM BIẾN ĐỘ ẨM ĐẤT

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

Cảm biến độ ẩm đất hoạt động với đầu ra mức thấp (0V) khi đất đủ nước và mức cao (5V) khi đất thiếu nước, cho phép điều chỉnh độ nhạy bằng biến trở Thiết bị này có thể tự động tưới hoa khi không có người quản lý vườn, cũng như được ứng dụng trong các lĩnh vực trồng cây khác Độ nhạy của cảm biến có thể được tùy chỉnh dễ dàng thông qua việc điều chỉnh chiết áp màu xanh trên board mạch.

Đầu đo độ ẩm được cắm vào đất để theo dõi mức độ ẩm Khi độ ẩm đạt ngưỡng đã được cài đặt, tín hiệu đầu ra DO sẽ chuyển từ mức thấp sang mức cao.

Hình 2.9 Module cảm biến độ ẩm đất

- Kích thước PCB: 3cm * 1.6cm

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

- DO: Đầu ra tín hiệu số (0 và 1)

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

2.3.5 MÀN HÌNH HIỂN THỊ a LCD 20x4

Màn hình LCD 20x4 là loại màn hình tinh thể lỏng nhỏ, chuyên dùng để hiển thị chữ và số trong bảng mã ASCII Mỗi ô của màn hình Text LCD được cấu tạo từ các điểm tinh thể lỏng, kết hợp theo trình tự "ẩn" và "hiện" để tạo ra các ký tự cần hiển thị, với mỗi ô chỉ có khả năng hiển thị một ký tự duy nhất.

Màn hình LCD sử dụng driver HD44780, cho phép hiển thị 4 dòng với 20 ký tự mỗi dòng Với độ bền cao và tính phổ biến, màn hình này cung cấp nhiều mã mẫu, dễ sử dụng, rất phù hợp cho người mới học và thực hiện các dự án.

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

GIỚI THIỆU

Trong hệ thống này, sẽ có một Master và hai Slave Mỗi Slave sử dụng vi điều khiển trung tâm để thu thập thông tin từ các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm và độ ẩm đất Đồng thời, Slave cũng nhận tín hiệu điều khiển từ các nút nhấn, Webserver và bộ điều khiển Master Bộ điều khiển Master sẽ tổng hợp tất cả thông số từ hai Slave, gửi lệnh điều khiển từ xa và cập nhật thông tin lên Webserver.

Trong chương này sẽ trình bày sơ đồ khối của cả hệ thống, từ đó lựa chọn các linh kiện để thiết kế sơ đồ nguyên lý.

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống

➢ Chức năng của từng khối:

- Khối xử lý trung tâm:

• Sử dụng module BLE ESP32 NodeMCU LuaNode32

Khối này đóng vai trò là bộ xử lý trung tâm trong hệ thống, chịu trách nhiệm truyền nhận và xử lý dữ liệu từ hai bộ xử lý phụ Nó giám sát và điều khiển tất cả các thiết bị trong toàn bộ hệ thống, đồng thời gửi dữ liệu lên webserver để hỗ trợ việc giám sát và điều khiển từ xa.

- Hai khối xử lý phụ:

• Sử dụng module Arduino Nano làm vi điều khiển

Khối có nhiệm vụ giám sát và điều khiển các thiết bị trong khu vực, đồng thời gửi dữ liệu về bộ xử lý trung tâm Ngoài ra, khối cũng thực hiện các lệnh điều khiển được nhận từ bộ điều khiển trung tâm.

• Sử dụng module thu phát RF LORA

• Khối có chức năng nhận dữ liệu từ vi điều khiển và truyền nhận dữ liệu với các LORA khác thông qua sóng RF

• Các loại cảm biến được sử dụng là cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11, cảm biến độ ẩm đất

• Có chức năng đo nhiệt độ, độ ẩm từ môi trường và đưa về vi xử lý để thực hiện công việc giám sát, điều khiển

• Sử dụng các nút nhấn để điều khiển các thiết bị điện trong hệ thống

• Khối sử dụng màn hình LCD để hiển thị các thông số và trạng thái của các thiết bị của hệ thống

• Có chức năng nhận tín hiệu ngõ ra từ vi điều khiển đóng ngắt Relay để điều khiển các thiết bị điện

• Dùng để giám sát các thông số và điều khiển các thiết bị từ xa thông qua Internet

Nguồn 220VAC được sử dụng trực tiếp cho khối nguồn của bộ xử lý trung tâm, qua bộ chuyển đổi để biến đổi thành 5VDC, cung cấp điện cho toàn bộ mạch.

• Chức năng của khối này là cung cấp nguồn điện cho hệ thống hoạt động

3.2.2 Tính toán và thiết kế sơ đồ nguyên lý a Thiết kế khối xử lý trung tâm:

➢ Tính toán khối công suất:

Hình 3.2 Mạch xuất tín hiệu để kích Relay

Chọn C1815 làm transistor kích cho relay vì có lượng tiêu thụ điện năng không lớn, độ trễ gần như không có khi khởi động Tính toán phân cực cho C1815:

Theo Datasheet: IRelay (Max) = 70 mA Công thức tính tổng dòng điện trên cực

Chọn Iled = 20 mA = > I(𝑆𝑎𝑡) = IRelay + Iled = 90 mA

Công thức tính điện trở hạn dòng cho led:

𝐼 𝑙𝑒𝑑 (3.2) Điện trở hạn dòng cho led: R4 = 5−0.7−0.7

Chọn điện trở R4 là 330 Ω để đảm bảo LED hoạt động hiệu quả, vì loại trở này dễ dàng tìm thấy trên thị trường Để điều khiển Relay, transistor cần hoạt động trong vùng bão hòa hoặc ngưng dẫn, vì vậy nên chọn transistor npn C1815.

Transistor dẫn bão hòa: Điều kiện transistor C1815 dẫn: IBB > 0, VBE > 0.7V Ta có: VSIG = 5V, VBE = 0.7V

Công thức tính dòng điện phân cực Transistor:

Từ công thức 93.4) ta tính được IBB = 90/25 = 3.6 mA

Vậy chọn R1 = 1 KΩ để đảm bảo dòng kích cho Relay và loại trở này thông dụng trên thị trường

=> VCE = 0 có dòng điện chạy qua cuộn dây relay nên relay đóng

Transistor ngưng dẫn: Điều kiện transistor C1815 ngưng dẫn: IBB = 0, VBE ≤ 0.7

Khi VCE = 5V và không có dòng điện chạy qua cuộn dây relay, relay sẽ ở trạng thái ngắt Mạch còn sử dụng Opto quang PC817 để cách ly tín hiệu đầu vào và đầu ra, giúp ngăn chặn tình trạng dòng ngược có thể gây hại cho vi điều khiển.

Sơ đồ nguyên lý khối công suất:

Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý khối công suất

Khối ngõ ra công suất điều khiển hai thiết bị dưới 1KW được kết nối với chân IO14 và IO17 của module Wifi BLE ESP32 Khi tín hiệu “ON” (mức cao) được kích hoạt, transistor dẫn, dòng điện chạy qua cuộn dây relay, làm relay đóng tiếp điểm và bật thiết bị, đồng thời đèn LED sáng báo hiệu Ngược lại, khi tín hiệu “OFF” (mức thấp), transistor ngưng dẫn, cuộn dây relay không còn dòng điện, tiếp điểm hở ra và thiết bị tắt, đèn LED cũng tắt Để bảo vệ transistor và vi điều khiển khỏi dòng ngược do tiếp điểm đóng mở liên tục, diode 1N4007 được sử dụng giữa hai đầu cuộn dây mỗi relay và opto quang, vì loại diode này chịu được áp ngược cao.

➢ Thiết kế khối điều khiển và hiển thị:

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển và hiển thị

Màn hình TFT hoạt động với nguồn 5V và kết nối với vi điều khiển ESP32 thông qua giao thức SPI, với các chân kết nối lần lượt là GND, VCC, SCL, SDA và RES.

DC, CS) kết nối với cái IO của vi điều khiển

Bởi vì màn hình cảm ứng nên có thể tích hợp tính năng điều khiển thông qua màn hình một cách dễ dàng

➢ Thiết kế khối thu phát lora:

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý khối truyền nhận dữ liệu

Module Lora AS32 kết nối với ESP32 qua giao tiếp UART, với các chân RXD nối tới IO16 (TX của vi điều khiển) và TXD nối tới IO17 (RX của vi điều khiển) Nguồn Vcc và Gnd được kết nối với nguồn cung cấp Ngoài ra, module Lora còn có hai công tắc gạt M0 và M1 để dễ dàng thiết lập chế độ hoạt động của Lora.

➢ Sơ đồ nguyên lý toàn mạch

Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch

Tổng dòng điện tiêu thụ trên khối chính:

Công thức tính dòng tiêu thụ trên borad EPS32: I = N x Ii/o [3.5]

Board ESP32 sử dụng 12 chân (N), dòng tiêu thụ trên mỗi I/O là 40mA(Ii/o)

=> Dòng tiêu thụ trên ESP32 là: I = 12 x 40 = 480 mA

STT Tên Linh Kiện Điện áp (V) Dòng tiêu thụ(mA) Số lượng Tổng dòng tiêu thụ(mA)

Bảng 3.1 Tổng dòng điện khối chính tiêu thụ

Mạch điện này hoạt động hiệu quả với điện áp 5 VDC và dòng cung cấp khoảng 2A, như đã được tính toán trong bảng 3.1 Do đó, lựa chọn adapter 5V 2A phổ biến trên thị trường là giải pháp lý tưởng để cung cấp nguồn cho mạch.

• Điện áp đầu vào: AC 100V-240V 50-60Hz

Hình 3.7 Adapter 5V-2A b Thiết kế khối xử lý phụ

➢ Thiết kế 2 khối xử lý phụ

Sơ đồ nguyên lý của khối xử lý trung tâm:

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm

Cả 2 bộ xử lý phụ đều sử dụng vi điều khiển trung tâm là Arduino Nano Chức năng của vi điều khiển là nhận các tín hiệu từ các cảm biến, nút nhấn và Lora về xử lý và điều khiển các thiết bị điện và hiển thị các thông số lên màn hình Đồng thời thì cũng gửi các thông số, các tín hiệu điều khiển đến bộ xử lý chính và nhận các lệnh điều khiển theo chiều ngược lại

➢ Thiết kế khối cảm biến

Sơ đồ nguyên lý của khối cảm biến:

Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến

Khối cảm biến của cả 2 bộ xử lý phụ gồm cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 và cảm biến độ ẩm đất

Cả 2 loại cảm biến trên đều hoạt động ở mức điện áp là 5VDC, tiến hành nối chân VCC và GND của cảm biến với chân VCC và chân GND của Arduino Nano Chân DATA của cảm biến nhiệt độ, độ ẩm thì sẽ được nối với chân D6 của Arduino Đối với cảm biến độ ẩm đất thì ta tiến hành nối chân AO và DO với chân A0 và D10 của Arduino

➢ Thiết kế khối điều khiển

Sơ đồ nguyên lý của khối điều khiển:

Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển

Hệ thống sử dụng 2 nút nhấn để điều khiển 2 loại thiết bị, với mỗi nút nhấn có 2 chân Một chân của nút nhấn được kết nối với chân D7 và D8 của Arduino, trong khi chân còn lại được nối với GND thông qua một điện trở 1KΩ.

➢ Thiết kế khối hiển thị

Sơ đồ nguyên lý của khối hiển thị:

Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị

Khối hiển thị LCD 20x4 kết nối với vi xử lý qua giao thức I2C, với chân VCC và GND được nối vào chân 5V và GND của Arduino Hai chân SDA và SCL được kết nối với chân A4 và A5 của Arduino.

➢ Thiết kế khối công suất

Sơ đồ nguyên lý của khối công suất:

Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý khối công suất

Hệ thống sẽ điều khiển 2 thiết bị đó là đèn và bơm nên dùng 2 mạch ngõ ra công suất như trên được nối với 2 chân D4 và D5 của Arduino

Các thông số của khối công suất đã được tính toán ở khối xử lý chính

➢ Thiết kế khối truyền nhận dữ liệu Lora

Sơ đồ nguyên lý của khối truyền nhận dữ liệu Lora:

Hình 3.13 Khối truyền nhận dữ liệu Lora

Module Lora giao tiếp với Arduino qua chuẩn truyền thông UART bằng cách kết nối chân RXD và TXD của Lora với chân D2 và D3 của Arduino Để lựa chọn chế độ làm việc cho Lora, các chân M0 và M1 sẽ được kết nối với 2 công tắc Chân Vcc và GND của Lora được nối với chân 5V và GND của Arduino.

Arduino được sử dụng 13 chân I/O, dòng tiêu thụ trên mỗi chân I/O là 40 mA Nên, tổng dòng tiêu thụ của Arduino Nano là:

STT Tên linh kiện Dòng điện

(mA) Điện áp (V) Số lượng Tổng dòng tiêu thụ (mA)

3 Cảm biến độ ẩm đất 5 5 1 5

Bảng 3.2 Dòng tiêu thụ của hệ thống phụ

Mạch điện này hoạt động hiệu quả với điện áp 5 VDC và dòng cung cấp khoảng 2A, dựa trên tổng dòng điện tiêu thụ được tính toán Do đó, lựa chọn Adapter 5V 2A phổ biến trên thị trường là giải pháp tối ưu để cấp nguồn cho mạch.

• Điện áp đầu vào: AC 100V-240V 50-60Hz

➢ Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch:

Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch

THI CÔNG HỆ THỐNG

GIỚI THIỆU

Sau khi tính toán các thông số và thiết kế hệ thống, nhóm đã lựa chọn linh kiện phù hợp Tiếp theo, nhóm tiến hành thiết kế PCB, thi công mạch và lắp ráp phần cứng Cuối cùng, họ hoàn thiện hệ thống bằng cách lập trình và kiểm tra để đảm bảo tính khả thi và hiệu suất của hệ thống.

THI CÔNG HỆ THỐNG

4.2.1 THI CÔNG PHẦN CỨNG a Bộ điều khiển trung tâm

Danh sách các linh kiện được sử dụng trong board điều khiển trung tâm:

STT Tên linh kiện Giá trị Số lượng

17 Opto quang PC817 VCEO: 80V, VEBO: 6V,

Bảng 4.1 Danh sách các linh kiện được sử dụng ở board mạch trung tâm

Dựa trên sơ đồ nguyên lý của bộ điều khiển trung tâm đã thiết kế, chúng tôi tiến hành thiết kế PCB với kích thước 150x80mm PCB bao gồm 2 lớp là Top và Bottom.

Hình 4.1 Lớp Top PCB board điều khiển trung tâm

Hình 4.2 Lớp Bottom PCB board điều khiển trung tâm

Hình 4.3 Sơ đồ bố trí linh kiện board điều khiển trung tâm

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 35 b Hai bộ điều khiển phụ:

Vì cả 2 bộ điều khiển phụ có chức năng hoàn toàn giống nhau nên ta thiết kế 1 PCB sử dụng cho cả 2 bộ

Danh sách các linh kiện được sử dụng trong 2 board điều khiển phụ:

STT Tên linh kiện Giá trị Số lượng

14 Đế bus 4 3 LCD 20x4, cảm biến độ ẩm đất, DHT11

16 Opto quang PC817 VCEO: 80V, VEBO: 6V,

Bảng 4.2 Danh sách các linh kiện được sử dụng ở 2 board điều khiển phụ

PCB của mạch điều khiển phụ gồm 2 mặt Top và Bottom và có kích thước là 150x80 mm

Hình 4.4 Lớp Top PCB board điều khiển phụ

Hình 4.5 Lớp Bottom PCB board điều khiển phụ

Hình 4.6 Sơ đồ bố trí linh kiện board điều khiển phụ

4.2.2 LẮP RÁP VÀ KIỂM TRA MẠCH

Sau khi thiết kế PCB, quá trình thi công mạch sẽ được thực hiện Nhóm thi công sẽ sử dụng phương pháp thủ công, bao gồm các bước như in mạch, ăn mòn, khoan lỗ linh kiện, gắn linh kiện và hàn mạch Cuối cùng, việc kiểm tra thông mạch và hoàn thiện các mối hàn sẽ được tiến hành để đảm bảo chất lượng.

Hình 4.7 Hình ảnh board điều khiển trung tâm sau khi hoàn thành

Hình 4.8 Hình ảnh board điều khiển phụ sau khi hoàn thành

Khối điều khiển trung tâm ESP32

Khối điều khiển trung tâm Arduino nano

ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH

Sau khi hoàn thiện và kiểm tra mạch hoạt động bình thường, nhóm đã tiến hành thiết kế và đóng gói mạch trong hộp để bảo vệ mạch và nâng cao tính thẩm mỹ.

Hình 4.9 Hình ảnh bên trong của bộ điều khiển trung tâm

Hình 4.10 Hình ảnh bộ điều khiển trung tâm sau hoàn thành

Hình 4.11 Hình ảnh bên trong bộ điều khiển phụ

Hình 4.12 Hình ảnh bộ điều khiển phụ sau khi hoàn thành

Hình 4.13 Hệ thống sau khi hoàn thành

LẬP TRÌNH HỆ THỐNG

• Lưu đồ giải thuật khối điều khiển chính:

Hình 4.14 Lưu đồ giải thuật Master

Khi được cung cấp nguồn, ESP32 khởi động quy trình khởi tạo hệ thống, bao gồm việc thiết lập chân port, serial, các ngoại vi và cấu hình các chân ngõ ra, ngõ vào Tiếp theo, nó gọi hàm trong void setup() để thiết lập các trạng thái ban đầu cho thiết bị trong hệ thống.

Sau khi thiết lập trạng thái ban đầu, ESP32 bắt đầu thực hiện các lệnh trong hàm chính void loop (), với các lệnh này được lặp lại liên tục Đầu tiên, chương trình sẽ kiểm tra xem ESP32 đã kết nối với wifi hay chưa.

Khi đã kết nối với wifi, địa chỉ IP của Webserver sẽ được kích hoạt Tiếp theo, ESP sẽ nhận các tín hiệu liên tục từ Lora, nút nhấn cơ và màn hình TFT để xử lý và điều khiển thiết bị một cách hiệu quả.

Bộ môn Điện tử Công nghiệp - Y sinh 41 đồng bộ hóa các giá trị nhiệt độ, độ ẩm và trạng thái thiết bị giữa Webserver, TFT và màn hình LCD 20x4.

Nếu ESP32 không kết nối với wifi, giá trị và trạng thái trên Webserver sẽ không đồng bộ Tuy nhiên, trong tình huống này, giá trị giữa TFT master và slave vẫn được điều khiển bình thường, đảm bảo trạng thái thiết bị được đồng bộ với nhau.

• Lưu đồ giải thuật khối điều khiển phụ:

Hình 4.15 Lưu đồ giải thuật Slave

Khi được cấp nguồn, Arduino Nano khởi động các lệnh khởi tạo hệ thống, bao gồm việc thiết lập chân port, serial và các ngoại vi Sau đó, hàm trong void setup() sẽ được gọi để định hình các trạng thái ban đầu cho thiết bị Sau khi hoàn tất thiết lập, Arduino Nano liên tục đọc và cập nhật giá trị nhiệt độ, độ ẩm lên màn hình LCD 20x4 Trong quá trình này, nếu khối xử lý nhận bất kỳ thông tin nào

Bộ môn Điện tử Công nghiệp - Y Sinh 42 sử dụng tín hiệu từ TFT, Web và nút nhấn cơ để điều khiển thiết bị, với trạng thái được cập nhật đồng thời Mỗi 3 giây, Lora Slave gửi tín hiệu về cho Master để cập nhật giá trị và trạng thái trên TFT và Web.

Và quá trình này được lặp đi, lặp lại một cách tuần hoàn với độ trễ của lora khoảng 2-

5 giây để có thể đồng bộ được trạng thái trên LCD, TFT và Web

• Lưu đồ giải thuật chương trình con điều khiển trên TFT:

Hình 4.16 Lưu đồ giải thuật điều khiển TFT

Khi TFT được cấp nguồn, nó sẽ tự động cập nhật các thiết lập mặc định ban đầu Nếu thiết bị ở chế độ "ON", giao diện nút sẽ hiển thị màu xanh lá, trong khi đó, khi thiết bị ở chế độ "OFF", giao diện nút sẽ chuyển sang màu đỏ.

Nếu phát hiện được nhấn nút:

Khi nút nhấn điều khiển tại Master được kích hoạt, nút nhấn trên màn hình dạng Switch slider sẽ chuyển từ màu đỏ sang màu xanh, thể hiện trạng thái hoạt động.

Khi thiết bị được bật, một chuỗi Json sẽ được tạo ra và gửi lên Web thông qua lệnh “server.send”, đồng thời trạng thái trên Web cũng sẽ được cập nhật.

Trong trường hợp 2, nút nhấn được sử dụng để điều khiển thiết bị cho Slave Khi nút được nhấn, màu sắc sẽ chuyển từ đỏ sang xanh để biểu thị trạng thái "ON" của thiết bị Đồng thời, một chuỗi Json sẽ được tạo ra và gửi lên Web, cùng với chuỗi ký tự Lora để Slave nhận biết rằng ký tự đó có nghĩa là "ON" thiết bị.

Quá trình này sẽ tuần hoàn lặp lại và cập nhật trạng thái thiết bị mỗi 3 giây

• Lưu đồ giải thuật chương trình con truyền nhận dữ liệu Lora và TFT:

Hình 4.17 Lưu đồ giải thuật truyền nhận dữ liệu Lora

Bắt đầu chương trình, các biến được khởi tạo và cổng truyền nhận dữ liệu Lora được mở Master sử dụng “Serial2.available()” trong khi Slave sử dụng “loraSerial.available()” để nhận dữ liệu liên tục từ Lora và TFT Master Dữ liệu nhận được sẽ được so sánh với chuỗi mặc định “String”; nếu khớp, dữ liệu sẽ được chấp nhận Sau đó, dữ liệu sẽ được tách ra theo từng giá trị và thiết bị, thực hiện việc bật tắt thiết bị và cập nhật giá trị trên Web, TFT và LCD.

• Lưu đồ giải thuật đồng bộ trạng thái giữa Web, TFT và LCD:

Hình 4.18 Lưu đồ đồng bộ trạng thái Web, TFT và LCD

Giải thích lưu đồ: Khi ESP32 được kết nối với wifi, sau đó IP sẽ được kích hoạt dưới dạng

192.168.0.102 Chúng ta sẽ mở giao diện điều khiển và giám sát bằng trình duyệt Google Chrome

Khi nút trên Web được nhấn dưới dạng Switch slider, trạng thái của nút sẽ chuyển từ màu đỏ sang màu xanh Đồng thời, dữ liệu sẽ được truyền xuống ESP32 dưới dạng “GET”.

“BUTTON_n”, false), sau đó Esp32 nhận dữ liệu (server.on("/BUTTON_n", ProcessButton_n), để tiến hành truyền cho Slave điều khiển các thiết bị ở các khu vực khác nhau

Quá trình này lặp lại cứ mỗi 3 giây hệ thống sẽ gửi dữ liệu để cập nhật và đồng bộ trạng thai giữa TFT, Web và LCD

• Lưu đồ giải thuật hệ thống tự động:

Hình 4.19 Lưu đồ giải thuật hệ thống tự động

Hệ thống liên tục cập nhật giá trị nhiệt độ và độ ẩm, thực hiện so sánh để điều khiển bơm Khi độ ẩm đất dưới 60%, bơm sẽ được bật (“ON”) Ngược lại, nếu độ ẩm đất vượt quá 80%, bơm sẽ tắt (“OFF”) Quá trình này lặp đi lặp lại cho đến khi độ ẩm duy trì ở mức tối ưu.

Giao diện giám sát và điều khiển thiết bị trên Webserver:

Hình 4.20 Giao diện giám sát và điều khiển trên Web

Sau khi ESP32 kết nối với wifi, nó sẽ được cấp một địa chỉ IP như 192.168.0.102 Để truy cập giao diện này, người dùng có thể sử dụng trình duyệt Chrome trên máy tính hoặc điện thoại Lưu ý rằng cần phải kết nối với wifi của ESP để thực hiện điều này.

TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG

Sử dụng nguồn điện 220VAC để cung cấp cho cả 3 bộ điều khiển: bộ điều khiển Master và 2 bộ điều khiển Slave

- Bước 2: Điều khiển và giám sát thiết bị

Sau khi cấp nguồn thì các thiết bị sẽ tự động kết nối và truyền dữ liệu qua lại thông qua mạng LORA

Bộ điều khiển trung tâm (Master) được trang bị 2 nút nhấn để điều khiển đèn và quạt, cùng với 1 nút Reset thiết bị Màn hình cảm ứng hiển thị các thông số như nhiệt độ, độ ẩm, độ ẩm đất từ các thiết bị Slave và trạng thái bật tắt của tất cả thiết bị điện Ngoài việc điều khiển trực tiếp qua nút nhấn, người dùng còn có thể thao tác bật tắt trên màn hình cảm ứng Trạng thái nút nhấn được hiển thị trực quan: nút màu xanh cho biết thiết bị đang bật, trong khi nút màu đỏ cho biết thiết bị đã tắt.

Bộ điều khiển phụ (Slave) gồm 2 nút nhấn để điều khiển đèn và bơm, cùng với 1 nút MODE để chọn chế độ Manual hoặc Auto cho bơm Ngoài ra, thiết bị còn có 1 nút Reset để khôi phục cài đặt Trạng thái bật tắt của các thiết bị được hiển thị trên màn hình, kèm theo các thông số về nhiệt độ, độ ẩm và độ ẩm đất của khu vườn.

- Bước 3: Điều khiển và giám sát thiết bị thông qua web

Truy cập vào địa chỉ 192.168.0.102 bằng trình duyệt Google Chrome

Trên màn hình, bạn sẽ thấy đầy đủ thông tin về trạng thái thiết bị cùng các thông số nhiệt độ, độ ẩm và độ ẩm đất của toàn bộ hệ thống Để bật hoặc tắt các thiết bị, chỉ cần nhấn vào các nút tương ứng với khu vực mong muốn.

KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ

GIỚI THIỆU

Chương này trình bày kết quả đạt được của nhóm trong quá trình thực hiện đề tài, cùng với những kinh nghiệm, kiến thức và kỹ năng đã tích lũy Ngoài ra, nhóm sẽ đưa ra nhận xét và đánh giá về sản phẩm, từ đó đề xuất các phương án phát triển nhằm hoàn thiện sản phẩm và ứng dụng thực tế.

KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

Trong khoảng thời gian 15 tuần thực hiện đề tài, nhóm đã tích cực nghiên cứu và tiếp thu nhiều kiến thức mới Mặc dù gặp phải một số sai sót và lỗi, nhưng từ đó, nhóm đã rút ra được nhiều bài học kinh nghiệm quý giá.

Để đạt được kết quả tối ưu, việc tìm hiểu, nghiên cứu và phân tích một vấn đề là rất quan trọng Qua quá trình này, chúng ta có thể đưa ra những giải pháp hiệu quả nhằm giải quyết vấn đề một cách triệt để.

Tìm hiểu sâu về các dòng vi điều khiển như Arduino Nano và ESP32, cùng với cách lập trình chúng Khám phá giao tiếp giữa các cảm biến, màn hình và Lora với vi điều khiển Hướng dẫn kết nối ESP32 với Webserver và thiết kế giao diện cho Web.

• Biết được các chuẩn truyền thông như là I2C, UART, SPI, WiFi cách giao tiếp, kết nối cũng như các ứng dụng của các chuẩn truyền thông này

Mạng LORA là một công nghệ không dây tiên tiến, cho phép truyền dữ liệu qua khoảng cách xa với mức tiêu thụ năng lượng thấp Nguyên lý hoạt động của mạng LORA dựa trên việc sử dụng các sóng vô tuyến để kết nối các thiết bị IoT, giúp chúng giao tiếp hiệu quả Để cấu hình và thiết lập mạng LORA, người dùng cần nắm rõ cách thức kết nối và truyền nhận dữ liệu giữa các thiết bị LORA, đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả trong việc thu thập và truyền tải thông tin.

• Nâng cao kỹ năng về thiết kế mạch nguyên lý, thiết kế PCB, làm mạch, và sử dụng các công cụ hàn, khò, đồng hồ đo

KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

Sau khi hoàn thành nghiên cứu, thiết kế và thi công, nhóm đã hoàn thiện hệ thống Tiếp theo, nhóm tiến hành chạy thử nghiệm, kiểm tra và sửa lỗi, từ đó hoàn thiện sản phẩm và đạt được kết quả như mong đợi.

5.3.1 Bộ điều khiển trung tâm

Sau khi cấp nguồn cho bộ điều khiển trung tâm, hệ thống sẽ khởi động và cần khoảng 10 giây để kết nối với wifi, hoàn tất quá trình truyền nhận giữa các thiết bị LORA.

Hình 5.1 Bộ điều khiển trung tâm sau khi hoạt động

5.3.2 Bộ điều khiển phụ a Bộ điều khiển phụ 1 (Vườn 1):

Sau khi được cấp nguồn, bộ điều khiển sẽ hoạt động, với hai ngõ ra gồm một đèn và một bơm Trạng thái hoạt động của đèn và bơm sẽ được hiển thị trên màn hình LCD.

Bên dưới có bốn nút nhấn: một nút Reset để khôi phục hệ thống, một nút để bật/tắt đèn, một nút điều khiển bơm, và một nút chọn chế độ Manual hoặc Auto cho bơm.

Nút điều khiển thiết bị Nút Reset

Hệ thống được trang bị cảm biến nhiệt độ và độ ẩm để theo dõi điều kiện môi trường trong vườn, cùng với cảm biến độ ẩm đất giúp giám sát độ ẩm trong đất Thiết bị bơm sẽ tự động hoạt động khi độ ẩm trong đất giảm xuống dưới mức cài đặt trước.

Hình 5.2 Bộ điều khiển vườn 1 sau khi đã hoạt động b Bộ điều khiển phụ 2 (Vườn 2):

Cũng tương tự như bộ điều khiển vườn 1, sau khi được cấp nguồn thì hệ thống bắt đầu hoạt động

Hình 5.3 Bộ điều khiển vườn 2 sau khi đã hoạt động

Nút điều khiển thiết bị

Nút điều khiển thiết bị Nút MODE

5.3.3 Điều khiển và giám sát thông qua Webserver

Sau khi cấp nguồn cho bộ điều khiển trung tâm, truy cập vào địa chỉ 192.168.0.102 để hiển thị màn hình giám sát và điều khiển.

Hình 5.4 Giao diện màn hình giám sát và điều khiển qua Web

Màn hình được chia thành ba khu vực: Master, Slave1 (vườn 1) và Slave2 (vườn 2), hiển thị các thông số như nhiệt độ, độ ẩm, độ ẩm đất và trạng thái thiết bị của từng khu vực Để điều khiển thiết bị qua Web, người dùng chỉ cần nhấn vào biểu tượng nút ở khu vực mong muốn.

5.3.4 Điều khiển và giám sát thiết bị trực tiếp tại các bộ điều khiển

Trong trường hợp không thể giám sát và điều khiển qua Web, người dùng có thể sử dụng màn hình TFT tại bộ điều khiển trung tâm để theo dõi và điều chỉnh Giao diện màn hình TFT được thiết kế trực quan, hiển thị đầy đủ thông tin từ các cảm biến và trạng thái thiết bị ở từng khu vực, giúp người dùng thao tác dễ dàng Ngoài ra, hai bộ điều khiển phụ trang bị màn hình LCD 20x4 để giám sát thông số cảm biến và có các nút nhấn trực tiếp, mang lại sự thuận tiện trong quá trình sử dụng.

Dưới đây là một số kết quả thu được thực nghiệm:

Hình 5.5 Điều khiển đèn ở Master sử dụng TFT

Hình 5.5 là kết quả nhận được sau khi thực hiện thao tác cảm ứng trên màn hình để bật đèn khu vực master

Hình 5.6 Điều khiển đèn ở master sử dụng TFT

Hình 5.6 là kết quả nhận được sau khi thực hiện thao tác cảm ứng trên màn hình để bật bơm khu vực master

Trạng thái các thiết bị đang bật

Các thông số cảm biến

Trạng thái các thiết bị

Các thông số cảm biến

Hình 5.7 Điều khiển đèn ở Slave 1 sử dụng TFT

Hình 5.7 là kết quả nhận được sau khi thực hiện thao tác cảm ứng trên màn hình để bật đèn khu vực Slave 1 truyền nhận qua sóng lora

Hình 5.8 Điều khiển bơm ở Slave 1 sử dụng TFT

Trạng thái thiết bị được đồng bộ

Hình 5.8 là kết quả nhận được sau khi thực hiện thao tác cảm ứng trên màn hình để bật bơm khu vực Slave 1 truyền nhận qua sóng lora

Hình 5.9 Điều khiển đèn ở Slave 2 sử dụng TFT

Hình 5.9 là kết quả nhận được sau khi thực hiện thao tác cảm ứng trên màn hình để bật đèn khu vực Slave 2 truyền nhận qua sóng lora

Hình 5.10 Điều khiển bơm ở Slave 2 sử dụng TFT

Trạng thái thiết bị được đồng bộ

Hình 5.10 là kết quả nhận được sau khi thực hiện thao tác cảm ứng trên màn hình để bật bơm khu vực Slave 2 truyền nhận qua sóng lora

Hình 5.11 Đồng bộ trạng thái giữa Slave_TFT_Web

Hình 5.11 là kết quả của việc điều khiển và giám sát thiết bị ở Master, slave và tất cả được đồng bộ trạng thái lên Web

Hình 5.12 Điều khiển thiết bị bằng nút nhấn cơ ở Slave 1

Hình 5.12 là kết quả nhận được khi thao tác bằng nút nhấn cơ để bật thiết bị tại slave 1

Chế độ điều khiển bằng nút cơ

Hình 5.13 Điều khiển thiết bị bằng nút nhấn cơ ở Slave 2

Hình 5.13 là kết quả nhận được khi thao tác bằng nút nhấn cơ để bật thiết bị tại slave 2

Hình 5.14 Điều khiển thiết bị bằng nút nhấn cơ tại Master

Hình 5.14 là kết quả nhận được khi thao tác bằng nút nhấn cơ để bật thiết bị tại master

Chế độ điều khiển bằng nút cơ

Hình 5.15 Bơm tự động ON khi độ ẩm đất < 60%

Hệ thống tự động bật bơm khi độ ẩm đất dưới 60% và tắt bơm khi độ ẩm đất vượt quá 80%, như thể hiện trong Hình 5.15.

Bảng 5.1 Thống kê kết quả đánh giá thực tế

SỐ LẦN THÀNH CÔNG (lần)

THỜI GIAN TRỄ (giây) ĐÁNH GIÁ

GHI CHÚ Điều khiển từ xa bằng Web

25 4-7 ĐẠT Thời gian trễ còn tương đối cao Điều khiển trực tiếp trên các bộ thiết bị

25 3-6 ĐẠT Màn hình TFT đôi lúc bị đơ, và cần reset lại

Cập nhật giá trị cảm biến

WIFI Điều khiển trực tiếp trên các bộ điều khiển

25 3-5 ĐẠT Thời gian trễ tương đối ổn vì không ảnh hưởng đến tốc độ internet

Chế độ điều khiển AUTO

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ

Sau 15 tuần nghiên cứu, thiết kế và thi công, nhóm đã hoàn thành sản phẩm với chất lượng cơ bản đáp ứng được các mục tiêu ban đầu.

Hệ thống điều khiển bao gồm một bộ trung tâm và hai bộ phụ tại hai vườn, hoạt động ổn định với khả năng truyền nhận dữ liệu hiệu quả trong khoảng thời gian cho phép Màn hình giám sát và điều khiển được thiết kế đơn giản, trực quan, giúp người dùng thao tác dễ dàng và thuận tiện Tuy nhiên, vẫn còn một số khuyết điểm và vấn đề cần được cải thiện trước khi sản phẩm có thể đưa vào sử dụng thực tế.

Hệ thống có một số ưu điểm như sau:

- Mô hình sản phẩm nhỏ gọn, đơn giản, dễ dàng lắp đặt và sử dụng

- Giao diện đơn giản, trực quan, dễ dàng thao tác, sử dụng cho người dùng

- Các thiết bị vẫn có thể điều khiển, giám sát khi không có kết nối Internet

- Hệ thống có chức năng tự động tưới khi mà độ ẩm trong đất dưới mức đã cài đặt

Sau khi thử nghiệm đánh giá hệ thống thực tế, hệ thống cho thấy hoạt động ổn định và đáp ứng các yêu cầu ban đầu Tuy nhiên, các tín hiệu cần thời gian trễ để đồng bộ trạng thái, và đôi khi màn hình TFT gặp tình trạng đơ, yêu cầu phải reset để hoạt động bình thường.

Tiêu đề	Thiết Kế Và Thi Công Hệ Thống Thông Minh Giám Sát, Điều Khiển Thiết Bị Điện Trong Gia Đình Và Khu Vườn Ứng Dụng Công Nghệ Mạng Lora Và Webserver
Tác giả	Nguyễn Quang Huy, Lê Huỳnh Đức
Người hướng dẫn	Th.s Võ Đức Dũng
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử - Viễn Thông
Thể loại	Đồ Án Tốt Nghiệp
Năm xuất bản	2023
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	76
Dung lượng	5,35 MB