TỔNG QUAN
ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong nông nghiệp, nghề trồng nấm có nhiều tiềm năng cung cấp thực phẩm dinh dưỡng và đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của xã hội Tuy nhiên, nghề trồng nấm đòi hỏi phải có chuyên môn và kiểm soát chặt chẽ môi trường để đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm cao Đây là thách thức đối với nhiều hộ trồng và sản xuất nấm Để giải quyết vấn đề này, một mô hình trồng nấm dựa trên IoTs đã được phát triển nhằm mục đích nâng cao hiệu quả, độ chính xác và quản lý môi trường trồng trọt.
Quản lý môi trường tự động: Mô hình này áp dụng các thiết bị IoT như cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm để đo lường và điều chỉnh môi trường trồng nấm. Điều này tạo điều kiện lý tưởng cho nấm phát triển và giúp tránh các vấn đề như quá nóng, quá ẩm và khí hậu không ổn định.
Tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên: Trồng nấm dựa trên IoT có thể theo dõi và điều chỉnh các yêu cầu về ánh sáng, nước và chất dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển của nấm Điều này giúp tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên, giảm lãng phí đồng thời nâng cao năng suất và chất lượng nấm trồng.
Giám sát và tự động hóa từ xa: Mô hình này kết nối các thiết bị IoT với hệ thống giám sát từ xa, cho phép người dùng giám sát và điều khiển từ xa quá trình mọc nấm thông qua ứng dụng di động Điều này mang đến cho người trồng nấm sự tiện lợi và tiết kiệm thời gian.
MỤC TIÊU
Phát triển một hệ thống hoàn chỉnh áp dụng công nghệ IoT để tự động quản lý môi trường trồng nấm Hệ thống bao gồm các cảm biến và bộ điều khiển để đo và điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng cần thiết cho từng loại nấm muốn trồng Mục đích là để tạo ra một môi trường lý tưởng cho sự phát triển của nấm và tối ưu hóa năng suất cây trồng.
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
● NỘI DUNG 1: Tìm hiểu, nghiên cứu về điều kiện nuôi trồng nấm đùi gà Nghiên cứu module esp32 devkit v1, cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11, cảm biến
● NỘI DUNG 2: Thiết kế lưu đồ giải thuật, viết chương trình điều khiển trên android và màn hình HMI.
● NỘI DUNG 3: Đánh giá thử nghiệm hệ thống, điều chỉnh hệ thống tối ưu về phần cứng và phần mềm.
● NỘI DUNG 4: Thiết kế mô hình.
● NỘI DUNG 5: Đánh giá kết quả thực hiện
● NỘI DUNG 6: Viết báo cáo.
GIỚI HẠN
● Mô hình chỉ tập trung vào nghiên cứu trồng nấm đùi gà.
● Mô hình trồng nấm với quy mô nhỏ.
● Kiểm soát các yếu tố chính như nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng Tuy nhiên, các yếu tố khác như độ pH của đất, chất dinh dưỡng và CO2 không được điều chỉnh chi tiết trong nghiên cứu.
● Hệ thống chỉ sử dụng gần nguồn điện và hoạt động khi có kết nối internet.
BỐ CỤC
● Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết
● Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế
● Chương 4: Thi Công Hệ Thống
● Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá
● Chương 6: Kết Luận Và hướng Phát Triển
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
SƠ LƯỢC VỀ INTERNET OF THINGS
Internet vạn vật, hay cụ thể hơn là mạng lưới vạn vật kết nối internet hoặc là mạng lưới thiết bị kết nối internet (tiếng Anh: Internet of Things, viết tắt IoT) là một liên mạng, trong đó các thiết bị, phương tiện vận tải (được gọi là “thiết bị kết nối” và
“thiết bị thông minh”) và các trang thiết bị khác được nhúng với các bộ phận điện tử, phần mềm, cảm biến, cơ cấu chấp hành cùng với khả năng kết nối mạng máy tính giúp cho các thiết bị này có thể thu thập và truyền tải dữ liệu mà không phụ thuộc vào sự tương tác của con người với máy tính hay giữa con người với nhau.
Việc kết nối có thể thực hiện qua wifi, mạng viễn thông băng rộng (3G, 4G, 5G), bluetooth… Các thiết bị có thể là điện thoại thông minh, máy giặt, tai nghe, bóng đèn và nhiều thiết bị khác.
Các thành phần chính trong một hệ thống IoT:
Thiết bị: Mỗi thiết bị sẽ bao gồm một hoặc nhiều cảm biến để phát hiện các thông số của ứng dụng và gửi chúng đến Platform.
IoT – Platform: Nền tảng này là một phần mềm được lưu trữ trực tuyến còn được gọi là điện toán đám mây, các thiết bị được kết nối với nhau thông qua nó Nền tảng này thu thập dữ liệu từ thiết bị, toàn bộ dữ liệu được phân tích, xử lý, phát hiện nếu có lỗi phát sinh trong quá trình hệ thống vận hành.
Kết nối internet: Để giao tiếp được trong IoT, kết nối internet của các thiết bị là một điều bắt buộc Wifi là một trong những phương thức kết nối internet phổ biến.
Ứng dụng: Là giao diện để người dùng sử dụng.
IoT được sử dụng trong nhiều lĩnh vực:
Thành phố thông minh bao gồm giám sát thông minh, vận chuyển tự động, hệ thống quản lý năng lượng thông minh hơn, phân phối nước, an ninh đô thị và giám sát môi trường…
Internet công nghiệp là hỗ trợ kỹ thuật công nghiệp với các cảm biến, phần mềm lớn để tạo ra những cỗ máy vô cùng thông minh Máy móc sẽ có tính chính xác và nhất quán hơn con người trong giao tiếp thông qua dữ liệu Từ những dữ liệu thu thập được giúp các công ty, nhà quản lý giải quyết các vấn đề sớm hơn, đạt hiệu quả cao hơn.
Các thiết bị đeo thông minh như các loại kính, đồng hồ, vòng đeo tay được cài đặt cảm biến thu thập thông tin người dùng như huyết áp, bước đi bộ mỗi ngày,…
SƠ LƯỢC VỀ MẠNG WIFI
ưu cho từng giai đoạn sinh trưởng của nấm Người dùng có thể quan sát và theo dõi thông tin bên trong nhà trồng nấm qua giao diện website, IP camera. Đồng thời, phần mềm cũng tự động phân tích dữ liệu và đưa ra giải pháp điều khiển thiết bị phù hợp.
Hình 2.3 Trồng nấm sử dụng IOT
2.2 S LƠ LƯỢC VỀ MẠNG WIFI ƯỢC VỀ MẠNG WIFIC V M NG WIFIỀ MẠNG WIFI ẠNG WIFI
Wifi là mạng kết nối không dây, là từ viết tắt của Wireless Fidelity, sử dụng sóng vô tuyến để truyền tín hiệu Loại sóng vô tuyến này tương tự như sóng điện thoại, truyền hình và radio Và trên hầu hết các thiết bị điện tử ngày nay như máy tính, laptop, điện thoại, … đều có thể kết nối wifi.
Kết nối wifi dựa trên các loại chuẩn kết nối IEEE 802.11, và chủ yếu hiện nay wifi hoạt động trên băng tần 54 Mbps và có tín hiệu mạnh nhất trong khoảng cách gần 31 mét.
2.2.2 Một số chuẩn kết nối wifi phổ biến
Về bản chất kỹ thuật, tín hiệu wifi hoạt động gửi và nhận dữ liệu ở tần số 2.5GHz đến 5GHz, cao hơn khá nhiều so với tần số của điện thoại di động, radio… do vậy tín hiệu wifi có thể chứa nhiều dữ liệu nhưng lại bị hạn chế ở phạm vi truyền khoảng cách.
Sóng wifi sử dụng chuẩn kết nối 802.11 trong thư viện IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), chuẩn này bao gồm 4 chuẩn chính nhỏ hơn là a, b, g và n.
Chuẩn 802.11b là phiên bản yếu nhất, hoạt động ở mức 2.4GHz và có thể xử lý đến 11 Megabit/giây.
Chuẩn 802.11g nhỉnh hơn đôi chút so với chuẩn b, tuy nó hoạt động ở tần số 2.4GHz nhưng nó có thể xử lý 54 Megabit/giây.
Chuẩn 802.11a phát ở tần số cao hơn là 5GHz và tốc độ xử lý đạt 54 Megabit/giây.
Cuối cùng là chuẩn 802.11n, nó hoạt động ở tần số 2.4GHz nhưng tốc độ xử lý lên đến 300 Megabit/giây.
Chuẩn 802.11ac: là chuẩn được IEEE giới thiệu vào đầu năm 2013, hoạt động ở băng tầng 5 GHz Chuẩn ac có thể mang đến cho người dùng trải nghiệm tốc độ cao nhất lên đến 1730 Mbps.
Do vấn đề giá thành cao nên các thiết bị phát tín hiệu cho chuẩn này chưa phổ biến dẫn đến các thiết bị này sẽ bị hạn chế sự tối ưu do thiết bị phát.
Chuẩn 802.11ad: được giới thiệu năm 2014, chuẩn wifi 802.11ad được hỗ trợ băng thông lên đến 70 Gbps và hoạt động ở dải tần 60GHz.
Nhược điểm của chuẩn này là sóng tín hiệu khó có thể xuyên qua các bức tường, đồng nghĩa với việc chỉ cần Router khuất khỏi tầm mắt, thiết bị sẽ không còn kết nối tới Wifi được nữa.
Chuẩn 802.11ax: Wi-Fi 6 là bản cập nhật mới nhất cho chuẩn mạng không dây Wi-Fi 6 dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.11ax, với tốc độ nhanh hơn, dung lượng lớn hơn và hiệu suất năng lượng được cải thiện tốt hơn so với các kết nối không dây trước đây Tên gọi mới Wifi 6 này sẽ chính thức được áp dụng từ năm 2019.
Và một số chuẩn mới khác nữa.
SƠ LƯỢC VỀ NẤM ĐÙI GÀ
2.3.1 Giới thiệu nấm đùi gà
Nấm đùi gà là một loại nấm có kích thước lớn, còn được gọi là nấm sò vua Tên khoa học của nó là Pleurotus eryngii Loại nấm này có nguồn gốc từ châu Âu, châu Á và ngày nay đã phổ biến trên toàn thế giới.
Hương vị của nấm đùi gà được các chuyên gia dinh dưỡng đánh giá là đậm vị bơ và kết cấu thì giống với cà tím Vì nó có hình dạng như một chiếc đùi gà nên mới có tên là nấm đùi gà Ngoài tên gọi này, Pleurotus eryngii còn có hàng loạt cái tên khác:
Nấm trumpet royale. Đây là một nguyên liệu xuất hiện rất nhiều trong thực đơn các nhà hàng chay tại Sài Gòn hay Hà Nội Hiện nay, nấm đùi gà đa phần được sử dụng như một loại thực phẩm thuần chay và thực phẩm bổ sung các món mặn đa dạng Tuy nhiên, cũng có nhiều hệ thống y học sử dụng nấm đùi gà cho việc điều trị sức khỏe Đặc biệt phổ biến là trong Y học cổ truyền Trung Quốc.
2.3.2 Đặc điểm nấm đùi gà Đúng như tên gọi, nấm đùi gà có thân nhỏ và dài, nhìn giống như một chiếc đùi gà Phần mũ có màu nâu, hình cầu, phần thân nấm thon, màu trắng.
Nấm đùi gà cung cấp rất nhiều chất xơ, beta-glucan Ngoài ra, nó còn là thực phẩm tốt với hàng loạt giá trị dinh dưỡng Trong tiêu chuẩn một khẩu phần ăn có 86g nấm đùi gà, thành phần dinh dưỡng mà nó có được là:
Vitamin và khoáng chất: niacin, riboflavin, axit pantothenic, folate, Vitamin B6, Thiamin, phốt pho, đồng, kali, magie, sắt, kẽm, selen, mangan…
Với lượng protein cao hơn những loại nấm khác, nấm đùi gà được coi là thực phẩm tuyệt vời trong việc tăng cường sức khỏe, giảm mệt mỏi, căng thẳng cho người sử dụng.
Thêm vào đó, các axit amin có trong thành phần của loại nấm này cũng giúp việc lưu thông khí huyết, tăng cường trí lực một cách hiệu quả Đặc biệt, khi bước vào độ tuổi trung niên, lượng khí huyết sẽ gặp phải một số vấn đề Suy giảm chức năng lưu thông máu Lúc này, khả năng vận chuyển oxy cũng như các dưỡng chất tới não sẽ gặp khó khăn Với những trường hợp này thì sử dụng nấm đùi gà để điều trị sẽ là một giải pháp hữu ích Nó không chỉ giúp quá trình thải độc tố diễn ra nhanh hơn mà còn giảm bớt áp lực cho máu.
Tốt cho hệ tiêu hóa: Không chỉ giúp tăng cường sức đề kháng mà nấm bào ngư Nhật còn rất tốt cho hệ tiêu hóa Với những thành phần dưỡng chất của mình, loại nấm này giúp đường ruột, dạ dày hoạt động tốt hơn, ngăn ngừa táo bón,… Sử dụng nấm hợp lý giúp điều trị một số căn bệnh như ruột non, trĩ,…
Phòng ngừa bệnh tiểu đường: Theo Đông y, loại nấm này có tính ôn, rất thích hợp cho việc ngăn ngừa và điều trị căn bệnh tiểu đường Cùng với hàm lượng chất xơ và vitamin, nấm đùi gà sẽ kìm hãm quá trình hấp thụ lượng đường vào máu.
Khả năng chống ung thư: Sở dĩ nấm bào ngư Nhật có công dụng này là do trong thành phần dưỡng chất của nó có chứa chất beta glucan Chất này có tác dụng kìm hãm sự phát triển của căn bệnh ung thư, đóng vai trò như một chất ngăn chặn, tiêu diệt các tế bào ung thư nguy hiểm Ngoài ra, nó còn tạo ra một “vạch giới hạn”, không để những tế bào khỏe chuyển thành ung thư.
2.3.4 Quy trình trồng và thu hồi nấm đùi gà a Thời vụ
Nấm Đùi gà được trồng quanh năm với điều kiện phải trang bị nhà lạnh công nghiệp.
Hình 2.6 Nấm được nuôi trong nhà lạnh công nghiệp b Nguyên liệu
Có thể trồng Nấm Đùi gà trên các loại mùn cưa khác nhau, không dùng mùn cưa bị mốc, dính dầu máy, mùn cưa của cây gỗ cứng và mùn cưa cây có tinh dầu. Tốt nhất là mùn cưa cao su và bồ đề.
Mùn cưa hoặc bã mía mới, dùng ngay là tốt nhất, nếu dùng dần phải phơi khô, bảo quản cẩn thận, tránh để ẩm mốc, mùn hoá làm mất chất dinh dưỡng.
Bông phế liệu: nguồn bông phế liệu mua từ các nhà máy dệt, chọn bông không bị mốc, không bị đông tảng -
Bột ngô, cám gạo: còn nguyên mùi thơm của cám, không mốc, không lẫn hạt tấm to.
Nước vôi trong (3,5 - 4 kg vôi cho 1000 lít nước); phải sử dụng nguồn nước sạch. c Tiến hành
*Xử lý nguyên liệu Đối với mùn cưa và bã mía: đổ mùn cưa ra nền sạch, sau đó dùng bình ô doa tưới đều nước vôi trong lên cơ chất, vừa tưới, vừa đảo (với tỷ lệ 1 kg khô trộn với 1,2 lít nước) Sau khi tưới đủ nước, dùng xẻng đảo đều từ 3 - 4 lần rồi ủ thành đống, che đậy bằng nilon để cơ chất ngấm đủ nước và trương nở tế bào Thời gian ủ khoảng từ
2 - 4 ngày. Đối với bông hạt: ngâm bông nhanh trong dung dịch nước vôi trong, vắt nhẹ, ủ lại thành đống (chú ý đống ủ phải để trên kệ, kệ có khe hở để nước không bị đọng ở đáy đống ủ), che phủ kín đống ủ bằng nilon hoặc bao tải dứa Thời gian ủ từ 24 - 36 giờ.
Trước khi phối trộn nguyên liệu, cần kiểm tra lại độ ẩm của hai đống ủ bông và mùn cưa, độ ẩm yêu cầu đạt khoảng 60 - 65% Trường hợp đống ủ khô quá, thì phải bổ sung nước, ủ lại 1 ngày Đống ủ ướt quá thì phải trải rộng ra để bay bớt hơi nước. Trước khi phối trộn phải dùng tay hoặc cào xé tơi bông.
Công thức phối trộn: 40 % bông +40 % mùn cưa +9 % bột ngô +9 % cám gạo +
PHẦN CỨNG
ESP32 DEVKIT V1 là một series các vi điều khiển trên một vi mạch giá rẻ, năng lượng thấp có tích hợp WiFi và dual-mode Bluetooth (tạm dịch: Bluetooth chế độ kép). khuếch đại công suất, bộ khuếch đại thu nhiễu thấp, bộ lọc và module quản lý năng lượng Chip ESP32 DEVKIT V1 bao gồm 48 chân với nhiều chức năng khác nhau. Không phải tất cả các chân đều lộ ra trên các module ESP32 và một số chân không thể được sử dụng.
ESP32 DEVKIT V1 được chế tạo và phát triển bởi Espressif Systems, một công ty Trung Quốc có trụ sở tại Thượng Hải, và được sản xuất bởi TSMC bằng cách sử dụng công nghệ 40 nm ESP32 DEVKIT V1 là sản phẩm kế thừa từ vi điều khiển ESP8266.
Hình 2.7 Hình ảnh thực tế ESP32 DEVKIT V1
CPU: Xtensa Dual-Core LX6 microprocessor.
Tốc độ xử lý từ 160 MHz đến 240 MHz
Tốc độ xung nhịp từ 40 Mhz ÷ 80 Mhz (có thể tùy chỉnh khi lập trình)
RAM: 520 Kb SRAM liền chip Trong đó 8 Kb RAM RTC tốc độ cao – 8Kb RAM RTC tốc độ thấp (dùng ở chế độ DeepSleep).
2 bộ chuyển đổi số sang tương tự (DAC) 8 bit
18 kênh bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) 12 bit.
cổng giao tiếp SPI (1 cổng cho chip FLASH )
10 kênh ngõ ra điều chế độ rộng xung (PWM)
SD card/SDIO/MMC host
Ethernet MAC hỗ trợ chuẩn: DMA và IEEE 1588
Hình 2.8 Sơ đồ chân ESP32 DEVKIT V1
GPIO từ 34 đến 39 là các chân chỉ đầu vào Các chân này không có điện trở kéo lên hoặc kéo xuống bên trong Chúng ta không thể được sử dụng làm đầu ra, vì vậy chỉ sử dụng các chân này làm đầu vào:
● Chân tích hợp Flash trên ESP32
GPIO 6 đến GPIO 11 dùng để kết nối Flash SPI trên chip ESP-WROOM-32, chúng ta không nên sử dụng những chân này cho mục đích khác.
● Chân cảm biến điện dung
ESP32 có 10 cảm biến điện dung bên trong Các cảm biến này có thể phát hiện được sự thay đổi về điện áp cảm ứng trên các chân GPIO Các chân cảm ứng điện dung cũng có thể được sử dụng để đánh thức ESP32 khỏi chế độ ngủ sâu (deep sleep).
Các chân ESP32 này có chức năng như 1 nút nhấn cảm ứng, có thể phát hiện sự thay đổi về điện áp cảm ứng trên chân.
Các cảm biến cảm ứng bên trong đó được kết nối với các GPIO sau:
● Bộ chuyển đổi tương tự sang số ADC (Analog to Digital Converter)
ESP32 có 18 kênh đầu vào ADC 12 bit (trong khi ESP8266 chỉ có 1 kênh ADC
10 bit) Đây là các GPIO có thể được sử dụng làm ADC và các kênh tương ứng:
Các kênh đầu vào ADC có độ phân giải 12 bit Điều này có nghĩa là ta có thể nhận được các giá trị tương tự từ 0 đến 4095, trong đó 0 tương ứng với 0V và 4095 đến 3,3V Ta cũng có thể thiết lập độ phân giải cho các kênh thông qua chương trình (code).
● Bộ chuyển đổi số sang tương tự DAC (Digital to Analog Converter)
Có 2 kênh DAC 8 bit trên ESP32 để chuyển đổi tín hiệu số sang tương tự Các kênh này chỉ có độ phân giải 8 bit, nghĩa là có giá trị từ 0 ÷ 255 tương ứng với 0 ÷ 3.3V Đây là các kênh DAC:
● Các chân thời gian thực RTC
Các chân này có tác dụng đánh thức ESP32 khi trong chế độ ngủ sâu (Low Power Mode) Sử dụng như 1 chân ngắt ngoài.
ESP32 LED PWM có 16 kênh độc lập có thể được cấu hình để tạo tín hiệu PWM với các thuộc tính khác nhau Tất cả các chân có thể hoạt động như đầu ra đều có thể được sử dụng làm chân PWM (GPIO từ 34 đến 39 không thể tạo PWM). Để xuất PWM, ta cần định nghĩa các thông số này trong code:
Chân GPIO xuất tín hiệu ra
ESP32 có hai kênh I2C và bất kỳ chân nào cũng có thể được đặt làm SDA hoặc SCL Khi sử dụng ESP32 với Arduino IDE, các chân I2C mặc định là:
Nếu chúng ta muốn sử dụng chân khác cho việc điều khiển I2C có thể sử dụng câu lệnh:
Theo mặc định, ánh xạ chân cho SPI là:
SPI MOSI MISO CLK CS
VSPI GPIO 23 GPIO 19 GPIO 18 GPIO 5
HSPI GPIO 13 GPIO 12 GPIO 14 GPIO 15
Relay là một thiết bị đóng cắt tiếp điểm, được sử dụng rất nhiều trong đời sống trong các thiết bị điện tử.
Hình 2.9 Cấu tạo của relay
Trên relay có 3 kí hiệu là: NO, NC và COM.
COM (common): là chân chung, nó luôn được kết nối với 1 trong 2 chân còn lại Còn việc nó kết nối chung với chân nào thì phụ thuộc vào trạng thái hoạt động của relay.
NC (Normally Closed): Nghĩa là bình thường nó đóng Nghĩa là khi relay ở trạng thái OFF, chân COM sẽ nối với chân này.
NO (Normally Open): Khi relay ở trạng thái ON (có dòng chạy qua cuộn dây) thì chân COM sẽ được nối với chân này.
Kết nối COM và NC khi bạn muốn có dòng điện cần điều khiển khi relay ở trạng thái OFF Và khi relay ON thì dòng này bị ngắt Ngược lại thì nối COM và NO. Ưu nhược điểm khi sử dụng dụng relay để đi đóng cắt tiếp điểm
Ưu điểm: Có cấu tạo đơn giản dễ sử dụng và dễ thay thế khi hư hỏng.
Nhược điểm: Khi đóng cắt sẽ sinh ra hồ quang làm ảnh hưởng đến tuổi thọ của relay do đó tuổi thọ của relay phụ vào số lần đóng cắt tiếp điểm. Relay chỉ làm việc khi tín hiệu điều khiển ở tần số thấp.
Hình 2.10 Ảnh thực tế relay
Điện áp/ dòng hoạt động: 12VDC, 100mA.
Điện áp AC/ dòng tải trọng cực đại: 250VAC, 10A.
Thời gian tác động: 20ms.
Công suất cuộn dây: 360mW
Thời gian nhã hãm: 5ms.
2.4.3 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11
● Giới thiệu cảm biến DHT11
DHT11 là một cảm biến kỹ thuật số giá rẻ để cảm nhận nhiệt độ và độ ẩm. Cảm biến này có thể dễ dàng giao tiếp với bất kỳ bộ vi điều khiển vi nào như Arduino, Raspberry Pi, để đo độ ẩm và nhiệt độ ngay lập tức.
DHT11 là một cảm biến độ ẩm tương đối Để đo không khí xung quanh, cảm biến này sử dụng một điện trở nhiệt và một cảm biến độ ẩm điện dung.
● Cấu tạo cảm biến DHT11
Cảm biến DHT11 bao gồm một phần tử cảm biến độ ẩm điện dung và một điện trở nhiệt để cảm nhận nhiệt độ Tụ điện cảm biến độ ẩm có hai điện cực với chất nền giữ ẩm làm chất điện môi giữa chúng Thay đổi giá trị điện dung xảy ra với sự thay đổi của các mức độ ẩm IC đo, xử lý các giá trị điện trở đã thay đổi này và chuyển chúng thành dạng kỹ thuật số. Để đo nhiệt độ, cảm biến này sử dụng một nhiệt điện trở có hệ số nhiệt độ âm, làm giảm giá trị điện trở của nó khi nhiệt độ tăng Để có được giá trị điện trở lớn hơn ngay cả đối với sự thay đổi nhỏ nhất của nhiệt độ, cảm biến này thường được làm bằng gốm bán dẫn hoặc polymer.
Hình 2.11 Ảnh thực tế DHT11
Điện áp hoạt động: 3V - 5V DC
Dòng điện tiêu thụ: 2.5mA
Phạm vi cảm biến độ ẩm: 20% - 90% RH, sai số ±5%RH
Phạm vi cảm biến nhiệt độ: 0°C ~ 50°C, sai số ±2°C
Tần số lấy mẫu tối đa: 1Hz (1 giây 1 lần)
● Giới thiệu cảm biến ánh sáng
Cảm biến ánh sáng là thiết bị quang điện chuyển đổi ánh sáng (bao gồm cả ánh sáng nhìn thấy và ánh sáng dạng tia hồng ngoại) thành tín hiệu điện Nó là một dạng thiết bị cảm biến thông minh có thể nhận biết được các biến đổi của môi trường thông qua mắt cảm biến Từ đó, nó sẽ điều chỉnh ánh sáng cho phù hợp.
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
GIỚI THIỆU
Đề tài trình bày về thiết kế và giải thích sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý của hệ thống, đồng thời tính toán giá trị các linh kiện, tính toàn dòng áp cho hệ thống Đảm bảo mạch hoạt động chính xác và ổn định. Đề tài này sử dụng module ESP32 DEVKIT V1 làm module xử lý trung tâm, cảm biến PZEM – 004T đo điện năng tiêu thụ, cảm biến nhiệt độ, module cảm biến độ ẩm, nhiệt độ DHT11, module cảm biến ánh sáng, màn hình cảm ứng HMI UART, module relay và Mosfet
Phần mềm hỗ trợ: sử dụng phần mềm Arduino IDE viết chương trình điều khiển và app Blynk để lập trình ứng dụng.
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
Sơ đồ khối hệ thống
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống
Chức năng của từng khối:
Khối nguồn: Khối này có nhiệm vụ cung cấp nguồn cho toàn mạch cụ thể ở đây sử dụng nguồn DC 5V và 12V
Smartphone: Gửi dữ liệu on/off đến board điều khiển hoặc nhận dữ liệu từ board điều khiển gửi đến để hiển thị trạng thái on/off của thiết bị.
Khối xử lý trung tâm: Sử dụng module BLE ESP32 DEVKIT V1 làm vi điều khiển trung tâm có nhiệm vụ kết nối với các khối Thu thập dữ liệu từ khối cảm biến gửi lên server của App trên smartphone giúp người dùng có thể giám sát, điều khiển qua App trên smartphone Bên cạnh đó khối xử lý trung tâm còn thực hiện việc xử lý và gửi dữ liệu điều khiển thông qua Wifi.
Khối ngõ ra công suất: Nhận các tín hiệu điều khiển từ khối điều khiển trung tâm, hoặc app điều khiển, hoặc từ web để bật – tắt các relay tương ứng với các thiết bị.
Khối điều khiển hiển thị: Hiển thị giá trị đọc từ khối cảm biến lên màn hình
HMI Qua đó có thể thực hiện thao tác điều khiển trên màn hình cảm ứng HMI.
Khối cảm biến: Khối này có nhiệm vụ đo các thông số bên ngoài môi trường như: Nhiệt độ, độ ẩm không khí, ánh sáng và điện năng tiêu thụ gửi đến khối xử lý trung tâm.
3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch a Khối xử lý trung tâm
Đọc và xử lý các tín hiệu cảm biến: cảm biến nhiệt độ, độ ẩm (DHT11), cảm biến đo điện năng PZEM – 004T, cảm biến ánh sáng.
Điều khiển các ngõ ra công suất, đọc tín hiệu từ màn hình hiển thị HMI
● Phân tích lựa chọn linh kiện
Nhóm thực hiện chọn module BLE ESP32 DEVKIT V1 vì các ưu điểm sau:
Module BLE ESP32 DEVKIT V1 có nhiều chân I/O Nó cũng có sẵn nhiều loại ngoại vi (peripheral) như: ADC, DAC, UART, SPI, I2C và nhiều hơn nữa.
Có nhiều môi trường lập trình khác nhau: Arduino IDE, MicroPython,
Có rất nhiều diễn đàn trên internet nói về ESP32 Dễ dàng tìm hiểu và học tập.
● Sơ đồ kết nối cho ESP32 DEVKIT V1
Hình 3.2 Sơ đồ kết nối ESP32 DEVKIT V1
Cấp nguồn cho ESP32 DEVKIT V1 từ chân VIN của board là 5V. b Khối cảm biến
● Chức năng của khối Đo các thông số bên ngoài môi trường như: Nhiệt độ, độ ẩm không khí, ánh sáng và điện năng tiêu thụ gửi đến khối xử lý trung tâm.
● Phân tích chọn linh kiện
Cảm biến nhiệt độ-độ ẩm: Chọn cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11 cho đề tài này vì giá thành thấp hơn nhiều so với các cảm biến có cùng chức năng Thích hợp cho các ứng dụng thu thập dữ liệu cơ bản Dữ liệu ra của cảm biến DHT11 là dạng số, có thể dùng bất cứ vi điều khiển nào để đọc dữ liệu ra Dữ liệu độ ẩm mà cảm biến đo được mức từ 20% ~ 90%, nhiệt độ đo được từ 0 ~ 50 o C phù hợp với điều kiện nhiệt độ và độ ẩm trong nhà.
Cảm biến ánh sáng: Ở đề tài này nhóm thực hiện sử dụng loại cảm biến ánh sáng quang trở CDS – NVZ1 có tích hợp sẵn opamp và biến trở so sánh mức điện áp tín hiệu giúp việc nhận biết tín hiệu trở nên dễ dàng Quang trở CDS – NVZ1 có mức giá thành rẻ, tiết kiệm chi phí Hoạt động với mức năng lượng và điện áp mức nhỏ.
Cảm biến điện năng: Chọn module PZEM – 004T để đo và giám sát điện năng vì module nhỏ gọn, dễ lắp đặt, sử dụng cách đo dòng cách ly an toàn và khả năng đo dòng lên đến 100A, mạch có chất lượng gia công và linh kiện tốt, độ bền cao. Điện áp đo và hoạt động: 80 ~ 260 VAC / 50 – 60 Hz, sai số 0.01, Dòng điện đo và hoạt động: 0 ~ 100A, sai số 0.01, Công suất đo và hoạt động: 0 ~ 26000 W, Năng lượng đo và hoạt động: 0~9999 kWh phù hợp với thông số cần tính toán trong đề tài.
● Sơ đồ kết nối giữa ESP32 với khối cảm biến
Hình 3.3 Sơ đồ kết nối ESP32 với khối cảm biến c Thiết kế khối nguồn
● Tính toán lựa chọn nguồn
Bảng 3.1: Bảng tính dòng điện các linh kiện Điện Dòng Số Tổng
STT Tên linh kiện tiêu thụ dòng áp (V) lượng
Theo các thông số ở bảng 3.1 nhóm đã tiến hành lựa chọn Adapter có mức điện áp 12V và dòng điện 5A Sau đó sử dụng LM2596 – module hạ áp để hạ mức điện áp 12V xuống 5V đảm bảo cung cấp nguồn cho các linh kiện. d Thiết kế khối ngõ ra công suất
Nhận các tín hiệu điều khiển từ khối điều khiển trung tâm, hoặc app điều khiển, hoặc từ web để bật – tắt các relay tương ứng với các thiết bị.
● Phân tích chọn linh kiện Đề tài sẽ điều khiển 1 bơm, 1 quạt và 1 bóng đèn với điện áp 12VDC Nhóm chọn dùng 2 relay 1 kênh 12VDC mức cao, khi chân của ESP tương ứng với các relay xuất mức 12V thì kích hoạt relay đóng, xuất mức 0V thì relay mở 2 relay sẽ lần lượt điều khiển đóng cắt cho bóng đèn và bơm Còn quạt điều chỉnh được tốc độ nên nhóm sẽ dùng mosfet để điều khiển đóng cắt quạt và điều chỉnh tốc độ quạt. Nhóm sử dụng opto PC817 để cách ly dòng ngược về, chống nhiễu sử dụng Diode 1N4007 bảo vệ chống dòng ngược cho transistor.
Theo datasheet dòng hoạt động của relay: I relay = 100mA.
Nên ta chọn Transistor có Ic > 100mA.
Dòng vào khoảng 20mA Điện áp rơi trên diode là 1,2V, điện áp rơi trên trở sẽ là 5 – 1,2 = 3.8V
Chọn điện trở lớn hơn 190Ω nên chọn 330Ω.
Trường hợp 1: Đối với relay
Dòng vào chân B của C1815 là I B = 50mA, nội trở của C1815 là R B 50Ω Chọn điện trở nối tiếp R B để hạn dòng
Trường hợp 2: đối với mosfet
Khi opto mở 12V chạy từ nguồn qua điện trở xuống đất với P Rmax = 1/4W = U 2 /R min
Tính điện trở của led. Điện áp rơi trên led là 4V, dòng điện qua led là 40mA
⇨ Điện áp rơi trên R led là 12 – 4 = 8V
● Sơ đồ kết nối giữa ESP32 với khối ngõ ra công suất
Hình 3.4 Sơ đồ kết nối giữa ESP32 với khối ngõ ra công suất e Thiết kế khối hiển thị
Hiển thị giá trị đọc từ khối cảm biến lên màn hình HMI Qua đó có thể thực hiện thao tác điều khiển trên màn hình cảm ứng HMI.
● Phân tích chọn linh kiện
35 Đề tài có hiện hiển thị thông tin nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng, có thể điều khiển cài đặt ngưỡng nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng ngay trên màn hình hiển thị nên nhóm tiến hành chọn màn hình hiển thị có cảm ứng và có thể là màn hình cảm ứng HMI UART 3.5 inch Nhóm chọn màn hình này vì màn hình cảm ứng nhạy Giao tiếp UART với chỉ hai dây tín hiệu (TX, RX) rất dễ dàng giao tiếp và điều khiển Có phần mềm thiết kế giao diện đi kèm, có bộ lưu trữ và xử lý hình ảnh Mạch có chất lượng gia công tốt và độ bền cao.
● Sơ đồ kết nối giữa ESP32 với khối hiển thị
Hình 3.5 Sơ đồ kết nối giữa ESP32 với khối hiển thị
3.2.3 Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch a) Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch b) Giải thích sơ đồ nguyên lý toàn mạch
Khối xử lý trung tâm thu thập dữ liệu từ khối cảm biến gửi lên server của App trên smartphone giúp người dùng có thể giám sát, điều khiển thiết bị qua App trên smartphone. Đồng thời cũng nhận dữ liệu từ khối cảm biến gửi lên khối hiển thị và điều khiển để người dùng giám sát và điều khiển thiết bị qua màn hình hiển thị HMI.Bên cạnh đó khối xử lý trung tâm còn thực hiện việc xử lý và gửi dữ liệu điều khiển thông qua Wifi.
THI CÔNG HỆ THỐNG
GIỚI THIỆU
Trong chương này nhóm sẽ trình bày về quá trình thi công PCB, lắp ráp phần cứng hệ thống và thi công mô hình Đồng thời trình bày về lập trình cho hệ thống và viết tài liệu hướng dẫn.
THI CÔNG HỆ THỐNG
Mạch gồm các khối: Khối nguồn, khối xử lý trung tâm, khối cảm biến, khối ngõ ra công suất.
Hình 4.1 Sơ đồ mạch in toàn mạch
Hình 4.2 Sơ đồ 3D bố trí linh kiện của mạch
Sơ đồ bố trí linh kiện được thiết kế tách biệt theo từng khối:
Vị trí số 1: Khối nguồn
Vị trí số 2: Khối cảm biến
Vị trí sô 3: Khối xử lý trung tâm
Vị trí số 4: Khối ngõ ra công suất
Bảng 4.1: Bảng danh sách các linh kiện
STT Tên linh kiện Giá trị Số Chú thích lượng
4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra
Sau khi thiết kế mạch in thì nhóm tiến hành ủi mạch, rửa mạch, khoan và hàn linh kiện Kiểm tra các đường đồng, chân linh kiện xem có bị trầy, tróc, đứt hay chập gì không Kiểm tra bằng mắt thường và kết hợp sử dụng đồng hồ VOM kiểm tra thông mạch, ngắn mạch…Các trường hợp bong tróc, đứt gãy thì có thể dùng các biện pháp thủ công gia công hàn gắn lại cho đạt yêu cầu, đảm bảo đường mạch
THI CÔNG MÔ HÌNH
Từ bản vẽ bố trí thiết bị tiến hành thi công mô hình: cắt, dán, lắp ráp hoàn chỉnh mô hình.
Hình 4.3 Mô hình thực tế
LẬP TRÌNH HỆ THỐNG
Hình 4.4 Lưu đồ giải thuật
Bắt đầu chương trình là cấu hình khởi tạo port, biến khai báo thư viện, khởi tạo UART, khởi tạo các chân I/O Sau đó đọc giá trị từ các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, điện năng và hiển thị trên màn hình điện thoại và HMI Tiếp theo tiến hành phân tích so sánh, tính toán dữ liệu thu thập được Sau đó cập nhật dữ liệu hiển thị lên màn hình cảm ứng và điều khiển tải theo dữ liệu thu thập Tiếp tục giám sát và ghi dữ liệu quay lại phân tích dữ liệu.
4.4.2 Phần mềm lập trình Arduino
Có nhiều cách để lập trình cho module ESP32 DEVKIT V1 nhưng trong đề tài này thì mình sử dụng phần mềm Arduino IDE.
Hình 4.5 Logo phần mềm Arduino
IDE viết tắt của cụm từ Integrated Development Environment là phần mềm cung cấp cho các lập trình viên một môi trường tích hợp bao gồm nhiều công cụ khác nhau như chương trình viết mã lệnh hay code editor, chương trình sửa lỗi hay debugger, chương trình mô phỏng ứng dụng khi chạy thực tế hay simulator Nói cách khác thì IDE là một phần mềm bao gồm những gói phần mềm khác giúp phát triển ứng dụng phần mềm.
Các chương trình Arduino được viết bằng C hoặc C++ Arduino IDE đi kèm với một thư viện phần mềm được gọi là "Wiring", từ project Wiring gốc, có thể giúp các thao tác input/output được dễ dàng hơn Người dùng chỉ cần định nghĩa 2 hàm để tạo ra một chương trình vòng thực thi là có thể chạy được:
Setup( ): hàm này chạy mỗi khi khởi động một chương trình, dùng để thiết lập các cài đặt.
Loop( ): hàm này được gọi lặp lại cho đến khi tắt nguồn board mạch.
Hình 4.6 Giao diện phần mềm Arduino IDE
4.4.3 Lập trình thiết kế giao diện App với Blynk
Đầu tiên ta phải tải ứng dụng Blynk trên CH Play hoặc APP Store.
Sau đó bạn có thể sử dụng tài khoản Gmail để đăng ký tài khoản Blynk.
Tạo mới một project trên Blynk.
Hình 4.8 Giao diện tạo mới project
Sau đó dùng phần cứng là NodeMCU tên project là điều khiển thiết bị, thành phần kết nối là wifi lựa chọn thành thần kết nối, thành phần phần cứng và đặt tên cho project.
Trong đề này là tôi.
Hình 4.9 Giao diện chọn thành phần kết nối
Hoàn thành tạo mới project ứng dụng sẽ gửi mã Auth Token vào gmail và dùng mã này để làm việc với project vừa khởi tạo.
Hình 4.10 Giao diện lấy mã Auth Token bắt đầu làm việc với project
Lựa chọn các Item phù hợp với thiết kế của mình.
Hình 4.11 Giao diện làm việc chọn Item thiết kế
Cứ làm tiếp tục chọn và thiết kế sẽ tạo được giao diện trên App Blynk.
KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ
GIỚI THIỆU
Chương này trình bày kết quả của cả quá trình nghiên cứu làm đề tài trong thời gian qua Bên cạnh đó là nhận xét, đánh giá về mô hình.
KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
Mặc dù vẫn có nhiều thiếu sót nhưng đã thực hiện được các mục tiêu đề ra, hoàn thành sản phẩm như mong muốn Đã thiết kế được giao diện App trên android băng Blynk Thiết kế được giao diện trên màn hình HMI Cài đặt và điều khiển được các thiết bị thông qua màn hình cảm ứng HMI cũng như App trên android thông qua Wifi.
Hình 5.1 Mô hình sau khi hoàn thành
Bên trong mô hình sử dụng 1 quạt, 1 đèn và 1 bơm thực hiện chức năng phun sương.
Mạch điều khiển được đặt bên trong tủ điện có kích thước 20x10 cm.
Hình 5.2 Hình ảnh bên ngoài tủ điện Để thuận tiện cho việc quan sát hoạt động của mô hình, chúng tôi đã tiến hành lắp đặt bên ngoài tủ điện là màn hình HMI có thể điều khiển và giám sát.
5.2.2 Giao diện màn hình hmi
Màn hình cảm ứng HMI sẽ có chức năng hiển thị thông tin và điều khiển các thiết bị trực tiếp trên màn hình.
Hình 5.3 Giao diện trang chủ màn hình HMI
Giao diện “TRANG CHỦ” ở màn hình HMI sẽ hiển thị các thông tin như: Đồ án tốt nghiệp, tên đề tài, họ và tên giảng viên hướng dẫn và sinh viên thực hiện.Chuyển trang mới bằng cách bấm vào các mũi tên “”.
Hình 5.4 Giao diện giám sát nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng màn hình HMI
Tại giao diện này chúng ta có thể dễ dàng quan sát được thông số nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng trong mô hình trên màn hình.
Hình 5.5 Giao diện cài đặt màn hình HMI
Tại giao diện này sẽ có nhiet do1 tương ứng với nhiệt độ ngưỡng trên, nhiet do2 tương ứng với nhiệt độ ngưỡng dưới, do am1 và do am2 lần lượt tương ứng với độ ẩm ngưỡng trên và ngưỡng dưới, anh sang1 và anh sang2 cũng tương ứng với các giá trị ánh sáng ngưỡng trên và ngưỡng dưới Các giá trị này được thực hiện tăng/giảm tùy ý Mỗi lần tăng/giảm sẽ là 1 đơn vị.
Hình 5.6 Giao diện giám sát điện năng màn hình HMI
Tại giao diện này, người dùng có thể giám sát được các thông số điện năng của mô hình.
5.2.3 Giao diện trên điện thoại Đăng nhập ứng dụng Blynk IoT trên điện thoại sau đó đăng nhập bằng email:smartgardenblynk2023@gmail.com password: 2214129k Đây là email đã tạo dự án.
Hình 5.7 Giao diện sau khi đăng nhập khi chưa kích hoạt wifi
Cần phát wifi cho mô hình với id: iphone12 password: 12345678 Đây là tên và mật khẩu Wifi thiết lập cho mô hình kết nối Sau khi phát module sẽ tự động kết nối và giao diện trên sẽ mất chữ offline.
Hình 5.8 Giao diện màn hình chính
Cũng giống như giao diện “TRANG CHỦ” ở màn hình HMI hiển thị các thông tin như: Đồ án tốt nghiệp, tên đề tài, họ và tên giảng viên hướng dẫn và sinh viên thực hiện.
Hình 5.9 Giao diện giám sát điều khiển nhà nấm Ởhình 5.7, giá trị ánh sáng hiện tại đang là 93%, độ ẩm có giá trị 78% và nhiệt độ mà cảm biến DHT11 đo được có giá trị 31 độ C Quạt, đèn và bơm đang ở chế độ off, hệ thống đang ở chế độ “tự động”.
Hình 5.10 Giao diện giám sát điện năng
Giao diện giám sát điện năng giúp người dùng dễ dàng theo dõi các thông số điện đang hoạt động trong mô hình Ngoài ra, giao diện còn theo dõi điện năng tiêu thụ qua các ngày hôm qua, hôm nay, tháng trước, Giúp người dùng dễ dàng theo dõi mức điện tiêu thụ của mô hình.
Hình 5.11 Giao diện cài đặt nhà nấm
Tưng tự màn hình HMI có thể thay đổi giá trị ngưỡng bằng cách bấm vào các dấu “+” hoặc “-”.
Hình 5.12 Giao diện cài đặt điện năng
Thông qua giao diện này người dùng có thể dễ dàng kiểm soát và tính toán tiền điện.
NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ
Qua quá trình thử nghiệm, chạy thử và hiệu chỉnh mô hình nhiều lần, nhóm rút ra được những nhận xét về mô hình như sau:
Hệ thống làm việc ổn định.
Hệ thống điều khiển thông qua smartphone và màn hình cảm ứng HMI, dễ dàng thao tác và điều khiển được bất kỳ nơi nào có sóng Wifi hoặc 3G.
Giám sát hoạt động thiết bị dễ dàng.
Tốc độ hệ thống phụ thuộc vào mạng internet.
Thời gian đáp ứng còn chậm.
App chỉ hoạt động trên nền tảng Android.
Chế độ điều khiển tự động còn đơn giản và hạn chế.
Sau quá trình vận hành hệ thống, nhóm có những đánh giá sau đây: Hệ thống hoạt động theo đúng mục tiêu ban đầu đề ra và khá ổn định Mô hình đơn giản, an toàn và dễ sử dụng Tuy nhiên thời gian đáp ứng của hệ thống vẫn chưa được nhanh, vì phụ thuộc nhiều vào tốc độ internet cũng như giải thuật chương trình chưa tối ưu.
