Các nghiên cứu tiến xa hơn trong việc tự động hóa quá trình chăm sóc hồ cá thông qua việc sử dụng các cảm biến, hệ thống điều khiển tự động và phân tích dữ liệu để tối ưu hóa môi trường
TỔNG QUAN
ĐẶT VẤN ĐỀ
Mô hình nuôi cá cảnh đã có mặt từ lâu và ngày càng phổ biến trên toàn thế giới, đặc biệt là ở Việt Nam, nơi nó được xem như một thú vui tao nhã Việc nuôi cá không chỉ giúp trang trí không gian sống thêm sang trọng mà còn mang lại phong thủy tích cực cho gia chủ Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng nuôi cá cảnh có thể giảm stress và mang lại cảm giác thoải mái cho người nuôi.
Việc nuôi cá cảnh tuy mang lại niềm vui nhưng cũng gặp nhiều khó khăn và đòi hỏi kỹ thuật chăm sóc nhất định Một trong những thách thức lớn nhất là người nuôi thường thiếu thời gian để chăm sóc bể cá, trong khi việc duy trì sức khỏe của cá cần sự chăm sóc thường xuyên Thêm vào đó, hiện chưa có quy trình kiểm soát hiệu quả các yếu tố ảnh hưởng đến sức khỏe và môi trường sống của cá cảnh, khiến người nuôi chủ yếu dựa vào kinh nghiệm Cá chết thường do nguồn nước ô nhiễm và thức ăn không đảm bảo, vì vậy việc kiểm soát các yếu tố này là rất cần thiết để bảo vệ sức khỏe của cá.
Nhằm giải quyết những vấn đề mà người nuôi cá cảnh thường gặp, nhóm nghiên cứu đã quyết định thực hiện đề tài "Hệ thống IoT giám sát và điều khiển" Hệ thống này sẽ giúp cải thiện hiệu quả nuôi cá, đồng thời cung cấp giải pháp công nghệ tiên tiến để theo dõi và quản lý môi trường sống của cá cảnh một cách tối ưu.
Để đảm bảo sức khỏe cho cá cảnh và tiết kiệm thời gian chăm sóc, người dùng có thể kiểm soát các yếu tố ảnh hưởng đến môi trường sống của cá Bên cạnh đó, việc giám sát và điều khiển các thiết bị hỗ trợ nuôi cá từ xa cũng giúp quản lý hiệu quả hơn.
LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU
Lịch sử nghiên cứu mô hình hồ cá thông minh bắt đầu gần đây, nhờ vào sự phát triển của công nghệ và trí tuệ nhân tạo, mở ra nhiều tiềm năng mới cho lĩnh vực này.
Giai đoạn đầu tiên (2010-2015) chứng kiến sự khởi đầu của các nghiên cứu về mô hình hồ cá thông minh, nơi các nhà nghiên cứu tập trung vào việc phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến môi trường sống của cá Họ đã phát triển các hệ thống giám sát cơ bản nhằm theo dõi các thông số quan trọng như nhiệt độ, pH và độ mặn trong hồ cá.
Giai đoạn 2015-2020 chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ Internet of Things (IoT) và trí tuệ nhân tạo, mở ra cơ hội mới cho mô hình hồ cá thông minh Các nghiên cứu đã tiến xa hơn trong việc tự động hóa quá trình chăm sóc hồ cá bằng cách sử dụng cảm biến, hệ thống điều khiển tự động và phân tích dữ liệu, nhằm tối ưu hóa môi trường sống cho cá.
Giai đoạn hiện tại (2020-đến nay), mô hình hồ cá thông minh đang được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ Các nhà nghiên cứu chú trọng vào việc tích hợp các công nghệ tiên tiến nhằm tối ưu hóa hiệu suất và nâng cao trải nghiệm người dùng.
Hai công nghệ tiên tiến như trí tuệ nhân tạo và học máy đang được áp dụng để phát triển hệ thống quản lý hồ cá thông minh, nâng cao hiệu quả và tính năng Mục tiêu chính là tạo ra môi trường sống tối ưu cho cá, đồng thời giảm thiểu công sức và chi phí cho người chăm sóc hồ cá.
Một số mô hình đã được thực hiện trước đây bao gồm đề tài "Thiết bị hỗ trợ nuôi cá tự động" vào năm 2018, đây là đồ án tốt nghiệp được thực hiện bởi sinh viên.
Châu Nguyễn Hoang Ân, Nguyễn Luật Hoài Phong
Sử dụng ESP32S để thu nhận tín hiệu từ cảm biến và điều khiển các thiết bị hỗ trợ cho hồ cá thông qua website là một giải pháp hiệu quả Việc này không chỉ giúp quản lý hồ cá một cách thông minh mà còn tạo điều kiện thuận lợi cho người dùng trong việc giám sát và điều chỉnh các yếu tố môi trường.
Mạch điều khiển thực tế sau khi hàn và ráp các linh kiện cho thấy nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm khả năng điều khiển từ xa hiệu quả và ổn định Đặc biệt, hệ thống vẫn hoạt động tốt ngay cả khi không có kết nối Internet.
Thông tin bể cá được cập nhật liên tục khi thiết bị được kết nối internet, với độ trễ từ
1 cho đến 5 giây Điều khiển thiết bị tốt, ổn định với thời gian trễ từ 1 đến 7 giây
Tên wifi và mật khẩu để thiết bị kết nối internet là cố định, chỉ có thể thay đổi bằng cách nạp lại chương trình cho ESP32S
Thiết bị làm lạnh và làm nóng nước có hiệu quả chưa cao, cần thời gian dài để giảm nhiệt độ của nước
Hệ thống SCADA giám sát và điều khiển hồ nuôi cá rồng thông minh, được thực hiện bởi Phạm Văn Bảo và Trần Hoàng Hưng vào năm 2022, nhằm khắc phục vấn đề thiếu độ tin cậy và ổn định của các module điều khiển trên board mạch trong thời gian dài.
Hoàn thiện mô hình hồ cá thông minh nuôi cá rồng với hệ thống giám sát và điều khiển thông qua SCADA trên máy tính PC và WEB-SCADA.
Hình 1.2: hệ thống điều khiển của nhóm Ưu điểm:
Mô hình hồ nuôi cá rồng thông minh cho phép cài đặt điều khiển thay nước, cho cá ăn, giám sát và điều khiển nhiệt độ tự động
Giao diện SCADA cho phép người dùng điều chỉnh thời gian thay nước cho cá ăn, thời gian chiếu sáng và nhiệt độ
Phần mềm WEB-SCADA giám sát dữ liệu cảm biến của hồ cá theo thời gian thực Tạo cảnh báo Alarm cho hệ thống
Nhược điểm: Đo cân thức ăn chưa chính xác sai số còn lớn
Mô hình còn cồng kềnh về phương thức điều khiển chưa phù hợp với thực tế
Mô hình còn hạn chế về mặt điều khiển nhiệt độ nước.
MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
Hệ thống IoT được phát triển cho hồ nuôi cá cảnh cho phép giám sát và điều khiển dễ dàng thông qua ứng dụng Android Ứng dụng này hoạt động trực tuyến và tương thích với hầu hết các dòng điện thoại Android, mang lại sự tiện lợi và hiệu quả cho người dùng trong việc quản lý hồ cá.
NỘI DUNG THỰC HIỆN
Thiết kế hệ thống lọc tràn dưới và overflow cho hồ cá giúp tối ưu hóa quy trình lọc nước tự động, tạo ra môi trường sống lý tưởng cho cá Hệ thống này không chỉ cải thiện chất lượng nước mà còn duy trì sự tuần hoàn, đảm bảo sức khỏe và sự phát triển của cá.
Sử dụng ESP32 để thu thập dữ liệu từ các cảm biến như DS18B20, SRF05 và RTC DS3231, cho phép thiết kế và lập trình hệ thống hiệu quả Hệ thống còn có khả năng điều khiển bật/tắt các thiết bị trong hồ nuôi cá, bao gồm đèn chiếu sáng, bơm nước, và chế độ cho ăn Đặc biệt, việc thiết lập chế độ tự động dựa trên lịch trình thông qua ứng dụng Android giúp tối ưu hóa quản lý hồ nuôi cá.
Thiết kế mạch PCB bao gồm việc tạo ra một mạch in chứa các linh kiện và vi mạch cần thiết để kết nối với cảm biến DS18B20 và RTC DS321, với các nguồn ra 220V, 12V và 5V để cấp điện cho thiết bị và cảm biến Ứng dụng Android được phát triển trên nền tảng Java, sử dụng giao diện người dùng bằng XML, cho phép người dùng giám sát và điều khiển từ xa các thiết bị trong hồ nuôi cá thông qua Internet Giao diện của ứng dụng được thiết kế thân thiện và dễ sử dụng.
- Trang đăng nhập, đăng ký và khôi phục mật khẩu cho người dùng
Nhập mã MAC giúp người dùng điều khiển thiết bị một cách an toàn hơn, đồng thời cho phép server quản lý nhiều hồ cá khác nhau dựa trên mã MAC của ESP32.
Trang điều khiển thủ công bao gồm các nút bấm bật/tắt, hiển thị nhiệt độ, mực nước trong bể, tên Wi-Fi đã kết nối và trạng thái kết nối Wi-Fi.
Khi mất kết nối Wi-Fi, bạn có thể tự động chạy các chương trình theo thời gian thực trong khi chờ kết nối lại, hoặc điều khiển trực tiếp thông qua công tắc bên ngoài tủ điện.
Giao diện web cho phép cấu hình Wi-Fi, khôi phục mật khẩu và nhập mã để kiểm soát thiết bị, đảm bảo an toàn cho người dùng Ngoài ra, người thực hiện dự án có thể quản lý nhiều hồ cá một cách hiệu quả.
- Thực hiện thi công và thiết kế các thiết bị hỗ trợ cho hồ cá cụ thể như, bộ chiller làm mát nước, máy tự động cho cá ăn
- Trang cài đặt lịch trình tự động và ngưỡng nhiệt độ pHù hợp cho hồ cá.
ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Các đối tượng nghiên cứu của đề tài:
Nghiên cứu thiết kế hồ cá nuôi cá dựa trên tư vấn và tham khảo từ các chuyên gia thiết kế hồ cá hàng đầu trên thị trường.
- Nghiên cứu giải pháp làm sạch nước trong hồ nuôi cá cảnh mà hiện nay trên thế giới đang áp dụng
Nghiên cứu các công nghệ nuôi cá hiện đại trên thế giới, đặc biệt là những công nghệ tiên tiến từ Singapore và Indonesia, cho thấy đây là những quốc gia hàng đầu trong lĩnh vực nuôi cá Việc áp dụng các công nghệ này không chỉ nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn đảm bảo chất lượng và bền vững trong ngành nuôi trồng thủy sản.
Nghiên cứu các giải pháp thu thập dữ liệu cảm biến cho hồ cá và các đối tượng cần được điều khiển thông qua hệ thống IoT là rất quan trọng Việc áp dụng công nghệ IoT giúp tối ưu hóa việc quản lý và giám sát môi trường hồ cá, từ đó nâng cao hiệu quả nuôi trồng và bảo vệ sức khỏe của cá Các cảm biến sẽ cung cấp thông tin thời gian thực về chất lượng nước, nhiệt độ và các yếu tố khác, cho phép người nuôi cá điều chỉnh điều kiện sống phù hợp.
PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Phạm vi nghiên cứu của đề tài:
- Thiết kế và thi công mô hình hồ cá theo đúng thực tế thị trường thương mại cá hiện nay ở Việt Nam và trên thế giới
- Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sức khỏe của cá cảnh
- Nghiên cứu các quy trình cho cá ăn và thay nước thực tế
- Nghiên cứu các thông số cảm biến cần phải đo lường và giám sát của một hồ nuôi cá cảnh cần phải có
- Nghiên cứu các đối tượng cần phải được điều khiển trong một hồ nuôi cá cảnh
- Nghiên cứu thiết kế hệ thống IoT giám sát và điều khiển hồ cá
- Nghiên cứu viết chương trình giám sát các thông số cảm biến của hồ nuôi cá thông qua các ứng dụng Android.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nhóm sử dụng tổng hợp các phương pháp nghiên cứu như sau:
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
- Phương pháp mô hình hóa
GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
Cảm biến hiện tại trong hồ bao gồm cảm biến nhiệt độ nước, cảm biến hồng ngoại để kiểm tra thức ăn, và cảm biến siêu âm nhằm xác định mực nước Hệ thống này giúp theo dõi và quản lý các thông số quan trọng của hồ một cách hiệu quả.
6 làm lạnh cần thời gian dài để đạt được nhiệt độ mong muốn Chỉ thực hiện điều khiển hệ thống qua ứng dụng Android.
BỐ CỤC ĐỀ TÀI
Chương này giới thiệu lý do lựa chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu và kết quả mong muốn đạt được, đồng thời nêu rõ các nội dung nghiên cứu và thực hiện, các giới hạn về thông số, cũng như bố cục trình bày của đồ án.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỨC KHỎE CỦA CÁ CẢNH
2.1.1 Nước nuôi cá phù hợp Điều quan trọng nhất trong việc nuôi cá là nước nuôi không phải loại nước nào cũng phù hợp để nuôi cá Hầu hết việc cá chết do nhiễm khí Clo trong nước vậy nên khi nuôi cần phải khử trùng nước trước Đối với nước máy: Có độ pH thấp do được khử khuẩn bằng Clo vậy nên cần đổ đầy nước vào một cái chậu, xô to để trong vòng 24h, để ở những nơi khô ráo, thoáng mát hoặc có thể sử dụng máy sục oxy để làm sạch nước hoặc có thể sử dụng biện pháp cấp bách như mua dung dịch khử khí Clo ở các tiệm bán cá Đối với nước mưa: Nước mưa mang tính hàn nên sẽ thích hợp nuôi ở những ngày hè Ngoài ra, độ pH và PH chứa trong nước mưa cực thấp, nếu vẫn sử dụng thì phải làm tăng độ pH nên sủi oxy thật mạnh để gia tăng độ pH [1]
Tùy thuộc vào loại cá nuôi, thời gian thay nước thường dao động từ 3 ngày đến 2 tuần Khi thay nước, chỉ nên hút khoảng 30-50% lượng nước trong hồ cá để giúp cá thích nghi dễ dàng hơn và tránh sốc do sự thay đổi đột ngột về pH và nhiệt độ Việc không hút hết nước cũ sẽ giúp duy trì môi trường sống ổn định cho cá cảnh trong hồ.
2.1.3 Cho cá ăn hợp lý
Không nên cho cá ăn quá nhiều trong một lần, vì cá có thói quen ăn nhiều khi thấy thức ăn, dẫn đến nguy cơ bị no và chết Nên cho cá ăn từ 1 đến 2 lần mỗi ngày và hạn chế thức ăn thừa trong bể để tránh phát sinh mầm bệnh.
2.1.4 Nhiệt độ oxy thích hợp và ánh sáng
Nhiệt độ lý tưởng cho cá vùng nhiệt đới là từ 24 đến 30℃ Trong suốt quá trình nuôi cá, việc cung cấp oxy liên tục là rất quan trọng Bể cá nên được đặt ở những vị trí thoáng mát, và đèn cần được bật trong khoảng 8 tiếng mỗi ngày, nhớ tắt đèn vào buổi tối để cá có thời gian nghỉ ngơi.
LỌC TRÀN
Lọc tràn bể cá là thiết bị lọc nước hiệu quả cho hồ cá cảnh, được lắp đặt cố định bên trên, dưới hoặc trong bể Nước từ bể sẽ chảy qua ngăn lọc, sau đó đi vào ngăn chứa máy bơm, nơi nước được bơm ngược trở lại bể, giúp duy trì sự sạch sẽ và trong lành cho môi trường sống của cá.
Hình 2.1: Hệ thống lọc tràn bể cá
2.2.1 Nguyên lý hoạt động của lọc tràn bể cá
Lọc tràn hoạt động bằng cách dẫn nước qua các ngăn của bể lọc, giúp loại bỏ mùn vụn thức ăn, cặn bã vi sinh vật và các chất có hại Quá trình này bao gồm lọc thô cơ học, lọc tinh sinh học và lọc hóa học Lọc thô giữ lại phân cá và vụn đồ ăn nhờ túi lọc và bông lọc, ngăn chặn cặn bẩn gây đục nước Trong khi đó, lọc tinh sử dụng các vật liệu như đá sứ lọc, matrix và jmax, tạo điều kiện cho vi sinh vật cư trú và phát triển.
Lọc tràn dưới là loại lọc được đánh giá là loại lọc tràn có hiệu quả lọc cao nhất trong
3 loại lọc tràn Thích hợp với các loại bể cá cảnh, bể cá nhà hàng, bể cá hải sản hay các bể cá kích thước lớn nói chung
Lọc tràn dưới được đặt ở dưới bể kính và có kích thước nhỏ hơn bể chính Tương tự như các loại lọc tràn khác, lọc tràn dưới cũng bao gồm các ngăn lọc và nhiều loại vật liệu lọc khác nhau.
Hệ thống lọc tràn dưới cho phép nước từ hồ cá thông minh chảy xuống bể lọc, bắt đầu từ ngăn lọc đầu tiên và tiếp tục qua các ngăn lọc 2, 3, 4 Cuối cùng, nước sẽ được máy bơm đưa trở lại bể chính, tạo thành một chu trình tuần hoàn hiệu quả.
Bể lọc tràn dưới kết hợp với bộ overflow hoặc các kiểu khoan thành hút đáy, hút mặt sẽ nâng cao hiệu quả lọc nước cho bể cá.
OVERFLOW
Hệ thống Tank Overflow, hay còn gọi là bộ chống tràn bể, là một giải pháp rút nước hiệu quả với đầu vào và đầu ra, hoạt động dựa trên nguyên lý chênh lệch mực nước Hệ thống này được ứng dụng rộng rãi trong các công trình thủy lợi quy mô lớn, đáp ứng nhu cầu sinh hoạt của con người và ngày càng phổ biến trong các mô hình nuôi cá cảnh hiện nay.
Hệ thống Tank Overflow hoạt động dựa trên nguyên lý chênh lệch mực nước giữa hai bình thông nhau, tạo ra lực hút giúp mực nước ở đầu vào và đầu ra bằng nhau Cơ cấu ống nước trong hệ thống này được gọi là weir, và hình ảnh minh họa cho hệ thống Overflow giúp người dùng dễ dàng hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động của nó.
Hình 2.2: Hoạt động của overfllow
Hệ thống Overflow hoạt động bằng cách sử dụng ống đầu vào nằm trong bồn nước và ống đầu ra nằm trong bồn xả Khi mực nước trong bồn nước cao hơn mực nước ở ống đầu ra, nước sẽ được hút từ bồn nước sang bồn xả Quá trình hút nước sẽ dừng lại khi không còn chênh lệch mực nước giữa đầu vào và đầu ra Tốc độ hút nước phụ thuộc vào lưu lượng nước chảy qua hệ thống; lưu lượng càng lớn thì tốc độ rút nước càng nhanh.
GIỚI THIỆU VỀ ESP32-WROOM-32E
Kit thu phát Wi-Fi BLE ESP32 NodeMCU được xây dựng trên nền tảng ESP32, tích hợp công nghệ Wi-Fi, BLE và ARM SoC mới nhất Kit này có thiết kế phần cứng và firmware tương tự như Kit NodeMCU ESP8266, với ưu điểm nổi bật về khả năng lưu trữ dữ liệu nhờ bộ nhớ flash 4/6/8 MB Sản phẩm dễ sử dụng, cung cấp 26 chân GPIO và tích hợp mạch nạp cùng giao tiếp UART CP2102 Kit Wi-Fi BLE ESP32 NodeMCU LuaNode32 là lựa chọn hàng đầu cho các nghiên cứu và ứng dụng liên quan đến Wi-Fi, BLE và IoT.
ESP32-WROOM-32E là một module tích hợp Wi-Fi và Bluetooth, được phát triển dựa trên vi điều khiển ESP32 Module này đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng điều khiển nhờ vào khả năng kết nối không dây mạnh mẽ và linh hoạt.
Module Wi-Fi hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n với tốc độ tối đa lên đến 150Mbps, hoạt động trên dãi tần 2412 – 2484 MHz, cho phép kết nối và truyền nhận dữ liệu hiệu quả giữa các thiết bị trong mạng.
- Thiết bị ngoại vi: Thẻ SD, UART, SPI, SDIO, I2C, LED PWM, Motor PWM, I2S,
IR, bộ đếm xung, GPIO, cảm biến chạm điện dung, ADC, DAC, TWAI® (tương thích với ISO 11898-1, tức là CAN Specification 2.0)
ESP32-WROOM-32E tích hợp vi điều khiển mạnh mẽ với tốc độ xử lý cao và bộ nhớ lớn, cho phép thực hiện các chức năng điều khiển, xử lý dữ liệu và giao tiếp hiệu quả với các thiết bị khác trên board mạch điều khiển.
GPIO (General Purpose Input/Output) là một module với các chân GPIO đa năng, cho phép kết nối và điều khiển linh kiện cũng như cảm biến khác trên board mạch điều khiển.
ESP32-WROOM-32E tích hợp chức năng chuyển đổi tín hiệu analog sang số (ADC) và ngược lại (DAC), giúp người dùng dễ dàng đọc tín hiệu từ các cảm biến analog và điều khiển thiết bị sử dụng tín hiệu analog.
ESP32-WROOM-32E là một module mạnh mẽ và linh hoạt, lý tưởng cho việc phát triển các board mạch điều khiển IoT, thiết bị đa chức năng và các ứng dụng thông minh khác.
2.4.2 Thông số kỹ thuật ESP32-Wroom
Hình 2.4: Sơ đồ chân của ESP32 CPU:
- CPU: Xtensa Dual-Core LX6 microprocessor
- Tốc độ xử lý 160MHZ up to 240 MHz
- Tốc độ xung nhịp đọc flash chip 40mhz 80mhz
- RAM: 520 KByte SRAM và 16Kbyte SRAM trong RTC
- Bluetooth: v4.2 BR/EDR and BLE
Các giao tiếp có dây:
-8-bit DACs (digital to analog) 2 cổng
-SPI – 3 cổng (1 cổng cho chip FLASH)
-SD card /SDIO/MMC host
-Ethernet MAC interface with dedicated DMA and IEEE 1588 support
-Băm xung PWM (tất cả các chân)
-Ultra low power analog pre-amplifier
-Cảm biến tích hợp sẵn:
1 cảm biến Hall (cảm biến từ trường)
1 cảm biến đo nhiệt độ
Cảm biến chạm (điện dung) với 10 đầu vào khác nhau
MẠCH IN (PCB – PRINTED CIRCUIT BOARD)
Mạch in, hay PCB, là bảng mạch được in các đường mạch dẫn bằng chất dẫn điện, thường là đồng, trên tấm cơ sở bền nhiệt như thuỷ tinh epoxy PCB đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực điện tử và thông tin, và được sử dụng phổ biến trong thiết kế và sản xuất các sản phẩm điện tử.
Cấu tạo của mạch in gồm có:
1 Các đường dẫn: Là các dây mạch được in trên bảng mạch và được dùng để nối các thành phần điện tử lại với nhau
2 Via: Là các lỗ nhỏ trên bảng mạch được sử dụng để nối các lớp mạch lại với nhau hoặc để kết nối các thành phần ở các lớp khác nhau
3 Pad: Là các khu vực tròn hoặc vuông được in trên bảng mạch, thường được dùng để đặt các chân của các linh kiện
4 Silk screen: Là lớp mực in trên bề mặt của bảng mạch, thường được dùng để đánh dấu tên, giá trị, số liệu kỹ thuật của các linh kiện, cũng như các thông tin khác liên quan đến mạch
Nguyên tắc thiết kế mạch in:
- Xác định kết cấu và kích thước của mạch
- Vẽ sơ đồ mạch (schematic diagram)
- Xác định vị trí và kích thước của các thành phần điện tử
- Thiết kế địa hình mạch (PCB layout), bao gồm việc định vị các đường dẫn, các via và các pad
- Định vị các vị trí lắp đặt các linh kiện trên bảng mạch
- Tạo file in mạch in
- In mạch in bằng phương pháp ets hoặc mạch in gián tiếp (photoengraving)
Các yếu tố cần chú ý khi thiết kế mạch in:
- Đảm bảo độ chính xác và độ rõ nét của đường dẫn, pad và via
- Đảm bảo sự liên tục của đường dẫn
- Đảm bảo độ dày của đường dẫn, pad và via phù hợp với dòng điện truyền qua
- Xác định khoảng cách giữa thành phần điện tử, các đường dẫn và các via [5]
THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
THIẾT KẾ MÔ HÌNH
3.1.1 Sử dụng phần mềm Solidworks để thiết kế
Solidworks 2021 là phiên bản mới nhất của phần mềm thiết kế 3D do Dassault Systèmes phát triển Phần mềm này không chỉ cung cấp các công cụ thiết kế mà còn bao gồm nhiều module hữu ích khác như lắp ráp, xuất bản bản vẽ, mô phỏng động học, mô phỏng động lực học, thiết kế khuôn, và gia công sản phẩm.
Hình 3.1: Phần mềm Solidworks 2021 (Nguồn: https://ajisoft.net/solidworks-2021-full-huong-dan-download-va-cai-dat/)
3.1.2 Thiết kế mô hình hồ cá
Thiết kế phần khung đỡ cho hồ cá
Khung đỡ cho hồ cá là phần thiết yếu chịu trách nhiệm gánh tải cho hồ và bể lọc, vì vậy cần có kết cấu chắc chắn Nhóm đã chọn vật liệu nhôm định hình 30x30mm để đảm bảo khả năng chịu tải Kích thước của phần đế là cao 735mm, rộng 660mm và dài 660mm Đặc biệt, tấm cao su dày 10mm ở trên giúp phân tán lực, đảm bảo an toàn cho bể cá phía trên.
Hình 3.3: Thiết kế bể cá
Hồ cá thiết kế với 2 ngăn giúp đa dạng hóa các loại cá nuôi và mô phỏng hệ thống lớn hơn, bao gồm nhiều bể và ngăn riêng biệt cho từng loại cá khác nhau.
Hồ cá được làm từ kính cường lực dày 10mm, đảm bảo tính thẩm mỹ và an toàn, giúp tránh hư hỏng trong quá trình sử dụng Với dung tích khoảng 240 lít và chiều cao 544mm, hồ cá mang lại không gian sống lý tưởng cho các loại cá.
Thiết kế phần bể lọc
Hộp lọc nước cho hồ cá có kích thước chiều rộng 598mm, chiều sâu 598mm và chiều cao 400mm Bên trong, bể lọc được chia thành 5 ngăn, nơi chứa các vật liệu lọc và bơm, đảm bảo hiệu quả trong việc lọc nước cho hồ cá.
Hình 3.5: Mô hình thiết kế
LỰA CHỌN THIẾT BỊ HỖ TRỢ CHO HỒ CÁ
Máy bơm được chọn để bơm nước đã được lọc từ bể lên hồ cá, với dung tích bể như đã đề cập, máy bơm có lưu lượng 2000L/h sẽ phù hợp với mô hình này.
Máy bơm bể cá Baoyu BYB-2000 nổi bật với ưu điểm vận hành êm ái, không gây tiếng ồn và ổn định trong thời gian dài Sử dụng điện áp 220Vac, sản phẩm này không chỉ tiết kiệm năng lượng mà còn có khả năng đẩy nước lên cao tối đa 2.5m, là lựa chọn lý tưởng cho bể cá.
Hình 3.6: Máy bơm bể cá Baoyu BYB-2000
Sử dụng nguồn điện 220~240v/50Hz
Lưu lượng tối đa bơm 2000L/h Bơm có thể bơm cao tối đa 2,5m
Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật Baoyu BYB-2000 Máy bơm hỗ trợ lọc nước
Máy bơm Lifetech AP 3500 được lựa chọn để bơm nước bẩn từ hồ cá xuống bể lọc hoặc ra ngoài khi thay nước, nhờ vào hiệu suất làm việc cao, độ ồn thấp, và khả năng vận hành an toàn Máy cũng dễ bảo trì và bảo dưỡng, đồng thời tạo dòng chảy để đưa nước qua van điện từ, đáp ứng đầy đủ các tiêu chí cần thiết.
Hình 3.7: Máy bơm Lifetech AP 3500
Hệ thống điều khiển chu trình thay nước và luân chuyển nước trên bể chính được thực hiện qua các đường ống và điều khiển bằng van điện từ, đóng vai trò là thiết bị chính cho quá trình thay nước tự động của hệ thống.
Van điện từ VAKS có kích thước phi 21mm và hoạt động với điện áp 12VDC, thuộc loại thường đóng Loại van này rất thích hợp cho các ứng dụng trong môi trường nước, đặc biệt là trong các mô hình dân dụng, hệ thống nuôi thủy hải sản, tưới cây và phun sương.
Kiểu van Thường đóng Điện áp điều khiển 12V Áp lực làm việc 10 Bar
Nhiệt độ làm việc Từ -5 đến 80 độ C
Thời gian đóng/mở 1 giây
Kiểu tác động Tác động trực tiếp
Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật VAKS V12-21
Với kích thước của bể là 660 x 660 x 540mm thì dung tích tối đa của bể chính tầm
Bể lọc có kích thước 600 x 600 x 400mm với thể tích tối đa khoảng 140 lít, kết hợp với bể 240 lít, mang lại tổng thể tích tối đa lên đến 380 lít Để đảm bảo cung cấp nhiệt đầy đủ cho hệ thống, nên sử dụng nhóm sưởi SOBO HQ-500.
(Nguồn: https://cayman.desertcart.com/products/98320882-foodie-puppies-sobo- ultra-short-quartz-glass-heating-rod-for-fish-tank-aquarium-heater-with-key-ring)
Thể tích phù hợp 300 đến 400 lít
Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật của sưởi SOBO HQ-500
Là một thiết bị điện tử, thiết bị này có chức năng tạo ra nhiệt hoặc làm lạnh một bề mặt Nó được cấu tạo từ hai tấm tản nhiệt hoạt động đối ngược với nhau và được kết nối qua các chân dẫn điện.
Hệ thống làm mát nước cho hồ cá là giải pháp hiệu quả giúp cải thiện môi trường sống cho cá trong những ngày nắng nóng Mô hình nhỏ gọn này cung cấp lượng nước mát cần thiết, đảm bảo điều kiện sống lý tưởng cho cá, từ đó nâng cao sức khỏe và sự phát triển của chúng.
Hình 3.10: Sò nóng lạnh TEC1-12709
Mã sản phẩm TEC1-12709 Điện áp điều khiển 12V
Hiệu suất nhiệt điện (COP) 0.9 – 1.2 Điện kiện làm việc -30’C – 70’C Điện áp cách điện giữa các chân > 1.5kV
Bảng 3.4: Thông số kỹ thuật của TEC1-12709
Bộ tản nhiệt cho sò nóng lạnh
Nhóm đã sử dụng thiết bị điện tử sò nóng lạnh để làm mát nước cho bể cá, giúp điều chỉnh nhiệt độ môi trường sống của cá trong những ngày thời tiết quá nóng.
Thiết bị tản nhiệt sò có hiệu suất cao giúp làm mát nhanh chóng, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động Để đảm bảo sự đồng bộ, quạt tản nhiệt cần hoạt động với cùng điện áp với sò nóng lạnh.
Hình 3.11: Bộ tản nhiệt cho sò nóng lạnh
Mặt lạnh của Sò nóng lạnh tiếp xúc với miếng nhôm tản nhiệt nước, giúp làm mát nước khi chảy qua Nước đã được làm mát sẽ quay trở lại bể, trong khi mặt nóng của Sò sẽ tiếp xúc với miếng nhôm tản nhiệt, được làm mát nhờ quạt tản nhiệt.
LỰA CHỌN LINH KIỆN CHO MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Module này đóng vai trò là trung tâm của hệ thống, tích hợp khả năng kết nối Wi-Fi và Bluetooth, cùng với giao diện ngoại vi đa dạng và phổ biến Ngoài ra, nó còn được trang bị bộ nhớ flash bên trong để lưu trữ chương trình và dữ liệu.
Mục đích từ đầu nhóm sử dụng Module này vào ứng dụng IOT của nhóm, nhằm điều khiển và giám sát từ xa Ưu điểm:
ESP32 mang lại tính linh hoạt cao nhờ khả năng lập trình bằng nhiều ngôn ngữ như C, C++, Python và Arduino, giúp các nhà phát triển dễ dàng chọn lựa công cụ phù hợp nhất cho dự án của mình.
Mặc dù ESP32 sở hữu bộ xử lý kép, nhưng khả năng xử lý của nó không mạnh mẽ bằng một số vi điều khiển khác như Arduino Mega hoặc Raspberry Pi.
Thương Hiệu Espressif Systems Điện áp 3.3-3.6 VDC
Wi-Fi Wi-Fi: Protocol IEEE802.11b/g/n
Bảng 3.5: Thông số kỹ thuật ESP32
Module HLK-PM01 là một bộ chuyển đổi nguồn điện từ AC sang DC, rất phổ biến trong các ứng dụng IoT và thiết bị điện tử nhỏ gọn.
Module HLK-PM01 có kích thước nhỏ gọn và chức năng ổn định, dễ dàng tích hợp vào các thiết bị điện tử Nó hoạt động với điện áp đầu vào từ 85-265VAC và cung cấp điện áp DC 5V với dòng tối đa 0.6A.
Model HLK-10M05 Điện áp đầu ra 5 VDC
Kiểu lắp đặt Xuyên lỗ
Bảng 3.6: Thông số kỹ thuật HLK-10M05
IC AMS1117-3.3V là một bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính, chuyên dùng để giảm điện áp DC từ nguồn cao xuống 3.3V, phục vụ cho các thiết bị điện tử như vi điều khiển, cảm biến và mạch điện tử.
IC AMS1117-3.3V có chức năng giảm áp từ 4.75V đến 12V xuống 3.3V với độ ổn định cao và độ chính xác đầu ra tốt Nó tích hợp tính năng bảo vệ quá tải và quá nhiệt, giúp bảo vệ mạch điện tử khỏi các vấn đề liên quan đến nhiệt độ và quá tải.
Dòng điện ngõ ra 1A Điện áp đầu ra 3.3 VDC
Kiểu lắp đặt Dán bề mặt
Bảng 3.7: Thông số kỹ thuật IC AMS1117-3.3V
IC MT3608 là một bộ điều khiển tăng áp DC-DC (boost) tích hợp sẵn trên một chip
Nó cung cấp khả năng tăng điện áp từ nguồn đầu vào thấp lên một mức điện áp đầu ra cao hơn
Hình 3.14: IC MT3608 Các tính năng chính của IC MT3608 bao gồm:
MT3608 tích hợp một MOSFET công suất trên chip, giúp giảm thiểu số lượng linh kiện bên ngoài và đơn giản hóa thiết kế mạch.
- Điện áp đầu vào rộng: IC MT3608 hoạt động với điện áp đầu vào từ 2V đến 24V, giúp nó tương thích với nhiều nguồn cung cấp điện khác nhau
IC này cung cấp khả năng điều chỉnh điện áp đầu ra thông qua một đường điều khiển ngoại vi, mang lại sự linh hoạt trong việc cấu hình hệ thống.
Loại IC Tăng áp DC – DC (boost)
Cấu trúc Boost Điện áp ngõ vào 2V ~ 24V Điện áp ngõ ra Điều chỉnh được (Max: 28VDC)
Dòng điện ngõ ra Tối đa 2A
Kiểu chân Dán bề mặt
Bảng 3.8: Thông số kỹ thuật IC MT3608
IC MT3608 cung cấp giải pháp tăng áp hiệu quả và tiết kiệm không gian cho các ứng dụng điện tử Nó được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị di động, module IoT, hệ thống cảm biến, thiết bị y tế và nhiều ứng dụng khác cần nguồn điện ổn định với điện áp cao hơn nguồn cung cấp ban đầu.
RTC-DS3231 là một mạch đồng hồ thời gian thực, được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử như đồng hồ, đếm thời gian, đo thời gian, cũng như trong các ứng dụng IoT và thiết bị thông minh khác.
DS3231 được sản xuất có tính năng chính sau đây:
- Cung cấp đầu ra thời gian chính xác đến giây, phút, giờ, ngày, tháng, năm
- Có nhiều cổng giao tiếp như I2C, SPI để kết nối với các vi điều khiển và các module khác
Mạch RTC-DS3231 có độ chính xác là +/- 2 giây mỗi năm, nhưng có thể được điều chỉnh bằng cách đồng bộ với nguồn thời gian chính xác hơn.
Ngoài việc hiển thị thời gian thực, thiết bị còn tích hợp tính năng bảo vệ mạch, giúp duy trì hoạt động ngay cả khi nguồn điện yếu hoặc mất điện tạm thời Nhờ vào việc lưu trữ năng lượng trên pin lithium polymer (li-po), thiết bị đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu.
RTC-DS3231 là một bộ điều khiển thời gian thực được sử dụng phổ biến trong các thiết bị điện tử, đặc biệt trong lĩnh vực IoT, nhằm lưu trữ và đồng bộ thời gian chính xác Thiết bị này cũng được ứng dụng rộng rãi trong đồng hồ đo thời gian thực và trong các thiết bị y tế để theo dõi thời gian và ngày tháng.
Giao tiếp I²C, 2-Wire Serial Điện áp hoạt động 2.3V ~ 5.5V
Kiểu lắp đặt Dán bề mặt
Bảng 3.9: Thông số kỹ thuật RTC-DS3231
SRD-5VDC-SL-C là rơ le điện tử hoạt động với điện áp 5VDC, chịu tải dòng điện tối đa 10A Rơ le này có kiểu chân Single Pole Double Throw (SPDT), bao gồm một contact chính và hai contact phụ.
THIẾT KẾ PHẦN ĐIỀU KHIỂN
THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH VÀ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN
Với nhu cầu ngày càng cao trong lĩnh vực chăm sóc và kinh doanh cá cảnh, hệ thống chăm sóc cá thông minh là giải pháp tối ưu, đáp ứng các nhu cầu cơ bản để cá phát triển khỏe mạnh Hệ thống này không chỉ tiết kiệm thời gian cho các công việc thủ công như cho cá ăn, thay nước tự động và điều chỉnh nhiệt độ theo thời tiết, mà còn cho phép người dùng giám sát thông tin qua internet, giúp phát hiện vấn đề của hồ cá mọi lúc mọi nơi Điều này mang lại sự tiện nghi và hỗ trợ đáng kể cho những người đam mê nuôi và kinh doanh cá cảnh.
Quy trình hệ thống Yêu cầu đặt ra
Quá trình lọc nước và điều hòa nhiệt độ
Nước trong bể nuôi cá cần luôn trong sạch để đảm bảo sức khỏe cho cá Nhiệt độ nước phải phù hợp với từng loại cá và cần được giữ ổn định để tránh các bệnh do sự thay đổi thời tiết.
Sau một thời gian sử dụng, nước lọc sẽ mất đi các chất dinh dưỡng cần thiết, vì vậy việc thay nước định kỳ là rất quan trọng để đảm bảo sự phát triển khỏe mạnh của cá.
Quá trình cho cá ăn Cho cá ăn vào thời gian ăn của cá sẽ giúp chúng khỏe mạnh và phát triển tốt nhất
Bảng 4.1: Yêu cầu của hệ thống
4.1.2 Các quy trình của hệ thống
Quá trình lọc nước và điều hòa nhiệt độ
Quá trình lọc nước và làm ấm được chia làm 2 khâu: khâu xử lý nước và khâu bơm nước sạch lên bể cá
Quá trình lọc nước và điều hòa nhiệt độ được minh họa như sau:
Hình 4.1: Quá trình lọc nước và làm ấm Khâu lọc nước: đảm nhận 2 nhiệm vụ là nhận nước từ bể cá và xử lý nước đó:
- Nước từ bể cá được đưa xuống thông qua bộ Overflow có gắn valve điện từ để điều khiển
- Nước tiếp tục được đưa vào bể lọc gồm 4 ngăn
- Ngăn lọc đầu tiên có bộ lọc khô và đèn UV để tách chất thải và diệt vi khuẩn có trong nước bể cá
Ngăn lọc thứ hai bao gồm hạt lọc Kaldnes và máy bơm, giúp tạo ra chuyển động cho hạt lọc và cung cấp oxy cần thiết cho nước.
- Ngăn lọc thứ ba chứa đá nham thạch
- Ngăn lọc cuối cùng là nơi chứa nước đã qua các ngăn lọc trước đó, nước ở đây đã được lọc sạch
Khâu bơm nước vào bể cá: có 2 chức năng điều hòa nhiệt độ cho bể cá và bơm nước qua xử lý lên bể cá
Nước từ ngăn lọc cuối cùng được sử dụng để điều chỉnh nhiệt độ, có thể thực hiện thông qua sò nóng lạnh hoặc hệ thống sưởi nhiệt.
- Nước được máy bơm bơm lên bể cá để duy trì môi trường nước trong bể
- Bên cạnh đó, hệ thống cung cấp thêm oxy cho nước bằng cách sử dụng bộ sục oxy
- Nhiệt độ nước trong bể cá được giám sát thông qua cảm biến nhiệt độ DS18B20 Quá trình thay nước
Quá trình thay nước được chia làm 2 khâu: khâu xả nước và khâu bơm nước mới
Hình 4.2: Quá trình thay nước
Khâu xả nước trong hồ cá được thực hiện thông qua bộ overflow, bao gồm hai valve điện từ Một valve cho phép nước chảy vào bể lọc, trong khi valve còn lại dẫn nước ra bồn xả Trong quá trình xả nước, valve dẫn nước ra sẽ được mở, trong khi valve vào sẽ đóng Quá trình này sẽ tiếp tục cho đến khi cảm biến nhận diện mực nước gửi tín hiệu, lúc đó khâu xả nước sẽ kết thúc.
Khâu bơm nước mới là quá trình nước từ bồn chứa được bơm vào hệ thống qua ống dẫn, sử dụng van điện từ được điều khiển khi khâu xả nước kết thúc Nước sẽ được lọc qua bộ lọc 4 ngăn trước khi được bơm lên bể cá, với mực nước được giới hạn bởi phao điện từ để ngăn ngừa tình trạng tràn nước ra ngoài bể lọc.
Quá trình cho cá ăn
Cơ chế hoạt động của thiết bị cho cá ăn bao gồm việc thức ăn trong hộp chứa được đẩy qua một lỗ nhỏ xuống khoang đẩy thức ăn Khi động cơ xoay, thiết kế xoáy giúp thức ăn được đẩy ra đầu bên kia của khoang Hệ thống sử dụng hai đầu led hồng ngoại để kiểm tra sự hiện diện của thức ăn; nếu thức ăn che phủ giữa hai đầu led, nghĩa là còn thức ăn Khi không còn thức ăn che phủ led, thiết bị sẽ xác định rằng lượng thức ăn đã cạn, mặc dù chưa hoàn toàn hết, giúp người dùng nhận biết và bổ sung thức ăn kịp thời cho cá.
4.1.3 Lưu đồ chương trình điều khiển hệ thống
Dưới đây là các lưu đồ quy trình hoạt động của hệ thống:
Hình 4.3: Lưu đồ điều khiển hệ thống
Hình 4.4: Lưu đồ điều khiển khi mất kết nối Wi-Fi
50- Hình 4.5: Lưu đồ quy trình cho cá ăn
Hình 4.6 Lưu đồ quy trình bật đèn
Hình 4.7 Lưu đồ quy trình thay nước
Hình 4.8: Lưu đồ quy trình điều khiển nhiệt độ
THIẾT LẬP KẾT NỐI CÁC THIẾT BỊ
Bước 1: Tiến hành tạo kết nối cho ESP32 với Wi-Fi, cấu hình Wi-Fi bằng thư viện Wi-Fi Manager
Khai báo thư viện cho ESP32 và Wi-Fi:
Bước 2: Dùng thư viện Wi-FiManager để quản lý kết nối Wi-Fi và cấu hình mạng
Tạo một đối tượng Wi-FiManager để quản lý kết nối Wi-Fi, bắt đầu bằng cách tự động kết nối đến mạng Wi-Fi đã lưu trữ trước đó với SSID (tên mạng) cụ thể.
Kết nối thiết bị với mạng Wi-Fi "HoCaIoTVisionLab" và mật khẩu "IoTvision@2022" Nếu thiết bị đã được kết nối trước đó, nó sẽ tự động kết nối mà không cần cấu hình lại Nếu chưa, thiết bị sẽ tạo một điểm truy cập Wi-Fi mới để người dùng kết nối và nhập thông tin đăng nhập Sau khi kết nối thành công, địa chỉ IP của Wi-Fi và tên mạng sẽ được hiển thị trên Serial Monitor.
Wi-FiManager.autoConnect("HoCaIoTVisionLab", "IoTvision@2022"); Serial.println("Connected to Wi-Fi");
Serial.println(Wi-Fi.localIP()); if (Wi-Fi.status() == WL_CONNECTED) {
Serial.print("Tên Wi-Fi: ");
Serial.println(Wi-Fi.SSID());
Bước 3: Kết nối ESP32 với Firebase
Khai báo thư viện Firebase
Bước 4: Khai báo địa chỉ liên kết ESP32 với Firebase
Truy cập vào tài khoản Firebase đã tạo, tại giao diện chính của Database copy địa chỉ liên kết tài khoản
Hình 4.9: Copy địa chỉ liên kết
Bước 5: Nhập API_KEY và DATABASE_URL, được sử dụng trong kết nối và truy cập vào cơ sở dữ liệu Firebase Realtime Database
Khóa API (API_KEY) là thành phần quan trọng trong dự án Firebase, cung cấp quyền truy cập và xác thực cho ứng dụng, giúp truy cập dữ liệu trên nền tảng Firebase một cách an toàn và hiệu quả.
DATABASE_URL là URL của cơ sở dữ liệu Firebase Realtime Database của dự án URL này xác định nơi lưu trữ dữ liệu trên Firebase
#define API_KEY "AIzaSyCz6i1RzG5kbdo9AJX4H0MSNM1g4iUfDEE"
#define DATABASE_URL "project-86203-default-rtdb.firebaseio.com/"
Bước 6: Thiết lập và khởi động kết nối với Firebase Realtime Database
Sử dụng cấu hình và thông tin xác thực đã được cung cấp để đăng ký với Firebase Hệ thống cũng tự động kết nối lại Wi-Fi nếu bị mất kết nối.
Serial.println("ok"); signupOK = true;
Serial.printf("%s\n", config.signer.signupError.message.c_str());
} config.token_status_callback = tokenStatusCallback;
Bước 7: Khai báo chân kết nối của các cảm biến, thiết bị và biến dùng để truyền nhận dữ liệu
OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS); const int trigPin = 32; const int echoPin = 13; const int PushButton = 12;
Bước 8: Thiết lập trong void set up()
Thực hiện các cấu hình và khởi tạo các thiết bị và chức năng trong chương trình
Serial.begin(115200); pinMode(vanxa, OUTPUT); pinMode(vanbomvao, OUTPUT); pinMode(bomnuoc, OUTPUT); pinMode(coolwater, OUTPUT); pinMode(hotwater, OUTPUT); pinMode(led, OUTPUT); myservo.attach(15); sensors.begin();
Bước 9: Thiết lập trong trong vòng lặp void loop(){…}
Các chương trình con như đọc cảm biến, điều khiển thiết bị và kiểm tra kết nối Wi-Fi bao gồm các hàm như choan_auto(), nhietdo_auto(), batden_auto(), thaynuoc_auto(), led_control(), thaynuoc_control(), vanbom_control(), suoi_control(), solanh_control(), bomnuoc_control(), vanxa_control(), choan_control(), chedo_test(), choan_time(), batden_time(), thaynuoc_time() và get_nhietdotb() Những hàm này giúp tối ưu hóa việc quản lý và điều khiển các thiết bị trong hệ thống.
Bước 10: Gửi và nhận dữ liệu từ cơ sở dữ liệu Firebase là rất quan trọng Một số chức năng chính như cho ăn và thay nước sẽ được điều khiển thông qua các chương trình con, bao gồm điều khiển thiết bị thủ công, lấy thời gian tự động từ ứng dụng và chạy tự động theo thời gian thực Tất cả các chức năng này đều dựa vào việc gửi và nhận dữ liệu giữa ESP32 và Firebase.
Chương trình con điều khiển máy cho ăn thủ công: void choan_control() {
String databaseChoAn = "devices/" + macAddress + "/ChoAn";
Firebase.RTDB.getBool(&fbdo, databaseChoAn.c_str()); bool ChoAnStatus = fbdo.boolData(); if (ChoAnStatus) {
Serial.println("Cho An Turned ON"); myservo.write(180); delay(400); myservo.write(0); delay(400);
Firebase.RTDB.setBool(&fbdo, "ChoAn", false);
Serial.println("Cho An Turned OFF"); myservo.write(0);
Chương trình con lấy dữ liệu thời gian chạy tự động từ Firebase: void choan_time() {
String databaseChoAn_Monday = "devices/" + macAddress + "/Cho ăn/Monday";
Firebase.RTDB.getBool(&fbdo, databaseChoAn_Monday.c_str()); choan_monday = fbdo.boolData(); if (choan_monday) {
String databaseChoAn_Monday_Hour = "devices/" + macAddress +
Firebase.RTDB.getInt(&fbdo, databaseChoAn_Monday_Hour.c_str()); hour_choan_monday = fbdo.intData();
String databaseChoAn_Monday_Minute = "devices/" + macAddress +
Firebase.RTDB.getInt(&fbdo, databaseChoAn_Monday_Minute.c_str()); minute_choan_monday = fbdo.intData();
Chương trình con chạy tự động dựa trên thời gian thực: void choan_auto() { if (choan_sunday && (currentDayOfWeek == 0)) {
{ if ((hour_choan_sunday == current_hour) &&
(minute_choan_sunday == current_minute)) {
String databaseChoAn = "devices/" + macAddress + "/ChoAn"; Firebase.RTDB.setBool(&fbdo, databaseChoAn.c_str(), true);
Firebase.RTDB.getBool(&fbdo, databaseChoAn.c_str()); bool ChoAnStatus = fbdo.boolData(); if (ChoAnStatus) {
Serial.println("Cho An Turned ON"); myservo.write(180); delay(400); myservo.write(0); delay(400); myservo.write(180);
Firebase.RTDB.setBool(&fbdo, databaseChoAn.c_str(), false);
Serial.println("Cho An Turned OFF"); myservo.write(0);
Cú pháp gửi và nhận dữ liệu từ Firebase:
Tạo đường dẫn trong Firebase:
String databaseChoAn = "devices/" + macAddress + "/ChoAn";: Tạo chuỗi databaseChoAn bằng cách kết hợp chuỗi "devices/", địa chỉ MAC (macAddress) và
"/ChoAn" Có thể sử dụng cú pháp này để ứng dụng cho các đường dẫn còn lại Gửi dữ liệu lên Firebase:
Sử dụng câu lệnh Firebase.RTDB.setBool(&fbdo, databaseChoAn.c_str(), true); để gửi giá trị Boolean true vào Firebase Realtime Database tại đường dẫn databaseChoAn Đây là một ví dụ về việc gửi dữ liệu kiểu Boolean, và bạn có thể áp dụng các phương thức tương ứng để gửi các kiểu dữ liệu khác như String, Int, Float, và nhiều hơn nữa.
Nhận dữ liệu từ Firebase:
Firebase.RTDB.getBool(&fbdo, databaseChoAn.c_str());: Lấy giá trị Boolean từ Firebase Realtime Database tại đường dẫn databaseChoAn Đây là một ví dụ về việc truy xuất dữ liệu kiểu Boolean, và bạn có thể sử dụng các phương thức tương ứng để lấy các kiểu dữ liệu khác.
Trong quá trình trao đổi dữ liệu, việc khai báo và sử dụng đối tượng fbdo (Firebase Data Object) là cần thiết để thực hiện các thao tác với Firebase Realtime Database Đồng thời, cần đảm bảo rằng kết nối và đăng nhập vào Firebase đã được thiết lập và cấu hình chính xác.
KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
PHẦN CỨNG
Trong một tuần chạy mô hình, hệ thống hoạt động ổn định mà không phát sinh lỗi, các quá trình vận hành diễn ra trơn tru và đạt kết quả tốt Nước luôn ấm và sạch, cá khỏe mạnh và phát triển tốt Thời gian cho ăn, bật đèn và thay nước được thực hiện chính xác theo cài đặt.
Hình 5.1: Hệ thống trong trại thái hoạt động bình thường
Hình 5.2: Hệ thống trong quá trình thay nước
Nhóm đã triển khai mô hình trong suốt 2 tuần, và các hệ thống hoạt động trơn tru, tương thích lẫn nhau Hệ thống lọc và bổ sung nước được trang bị các công tắc cơ nhằm tăng tính linh hoạt trong phương pháp điều khiển.
Hình 5.3: Hệ thống trong quá trình thay nước Dưới đây là hình những phần thi công:
Hình 5.4: Mô hình thực tế hồ cá
5.1.2 Thi công thiết bị hỗ trợ cho hồ cá
Máy cho cá ăn tự động
Nhóm đã thiết kế và thi công thành công mô hình máy cho cá ăn tự động bao gồm:
- Trục xoắn và kết nối với động cơ
- Phểu đựng đồ ăn cho cá
Hình 5.6: Máy cho cá ăn tự động
Mô hình cho ăn cá hoạt động ổn định và hiệu quả cao nhờ vào chương trình điều khiển thông minh Mỗi lần cho cá ăn, trục xoắn sẽ xoay 180 độ và sau đó quay ngược lại, đảm bảo phân phối thức ăn đồng đều.
2 lần quá trình này được thực thi trong vòng 2 giây và lượng thức ăn cho cá là vừa đủ
Máy làm mát nước (Chiller)
Nhóm đã hoàn thiện việc nâng cấp mô hình máy làm mát nước cho cá, thiết kế nhỏ gọn và có công suất vừa phải, phù hợp cho các mô hình nuôi cá từ nhỏ đến vừa.
Máy làm mát hoạt động ổn định nhưng có khả năng làm lạnh ở mức trung bình yếu, đặc biệt là với mô hình công suất nhỏ 10A Trong đó, sò nóng lạnh tiêu thụ 9A và quạt tản nhiệt chỉ sử dụng 1A Hơn nữa, hiệu suất tản nhiệt của bộ tản nhiệt mặt nóng chưa được tối ưu.
Nhiệt độ tối đa: 18-20 độ C
Thời gian làm mát 1 độ/1 L nước: 5 phút
Nhóm đã thiết kế và thi công tủ điện nhằm đa dạng hóa phương thức điều khiển hệ thống, đưa hệ thống vào thực tế và tối ưu hóa hỗ trợ cho người sử dụng Tủ điện được đi dây gọn gàng, với các dây được bấm đầu cos, đảm bảo độ tin cậy cao cho mô hình.
Hình: Mô hình tủ điện củ hệ thống
Tủ điện hoạt động ổn định với các công tắc được gắn chắc chắn Các đấu nối bên trong được bấm đầu cos, giúp tăng độ bền kết nối Mô hình tủ điện được ký hiệu rõ ràng cho từng công tắc, đồng thời có đèn báo hiệu cho chế độ manual và auto.
BOARD MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Mô hình đạt được thành tựu quan trọng trong việc thu nhận và xử lý tín hiệu của hệ thống Nhóm đã thiết kế và thi công thành công mạch PCB, nhằm phục vụ hiệu quả cho hệ thống điều khiển và giám sát hồ cá cảnh.
Mạch đã tương tác hoàn hảo với ứng dụng Android, cho phép giao tiếp thu nhận tín hiệu từ ESP32 Ứng dụng này có khả năng giám sát các thông số hệ thống và gửi tín hiệu về ESP32 để thực hiện các tác vụ Tất cả các tác vụ này đều có thể được điều khiển và giám sát từ xa.
Ngoài việc điều khiển qua ứng dụng Android, nhóm cũng thiết kế kết nối bo mạch với các công tắc, cho phép người dùng điều khiển độc lập bằng cách bật tắt các thiết bị hỗ trợ trong hệ thống.
Hình 5.7: Sơ đồ nối dây mặt trên
Hình 5.8: Sơ đồ nôi dây mặt dưới
Mạch in được thiết kế tỉ mỉ với sơ đồ nối hợp lý, đảm bảo hoạt động ổn định và đáp ứng đầy đủ các mục đích đã đề ra Việc sắp xếp các thiết bị trên mạch in giúp kết nối ngõ ra dễ dàng, đồng thời tín hiệu được truyền chính xác mà không có sự chậm trễ trong quá trình đi dây.