điều khiển mô hình tưới bón phân và xịt thuốc ngọn tự động cho cây sầu riêng sử dụng plc kết hợp mạng truyền thông lora

Tên đề tài: Điều khiển mô hình tưới, bón phân và xịt thuốc ngọn tự động cho cây sầu riêngsử dụng PLC kết hợp mạng truyền thông LoRa.. Lỷ Và Vỹ MSSV: 20151595 Lớp: 201511BNgành đào tạo: C

TỔNG QUAN HỆ THỐNG

Đặt vấn đề

Ngày nay, với những lợi nhuận kinh tế mà cây sầu riêng đem lại, thì số lượng các vườn sầu riêng được trồng lên ngày càng gia tăng tại Việt Nam, đặc biệt là tại các tỉnh miền Tây, khu vực Đông Nam Bộ và Tây Nguyên[1].

Hình 1.1 Thống kê diện tích và sản lượng sầu riêng của cả nước qua các năm[2]. Theo thống kê Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, năm 2023, xuất khẩu sầu riêng tăng gấp khoảng 5 lần so với năm 2022 Nếu tính xa hơn, từ năm 2016 đến

2023, xuất khẩu sầu riêng nước ta tăng từ 29,2 triệu USD lên hơn 2 tỷ USD, tương đương tăng gần 70 lần Có thể thấy, hiện nay nhu cầu xuất khẩu sầu riêng nước ta đang tăng vọt Và có thể để đáp ứng nhu cầu trên, số lượng các vườn sầu riêng được trồng ngày nay càng tăng rất nhanh Tại Việt Nam hiện nay, số lượng các tỉnh trồng sầu riêng ngày càng gia tăng, có thể kể đến một số tỉnh có số lượng trồng lớn như: Đắk Lắk, Đắk Nông, Tiền Giang, Bến Tre, Đồng Nai, Tây Ninh, Bình Phước, Theo thống kê Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, năm 2023, diện tích trồng cây sầu riêng ước tính đạt khoảng 110.000 km2, tăng hơn 24% mỗi năm, là tỷ lệ tăng cao nhất trong các loại cây trồng chủ lực hiện nay.

Hình 1.2 Thống kê xuất khẩu sầu riêng từ năm 2016-2023[3].

Với việc tăng một cách chóng mặt về số lượng trồng, thì những hậu quả kéo theo là không thể tránh khỏi Đầu tiên có thể nhắc đến hậu quả dễ thấy được là nguy cơ dẫn đến việc cung vượt quá cầu Nghiêm trọng hơn, nếu diện tích tăng lại nằm trong vùng không có điều kiện trồng cây phù hợp như nhiễm mặn, phèn, hay là các vùng không chủ động được việc tưới tiêu sẽ gây thiệt hại lớn về năng suất và chất lượng sầu riêng Để tránh xảy ra những việc này, người nông dân cần phải được trang bị kỹ năng về trồng trọt, chăm sóc cây sầu riêng Đặc biệt, các vùng có điều kiện không phù hợp, thì cần tránh việc chuyển đổi cây trồng khác sang cây sầu riêng, nếu chuyển đổi thì cần phải chuẩn bị trước các biện pháp có thể thích ứng được đối với những bất tiện đó[4].

Cây sầu riêng là loại cây khá cao lớn, tuy nhiên khá nhạy cảm với các yếu tố môi trường xung quanh Vì thế, việc chăm sóc cây khá quan trọng, nếu chăm sóc cây không đúng kỹ thuật có thể gây ảnh hưởng đến sinh trưởng, năng suất và chất lượng.

Và một trong những kỹ năng quan trọng mà người nông dân cần có để có thể trồng cây sầu riêng đó chính là tưới, bón phân và xịt thuốc Bởi vì cây sầu riêng là cây cần phòng trừ sâu bệnh hại khá nhiều nên việc tưới, bón phân và xịt thuốc diễn ra khá thường xuyên Cho nên, cần đòi hỏi người nông dân cần phải trang bị các thiết bị hỗ trợ, do cây sầu riêng khá cao lớn, nên việc chăm sóc cũng khó khăn hơn[5][6]. Để đáp ứng được nhu cầu đó của người nông dân, ngày nay đã có nhiều hệ thống đã được đưa vào sử dụng Khi mới ở mức sơ khai, các hệ thống này khá to lớn, giá thành cao và còn khá nhiều bất cập Ngày nay, các hệ thống ngày càng hoàn thiện hơn, nhỏ gọn, giá thành giảm Tuy nhiên, một số hệ thống vẫn chưa thích hợp ở nhiều điều kiện môi trường khác nhau và chưa tích hợp được nhiều tiện lợi cho người nông dân[7].

Hình 1.3 Một số hệ thống hỗ trợ tưới cây sầu riêng.

Do đó, nhóm đang nghiên cứu một hệ thống tưới, bón phân và xịt thuốc có thể thu thập dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm không khí, đất của vườn, điều khiển việc tưới, bón, xịt từ xa Tích hợp thêm các chế độ điều khiển bằng tay, tự động, màn hình hiển thị để người nông dân dễ dàng thao tác, giúp cho việc chăm vườn của người nông dân thuận tiện và linh hoạt hơn.

Các đề tài liên quan

Hiện nay, có khá nhiều đề tài liên quan đến vấn đề tưới, bón phân và xịt thuốc. Tuy nhiên, mỗi đề tài vẫn còn tồn tại một số bất cập riêng. Đề tài: “Mô hình tưới cây tự động”, tác giả: Nguyễn Thanh Sang, năm 2019[8].

Nội dung chính: Thiết kế, thi công mô hình tưới sử dụng Arduino.

- Ưu điểm: mạch gọn nhẹ, đơn giản, sử dụng các linh kiện có chi phí thấp, dễ lắp đặt, sửa chữa Có tính ứng dụng trong thực tế,…

- Nhược điểm: hệ thống điều khiển qua Bluetooth nên khoảng cách điều khiển còn hạn chế, sử dụng Arduino điều khiển chỉ phù hợp ở quy mô nhỏ,…

Nhóm có tham quan trực tiếp khu vườn tại Huyện Phú Riềng, tỉnh Bình Phước có sử dụng phương pháp xịt thuốc bằng Drone DjiT40 Sau khi thu thập các ý kiến phản hồi của các hộ gia đình nông dân đã sử dụng phương pháp này nhóm đưa ra một vài ưu điểm nhược điểm như sau:

+ Thời gian xịt hoàn thiện một khu vườn sầu riêng bằng Drone nhanh gấp 4 lần so với xịt tay thủ công từ đó đỡ tốn thời gian và đỡ chi phí nhân công.

+ Đỡ một phần ảnh hưởng sức khỏe từ thuốc bảo vệ thực vật.

+ Chi phí mua hoặc thuê mướn khá cao.

+ Liều lượng pha xịt cho Drone thường cao gấp 2-4 lần so với xịt thủ công, từ đó đòi hỏi người vận hành phải có kiến thức chuyên sâu về thuốc bảo vệ thực vật để tránh tình trạng pha quá liều gây cháy lá, hỏng cây.

+ Lực gió từ Drone khá mạnh các trường hợp người vận hành bay thấp sẽ gây tổn thương đến bộ lá của cây.

+ Khó vận hành: để vận hành được Drone đòi hỏi người vận hành phải có kiến thức chuyên sâu không chỉ về pha trộn liều lượng thuốc bảo vệ thực vật mà còn cần kiến thức về các sản phẩm công nghệ tân tiến, đối với các nông dân lớn tuổi là rất khó,tìm ẩn nguy cơ nguy hiểm.

Mục đích và mục tiêu đề tài

Mục đích đề tài: Thi công phần cứng và thiết kế phần mềm để thu thập dữ liệu giàn tưới Sau đó tiến hành điều khiển thành công mô hình điều khiển tưới, bón và xịt thuốc ngon tự động.

- Thi công được phần cứng của bộ xử lý nước trung tâm, giàn tưới của mô hình tưới, bón và xịt thuốc.

- Thi công được phần cứng để thu thập dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm thông qua mạng truyền thông LoRa.

- Điều khiển được tốc độ động cơ thông qua biến tần bằng thuật toán PID.

- Thiết kế được giao diện giám sát và điều khiển trên Node-red và có thể truy cập điều khiển hệ thống từ xa.

- Thiết kế được giao diện HMI để điều khiển mô hình.

- Truyền thông giữa các thiết bị có trong hệ thống như: trạm thu thập dữ liệu, PLC,biến tần, HMI, Node-red.

Giới hạn đề tài

Trong đề tài của nhóm vẫn còn một số giới hạn như:

- Mô hình chưa xác định được lượng nước và lượng phân thuốc.

- Số lượng trạm thu thập còn hạn chế, dẫn đến có thể xuất hiện sai số giữa các khu vực có trạm và không trạm.

- Quy mô mô hình chỉ có khả năng mô phỏng lại chức năng thực tế của hệ thống.

Do đó, sẽ có sự khác biệt khi vận hành.

- Việc điều khiển từ xa của mô hình còn khá hạn chế do còn phụ thuộc vào một số yêu tố như: đường truyền Internet, Module và các dây cáp truyền dẫn,…

Phương pháp nghiên cứu

Các kết quả nghiên cứu kế thừa:

- Kế thừa các công trình nghiên cứu của các thế hệ trước về cơ sở lý thuyết của các phần mềm lập trình.

- Kế thừa các mô hình sản xuất đã có trong thực tiễn. Định hướng nghiên cứu:

- Nghiên cứu phần mềm lập trình trên máy tính.

- Sử dụng kiến thức đã học để tìm ra phương pháp lập trình đơn giản, dễ sử dụng và hiệu quả nhất.

- Xây dựng chương trình điều khiển.

Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng:

- Chạy thử mô hình nhiều lần, kiểm tra phát hiện lỗi của mô hình và lỗi của chương trình điều khiển, từ đó xây dựng hoàn thiện hệ thống.

- Các thiết bị thí nghiệm hệ thống: máy tính, PLC,HMI, biến tần,…

Bố cục/ nội dung đề tài

Phần còn lại của đề tài có nội dung như sau:

- Chương 2: Cơ sở lý thuyết Ở Chương 2: Trình bày tổng quan về cây sầu riêng và các hệ thống tưới có trong thực tế Trình bày các cơ sở lý thuyết về những phần cứng trong mô hình: PLC, biến tần, HMI, và phần mềm như: IOT, thuật toán PID, mạng truyền thông LoRa, Node-RED,

- Chương 3: Thi công phần cứng

Tiến hành lựa chọn các thiết bị thích hợp cho các phần của mô hình (tủ điện, trạm thu thập thông tin, bộ xử lý nước trung tâm, giàn tưới) Sau đó thiết kế phần cứng theo yêu cầu mà nhóm đã đặt ra.

- Chương 4: Thiết kế phần mềm

Từ các cơ sở lý thuyết ở Chương 2, kết hợp phần cứng đã thi công ở Chương 3, nhóm tiến hành thiết kế các phần mềm đề thu thập thông tin, xử lý và điều khiển mô hình.

- Chương 5: Thực nghiệm và phân tích kết quả Ở chương này, nhóm trình bày các kết quả đã đạt được bao gồm phần cứng, phần mềm Sau đó tiến hành chạy thực nghiệm trong nhiều trường hợp khác nhau để đưa ra các phân tích, đánh giá về hệ thống và so sánh với mục tiêu ban đầu mà nhóm đặt ra.

- Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Trong chương này, nhóm trình bày về kết quả đạt được, hạn chế và khó khăn khi thực hiện mô hình Sau đó đưa ra các hướng phát triển thích hợp cho đề tài trong tương lai.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Lý thuyết về nuôi trồng cây sầu riêng

Cây sầu riêng (tên khoa học: Durio zibethinus) là một loại cây ăn quả nhiệt đới thuộc họ Malvaceae, nổi tiếng với hương vị đặc biệt và mùi hương mạnh mẽ Sầu riêng được coi là "vua của các loại trái cây" ở Đông Nam Á và có giá trị kinh tế cao. Tại Việt Nam, cây sầu riêng đã phát triển từ lâu, được quan tâm và đầu tư phát triển trong thời gian gần đây, nếu được trồng và chú ý đầu tư thâm canh, chăm sóc đúng kỹ thuật thì cây sầu riêng sẽ mang lại hiệu quả kinh tế rất cao so với các loại cây trồng khác.

Hình 2.1 Cây sầu riêng đang cho trái.

Mô tả chung về cây sầu riêng:

- Hình dáng: cây sầu riêng có thân gỗ, cao khoảng 5-15 mét Lá cây đơn, mọc so le với nhau, hình bầu dục, mặt trên lá màu xanh đậm và mặt dưới có màu xanh nhạt.

- Hoa: hoa sầu riêng mọc thành chùm trên thân hoặc nhánh lớn Hoa thường nở vào ban đêm và thường có mùi thơm để thu hút côn trùng đến thụ phấn.

- Quả: quả sầu riêng có vỏ ngoài gai góc, kích thước khá lơn, thường sẽ nặng từ 1 đến 4 kg hoặc hơn Mỗi quả chứa từ 3-6 múi, mỗi múi chứa khoảng 1-3 hạt. Điều kiện sinh lý cây sầu riêng:

- Phân bố địa lý: cây sầu riêng có nguồn gốc từ các nước Đông Nam Á, phân bố phổ biến ở các nước sau: Thái Lan, Malaysia, Indonesia, Việt Nam,

- Yêu cầu khí hậu: sầu riêng thích hợp với khí hậu nhiệt đới ẩm, nhiệt độ 24-30°C, lượng mưa hàng năm từ 1500-2000mm. Điều kiện trồng trọt:

+ Loại Đất: cây sầu riêng phát triển tốt trên đất phù sa, đất thịt pha cát, đất đỏ bazan có độ pH từ 5.5-6.5.

+ Thoát nước: đất phải có khả năng thoát nước tốt để tránh ngập úng gây thối rễ.

+ Giống sầu riêng: có nhiều giống sầu riêng phổ biến như Ri6, Monthong(Thái), Chín Hóa, Dona Mỗi giống đều có đặc điểm và hương vị riêng đặc trưng.

+ Phương pháp nhân giống: nhân giống chủ yếu bằng hạt, ghép cành, hoặc chiết cành.

- Tưới nước: sầu riêng cần lượng nước đều đặn, đặc biệt trong mùa khô và thời kỳ cây ra hoa, kết trái Tuy nhiên, không nên tưới quá nhiều để tránh ngập úng.

+ Phân hữu cơ: bón lót bằng phân chuồng hoai mục hoặc phân hữu cơ vi sinh để cải thiện cấu trúc đất.

+ Phân hóa học: bón thúc bằng phân NPK (16-16-8 hoặc 20-20-15) và bổ sung các vi lượng như Mg, Ca, S.

- Cắt tỉa: cần cắt tỉa cành định kì, tỉa bớt cành lá không cần thiết để tạo thông thoáng, ngăn ngừa sâu bệnh và giúp cây phát triển tốt.

- Phòng trừ sâu bệnh: sầu riêng thường bị sâu đục thân, rệp sáp, và bệnh nấm Cần kiểm tra thường xuyên và áp dụng biện pháp phòng trừ kịp thời như phun thuốc bảo vệ thực vật và vệ sinh vườn thường xuyên.

Thu hoạch và bảo quản:

+ Thời điểm thu hoạch: sầu riêng thường được thu hoạch khi vỏ quả chuyển màu và có mùi đặc trưng Thời gian thu hoạch thường vào mùa hè, khoảng tháng 5-8 tùy vùng.

+ Phương pháp thu hoạch: cắt cuống quả bằng dao sắc, nhẹ nhàng đặt quả vào giỏ để tránh va đập gây hư hỏng.

+ Bảo quản tươi: sầu riêng có thể bảo quản trong điều kiện nhiệt độ phòng hoặc trong tủ lạnh để kéo dài thời gian sử dụng.

+ Chế biến: sầu riêng cũng được chế biến thành các sản phẩm khác như bánh kẹo,kem, và mứt để tăng giá trị thương phẩm.

Các thành phần của một hệ thống tưới

Nguồn nước của hệ thống tưới thông thường có các dạng sau:

Hình 2.2 Hình ảnh một số nguồn nước tưới.

Một số loại máy bơm và chức năng của nó:

Hình 2.3 Hình ảnh một số loại máy bơm tưới hiện nay.

Là loại bơm áp cao đa tầng cánh, được sử dụng để mang nước từ giếng khoan lỗ nhỏ, có độ sâu 80m-12m lên mặt đất Bơm có lưu lượng thấp hoặc rất thấp nhưng áp lực cao hoặc rất cao, do đó việc sử dụng bơm hỏa tiễn giếng khoan cho hệ thống tưới cây trực tiếp là không ổn định hoặc chỉ dùng cho vườn có diện tích nhỏ.

- Bơm ly tâm (máy bơm nổi):

+ Là loại bơm được sử dụng phổ biến nhất hiện nay, nó được sử dụng nhiều trong công việc tưới tiêu.

+ Bơm ly tâm trên cạn gồm bơm trục rời và bơm liền trục Bơm điện motor, bơm máy xăng đa phần là bơm liền trục, bơm được kéo từ motor rời hoặc máy nổ dầu đa phần là bơm trục rời.

Là loại bơm ly tâm, giống như bơm nổi Bơm có khả năng hút tốt ít quy trình bởi vì bơm chìm trong nước nên lợi thế của bơm chìm là không cần phải mồi nước Lưu lượng của bơm chìm phụ thuộc vào nhìu yếu tố như cánh quạt bơm hẹp hay rộng, họng đầu ra lớn hay nhỏ.

Hay còn gọi là bơm xịt sâu, đây là loại bơm Piston, không cần phải mồi nước trước, ưu điểm của bơm có thể đưa được áp lực lên rất cao tuy nhiên lưu lượng cho ra thì rất nhỏ Loại bơm này thích hợp cho việc phun thuốc cho mọi loại cây trồng còn việc tưới lớn, cây thân gỗ như sầu riêng dường như không phù hợp bởi lưu lượng ra quá nhỏ khiến cho việc tưới kéo dài, không hiệu quả, chỉ thích hợp tưới phun sương cho các cây không cần nhiều nước như: Hoa lan, hoa sứ, các loại rau ngắn ngày nhỏ,…

- Bơm đa tầng cánh: Đây là một loại bơm có thể đưa được nước lên cao nhất tuy nhiên lưu lượng không lớn Bơm thường được sử dụng trong các trường hợp đẩy xa, lên dốc, đồi núi có sự chênh lệch độ cao quá lớn, bơm thường được sử dụng cho béc đập bán kính lớn.

2.2.3 Hệ thống châm, bón phân

Hiện nay có một số loại hệ thống châm, bón phân như sau:

- Châm phân dành cho bơm ly tâm, bơm nổi:

Hình 2.4 Sơ đồ thiết kế châm, bón phân cho bơm ly tâm, bơm nổi.

Tại gần vị trí gần đầu hút của bơm ly tâm, sẽ thi công gắn thêm 1 cái tê, tức là thêm một ngõ vào song song với ống hút chính của bơm, đầu vào này có chức năng cấp nước phân vào chung đường nước chính từ đó khi qua máy bơm nước phân sẽ được trộn đều và đưa đến cây trồng.

Tuy nhiên nhược điểm của cách châm phân này là ống hút phân không được hở gió nếu hở gió bơm sẽ không hoạt động.

- Châm phân dành cho bơm chìm:

Hình 2.5 Sơ đồ thiết kế châm, bón phân cho bơm chìm.

Về cơ bản thì bơm chìm cũng giống như bơm ly tâm, bơm nổi tuy nhiên bơm chìm được thả dưới nước nên cần phải thiết kế đường hút phân ngay họng hút cho nó.

Tuy nhiên cách châm phân cho bơm chìm này đạt nhìu ưu điểm như sau:

+ Không bị hở gió như bơm nổi.

+ Nước phân được hút đều hơn, đồng nhất từ đầu đến cuối chu trình.

- Châm phân dành cho bơm giếng khoan:

Hình 2.6 Hình ảnh mô hình châm phân cho bơm giếng khoan.

Như đã phân tích ở phần máy bơm trên, bơm hỏa tiễn thường không dùng để tưới trực tiếp, nhưng đôi khi chúng ta vẫn cần tưới trực tiếp cho những vườn có diện tích nhỏ Trong trường hợp này chúng ta sẽ cần dùng đến bộ châm phân bằng venturi hoặc bình châm phân kín, cả hai phương pháp này đều có ưu và nhược điểm riêng của nó.

Bảng 2.1 So sánh Vanturi và bầu châm phân

Mất áp suất đường ống Không mất áp suất đường ống

Phân được châm đồng đều trong suốt quá trình tưới Phân không được châm đồng đều trong suốt quá trình tưới

Chi phí thấp Chi phí cao

- Ngoài ra, hiện nay còn 1 phương pháp châm phân nữa đó là dùng thêm một bơm hút phân đẩy vào đường ống tưới, tuy nhiên cách này khá bất tiện, chi phí vận hành cao nên ít người sử dụng.

Hình 2.7 Lọc đĩa và hệ thống lọc thực tế.

Hệ thống lọc được ví như là trái tim của hệ thông tưới, bón phân và xịt thuốc bởi nó đóng những vai trò vô cùng quan trọng như:

- Loại bỏ tạp chất: hệ thống lọc giúp loại bỏ các tạp chất như cát, sỏi, mảnh vụn hữu cơ, tảo và các hạt lơ lửng khác khỏi nguồn nước tưới, bón phân và xịt thuốc Điều này giúp bảo vệ thiết bị tưới tiêu, bón phân và xịt thuốc và đảm bảo nước sạch đến cây trồng.

- Giảm nguy cơ tắt nghẽn, bảo vệ thiết bị tưới: hệ thống lọc ngăn chặn các tạp chất lớn, hạt nhỏ xâm nhập vào các thiết bị tưới như máy bơm nước, đường ống nước và béc tưới và béc xịt thuốc Điều này giúp giảm thiểu hao mòn, hư hỏng, kéo dài tuổi thọ của các thiết bị này.

- Nâng cao hiệu quả tưới: sau khi loại bỏ tạp chất, nước tưới sẽ được phân bổ đều và hiệu quả hơn Điều này giúp cây có được lượng nước cần thiết để tối ưu hóa sinh trưởng và phát triển.

2.2.5 Hệ thống đường ống dẫn nước

Hình 2.8 Hình đường ống của một hệ thống tưới. Ống dẫn nước là thành phần quan trọng trong hệ thống tưới dùng để truyền tải nước giữa các thiết bị như: nguồn nước, máy bơm nước, bộ điều khiển trung tâm,van điện từ đến đầu béc tưới cây.

Nguồn nước dùng cho việc tưới tiêu thường có ít tạp chất nên đường ống không cần có tính năng chống ăn mòn nhưng phải chịu được áp lực cao từ nguồn nước. Ống dẫn nước có cấu tạo hình trụ tròn nhằm giảm ma sát trong đường ống, giúp tăng vận tốc nước truyền tải, ống dẫn nước thường được sử dụng trong hệ thống tưới tự động là ống PVC, HDPE, LDPE, PPR hoặc ống kim loại,…mỗi loại ống tưới sẽ có kiểu liên kết khác nhau PVC sử dụng phương pháp dán bằng keo dán ống chuyên dụng, HDPE có hai cách là siết ren và hàn nhiệt, còn ống PPR được liên kết bằng phương pháp hàn nhiệt. Độ dày và vật liệu của từng loại ống là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ chịu đựng áp suất nước của ống, mức độ tổn thất chiều dài ống, độ bền, mức độ chịu nắng, chịu nhiệt, chịu lực,… Ống PVC: ống có khả năng chịu nắng nóng kém do đó ống được lắp trong hệ thống tưới cần phải được chôn sâu dưới đất để đảm bảo độ bền Nhờ ống có giá thành rẻ và thông dụng nên thường được sử dụng nhiều trong lắp đặt hệ thống tưới. Ống HDPE: ống có khả năng chịu nắng nóng tốt và chịu được áp lực tốt nên ống HDPE thường được lắp đặt tại các khu vực có diện tích lớn như trang trại, khu công nghiệp,… Ống LDPE: ống có khả năng chống chịu cực tốt với môi trường, độ bền cao Khả năng chống ăn mòn cao, ống đàn hồi tốt và dẻo, không bị ăn mòn, hòa tan bởi phân bón và hóa chất sử dụng trong tưới tiêu nông nghiệp. Ống PPR: ống có khả năng chịu nhiệt và chịu được áp lực rất lớn Loại ống này có giá thành khá cao, chính vì vậy mà chúng ta ít thấy ống PPR được dùng trong các dự án tưới tiêu.

Hình 2.9 Hình chia cấp của một hệt thống tưới. Đường ống dẫn nước của một hệ thống thường chia làm 3 cấp: ống chính, ống nhánh, ống con Nhiệm vụ của ống chính là cần tải đủ lưu lượng nước cho tổng các béc tưới nằm trong toàn khu vực Nhiệm vụ của ống nhánh là cần tải đủ lưu lượng nước cho tổng các béc tưới nằm trong khu vực của nó Nhiệm vụ của ống con là cần tải đủ lưu lượng nước cho béc tưới mà nó liên kết.

Cách chọn đường ống hiệu quả trong hệ thống tưới:

- Để lựa chọn được đường ống tưới đat hiệu quả chúng ta cần.

+ Tính toán được tổng lưu lượng tưới trên một khu vườn.

+ Chia khu vườn thành nhiều khu vực nhỏ để tưới luân phiên.

+ Chọn đường ống chính có lưu lượng bằng tổng lưu lượng từng khu nhỏ.

+ Chọn đường ống nhánh có lưu lượng bằng tổng các béc tưới trên nhánh.

Ta có thể tính tổng lưu lượng dựa trên công thức: bectuoi * bectuoi

- Q: là tổng lưu lượng tưới(L/H).

- q bectuoi : là lưu lượng của béc tưới(L/H).

- n bectuoi : là số lượng béc tưới.

Chọn đường kính ống cho hệ thống tưới theo công thức:

- D: là đường kính ống(mm).

- Q: là lưu lượng dấn trong ống(L/H).

- V: là vận tốc nước chảy trong ống(m/s).

Tra bảng bên dưới để biết được lưu lượng ứng với từng kích thước ống:

Bảng 2.2 Bảng tra lưu lượng đường ống.

Kích thước ống Lưu lượng(m3/h) Lưu lượng(m3/h) OD

( đường kính danh nghĩa) mm

ID(đường kính trong) mm

WT( Độ dày thành ống) mm

2.2.6 Thiết bị đầu cuối( béc tưới, dây nhỏ giọt, béc phun sương)

Giới thiệu về PLC

PLC là thiết bị cho phép lập trình thực hiện các thuật toán điều khiển logic PLC có khả năng thay đổi thuật toán điều khiển tùy biến thông qua một ngôn ngữ lập trình Do vậy, nó cho phép thực hiện linh hoạt tất cả các bài toán điều khiển Có nhiều ngôn ngữ để lập trình cho PLC như LAD, FBD, STL và nhóm đang sử dụng ngôn ngữ LAD cho đề tài lần này.

Nguyên lý hoạt động của PLC:

- PLC nhận thông tin từ các cảm biến và các thiết bị đầu vào được kết nối, xử lý dữ liệu và kích hoạt đầu ra dựa trên các tham số đã được lập trình trước đó.

- Các hoạt động bên trong PLC được điều khiển bởi CPU, nó sẽ đọc và kiểm tra chương trình được chứa trong bộ nhớ và thực hiện từng lệnh trong chương trình được lập trình trước đó.

- Tùy thuộc vào đầu vào và đầu ra, bộ điều khiển PLC, có thể theo dõi và ghi lại dữ liệu thời gian chạy như năng suất máy và nhiệt độ vận hành, tự khởi động và dừng quy trình, tạo báo thức nếu máy gặp trục trặc và hơn thế nữa,…

- Bộ điều khiển lập trình PLC là một giải pháp điều khiển linh hoạt và mạnh mẽ, có thể thích ứng với hầu hết ứng dụng nào[9].

Hình 2.11 Nguyên lý hoạt động của PLC.

2.3.2 Ưu điểm và nhược điểm của PLC

Bảng 2.3 Ưu và nhược điểm của PLC. Ưu điểm Nhược điểm

- Dễ dàng thay đổi chương trình theo ý muốn, thích hợp để lập trình cho nhiều ứng dụng khác nhau.

- Mạch điện gọn nhẹ, dễ dàng trong việc bảo quản, sửa chữa và thay thế.

- Độ tin cậy cao, chuẩn hóa được thiết bị.

- Thực hiện được các thuật toán phức tạp và độ chính xác cao.

- Cấu trúc PLC dạng module, cho phép dễ dàng thay thế, mở rộng đầu vào/ra, mở rộng chức năng khác.

- Khả năng chống nhiễu tốt, hoàn toàn làm việc tin cậy trong môi trường công nghiệp.

- Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng truyền thông với các thiết bị khác.

- Sử dụng tốt trong các loại môi trường như nhiệt độ, độ ẩm cao, dòng điện dao động, …

- Giá thành phần cứng cao: Vì đây là một thiết bị công nghệ cao, tự động hóa cao nên giá trị sẽ cao hơn nhiều so với các lại thiết bị relay ON/OFF thông thường.

- Một số hãng phải mua thêm phần mềm để lập trình: Các loại PLC sẽ được hãng thiết kế riêng chính vì thế chúng sẽ có sự khác biệt trong khâu lập trình hệ thống Một số hãng sẽ kèm theo phần mềm, tuy nhiên cũng sẽ có một số hãng bán kèm để chúng ta sử dụng.

- Đòi hỏi người sử dụng phải có trình độ chuyên môn cao: hầu hết những người sử dụng được PLC phải được đào tạo bài bản Họ phải được trang bị các kiến thức liên quan đến từng loại PLC của từng hãng khác nhau Bởi vì mỗi hãng sẽ có phần mềm lập trình riêng nên để đào tạo thì cần một khoảng thời gian để có thể đảm nhiệm được công việc này Nếu chuyên môn không cao sẽ dẫn dên lập trình sai, gây hư hỏng và tổn thất trang thiết bị và xảy ra các sự cố đáng tiếc.

2.3.3 Vai trò ứng dụng của PLC

Trong ngành công nghiệp hiện đại, bộ lập trình PLC đóng vai trò quan trọng, đặc biệt là công nghiệp sản xuất Với nhiều ưu điểm vượt trội về giá thành lẫn hiệu suất, PLC được ứng dụng rộng rãi, phổ biến trong các tủ bảng điện tự động hóa của các hệ thống như: cấp nước, nhà máy xử lý nước thải, sản xuất chế biến, đóng gói, giám sát dây chuyền sản xuất, công nghiệp nặng,…

Cụ thể PLC là dùng trong công nghệ điều khiển cánh tay Robot để gắp phôi từ băng tải bỏ qua bàn gia công của máy CNC, hay điều khiển Robot đưa đổ vật liệu vào băng tải, hoặc thực hiện các việc đóng hộp, dán tem nhãn, hệ thống báo động,… Ngoài ra, Bộ lập trình PLC còn được dùng trong các ứng dụng giám sát quá trình trong nhà máy mạ, các dây chuyền lắp ráp linh kiện điện tử trong các nhà máy, dây chuyền kiểm tra chất lượng sản phẩm,… bằng các công tắc hành trình hoặc các cảm biến.

Hình 2.12 Một số ứng dụng của PLC trong công nghiệp.

2.3.4 Dòng PLC S7-1200 Đây là một trong những dòng PLC phổ biến được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để tự động hóa quy trình sản xuất và điều khiển các hệ thống máy móc PLC S7-1200 được thiết kế để có khả năng xử lý các tác vụ điều khiển và giám sát với hiệu suất cao, cung cấp tính linh hoạt và đáp ứng nhanh trong các ứng dụng khác nhau.

Có nhiều phiên bản trong dòng PLC S7-1200:

Bảng 2.4 Các phiên bản CPU của dòng S7-1200.

STT Dòng CPU Đặc điểm

1 CPU 1211C Dòng cơ bản nhất trong họ S7-1200.

2 CPU 1212C Nhiều bộ nhớ, IO tích hợp và nhiều khả năng mở rộng hơn so với

3 CPU 1214C Nhiều bộ nhớ hơn, nhiều IO tích hợp hơn so với CPU 1212C và khả năng mở rộng tối đa.

4 CPU 1215C Nhiều bộ nhớ hơn, một cổng Ethernet bổ sung và các đầu ra tương tự tích hợp so với CPU 1214C.

5 CPU 1217C Nhiều bộ nhớ hơn, bộ đếm nhanh hơn CPU 1215C.

6 CPU 1212 FC Dòng cơ bản của họ Fail-safe S7-1200.

7 CPU 1214 FC Nhiều bộ nhớ hơn và nhiều khả năng mở rộng hơn so với CPU

8 CPU 1215 FC Nhiều bộ nhớ hơn, thêm 1 cổng Ethernet và các đầu ra analog so với CPU 1214 FC.

Hình 2.14 Cấu trúc ngõ vào ngõ ra của PLC S7-1200.

Ngôn ngữ LAD cho phép viết chương trình tương tự như mạch tương đương của sơ đồ nối dây mạch điện Chương trình LAD cho phép CPU mô phỏng di chuyển của dòng điện từ nguồn, qua một loạt các điều kiện ngõ vào để tác động đến ngõ ra. Các lệnh khác nhau được biểu diễn bằng các ký hiệu đồ họa, gồm các dạng cơ bản:

- Tiếp điểm: Biểu diễn các điều kiện logic ngõ vào, như các công tắc, nút nhấn,trạng thái của cảm biến, …gồm (tiếp điểm thường đóng và thường hở).

- Cuộn dây (coil): biểu diễn cho kết quả logic ngõ ra, như đèn, động cơ, cuộn dây của relay,…

- Hộp (box): Biểu tượng cho các hàm khác nhau, nó hoạt động khi có dòng điện chạy đến hộp.

- Các dạng hàm thường được biểu diễn bằng hộp box gồm các bộ đếm thời gian (Timer), bộ đếm (Counter) và các hàm toán học, Cuộn dây và các hàm phải mắc đúng chiều toán học.

Biến tần

Biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện một chiều hoặc xoay chiều thành dòng điện xoay chiều có tần số và điện áp có thể điều chỉnh.

Nguyên lý hoạt động của biến tần: Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng Điện áp một chiều này được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng Công đoạn này hiện nay được thực hiện thông qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM).

Hình 2.16 Nguyên lý hoạt động của biến tần.

Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ và tần số vô cấp tuỳ theo bộ điều khiển Theo lý thuyết, giữa tần số và điện áp có một quy luật nhất định tuỳ theo chế độ điều khiển Đối với tải có mô men không đổi, tỉ số điện áp – tần số là không đổi Tuy vậy với tải bơm và quạt, quy luật này lại là hàm bậc 4 Điện áp là hàm bậc 4 của tần số Điều này tạo ra đặc tính mô men là hàm bậc hai của tốc độ phù hợp với yêu cầu của tải bơm/quạt do bản thân mô men cũng lại là hàm bậc hai của điện áp.

Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rất cao vì sử dụng các bộ linh kiện bán dẫn công suất được chế tạo theo công nghệ hiện đại Nhờ vậy, năng lượng tiêu thụ xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu bởi hệ thống.

Ngoài ra, biến tần ngày nay đã tích hợp rất nhiều kiểu điều khiển khác nhau phù hợp hầu hết các loại phụ tải khác nhau Ngày nay biến tần có tích hợp cả bộ PID và thích hợp với nhiều chuẩn truyền thông khác nhau, rất phù hợp cho việc điều khiển và giám sát trong hệ thống SCADA.

Biến tần có nhiều loại, nếu chia theo nguồn điện đầu vào ta có 2 loại cơ bản là:Biến tần cho động cơ 1 pha và biến tần cho động cơ 3 pha Trong đó, biến tần cho động cơ 3 pha được sử dụng rộng rãi hơn.

HMI

HMI, viết tắt của "Human-Machine Interface" (Giao diện Người-Máy), là một thiết bị hoặc hệ thống giúp con người tương tác với máy móc và hệ thống tự động hóa HMI cung cấp một giao diện đồ họa thông qua đó người dùng có thể giám sát và điều khiển các quá trình công nghiệp, thiết bị và máy móc.

Hình 2.17 Một số loại HMI hãng Siemens.

- Màn hình: màn hình hiển thị (LCD, TFT) có thể là cảm ứng hoặc không cảm ứng.

- Bộ vi xử lý: xử lý các lệnh và điều khiển giao diện.

- Bộ nhớ: lưu trữ chương trình điều khiển, dữ liệu và cài đặt.

- Giao tiếp: các cổng giao tiếp như RS232, RS485, Ethernet, USB, giúp kết nối với PLC, SCADA, và các thiết bị khác.

+ Hiển thị thông tin về trạng thái hoạt động của máy móc và hệ thống.

+ Giám sát các thông số quan trọng như nhiệt độ, áp suất, tốc độ, và các biến số

+ Cho phép người dùng gửi lệnh và điều chỉnh các thông số của hệ thống.

+ Điều khiển các hoạt động như khởi động, dừng, tăng giảm tốc độ, và các lệnh điều khiển khác.

+ Hiển thị các thông báo lỗi và cảnh báo.

+ Giúp người dùng nhận biết và xử lý sự cố kịp thời.

+ Ghi lại và lưu trữ dữ liệu từ quá trình sản xuất.

+ Phân tích dữ liệu để cải thiện hiệu quả và năng suất. Ứng dụng:

- Công nghiệp sản xuất: điều khiển và giám sát các dây chuyền sản xuất, máy móc công nghiệp.

- Hệ thống tự động hóa tòa nhà: quản lý và điều khiển hệ thống HVAC, ánh sáng, an ninh.

- Ngành năng lượng: giám sát và điều khiển nhà máy điện, hệ thống phân phối điện.

- Ngành giao thông: quản lý hệ thống giao thông, giám sát và điều khiển tín hiệu giao thông.

HMI là một thành phần quan trọng trong hệ thống tự động hóa, giúp cải thiện sự tương tác giữa con người và máy móc, tăng cường hiệu quả và an toàn trong các quy trình công nghiệp và tự động hóa.

Van điện từ

Van điện từ là một loại van điều khiển chuyển động của chất lỏng (hoặc khí) bằng cách sử dụng trường từ Cơ chế hoạt động của van điện từ dựa trên việc điều khiển dòng điện điện từ vào một cuộn dây dẫn tới tạo ra một lực từ Lực từ này sẽ làm di chuyển một thành phần trong van (thường là một đĩa hay một thanh nối) để mở hoặc đóng lỗ thông dụng của van, từ đó điều khiển luồng chất lỏng (hoặc khí) đi qua van.

- Valve Body (Thân van): thường được chế tạo từ các vật liệu như đồng, gang để sử dụng cho các hệ thống nước, hơi, khí nén Hoặc có thể làm từ nhựa, inox khi sử dụng trong môi trường hơi nóng với nhiệt độ cao, hóa chất có độ ăn mòn.

- Seal (Đệm van, màng van): bộ phận này thường được làm từ các loại vật liệu như cao su EPDM, Buna, Teflon (PTFE), Viton Vai trò của nó là làm kín, ngăn không cho nước rò rỉ.

- Plunger (Piston): được làm chủ yếu từ vật liệu inox, hỗ trợ van đóng hoặc mở.

- Spring (Lò xo van): bộ phận này cũng được chế tạo từ inox với độ đàn hồi tốt, giúp đẩy trục van lên xuống để có thể đóng, mở van Lò xo van điện từ thường được thiết kế trong khoảng 8 – 10 bar.

- Coil (Cuộn điện của van): đây là bộ phận chính có chức năng tạo ra từ trường cho van Nó được quấn từ dây đồng với nguồn điện thông dụng như 24V, 110V hay220V.

Hình 2.18 Cấu tạo van điện từ solenoid.

- Trong mỗi van điện từ đều có thiết kế một cuộn điện Đi kèm với đó là một lõi sắt và một lò xo nén vào lõi sắt Trong khi đó, lõi sắt được đặt tỳ lên một đầu gioăng cao su Ở trạng thái bình thường (không có điện), lò xò ép vào lõi sắt và van sẽ ở trạng thái “Đóng”.

- Khi có dòng điện chạy qua, cuộn dây sinh từ trường sẽ tác động và hút lõi sắt ra.

Từ trường này mang đến một lực đủ mạnh để thắng được lực của lò xo Lúc này, van sẽ chuyển sang trạng thái “Mở”.

Hình 2.19 Nguyên lí hoạt động van điện từ.

- Van điện từ thường đóng.

- Van điện từ thường mở.

- Van điện từ inox. Ứng dụng:

- Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ tự động hóa, van điện từ với những ưu điểm vốn có ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong đời sống dân dụng và nhiều lĩnh vực công nghiệp.

- Trong đời sống, van điện từ thường được ứng dụng để tưới cây, sân vườn theo giờ. Thiết bị này còn được lắp làm van cấp nước máy giặt, bơm nước sinh hoạt, cấp thoát nước cho nhà máy,…

- Ứng dụng của van điện từ trong hệ thống tưới tiêu.

- Trong công nghiệp, van điện từ được ứng dụng phổ biến cho các lĩnh vực liên quan đến khí nén, chất lỏng với vai trò đóng, mở, phân chia, trộn lẫn khí nén từ máy bơm màng khí nén hoặc dầu thủy lực từ bơm thủy lực,…

Máy bơm nước

Máy bơm nước là một loại máy thủy lực, nhận năng lượng từ bên ngoài (cơ năng, điện năng, thủy năng, ) và truyền năng lượng cho dòng chất lỏng, nhờ vậy đưa chất lỏng lên một độ cao nhất định hoặc dịch chuyển chất lỏng theo hệ thống đường ống.

+ Vỏ động cơ: bảo vệ các chi tiết bên trong của động cơ điện.

+ Phần tĩnh (Stato): thành phần cơ bản của một động cơ điện.

+ Trục quay (Rôto): truyền chuyển động qua đầu bơm.

+ Quạt: làm mát động cơ.

+ Bạc đạn: cố định vị trí của Rô to và cho phép Rô to xoay vòng.

+ Bảng điện: truyền điện năng vào trong động cơ.

+ Vỏ bơm: thân bơm, bảo vệ bộ phận thủy lực của máy bơm.

+ Cánh bơm: tạo và định hướng chuyển động của nước bên trong máy bơm. + Guồng bơm: chuyển đổi năng lượng hoặc chuyển động do cánh bơm tạo ra thành áp năng.

+ Phớt cơ học: ngăn nước vào trong động cơ.

+ Các gioăng tròn: làm kín giữa các chi tiết của máy bơm.

- Máy bơm nước vận hành dựa trên nguyên lí chung là hút hết không khí ra khỏi 1 đường ống (tạo chân không) làm cho áp suất trong đường ống giảm về 0 Khi đó, áp suất khí quyển đè lên mặt nước, làm cho nước trong ống dâng lên.

- Khi thân bơm và ống hút được cung cấp đầy đủ nước, máy sẽ hoạt động theo quá trình hút đẩy, quá trình hút đẩy này được diễn ra liên tục nhằm tạo ra dòng chảy không ngừng giúp vận chuyển nước. Ứng dụng: được sử dụng trong các hộ gia đình, nhà máy, xí nghiệp, giúp vận chuyển nước từ nơi này đến nơi khác, tăng áp lực cho đường ống nước, cung cấp nước cho lò hơi, dự phòng cho hệ thống PCCC, bơm hóa chất,…

Cảm biến áp suất

Cảm biến áp suất có rất nhiều loại và ứng dụng cho từng yêu cầu khác nhau Tuy nhiên, về cơ bản sẽ có cấu tạo 4 phần:

- Electric Connection: kết nối điện.

- Amplifier: Bộ khuếch đại tín hiệu.

- Sensor: màng cảm biến xuất ra tín hiệu.

- Process Connection: chuẩn kết ren (Ren kết nối vào hệ thống áp suất).

Hình 2.21 Cấu tạo của cảm biến áp suất.

Nguyên lý hoạt động cảm biến áp suất: nguyên lý hoạt động chung của cảm biến áp suất được trình bày như sau:

- Khi có lực tác động, khi áp suất Dương (+) tác động qua lớp màng sẽ căng lên từ trái sang phải, áp suất âm (–) tác động lớp màng sẽ căng lên từ phải sang trái.

- Cơ cấu màng này thông qua bộ phần chuyền chuyển động và đưa ra áp suất tương ứng, Áp suất này thông qua bộ Transmiter sẽ xuất tín hiệu Output analog output hoặc tín hiệu điện (mA hoặc V).

Hình 2.22 Nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất.

- Hình bên trái: khi không có áp suất => Hight = Low = 0V output.

- Hình ở giữa: khi có áp suất nén => Hight > Low = +V Output.

- Hình bên phải: khi có áp suất hút => Low > Hight = -V Output.

Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm

Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm là các thiết bị dùng để đo lường và giám sát nhiệt độ và độ ẩm của môi trường Chúng được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng như tự động hóa công nghiệp, điều khiển môi trường, bảo quản thực phẩm, nông nghiệp, và các hệ thống HVAC (Heating, Ventilation, and Air Conditioning).

Hình 2.23 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm.

Các loại cảm biến nhiệt độ và độ ẩm:

+ Thermocouple (Cặp nhiệt điện): dùng hai loại kim loại khác nhau nối tại một đầu; khi nhiệt độ thay đổi, tạo ra điện áp có thể đo lường.

+ RTD (Resistance Temperature Detector): sử dụng thay đổi điện trở của một kim loại (thường là platinum) theo nhiệt độ.

+ Thermistor: sử dụng vật liệu bán dẫn có điện trở thay đổi theo nhiệt độ; thường có độ nhạy cao.

+ IC cảm biến nhiệt độ: các vi mạch bán dẫn đo nhiệt độ, ví dụ: LM35, DS18B20.

+ Cảm biến điện dung: đo độ ẩm bằng cách thay đổi điện dung giữa hai tấm khi môi trường xung quanh thay đổi độ ẩm.

+ Cảm biến điện trở: sử dụng các vật liệu thay đổi điện trở khi hấp thụ hoặc mất hơi ẩm.

+ Cảm biến nhiệt độ điểm sương: đo độ ẩm bằng cách làm lạnh một bề mặt cho đến khi hơi nước bắt đầu ngưng tụ.

Các đặc tính kỹ thuật quan trọng:

+ Nhiệt độ: từ -40 đến +125°C, nhưng có thể khác nhau tùy loại cảm biến.

+ Độ ẩm: từ 0% đến 100% RH (Relative Humidity).

- Thời gian đáp ứng: thời gian để cảm biến ổn định khi có sự thay đổi nhiệt độ hoặc độ ẩm có thể từ vài giây đến vài phút.

- Độ bền: khả năng hoạt động trong môi trường khắc nghiệt và chống nhiễu. Ứng dụng của cảm biến nhiệt độ và độ ẩm:

- Tự động hóa công nghiệp: giám sát và điều khiển nhiệt độ và độ ẩm trong các quy trình sản xuất.

- Hệ thống HVAC: điều khiển hệ thống sưởi, thông gió và điều hòa không khí.

- Nông nghiệp thông minh: giám sát và điều khiển môi trường trong nhà kính, kho lạnh.

- Bảo quản thực phẩm: đảm bảo điều kiện lưu trữ tối ưu cho thực phẩm và đồ uống.

- Điện tử tiêu dùng: các thiết bị gia dụng như máy hút ẩm, máy tạo ẩm, và tủ lạnh thông minh.

-Y tế: giám sát nhiệt độ và độ ẩm trong các phòng thí nghiệm và cơ sở y tế.

Ví dụ về các cảm biến cụ thể:

- DHT11/DHT22: cảm biến phổ biến cho các ứng dụng DIY và giáo dục, tích hợp đo nhiệt độ và độ ẩm.

- SHT3x: cảm biến nhiệt độ và độ ẩm chính xác cao, thường dùng trong các ứng dụng công nghiệp và y tế.

Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát và đảm bảo điều kiện môi trường thích hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau, từ công nghiệp đến tiêu dùng và y tế.

Lý thuyết điều khiển tốc độ động cơ dùng thuật toán PID

Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID) là một kỹ thuật điều khiển quá trình với sự kết hợp của 3 bộ điều khiển: tỉ lệ, tích phân và vi phân, có khả năng điều chỉnh sai số thấp nhất có thể, tăng tốc độ đáp ứng, giảm độ vọt lố, hạn chế dao động.

Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào[10].

Hình 2.24 Cấu trúc bộ điều khiển PID cho hệ vòng kín.

Phương trình PID tổng quát:

- Vsetlà giá trị đặt (Setpoint) mong muốn.

- Vmtlà giá trị Sensor phản hồi về vi điều khiển.

- e = Vset– Vmtlà sai số giữa tín hiệu đặt và tín hiệu hồi tiếp.

- U là giá trị PID tính toán được.

- Uđk là giá trị điều khiển hệ thống.

- Các giá trị Kp, Ki, Kd là các hằng số tỷ lệ, tích phân và vi phân.

2.10.2 Thiết kế bộ điều khiển PID cho mô hình

Hình 2.25 Cấu trúc bộ điều khiển PID cho mô hình.

Tín hiệu đặt (Set point) là khoảng cách cần duy trì của áp suất nước Thông qua bộ điều khiển PID sẽ tính toán các thông số và đưa tín hiệu điều khiển vào PLC.PLC sẽ điều khiển động cơ hoạt động với tín hiệu điều khiển từ PID Thông qua cảm biến, tín hiệu trả về là áp suất nước tại thời điểm t Sai số giữa tín hiệu đặt và tín hiệu trả về sẽ được tính toán và tiếp tục được đưa qua bộ điều khiển để hiệu chỉnh tín hiệu điều khiển Từ đó giúp PLC điều khiển động cơ hoạt động ổn định.

Lý thuyết về IOT

IoT là viết tắt của từ Internet of Things, có nghĩa là Internet vạn vật Điều này đề cập đến một hệ thống mạng lưới tích hợp mọi thiết bị điện tử thông tin và công nghệ, nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình truyền – tải dữ liệu giữa thiết bị và đám mây, cũng như giữa hai hoặc nhiều thiết bị.

Vào những năm 90, các kỹ sư máy tính đã lắp đặt thêm bộ xử lý và cảm biến vào một số vật dụng hàng ngày Tuy nhiên, con chip mà họ thiết kế khá bất tiện khi kích thước to, cồng kềnh Trong những năm sau này, với sự phát triển của nền công nghệ hiện đại mà con chip ngày càng được làm nhỏ, nhanh chóng, thông minh và tinh vi hơn Ngoài ra, nếu trước đây chi phí để sản xuất con chip khá đắt đỏ, thì ở thời điểm hiện tại, số tiền đầu tư để thiết kế một con chip đã giảm đi rất nhiều Chính vì điều này, cả một ngành công nghiệp đã đặt trọng tâm cho việc đưa hệ thống IoT vào mọi ngóc ngách của doanh nghiệp, căn nhà và văn phòng làm việc[11].

2.11.1 Cấu trúc của 1 hệ thống IoT

Hệ thống IoT có thể được chia thành 5 thành phần chính, bao gồm:

- Thiết bị IoT (IoT devices): đây là các thiết bị vật lý được kết nối với Internet và có khả năng thu thập, xử lý và truyền dữ liệu Một số vật dụng có thể là thiết bị IoT như: đồ dùng y tế, đồ gia định, vật dụng trong ngành công nghiệp,…

- Kết nối (connectivity): đây là thành phần cung cấp khả năng kết nối giữa các thiết bị IoT với nhau và với Internet Hệ thống sẽ dùng các công nghệ riêng biệt để thực hiện kết nối IoT như: Bluetooth, Zigbee, Wifi, LoRa,…

- Cơ sở hạ tầng (infrastructure): đây là thành phần cung cấp nền tảng cho hoạt động của hệ thống IoT Một cơ sở hạ tầng của IoT tập hợp những yếu tố gồm: trung tâm dữ liệu, mạng lưới,…

- Dữ liệu (data): đây là thành phần quan trọng nhất của hệ thống IoT Các dữ liệu được thu thập từ các thiết bị IoT sẽ phục vụ cho việc phân tích, triển khai hành động và đưa ra quyết định.

- Ứng dụng (applications): đây là thành phần sử dụng dữ liệu từ các thiết bị IoT để cung cấp các giá trị cho người dùng Ta có thể sử dụng IoT trong nhiều lĩnh vực như:chăm sóc sức khỏe, y tế, nông nghiệp, sản xuất, công nghiệp,

Hình 2.26 Cấu trúc của hệ thống IoT.

Nhà và văn phòng thông minh: nhà thông minh là một ví dụ điển hình về IoT. Trong ngôi nhà thông minh các thiết bị điện tử dân dụng như đèn, quạt, máy lạnh,… có thể được kết nối với nhau thông qua mạng internet Sự kết nối này cho phép người dùng vận hành các thiết bị này từ xa Một ngôi nhà thông minh có khả năng điều khiển ánh sáng, quản lý năng lượng, mở rộng và truy cập từ xa.

Nông nghiệp thông minh: nếu như trước đây toàn bộ quá trình nông nghiệp đều phụ thuộc vào sức lao động con người thì giờ đây được đơn giản hóa nhờ sự xuất hiện của máy móc và công nghệ Ứng dụng IoT trong ngành trồng trọt giúp nông dân có thể kiểm soát và nắm bắt những thông tin cần thiết như thời điểm tốt nhất thu hoạch, độ dinh dưỡng của đất, lượng phân bón phù hợp, độ ẩm của đất,… Những mô hình trang trại chăn nuôi thông minh cũng dần ra đời với những tiến bộ của IoT giúp cho người chủ kiểm soát và thu thập các dữ liệu cần thiết về nhiệt độ chuồng, độ ẩm không khí hoặc dữ liệu sức.

Công nghiệp sản xuất: công nghiệp sản xuất là một trong những ngành sớm áp dụng IoT, nó đã thay đổi hoàn toàn một số giai đoạn của chu kỳ phát triển sản phẩm. IoT công nghiệp sẽ giúp tối ưu hóa các công đoạn sản xuất khác nhau của sản phẩm như:

- Giám sát chuỗi cung ứng và quản lý hàng tồn kho.

- Tối ưu hóa trong phát triển sản phẩm.

- Tự động hóa quy trình sản xuất hàng loạt.

- Kiểm tra chất lượng và cải tiến sản phẩm.

- Cải thiện việc đóng gói và quản lý.

Một trong những thành phần cơ bản của phân tích dữ liệu lớn (Big data) chính là bản thân của dữ liệu đó, nhiều tổ chức coi dữ liệu là tài sản quý giá nhất để phát triển chiến lược kinh doanh của họ Nguồn dữ liệu có thể từ bất kỳ đâu như máy móc, môi trường, thực vật, con người hoặc thậm chí động vật.

Internet of Things sử dụng hàng trăm loại cảm biến được thiết kế để thu thập dữ liệu từ nhiều loại ứng dụng Lượng dữ liệu khổng lồ từ hàng triệu cảm biến thông minh sẽ giúp cho việc phân tích dữ liệu cần sử dụng trí tuệ nhân tạo và máy học cải thiện được các thuật toán ra quyết định.

Công nghệ LoRa

2.12.1 Công nghệ LoRa là gì

Công nghệ LoRa, được phát triển bởi Semtech là một giao thức không dây mới được thiết kế để truyền thông tầm xa, năng lượng thấp Giao thức cung cấp loại khả năng liên lạc mà các thiết bị thông minh cần có và Liên minh LoRa đang hoạt động, để đảm bảo khả năng tương tác giữa nhiều mạng trên toàn quốc.

Một phần của phổ LoRa sử dụng thể hiện ít nhiễu điện từ, do đó tín hiệu có thể kéo dài một khoảng cách xa, thậm chí đi qua các tòa nhà, với rất ít năng lượng Điều này phù hợp với các thiết bị IoT với dung lượng pin hạn chế Điều đó cũng có nghĩa là các tinh thể chi phí thấp hơn có thể được sử dụng, do đó, việc xây dựng LoRa thành các thiết bị rẻ hơn.

Mỗi gateway LoRa có thể xử lý hàng triệu node Điều đó, cộng với thực tế là các tín hiệu có thể kéo dài khoảng cách đáng kể, có nghĩa là cần ít cơ sở hạ tầng mạng hơn, do đó làm cho việc xây dựng mạng LoRa rẻ hơn Các mạng LoRa có thể được đặt cùng với các thiết bị liên lạc khác, như các tháp điện thoại di động, làm giảm đáng kể các hạn chế xây dựng.

Các tính năng khác của LoRa cũng khiến nó trở nên lý tưởng cho IoT LoRa sử dụng thuật toán tốc độ dữ liệu thích ứng để giúp tối đa hóa tuổi thọ pin và dung lượng mạng của thiết bị Các giao thức của nó bao gồm nhiều lớp mã hóa, ở cấp độ mạng, ứng dụng và thiết bị, cho phép liên lạc an toàn Tính hai chiều của giao thức hỗ trợ các thông điệp quảng bá, cho phép chức năng cập nhật phần mềm.

Hình 2.27 Cấu trúc hoạt động công nghệ LoRa.

2.12.2 Nguyên lý hoạt động của LoRa

Nền tảng phát triển công nghệ LoRa dựa trên kỹ thuật điều chế Chirp SpreadSpectrum Khi các dữ liệu được tạo xung với tần số cao để tạo ra những tín hiệu có dải tần cao hơn Các tín hiệu này sẽ được mã hóa theo các chuỗi chirp signal (tín

Có hai loại chirp signal, bao gồm:

- Tần số up-chirp tăng theo thời gian.

- Tần suất của Down-chirp giảm dần theo thời gian.

Công nghệ LoRa sử dụng một kỹ thuật điều biến có tên Chirp Spread Spectrum, loại kỹ thuật này sẽ sử dụng các xung tần số cao để chia nhỏ dữ liệu nhằm tạo ra tín hiệu có dải tần cao hơn dải tần của dữ liệu gốc Sau đó tín hiệu cao tần sẽ tiếp tục được mã hóa theo chuỗi tín hiệu chirp rồi truyền đến anten để truyền đi.

Nguyên tắc hoạt động này hỗ trợ thiết bị giảm độ phức tạp và tăng độ chính xác cần thiết cho mạch nhận để có thể giải mã và điều chỉnh lại dữ liệu LoRa không yêu cầu nhiều công suất phát mà vẫn có thể truyền đi xa, vì tín hiệu LoRa có thể nhận được ở khoảng cách xa ngay cả khi cường độ tín hiệu thấp hơn nhiễu xung quanh.

Băng tần hoạt động của công nghệ LoRa nằm trong khoảng từ 430MHz đến 915MHz, áp dụng cho các khu vực khác nhau trên thế giới Cụ thể:

- Dải băng tần 430MHz cho khu vực châu Á.

- Dải băng tần 780MHz cho khu vực Trung Quốc.

- Dải băng tần 433MHz hoặc 866MHz cho khu vực châu Âu.

- Dải băng tần 915MHz cho khu vực USA.

Tín hiệu chirp sẽ cho phép các tín hiệu LoRa hoạt động trong cùng một khu vực mà không gây nhiễu lẫn nhau Cho phép nhiều thiết bị trao đổi dữ liệu trên nhiều kênh đồng thời.

Hỗ trợ truyền dữ liệu đường dài: LoRa có thể hỗ trợ máy tính truyền dữ liệu vài km mà không cần bộ khuếch đại công suất Do LoRa sử dụng ít nhiễu điện từ hơn nên tín hiệu có thể duy trì khoảng cách xa hoặc khả năng làm việc mạnh mẽ ngay cả trong môi trường đô thị với những ngôi nhà dày đặc.

Mức tiêu thụ điện năng thấp: đây là ưu điểm lớn nhất của công nghệ LoRa Bởi mức tiêu thụ điện năng của công nghệ này thấp Tương ứng, tuổi thọ của ắc quy có thể lên đến 10 năm, hỗ trợ các nhà máy, doanh nghiệp giảm chi phí thay thế ắc quy. Tiêu chuẩn hóa: LoRa là một giao thức mạng mở, có khả năng cung cấp các kết nối nút cuối được tiêu chuẩn hóa giữa những máy tính và thiết bị IoT Điều này cho phép mỗi nhà máy nhanh chóng triển khai các ứng dụng IoT ở mọi nơi.

Tính bảo mật cao: LoRa có sở hữu mã hóa AES 128 (Quy trình đầu cuối-end-to- end), cho phép xác thực lẫn nhau, đảm bảo tính toàn vẹn và tăng tính bảo mật. Mức công suất lớn: công nghệ LoRa có thể hỗ trợ mỗi trạm gốc thu thập hàng triệu dữ liệu đáp ứng nhu cầu của người vận hành thông tin cho hoạt động phân tích, dự đoán.

Chi phí thấp: giảm đầu tư cơ sở hạ tầng, chi phí thay thế pin và chi phí vận hành cuối cùng.

Mặc dù công nghệ LoRa có nhiều ứng dụng tuyệt vời trong xu hướng IoT nhưng nó vẫn có những nhược điểm mà ta cần lưu ý.

Không phù hợp với những công việc cần tải dữ liệu lớn Đây cũng là nhược điểm lớn nhất đối với công nghệ LoRa Do các sóng truyền ở tần số này làm chậm tốc độ truyền và tải trọng của công nghệ bị giới hạn ở 100 byte Do đó, độ trễ của công nghệ LoRa sẽ cao hơn các phương pháp khác.

Hạn chế khi có nhu cầu lắp đặt gateway Khi sử dụng công nghệ LoRa, người dùng sẽ gặp khó khăn trong việc lắp đặt các gateway trong khu vực nội thành cũng là một trở ngại cho việc phổ cập công nghệ LoRa tại các khu vực đông dân cư. Nếu ta chú trọng tới yếu tố tốc độ truyền của dữ liệu thì công nghệ này không phải lựa chọn tốt So với các công nghệ kết nối khác, tốc độ truyền dữ liệu của LoRa không nhanh.

LoRa có khả năng truyền dữ liệu hạn chế và không phù hợp với các ứng dụng yêu cầu truyền dữ liệu lớn. Để có thể triển khai một hệ thống LoRa hoàn chỉnh, cần có nhiều cổng và thiết bị kết nối, điều này làm tăng chi phí triển khai.

2.12.5 Cấu trúc mạng điển hình

Kiến trúc mạng điển hình của LoRa được sử dụng là kiến trúc hình sao Thông thường cấu trúc này sẽ có hai loại thiết bị:

- End node: là các thiết bị cảm biến hoặc các thiết bị giám sát được lắp đặt tại các vị trí làm việc ở xa để lấy và gửi dữ liệu về các thiết bị trung tâm.

- Gateway: là các thiết bị trung tâm sẽ thu thập dữ liệu từ các device node và gửi lên

Công nghệ wifi

Wifi là viết tắt của Wireless Fidelity là hệ thống truy cập Internet không dây. Loại sóng vô tuyến này tương tự như sóng điện thoại, truyền hình và radio.

Wifi là công cụ kết nối không thể thiếu trên điện thoại, laptop, máy tính bảng và một số thiết bị thông minh khác như smartwatch.

Hình 2.30 Wifi kết nối nhiều người dùng với nhau.

2.13.2 Nguyên tắc hoạt động của mạng Wifi Để tạo được kết nối Wifi nhất thiết phải có Router (bộ thu phát):

- Router này lấy thông tin từ mạng Internet qua kết nối hữu tuyến rồi chuyển nó sang tín hiệu vô tuyến và gửi đi.

- Bộ chuyển tín hiệu không dây (adapter) trên các thiết bị di động thu nhận tín hiệu này rồi giải mã nó sang những dữ liệu cần thiết.

Quá trình này có thể thực hiện ngược lại, Router nhận tín hiệu vô tuyến từ Adapter và giải mã chúng rồi gửi qua Internet.

2.13.3 Ưu điểm của mạng Wifi điểm

Khi nhắc đến ưu điểm của mạng Wifi là gì thì sẽ không thể không nói đến những điểm nổi bật sau:

- Tiện dụng và đơn giản, gọn nhẹ hơn so với kết nối trực tiếp bằng cable truyền thống qua cổng RJ45.

- Người sử dụng có thể truy cập ở bất cứ vị trí nào trong vùng bán kính phủ sóng mà tại đó Router Wifi làm trung tâm.

- Dễ dàng sửa đổi và nâng cấp: Người sử dụng có thể tăng băng thông truy cập, tăng số lượng người sử dụng mà không cần nâng cấp thêm Router hay dây cắm như các kết nối bằng dây vật lý.

- Thuận tiện: người truy cập có thể duy trì kết nối kể cả khi đang di chuyển, một ví dụ cụ thể là các Router Wifi đặt lắp trên các xe khách đường dài.

- Tính bảo mật của mạng Wifi tương đối cao.

2.13.4 Nhược điểm của mạng Wifi điểm

Bên cạnh những ưu điểm, mạng Wifi cũng tồn tại nhiều nhược điểm chưa thể khắc phục như:

- Phạm vi kết nối của mạng Wifi với thiết bị có giới hạn, đi càng xa router kết nối càng yếu dần đi Giải pháp cho vấn đề này là trang bị thêm các Repeater hoặc Access point Tuy nhiên, gặp nhiều khó khăn do giá thành cao.

- Vấn đề băng thông: khi càng nhiều người kết nối vào mạng thì tốc độ truy cập giảm rõ rệt.

Các chuẩn giao tiếp SPI, I2C, UART

SPI là một giao thức giao tiếp phổ biến được sử dụng bởi nhiều thiết bị khác nhau.

Ví dụ, module thẻ SD, module đầu đọc thẻ RFID và bộ phát/thu không dây 2,4 GHz đều sử dụng SPI để giao tiếp với vi điều khiển.

Lợi ích duy nhất của SPI là dữ liệu có thể được truyền mà không bị gián đoạn.Bất kỳ số lượng bit nào cũng có thể được gửi hoặc nhận trong một luồng liên tục.Với I2C và UART, dữ liệu được gửi dưới dạng gói, giới hạn ở một số bit cụ thể.Điều kiện bắt đầu và dừng xác định điểm bắt đầu và kết thúc của mỗi gói, do đó dữ liệu bị gián đoạn trong quá trình truyền.

Các thiết bị giao tiếp qua SPI có quan hệ master-slave Master là thiết bị điều khiển (thường là vi điều khiển), còn slave (thường là cảm biến, màn hình hoặc chip nhớ) nhận lệnh từ master Cấu hình đơn giản nhất của SPI là hệ thống một slave, một master duy nhất, nhưng một master có thể điều khiển nhiều hơn một slave.

- MOSI (đầu ra master/đầu vào slave): đường truyền cho master gửi dữ liệu đến slave.

- MISO (đầu vào master/đầu ra slave): đường cho slave gửi dữ liệu đến master.

- SCLK (clock): đường cho tín hiệu xung nhịp.

- SS/CS (Slave Select/Chip Select): đường cho master chọn slave nào để gửi tín hiệu.

Có một số ưu và nhược điểm khi sử dụng SPI và nếu được lựa chọn giữa các giao thức giao tiếp khác nhau, ta nên biết khi nào sử dụng SPI theo yêu cầu của dự án:

+ Không có bit bắt đầu và dừng, vì vậy dữ liệu có thể được truyền liên tục mà không bị gián đoạn.

+ Không có hệ thống định địa chỉ slave phức tạp như I2C.

+ Tốc độ truyền dữ liệu cao hơn I2C (nhanh gần gấp đôi).

+ Các đường MISO và MOSI riêng biệt, vì vậy dữ liệu có thể được gửi và nhận cùng một lúc.

+ Sử dụng bốn dây kết nối (I2C và UART chỉ sử dụng hai dây).

+ Không xác nhận dữ liệu đã được nhận thành công (I2C có điều này).

+ Không có hình thức kiểm tra lỗi như bit chẵn lẻ trong UART.

+ Chỉ cho phép một master duy nhất[13].

I2C kết hợp các tính năng tốt nhất của SPI và UART Với I2C, ta có thể kết nối nhiều slave với một master duy nhất (như SPI) và ta có thể có nhiều master điều khiển một hoặc nhiều slave Điều này thực sự hữu ích khi ta muốn có nhiều hơn một vi điều khiển ghi dữ liệu vào một thẻ nhớ duy nhất hoặc hiển thị văn bản trên một màn hình LCD.

Giống như giao tiếp UART, I2C chỉ sử dụng hai dây để truyền dữ liệu giữa các thiết bị:

- SDA (Serial Data): đường truyền cho master và slave để gửi và nhận dữ liệu.

- SCL (Serial Clock): đường mạng tín hiệu xung nhịp.

I2C là một giao thức truyền thông nối tiếp, vì vậy dữ liệu được truyền từng bit dọc theo một đường duy nhất (đường SDA).

Giống như SPI, I2C là đồng bộ, do đó đầu ra của các bit được đồng bộ hóa với việc lấy mẫu các bit bởi một tín hiệu xung nhịp được chia sẻ giữa master và slave. Tín hiệu xung nhịp luôn được điều khiển bởi master.

Có rất nhiều điều ở I2C có thể khiến nó nghe có vẻ phức tạp so với các giao thức khác, nhưng có một số lý do chính đáng khiến ta có thể muốn hoặc không muốn sử dụng I2C để kết nối với một thiết bị cụ thể. Ưu điểm:

- Chỉ sử dụng hai dây.

- Hỗ trợ nhiều master và nhiều slave.

- Bit ACK / NACK xác nhận mỗi khung được chuyển thành công.

- Phần cứng ít phức tạp hơn so với UART.

- Giao thức nổi tiếng và được sử dụng rộng rãi.

- Tốc độ truyền dữ liệu chậm hơn SPI.

- Kích thước của khung dữ liệu bị giới hạn ở 8 bit.

- Cần phần cứng phức tạp hơn để triển khai so với SPI.

UART hay bộ thu-phát không đồng bộ đa năng là một trong những hình thức giao tiếp kỹ thuật số giữa thiết bị với thiết bị đơn giản và lâu đời nhất Ta có thể tìm thấy các thiết bị UART trong một phần của mạch tích hợp (IC) hoặc dưới dạng các thành phần riêng lẻ Các UART giao tiếp giữa hai nút riêng biệt bằng cách sử dụng một cặp dẫn và một nối đất chung.

Vì nó là thiết lập phổ quát nên chúng ta có thể định cấu hình UART để hoạt động với nhiều loại giao thức nối tiếp khác nhau UART đã được điều chỉnh thành các đơn vị chip đơn vào đầu những năm 1970, bắt đầu với Western Digital WD1402A. Trong một sơ đồ giao tiếp UART:

- Chân Tx (truyền) của một chip kết nối trực tiếp với chân Rx (nhận) của chip kia và ngược lại Thông thường, quá trình truyền sẽ diễn ra ở 3.3V hoặc 5V UART là một giao thức một master, một slave, trong đó một thiết bị được thiết lập để giao tiếp với duy nhất một thiết bị khác.

- Dữ liệu truyền đến và đi từ UART song song với thiết bị điều khiển (ví dụ: CPU).

- Khi gửi trên chân Tx, UART đầu tiên sẽ dịch thông tin song song này thành nối tiếp và truyền đến thiết bị nhận.

- UART thứ hai nhận dữ liệu này trên chân Rx của nó và biến đổi nó trở lại thành song song để giao tiếp với thiết bị điều khiển của nó.

Không có giao thức truyền thông nào là hoàn hảo, nhưng UART thực hiện khá tốt công việc của nó Dưới đây là một số ưu và nhược điểm để giúp ta quyết định xem nó có phù hợp với nhu cầu của ta hay không:

+Chỉ sử dụng hai dây.

+Không cần tín hiệu clock.

+Có một bit chẵn lẻ để cho phép kiểm tra lỗi.

+Cấu trúc của gói dữ liệu có thể được thay đổi miễn là cả hai bên đều được thiết lập cho nó.

+Phương pháp có nhiều tài liệu và được sử dụng rộng rãi.

+Kích thước của khung dữ liệu được giới hạn tối đa là 9 bit.

+Không hỗ trợ nhiều hệ thống slave hoặc nhiều hệ thống master.

Giao thức MQTT

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) là giao thức truyền thông điệp (message) theo mô hình publish/subscribe (cung cấp / thuê bao), được sử dụng cho các thiết bị IoT với băng thông thấp, độ tin cậy cao và khả năng được sử dụng trong mạng lưới không ổn định Nó dựa trên một Broker (tạm dịch là “Máy chủ môi giới”)

“nhẹ” (khá ít xử lý) và được thiết kế có tính mở (tức là không đặc trưng cho ứng dụng cụ thể nào), đơn giản và dễ cài đặt.

MQTT là lựa chọn lý tưởng trong các môi trường như:

- Những nơi mà giá mạng viễn thông đắt đỏ hoặc băng thông thấp hay thiếu tin cậy.

- Khi chạy trên thiết bị nhúng bị giới hạn về tài nguyên tốc độ và bộ nhớ.

- Bởi vì giao thức này sử dụng băng thông thấp trong môi trường có độ trễ cao nên nó là một giao thức lý tưởng cho các ứng dụng M2M (Machine to Machine).

- MQTT cũng là giao thức được sử dụng trong Facebook Messenger[14].

Thành phần phần của mô hình gồm có:

+ Publisher: nơi gửi thông điệp

+ Subscriber: nơi nhận thông điệp

- Broker: máy chủ môi giới

Trong đó Broker được coi như trung tâm, nó là điểm giao của tất cả các kết nối đến từ Client (Publisher/Subscriber) Nhiệm vụ chính của Broker là nhận thông điệp (message) từ Publisher, xếp vào hàng đợi rồi chuyển đến một địa điểm cụ thể. Nhiệm vụ phụ của Broker là nó có thể đảm nhận thêm một vài tính năng liên quan tới quá trình truyền thông như: bảo mật message, lưu trữ message, logs,…

Client thì được chia thành hai nhóm là Publisher và Subscriber Client chỉ làm ít nhất một trong 2 việc là publish các thông điệp (message) lên một/nhiều topic cụ thể hoặc subscribe một/nhiều topic nào đó để nhận message từ topic này.

Hình 2.34 Mô hình Pub/Sub của MQTT.

MQTT Clients tương thích với hầu hết các nền tảng hệ điều hành hiện có: MAC

OS, Windows, Linux, Android, iOS,…

2.15.2 Cơ chế hoạt động của MQTT

MQTT hoạt động theo cơ chế client/server, nơi mà mỗi cảm biến là một khách hàng (client) và kết nối đến một máy chủ, có thể hiểu như một Máy chủ môi giới (broker), thông qua giao thức TCP (Transmission Control Protocol) Broker chịu trách nhiệm điều phối tất cả các thông điệp giữa phía gửi đến đúng phía nhận.

Hình 2.35 Cơ chế hoạt động của MQTT.

MQTT là giao thức định hướng bản tin Mỗi bản tin là một đoạn rời rạc của tín hiệu và broker không thể nhìn thấy Mỗi bản tin được publish một địa chỉ, có thể hiểu như một kênh (Topic) Client đăng kí vào một vài kênh để nhận/gửi dữ liệu, gọi là subscribe Client có thể subscribe vào nhiều kênh Mỗi client sẽ nhận được dữ liệu khi bất kỳ trạm nào khác gửi dữ liệu vào kênh đã đăng ký Khi một client gửi một bản tin đến một kênh nào đó gọi là publish.

Aedes (còn được biết đến với tên gọi Mosca) là một trong nhiều server MQTTBroker của giao thức MQTT, nổi bật với tính năng linh hoạt và hiệu suất cao.Tương tự như CloudMqtt, Aedes được phát triển bằng ngôn ngữ JavaScript và chạy trên nền tảng Node.js Điều này đồng nghĩa với việc để xây dựng một MQTTBroker với Aedes, chúng ta cần cài đặt và sử dụng Node.js.

Aedes là một broker được viết hoàn toàn bằng JavaScript và chạy trên Node.js.

Do đó, nó có thể được nhúng trực tiếp vào các ứng dụng viết bằng Node.js, giúp đơn giản hóa việc tích hợp MQTT Broker vào các dự án hiện tại.

Một trong những đặc điểm nổi bật của Aedes là khả năng hỗ trợ nhiều giao thức truyền tải khác nhau (multi-transport) Điều này có nghĩa là Aedes không chỉ hỗ trợ tất cả các chức năng publish và subscribe tiêu chuẩn của các broker khác, mà còn tương thích với nhiều hệ thống publish/subscribe phổ biến hiện nay.

Giao thức truyền thông Modbus RTU

Giao thức Modbus RTU là một giao thức mở, sử dụng đường truyền vật lý RS232 hoặc RS485 và mô hình dạng Master-Slave Đây là một giao thức được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực tự động hóa, công nghiệ, vì những ưu điểm ổn định, đơn giản, dễ dùng.

Modbus có mô hình dạng Master-Slave Mỗi thiết bị trong mạng modbus được cung cấp một địa chỉ duy nhất Như các thiết bị đo, cảm biến: Cảm biến Pt100, Cảm biến áp suất, cảm biến báo mức sử dụng sóng Radar Trong frame truyền từ Master đến các Slave có chứa ID định danh của thiết bị slave (1 đến 247) Tất cả các Slave đều nhận, nhưng chỉ có thiết bị nào có cùng ID trong frame truyền mới phản hồi về Master.

Hình 2.37 Truyền thông Modbus RTU. Ưu điểm:

- Khoảng cách tối đa là 1200m.

- Giảm tối thiểu dây kết nối vào PLC => giảm modul PLC => giảm chi phí.

- Độ ổn định và ít nhiễu so với tín hiệu analog 4-20mA.

- Các Module độc lập nhau nên quản lý dễ dàng.

- Có thể dùng chung các hãng khác nhau có chuẩn Modbus RTU.

- Tín hiệu không nhanh bằng việc dùng trực tiếp như Analog hoặc Digital.

- Phù hợp cho điều khiển có thời gian đáp ứng 1s trở xuống.

- Cần PLC hay SCADA có cấu hình đủ mạnh để thực hiện quản lý nhiều thiết bị đo lường, công nghiệp[15].

Node.Js

NodeJS là một môi trường runtime chạy JavaScript đa nền tảng và có mã nguồn mở, được sử dụng để chạy các ứng dụng web bên ngoài trình duyệt của client Nền tảng này được phát triển bởi Ryan Dahl vào năm 2009, được xem là một giải pháp hoàn hảo cho các ứng dụng sử dụng nhiều dữ liệu nhờ vào mô hình hướng sự kiện (event-driven) không đồng bộ.

Ban đầu, tác giả đặt tên dự án là web.js vì mục đích đơn thuần chỉ là sử dụng như một ứng dụng web thay cho Apache hay các server khác Tuy nhiên, dự án nhanh chóng phát triển rất mạnh, vượt qua những khả năng của một Web Server thông thường và thậm chí có thể được xem như một nền tảng đa mục đích Vì vậy, sau này dự án đã được đổi tên thành Node.JS và sử dụng đến ngày nay. Ưu điểm:

- IO hướng sự kiện không đồng bộ, cho phép xử lý nhiều yêu cầu đồng thời.

- Sử dụng JavaScript-một ngôn ngữ lập trình dễ học.

- Chia sẻ cùng code ở cả phía client và server.

- NPM(Node Package Manager) và module Node ngày càng phát triển mạnh mẽ.

- Cộng đồng hỗ trợ tích cực.

- Cho phép stream các file có kích thước lớn.

- Không có khả năng mở rộng, vì vậy không thể tận dụng lợi thế mô hình đa lõi trong các phần cứng cấp server hiện nay.

- Khó thao tác với cơ sử dữ liệu quan hệ.

- Mỗi callback sẽ đi kèm với rất nhiều callback lồng nhau khác.

- Cần có kiến thức tốt về JavaScript.

- Không phù hợp với các tác vụ đòi hỏi nhiều CPU.

Những ứng dụng nên viết bằng Node.JS: Rõ ràng, không phải cứ hot và mới là Nodejs làm gì cũng tốt, ví dụ như một ứng dụng cần tính ổn định cao, logic phức tạp thì các ngôn ngữ PHP hay Ruby,… vẫn là sự lựa chọn tốt hơn Còn dưới đây là những ứng dụng có thể và nên viết bằng Nodejs:

- Websocket server:các máy chủ web socket như là Online Chat, Game Server,…

- Fast File Upload Client:là các chương trình upload file tốc độ cao.

- Ad Server:các máy chủ quảng cáo.

- Cloud Services:các dịch vụ đám mây.

- RESTful API: đây là những ứng dụng mà được sử dụng cho các ứng dụng khác thông qua API.

- Any Real-time Data Application: bất kỳ một ứng dụng nào có yêu cầu về tốc độ thời gian thực Micro Services: Ý tưởng của micro services là chia nhỏ một ứng dụng lớn thành các dịch vụ nhỏ và kết nối chúng lại với nhau Nodejs có thể làm tốt

Node-RED

Hình 2.38 Nền tảng Node-RED.

Node-RED là một công cụ mã nguồn mở và trực quan được sử dụng để xây dựng các luồng làm việc (workflows) và ứng dụng Internet of Things (IoT) Nó cung cấp một giao diện đồ họa dựa trên trình duyệt web, cho phép người dùng kết nối các nút (node) với nhau để xử lý dữ liệu và tương tác với các thiết bị và dịch vụ khác nhau. Node-RED được xây dựng trên nền tảng Node.js và sử dụng trình duyệt web để tạo ra một giao diện dễ sử dụng Người dùng có thể kéo và thả các nút từ thư viện có sẵn để tạo ra luồng làm việc theo ý muốn Các nút có thể thực hiện các nhiệm vụ khác nhau, bao gồm xử lý dữ liệu, kết nối và tương tác với các dịch vụ web, cơ sở dữ liệu, thiết bị IoT và nhiều hơn nữa.

Node-RED có một cộng đồng rộng lớn và có sẵn nhiều bộ nút mở rộng, cho phép người dùng tương tác với các nền tảng và dịch vụ phổ biến như MQTT, HTTP, MySQL, MongoDB, Twitter, Raspberry Pi, Arduino và nhiều hơn nữa Công cụ này rất linh hoạt và phù hợp cho việc phát triển các ứng dụng IoT, tự động hóa và quản lý dữ liệu.

2.18.2 Các tính năng của Node-RED

Node-RED có nhiều tính năng hữu ích và mạnh mẽ để xây dựng và quản lý các luồng làm việc (workflows) và ứng dụng IoT Dưới đây là một số tính năng chính của Node-RED:

- Giao diện trực quan: Node-RED cung cấp một giao diện đồ họa dễ sử dụng dựa trên trình duyệt web Người dùng có thể kéo và thả các nút để tạo và kết nối các luồng làm việc một cách trực quan.

- Các nút và luồng đa dạng: Node-RED đi kèm với một bộ sưu tập nút mở rộng lớn, cho phép ta tương tác với các thiết bị, dịch vụ và giao thức khác nhau Các nút này bao gồm MQTT, HTTP, cơ sở dữ liệu, xử lý dữ liệu, gửi email, gửi tin nhắn và nhiều hơn nữa Ta cũng có thể tạo các nút tùy chỉnh của riêng mình.

- Tích hợp dịch vụ web: Node-RED cho phép ta tương tác với các dịch vụ web phổ biến như Twitter, Facebook, Dropbox và nhiều dịch vụ khác Ta có thể gửi yêu cầu

API, nhận dữ liệu từ các dịch vụ này và thực hiện các hành động liên quan.

- Tích hợp IoT: Node-RED được phát triển đặc biệt cho việc xây dựng ứng dụng IoT Ta có thể tương tác với các thiết bị như Raspberry Pi, Arduino, các cảm biến và các nền tảng IoT khác Node-RED cung cấp các nút và giao thức như MQTT, CoAP và Modbus để liên kết và thu thập dữ liệu từ các thiết bị IoT.

- Xử lý dữ liệu linh hoạt: Node-RED cho phép ta xử lý, biến đổi và lọc dữ liệu theo ý muốn Ta có thể sử dụng các nút có sẵn để thực hiện các hoạt động như chuyển đổi định dạng, phân tích văn bản, tính toán, lưu trữ và đồng bộ dữ liệu.

- Giao tiếp thời gian thực: Node-RED hỗ trợ giao tiếp thời gian thực và khả năng phát hiện sự kiện Ta có thể tạo các luồng làm việc để theo dõi, giám sát và phản ứng.

2.18.3 Ứng dụng của Node-RED

Node-RED có rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau Dưới đây là một số ví dụ về ứng dụng của Node-RED:

- Internet of Things (IoT): Node-RED là một công cụ mạnh mẽ để xây dựng các ứng dụng IoT Ta có thể sử dụng Node-RED để kết nối, thu thập dữ liệu và điều khiển các thiết bị IoT như cảm biến, bộ điều khiển và thiết bị mạng Ta cũng có thể tạo các luồng làm việc để xử lý dữ liệu, giám sát và phản ứng đối với sự kiện từ các thiết bị IoT.

- Tự động hóa quy trình: Node-RED cho phép ta tự động hóa các quy trình và công việc Ta có thể xây dựng các luồng làm việc để thực hiện các nhiệm vụ như quản lý lịch trình, gửi thông báo, xử lý dữ liệu, tương tác với hệ thống và dịch vụ khác. Node-RED giúp giảm thiểu công sức và thời gian làm việc cần thiết cho các quy trình tự động.

- Xử lý dữ liệu và tích hợp hệ thống: Node-RED cung cấp các công cụ và nút để xử lý dữ liệu, chuyển đổi định dạng, tính toán và lưu trữ dữ liệu Ta có thể sử dụng Node-RED để tích hợp và tương tác với các hệ thống và dịch vụ khác nhau như cơ sở dữ liệu, hệ thống tệp, giao thức web, API và dịch vụ đám mây.

- Giám sát và quản lý: Node-RED cho phép ta xây dựng các bảng điều khiển (dashboard) và giao diện người dùng để giám sát và quản lý các quy trình, dữ liệu và thiết bị Ta có thể tạo các trang web tương tác, biểu đồ, bảng và các yếu tố trực quan khác để hiển thị thông tin và điều khiển hoạt động của hệ thống.

- Phân tích dữ liệu và trí tuệ nhân tạo: Node-RED cung cấp tích hợp với các công cụ và thư viện phân tích dữ liệu và trí tuệ nhân tạo như TensorFlow và Node.jsMachine Learning Ta có thể sử dụng Node-RED để xây dựng các mô hình, phân loại dữ liệu, nhận dạng hình ảnh[16].

Công cụ Ngrok

Ngrok là một công cụ dùng để tạo một kết nối an toàn từ máy tính cá nhân tới các dịch vụ chạy trên máy tính cá nhân hoặc thiết bị địa phương một cách dễ dàng từ bất kỳ đâu trên thế giới Đây là một công cụ hữu ích cho việc phát triển và kiểm thử ứng dụng web, cho phép bạn chia sẻ ứng dụng của mình mà không cần phải cấu hình đường truyền internet công cộng hay định tuyến cổng vào thiết bị.

Hình 2.39 Sơ đồ cấu trúc hoạt động của Ngrok. Ưu điểm:

- Dễ sử dụng: Ngrok có giao diện đơn giản và dễ sử dụng, cho phép người dùng nhanh chóng thiết lập các kết nối từ máy tính cá nhân tới internet công cộng.

- Khả năng chia sẻ và truy cập từ xa: Ngrok cho phép chia sẻ các dịch vụ đang chạy trên máy tính cá nhân hoặc thiết bị địa phương một cách dễ dàng từ bất kỳ đâu trên thế giới, giúp phát triển và kiểm thử ứng dụng một cách hiệu quả.

- Hỗ trợ nhiều giao thức: Ngrok hỗ trợ nhiều giao thức như HTTP, HTTPS, TCP, và UDP, phù hợp cho nhiều loại ứng dụng và dịch vụ khác nhau.

- Phiên bản miễn phí có sẵn: Ngrok cung cấp phiên bản miễn phí với các tính năng cơ bản, đủ để phục vụ nhu cầu phát triển và kiểm thử ứng dụng.

- Giới hạn trong phiên bản miễn phí: phiên bản miễn phí của Ngrok có hạn chế về số lượng kết nối đồng thời và tốc độ truyền dữ liệu so với phiên bản trả phí.

- Phụ thuộc vào dịch vụ bên thứ ba: Ngrok là một dịch vụ từ bên thứ ba, vì vậy chúng ta phải phụ thuộc vào sự hoạt động và chính sách của họ.

- Bảo mật cần cẩn trọng: mặc dù có kênh kết nối mã hóa, việc sử dụng Ngrok vẫn cần cẩn trọng để đảm bảo an toàn cho dữ liệu quan trọng.

THI CÔNG PHẦN CỨNG

Sơ đồ khối hệ thống

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống.

Mô hình của nhóm thực hiện bao gồm các phần như sau:

- Hệ thống bơm tưới: là nơi thực hiện nhiệm vụ chính của mô hình Tại đây PLC có nhiệm vụ thu thập dữ liệu cảm biến áp suất, nhận các lệnh điều khiển từ nút nhấn, HMI và Web SCADA thông qua mạng Ethernet, Wifi Sau đó tiến hành xử lý và xuất tín hiệu điều khiển đến biến tần để chạy bơm và các van tương ứng Ngoài ra PLC còn xuất tín hiệu hiển thị lên HMI và Web SCADA.

- Nền tảng IOT Node-RED được chạy trên một máy PC/Laptop trạm có kết nối Wifi và Ethernet cùng với hệ thống PLC, HMI Bên cạnh đó, để truy cập từ xa, ta có thể dùng thiết bị di động có kết nối Internet để truy cập vào Wed SCADA của mô hình để giám sát và điều khiển.

- Các Node 1 và Node 2 có nhiệm vụ thu thập dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm Sau đó xử lý tín hiệu truyền qua mạng truyền thông LoRa đưa về Gateway Tại đây, sẽ có màn hình OLED hiển thị và sẽ truyền thông với Node-RED bằng cách sử dụng ESP8266 và thông qua mqtt.

Thiết kế mô hình tưới nước, bón phân và xịt thuốc

Mô hình tưới nước, bón phân và xịt thuốc ngọn bao gồm các phần chính như sau: tủ điện, bộ xử lý nước trung tâm và giàn tưới.

- Tủ điện: là nơi cấp nguồn cho tất các thiết bị của mô hình, chứa các thiết bị điều khiển quan trọng của mô hình như: PLC, biến tần, HMI, Bên cạnh đó, trên tủ còn có các thiết bị như: nguồn tổ ong, cầu dao chống giật, relay trung gian, các nút nhấn, đèn báo,

- Bộ xử lý nước trung tâm: là nơi sẽ xử lý các vấn đề liên quan đến nguồn nước tưới, nước phân, nước thuốc Tại đây sẽ có các van điện từ được điểu khiển bởi tủ điện, các thiết bị bảo vệ hệ thống tránh sự cố như: van xả áp, relay dòng chảy, công tắc dòng chảy Đặc biệt, đây là nơi chứa bơm cung cấp nước cho giàn tưới được điều khiển bởi biến tần có trong tủ điện.

- Giàn tưới: là đầu ra cuối cùng của nước tưới, nước phân, nước thuốc trong mô hình Tại đây bao gồm các béc tưới, bón, xịt thuốc Phía dưới đó còn có các thùng chứa nước, phân, thuốc và nước chảy từ giàn để đảm bảo nguồn nước được tuần hoàn trong mô hình.

Tủ điện và bộ xử lý nước trung tâm được kết nối với nhau và các jack cắm dây điện chống nước Bộ xử lý nước trung tâm kết nối với giàn tưới thông qua các ống nước dẻo Những việc kết nối như này đảm bảo an toàn cho hệ thống và dễ dàng tháo dỡ khi vận chuyển.

3.2.2.1 Thiết bị cho tủ điều khiển a PLC và các Module mở rộng

Trong phạm vi đề tài này, nhóm sử dụng PLC S7-1200 vì những lý do sau:

- S7-1200 ra đời năm 2009 dùng để thay thế dần cho S7-200 So với S7-200 thì S7-

1200 có những tính năng nổi trội hơn.

- S7-1200 được thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, và một tập lệnh mạnh giúp những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với S7-1200.

- S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP.

- PLC S7-1200 CPU có bộ nhớ làm việc 100KB work memory.

- PLC S7-1200 có thể mở rộng các module tín hiệu và các module gắn ngoài để mở rộng chức năng của CPU Ngoài ra, có thể cài đặt thêm các module truyền thông để hỗ trợ giao thức truyền thông khác.

- S7-1200 có các loại module mở rộng như: Communication module (Module giao tiếp CP) Signal board (Board đọc tính hiệu analog, truyền thông SB) SignalModule (Module đọc tín hiệu SM).

Với yêu cầu xử lí tín hiệu Analog đầu vào, điều khiển PID biến tần, giao tiếp với Node red, HMI và điều khiển tín hiệu DI DO cho các thiết bị trong hệ thống Nên nhóm đã lựa chọn 1 PLC và các module có thể đáp ứng các nhu cầu trên là: PLC S7 – 1200 CPU 1214C DC/DC/DC (6ES7-214-1AG40-0XB0) và 3 Module :

DIGITAL I/O SM1223 - 8DI/8DO DC/RLY (6ES7223-1PH32-0XB0), SM 1223 DI16/DQ16 x 24VDC (6ES7 223-1BL32-0XB0) , CM 1241 (RS422/485) (6ES7 241-1CH32-0XB0).

PLC S7 – 1200 CPU 1214C DC/DC/DC (6ES7-214-1AG40-0XB0):

Hình 3.2 PLC S7 1214C DC/DC/DC.

- Tên sản phẩm: PLC S7 – 1200 CPU 1214C DC/DC/DC.

- Mã sản phẩm: 6ES7-214-1AG40-0XB0.

- Số ngõ vào: 14(Source/sink input), Input voltage(DC) 24V, 6 HSC(high speed counting).

- Số ngõ ra: 10, 4 High-speed outputs 100 kHz Pulse Train Output.

- Ngõ vào Analog: 2 Input ranges (rated values), voltages 0 to +10 V.

DIGITAL I/O SM1223 - 8DI/8DO DC/RLY (6ES7223-1PH32-0XB0):

- Điện áp đầu vào: 24VDC.

- Điện áp tín hiệu “0”: 0-5VDC.

- Điện áp tín hiệu “1”: 15-30VDC.

- Số ngõ ra: 8, ngõ ra Relay.

SM 1223 DI16/DQ16 x 24VDC (6ES7 223-1BL32-0XB0)

Hình 3.4 SM 1223 DI16/DQ16 x 24VDC.

- Điện áp đầu vào: 24VDC.

- Điện áp tín hiệu “0”: 0-5VDC.

- Điện áp tín hiệu “1”: 15-30VDC.

- Điện áp ngõ ra: 24VDC.

SM 1223 DI16/DQ16 x 24VDC CM 1241 (RS422/485) (6ES7 241-1CH32- 0XB0).

Hình 3.5 SM 1223 DI16/DQ16 x 24VDCCM 1241.

Hình 3.6 Cách kết nối RS485/RS422[17].

- Chuẩn giao tiếp: RS422/RS485.

- Kiểu kết nối: D-Sub 9 chân.

- Điện áp cung cấp: 24VDC.

- Trọng lượng:249.48 grams. b Biến tần

Với yêu cầu điều khiển PID áp suất nước cho máy bơm công suất (0.375kW) và có thể truyền thông với PLC S7 1200 thì nhóm lựa chọn biến tần có thể đáp ứng nhu cầu trên là:MITSUBISHI FR-D720S-0.75K-CHT.

Hình 3.7 Biến tần MITSUBISHI FR-D720S-0.75K-CHT.

- Ngõ vào: 11.8A 1PH AC 200-400V 50/60Hz.

- Ngõ ra: 4.2A 3PH AC200-240Vmax 0.2-400Hz.

Với yêu cầu của mô hình là phải có thể giao tiếp hiển thị thông tin giữa PLC và HMI, có thể điều khiển cài đặt thông số trên màn hình nên nhóm chọn HMI phù hợp đó là:HMI DELTA DOP B07E415.

+ Kích thước màn hình: 7 inch.

+ Độ phân giải: 800 x 480 pixels (WVGA).

+ Loại màn hình: TFT LCD.

+ Màu sắc hiển thị: 65,536 màu.

+ Loại cảm ứng: cảm ứng điện trở 4-wire.

+ Độ bền: 1 triệu lần nhấn.

+ Bộ nhớ mở rộng: hỗ trợ thẻ nhớ SD/SDHC (tối đa 32GB).

+ Cổng COM: 3 cổng COM (RS232/RS485/RS422).

+ Cổng USB: 1 cổng USB Host, 1 cổng USB Client.

+ Kích thước lắp đặt (W x H): 19.2 x 13.8 cm.

+ Trọng lượng: 0.7 kg[19][20]. d Nguồn tổ ong

Mô hình của nhóm có sử dụng các thiết bị có nguồn đầu vào 24VDC như: PLC, nút nhấn, Relay, Do đó, nhóm chọn nguồn xung vào 220VAC ra 24V 3A 72W cho mô hình.

Hình 3.9 Nguồn Xung Vào 220VAC Ra 24V 3A 72W.

- Điện áp ngõ vào:100-264VAC.

- Điện áp ngõ ra: 24VDC.

- Nhiệt độ min: -20 độ. e Cầu dao chống giật Để đảm bảo an toàn điện trong trường hợp có xảy ra sự cố, nên nhóm có sử dụng loại cầu dao chống giậtAptomat 1P+N 20A CHINT NXBLE-32.

- Điện áp định mức: 230/400VAC-50/60Hz.

- Định mức dòng rò: 30mA.

- Trip điện từ: loại giải phóng từ nhiệt.

- Dòng đóng ngắt mạch định mức(Icu): 6kA.

- Dòng đóng ngắt mạch hoạt động(Ics): 6kA.

- Điện áp xung(Uimp): 4kV.

- Chất liệu: nhựa PC cao cấp, chống cháy.

- Kích thước: 4.5x9.45x7.68 cm. f Relay trung gian Để bật tắt các van có trong mô hình, nhóm sử dụng relay trung gian Omron MY2N 8 chân 24VDC vì có độ bền cao giá thành hợp lý và độ thông dụng cao. Thông số kỹ thuật:

- Loại relay 8 chân nhỏ, có đèn báo hiệu.

- Điện áp cuộn định mức: 24VDC.

- Công suất tiêu thụ: 900mW.

Hình 3.11 Relay trung gian của hãng Omron MY2N. g Công tắc, nút nhấn Để điều khiển ON/OFF các thiết bị có trong mô hình và có thể điều khiển từ xa dễ dàng, nhóm sử dụng nút nhấn nhả có đèn 2 màu xanh và đỏ Và để đảm bảo an toàn khi không may xuất hiện sự cố, nhóm có sử dụng 1 nút nhấn dừng khẩn cấp để ngắt nguồn điện trong mô hình.

- Tên thiết bị: LA38-11DN.

Hình 3.12 Nút nhấn nhả LA38-11DN và nút dừng khẩn cấp. h Bộ khống chế nhiệt độ, độ ẩm Để đảm bảo cho tủ điện không bị quá nóng, nhóm có sử dụng bộ khống chế nhiệt độ, độ ẩm STC-3028 để bật quạt làm mát tủ.

Hình 3.13 Bộ khống chế nhiệt độ, độ ẩm STC-3028.

- Điện áp đầu vào: 12VDC.

3.2.2.2 Thiết bị bộ xử lý nước trung tâm và giàn tưới a Cảm biến áp suất Để có thể điều khiển PID cho bơm, nên nhóm đã sử dụng cảm biến áp suất để thu thập dữ liệu áp suất nước của mô hình.

Hình 3.14 Cảm biến áp suất SWK-P300. b Bơm

Với mô hình, nhóm sử dụng máy bơm 1pha 220VAC để phù hợp với biến tần.

- Tên sản phẩm: Pedrollo PqM 60.

- Điện áp đầu vào: 220VAC, 50Hz.

- Cột áp: 5-38m. c Van điện từ

Thiết kế các trạm thu thập nhiệt độ ẩm từ xa

3.3.1 Sơ đồ khối của các trạm từ xa

Hình 3.28 Sơ đồ khối các Node.

Các node có nguồn cấp 5V để cung cấp điện cho toàn hệ thống và sử dụng Arduino làm trung tâm xử lý tín hiệu Các cảm biến thu thập dữ liệu về nhiệt độ và độ ẩm, và module thu phát LoRa có chức năng truyền dữ liệu từ các Node về Gateway Phần cứng của cả hai node sử dụng trong đề tài là giống nhau.

Hình 3.29 Sơ đồ nối dây khối nguồn của trạm.

Nhóm đã đề xuất ý tưởng sử dụng pin năng lượng mặt trời để cấp nguồn cho hệ thống, mang lại một số lợi ích như hạn chế việc đi dây cho các trạm và linh động thay đổi vị trí các trạm miễn nơi đó có đủ ánh sáng cung cấp cho tấm pin Nhóm đã sử dụng tấm pin năng lượng mặt trời 2W 9V, kết hợp với mạch ổn áp 5V LM2596 để ổn định điện áp cấp nguồn cho mạch sạc TP4056 Sau đó, mạch sạc sẽ sạc điện cho Pin 18650 có điện áp 3.7V/4.2V Tiếp theo, sử dụng mạch tăng áp MT3608 để tăng áp cho mạch hoạt động với điện áp 5V Nhóm đã thêm một đèn LED để báo hiệu có điện cấp cho hệ thống Để giám sát được dung lượng pin còn lại trong Pin

18650 nhóm đã thực hiện đo thông qua chân analog A1 của Arduino Ngoài ra còn có thêm 2 switch để đóng ngắt nguồn lấy từ pin năng lượng mặt trời và nguồn 5V khi không cần sử dụng.

Bảng 3.1 Dòng điện tiêu thụ của các linh kiện.

STT Tên linh kiện Số lượng Dòng điện(mA)

4 Cảm biến độ ẩm đất 1 30

Tổng dòng điện tiêu thụ (mA): 270 Pin nhóm chọn là loại pin sạt 18650 có dung lượng 3350mAh Thời lượng tối đa mà pin có thể cung cấp cho mạch hoạt động được tính là: 3350/270 = 12.4 giờ Điều này có nghĩa là mạch có thể hoạt động ổn định trong điều kiện thời tiết nắng ráo vào ban ngày và có đủ dung lượng pin để hoạt động vào ban đêm.

Tuy nhiên, trong những ngày mưa liên tục, dung lượng pin sẽ không đáp ứng đủ cho mạch hoạt động Để giải quyết vấn đề này, nhóm có phương án cấp điện trực tiếp để đảm bảo mạch có thể hoạt động liên tục mà không bị gián đoạn do thiếu nguồn pin Việc thiết kế này nhằm đảm bảo sự ổn định và liên tục của hệ thống, ngay cả trong điều kiện thời tiết bất lợi, giúp nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của mạch trong quá trình hoạt động. a Pin năng lượng mặt trời 2W 9V

Các tế bào năng lượng mặt trời được bọc và bảo vệ bởi một khung poly bền bên ngoài.

Hình 3.30 Tấm pin năng lượng mặt trời.

- Vật liệu: silicon đa tinh thể.

- Điện áp làm việc tối đa: 9V.

- Công suất: 2W. b LM2596S mạch ổn áp 5V 3A

Hình 3.31 Mạch ổn áp LM2596S.

- Điện áp vào: 5~40Vdc (điện áp đầu vào cao hơn điện áp đầu ra).

- Hiệu suất chuyển đổi: 96% (Max).

- Kích thước: 4.3 x 2.1 x 1.2cm. c TP 4057 Mạch sạc Pin MicroUSB 1A

Hình 3.32 Mạch sạc Pin MicroUSB 1A. Đặc trưng:

- Sử dụng sạc Pin 3.7V, Pin Ultrafire, Pin Lithium.

- Đèn báo: đỏ đang sạc, xanh đã đầy.

- Mạch sạc có chế độ tự ngắt khi sạc đầy pin.

- Dòng sạc tối đa: 1000mA.

- Điện áp sạc đầy: 4.2VDC +/-1.

- Chống quá áp của pin: 2.5V.

- Bảo vệ quá dòng pin: 3A.

- Kích thước: 0.26 x 0.17cm. d Pin sạc 18650 3350mAh 3.7V/4.2V

Hình 3.33 Pin sạc 18650. Thông số kỹ thuật:

- Hóa chất: Lithium-Ion. e MT3608 mạch tăng áp mini 2A

Hình 3.34 Mạch tăng áp MT3608. Thông số kỹ thuật:

Với yêu cầu có thể giao tiếp I2C, UART và xử lý các tín hiệu analog cho các cảm biến và mạch LoRa, nhóm đã chọn Arduino Nano Arduino Nano có giá cả hợp lý, kích thước nhỏ gọn và đáp ứng đủ các yêu cầu kỹ thuật đã đề ra.

Hình 3.35 Board Arduino Nano V3.1 LGT8F328P.

- Điện áp hoạt động: 5V (từ usb), 6V~9V DC (chân Vin), nếu cấp 12V gây nóng ic giảm áp.

- E2PROM: có thể cấu hình thành 0K/1K/2K/4K/8K (Shared With Flash).

- Tốc độ thạch anh: 16 MHz (MAX 32Mhz).

- Ngõ I/O: 14 (trong đó 6 chân có thể output PWM).

3.3.1.3 Khối cảm biến Để giám sát hiệu quả cho vườn sầu riêng, nhóm đã sử dụng hai loại cảm biến: Soil Moisture Sensor để đo độ ẩm đất và cảm biến SHT31 để đo nhiệt độ và độ ẩm không khí. Đối với cảm biến Soil Moisture Sensor, chúng ta cấp nguồn 5V cho cảm biến và nối chân A0 của cảm biến với chân A0 của Arduino, vì tín hiệu trả về của cảm biến ở dạng analog.

Cảm biến SHT31 có giao tiếp I2C, nên chúng ta phải nối chân SCL và SDA của nó tương ứng với chân SCL và SDA của Arduino, và cấp nguồn 5V để cảm biến hoạt động.

Hình 3.36 Sơ đồ nối dây khối cảm biến. a SHT31 mạch cảm biến nhiệt độ, độ ẩm

Hình 3.37 SHT31 mạch cảm biến nhiệt độ, độ ẩm.

- Kích thước: 1.1 x 1.3cm. b Cảm biến độ ẩm đất đầu dò chống ăn mòn

Hình 3.38 Cảm biến độ ẩm đất đầu dò chống ăn mòn.

- Điện áp hoạt động: 3.3~12VDC.

- Tích hợp đầu dò chống ăn mòn cho độ bền và độ ổn định cao.

+ Analog: theo điện áp cấp nguồn tương ứng.

+ Digital: High hoặc Low, có thể điều chỉnh độ ẩm mong muốn bằng biến trở thông qua mạch so sánh LM393 tích hợp.

- Chiều dài dây cảm biến: 1m.

Trong đồ án của nhóm, nhóm đã lựa chọn module thu phát LoRa AS32 cho hệ thống giám sát trong vườn sầu riêng vì những lý do sau: Module AS32 có khả năng truyền tín hiệu xa và xuyên thấu tốt qua các vật cản như cây cối, đảm bảo kết nối ổn định trong môi trường phức tạp Ngoài ra, AS32 tiêu thụ năng lượng thấp, giúp thiết bị chạy bằng pin hoạt động lâu dài mà không cần thay pin thường xuyên Công nghệ điều chế CSS của AS32 đảm bảo độ tin cậy và giảm thiểu lỗi trong quá trình truyền tín hiệu Module này cũng dễ dàng tích hợp với các vi điều khiển nhờ giao tiếp UART và có chi phí hợp lý, phù hợp với ngân sách dự án Hơn nữa, cộng đồng hỗ trợ rộng rãi và khả năng bảo mật cao của LoRa là những yếu tố quan trọng giúp AS32 trở thành lựa chọn lý tưởng cho hệ thống của nhóm.

Hình 3.39 Sơ đồ nối dây khối thu phát Lora.

Nhóm đã cấp nguồn 5V cho module LoRa AS32 Do module sử dụng giao tiếp UART, nhóm đã kết nối chân RXD và TXD của module với chân TX và RX của Arduino tương ứng Để module có thể hoạt động ở cả chế độ truyền và nhận, nhóm đã nối đất cả hai chân MD0 và MD1 Việc cấu hình này đảm bảo module LoRa AS32 hoạt động hiệu quả trong hệ thống giám sát của chúng tôi.

Module RF SX1278 Lora E32 433T20D 433Mhz 3000m[21]:

Module AS32-TTL-1W là một module truyền thông không dây hoạt động ở dải tần số từ 410-441 MHZ (chủ yếu ở dải 433MHZ), sử dụng chip SX1278, dựa trên công nghệ truyền dẫn Lora, có thể truyền xa và tiết kiệm năng lượng.

Hình 3.40 Module RF SX1278 Lora E32.

- Dòng điện hoạt động gửi/nhận: 120mA/12mA.

- Dòng ở chế độ chờ: 1uA.

- Tốc độ Baud mặc định: 9600.

- Tốc độ truyền: 0.3-19.2 Kbps (mặc định 2.4 Kbps)

- Khoảng cách truyền tối đa trong điều kiện lý tưởng: 3000m

- Dòng điện làm việc: 110mA

Bảng 3.2 Chế độ làm việc của Module LoRa E32.

Chế độ M0 M1 Mô tả Ghi chú

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

Bên nhận phải làm việc ở Mode

(Wake-up) 0 1 Giao tiếp UART và kênh truyền không dây hoạt động, Khác với Mode 0, ở Mode 1 có thêm 1 đoạn mã hóa tự động ban đầu trước khi dữ liệu được truyền đi nên nó có thể thông báo bên nhận làm việc ở chế độ 2.

Bên nhận có thể làm việc Mode 0, Mode 1, hoặc Mode 2.

1 0 UART không hoạt động, Module không dây làm việc ở chế độ WORK(Work on Radio) Thiết bị sẽ mở UART và truyền dữ liệu sau khi nhận được thông tin đánh thức.

Bên truyền phải làm việc ở chế độ

1, không làm việc ở chế độ này.

Mode 3 1 1 Cài đặt thông số.

3.3.2 Sơ đồ nối dây và hình ảnh 3D

Mạch được thiết kế hoàn thiện trên phần mềm Kicad để có thể làm mạch in.

Hình 3.41 Sơ đồ nối dây của Node. Đây là hình ảnh 3D sau khi được thiết kế hoàn thành trên phần mềm để có cái nhìn tổng quan trước khi thi công làm mạch.

Hình 3.42 Hình ảnh 3D của Node.

Thiết kế Gateway

Hình 3.43 Sơ đồ khối Gateway.

Gateway được thiết kế để đặt trong tủ điện, nên nhóm thiết kế lấy nguồn từ tủ điện Mạch yêu cầu hoạt động với điện áp 5V, nhưng điện áp lấy từ tủ điện là 24V, do đó cần sử dụng mạch giảm áp LM2596 để giảm điện áp từ 24V xuống 5V.

Hình 3.44 LM2596S Mạch Giảm Áp 3A.

3.4.3 Khối điều khiển trung tâm

Hệ thống cần đưa dữ liệu lên Internet do đó, việc lựa chọn vi điều khiển phải đảm bảo khả năng kết nối với Internet và hỗ trợ các chuẩn giao tiếp như UART và I2C để kết nối với các khối ngoại vi Dựa trên các yêu cầu này, nhóm đề xuất sử dụng vi điều khiển ESP8266 Vi điều khiển này không chỉ đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật đã đề ra mà còn có giá cả phù hợp, giúp tối ưu hóa chi phí cho dự án.

ESP8266 với khả năng kết nối Internet mạnh mẽ và hỗ trợ nhiều giao thức giao tiếp là lựa chọn lý tưởng cho hệ thống của nhóm.

Bảng phát triển NodeMCU ESP8266 đi kèm với mô-đun ESP-12E chứa chip ESP8266 có bộ vi xử lý Tensilica Xtensa 32-bit LX106 RISC Bộ vi xử lý này hỗ trợ RTOS và hoạt động ở tần số xung nhịp có thể điều chỉnh từ 80MHz đến 160 MHz.

NodeMCU có 128KB RAM và 4MB bộ nhớ Flash để lưu trữ dữ liệu và chương trình Sức mạnh xử lý cao của nó với Wi-Fi/Bluetooth và các tính năng Điều hành Ngủ sâu tích hợp khiến nó trở nên lý tưởng cho các dự án IoT.

NodeMCU có thể được cấp nguồn bằng giắc cắm Micro USB và chân VIN (Chân nguồn cung cấp bên ngoài) Nó hỗ trợ giao diện UART, SPI và I2C.

Thông số kỹ thuật và tính năng:

- Bộ vi điều khiển: CPU RISC 32-bit Tensilica Xtensa LX106.

- Chân I / O kỹ thuật số (DIO): 16.

- Chân đầu vào tương tự (ADC): 1.

- Tốc độ đồng hồ: 80 MHz.

- USB-TTL dựa trên CP2102 được bao gồm trên bo mạch, cho phép Plug and Play.

- Mô-đun có kích thước nhỏ để phù hợp thông minh bên trong các dự án IoT[22].

Tương tự như các Node, nhóm đã lựa chọn module LoRa AS32 Module này được cấp nguồn 5V và sử dụng giao tiếp UART, do đó chân RXD và TXD của module được kết nối với chân TX và RX của NodeMCU ESP8266 tương ứng Để module có thể hoạt động ở cả chế độ truyền và nhận, nhóm đã nối đất cả hai chân MD0 và MD1.

Hình 3.46 Sơ đồ nối dây khối thu phát LoRa của Gateway.

Trong đồ án này, để hiển thị nhiệt độ, độ ẩm và lượng pin của hai trạm, nhóm đã lựa chọn màn hình OLED 1.3 inch giao tiếp I2C (màu xanh) Màn hình này có kích thước đủ rộng để hiển thị tất cả các thông số cần thiết một cách rõ ràng và dễ đọc.

Sự lựa chọn này đảm bảo rằng thông tin từ các trạm được hiển thị một cách hiệu quả và trực quan, hỗ trợ tốt cho việc giám sát và quản lý hệ thống.

Hình 3.47 Màn hình OLED 1.3 inch giao tiếp I2C.

- Điện áp sử dụng: 2.2~5.5VDC.

- Góc hiển thị: lớn hơn 160 độ.

- Số điểm hiển thị: 128×64 điểm.

- Độ rộng màn hình: 1.3 inch.

- Màu hiển thị: Trắng /Xanh Dương.

3.4.6 Sơ đồ nối dây và hình ảnh 3D

Hình 3.48 Sơ đồ nối dây của Gateway.

Hình 3.49 Hình ảnh 3D của Gateway.

THIẾT KẾ PHẦN MỀM

Lưu đồ giải thuật hệ thống

Lưu đồ giải thuật chọn chế độ:

Hình 4.1Lưu đồ giải thuật chọn chế độ.

Với lưu đồ giải thuật lựa chọn chế độ:

- Kiểm tra xem nút TẮT có được nhấn hay không, nếu không ta sẽ tiến hành kiểm tra nút BẬT, nếu nút BẬT được nhấn thì hệ thống bắt đầu hoạt động.

- Sau đó tiến hành nhấn các nút chế độ:

+ Kiểm tra xem các nút TƯỚI/BÓN/XỊT có được nhấn hay không Nếu 1 trong 3 nút được thì kiểm tra tiếp sang điều kiện tiếp theo.

+ Kiểm tra xem 1 trong 2 nút THỦ CÔNG/TỰ ĐỘNG có được nhấn hay không.Nếu được nhấn thì thực hiện chương trình con tương ứng.

Lưu đồ giải thuật tưới thủ công:

Hình 4.2 Lưu đồ giải thuật tưới thủ công.

Với lưu đồ giải thuật tưới thủ công:

- Tiến hành lựa chọn các van tương ứng, sau đó kiểm tra xem các VAN NGUỒN NƯỚC, VAN TƯỚI, VAN 1/VAN 2 có được bật hay không.

- Nếu đồng thời 3 hoặc 4 van được bật thì cho phép bật bơm Sau đó, ta có thể dùng chiếc áp để chỉnh áp suất đặt đưa vào bộ điều khiển PID để xuất tín hiệu vào biến tần để chạy bơm.

Lưu đồ giải thuật tưới tự động:

Hình 4.3 Lưu đồ giải thuật tưới tự động.

Với lưu đồ giải thuật tưới tự động:

- Thao tác trên màn hình HMI, kiểm tra xem nút TƯỚI và VAN 1/VAN 2 Nếu cả 2 điều kiện đều đúng thì VAN NGUỒN NƯỚC, VAN TƯỚI và BƠM tự động bật. Sau đó, áp suất đặt đưa vào bộ điều khiển PID để xuất tín hiệu vào biến tần để chạy bơm.

- Kiểm tra xem có nhấn HẸN GIỜ hay không, nếu có tiến hành thực hiện chương trình con HẸN GIỜ.

- Kiểm tra xem có nhấn ĐẶT ĐIỀU KIỆN TƯỚI hay không, nếu có tiến hành thực hiện chương trình con ĐẶT ĐIỀU KIỆN TƯỚI.

Lưu đồ giải thuật bón thủ công:

Hình 4.4 Lưu đồ giải thuật bón thủ công.

Với lưu đồ giải thuật bón thủ công:

- Tiến hành lựa chọn các van tương ứng, sau đó kiểm tra xem các VAN THÙNG, VAN BÓN, VAN 1/VAN 2 có được bật hay không.

- Nếu đồng thời 3 hoặc 4 van được bật thì cho phép bật bơm Sau đó, ta có thể dùng chiếc áp để chỉnh áp suất đặt đưa vào bộ điều khiển PID để xuất tín hiệu vào biến tần để chạy bơm.

- Kiểm tra xem VAN CẤP NƯỚC có được bật hay không, nếu có thì bật VAN NGUỒN NƯỚC và cho phép nhấn bơm Sau đó, ta có thể dùng chiếc áp để chỉnh áp suất đặt đưa vào bộ điều khiển PID để xuất tín hiệu vào biến tần để chạy bơm.

- Kiểm tra xem VAN TRỘN có được bật hay không, nếu có thì bật VAN THÙNG và cho phép nhấn bơm Sau đó, ta có thể dùng chiếc áp để chỉnh áp suất đặt đưa vào bộ điều khiển PID để xuất tín hiệu vào biến tần để chạy bơm.

Lưu đồ giải thuật bón tự động:

Hình 4.5 Lưu đồ giải thuật bón tự động.

Với lưu đồ giải thuật bón tự động:

- Thao tác trên màn hình HMI, kiểm tra xem nút BÓN và VAN 1/VAN 2 Nếu cả 2 điều kiện đều đúng thì VAN THÙNG, VAN BÓN và BƠM tự động bật Sau đó, áp suất đặt đưa vào bộ điều khiển PID để xuất tín hiệu vào biến tần để chạy bơm.

- Kiểm tra xem có nhấn CẤP NƯỚC hay không, nếu có tiến hành bật VAN NGUỒN NƯỚC, VAN CẤP NƯỚC và BƠM Sau đó, áp suất đặt đưa vào bộ điều khiển PID để xuất tín hiệu vào biến tần để chạy bơm.

- Kiểm tra xem có nhấn TRỘN hay không, nếu có tiến hành bật VAN THÙNG, VAN TRỘN và BƠM Sau đó, áp suất đặt đưa vào bộ điều khiển PID để xuất tín hiệu vào biến tần để chạy bơm.

- Kiểm tra xem có nhấn HẸN GIỜ hay không, nếu có tiến hành thực hiện chương trình con HẸN GIỜ.

Lưu đồ giải thuật xịt thủ công:

Hình 4.6 Lưu đồ giải thuật xịt thủ công.

Với lưu đồ giải thuật xịt thủ công:

- Tiến hành lựa chọn các van tương ứng, sau đó kiểm tra xem các VAN THÙNG, VAN XỊT, VAN 1/VAN 2 có được bật hay không.

- Nếu đồng thời 3 hoặc 4 van được bật thì cho phép bật bơm Sau đó, ta có thể dùng chiếc áp để chỉnh áp suất đặt đưa vào bộ điều khiển PID để xuất tín hiệu vào biến tần để chạy bơm.

- Kiểm tra xem VAN CẤP NƯỚC có được bật hay không, nếu có thì bật VAN NGUỒN NƯỚC và cho phép nhấn bơm Sau đó, ta có thể dùng chiếc áp để chỉnh áp suất đặt đưa vào bộ điều khiển PID để xuất tín hiệu vào biến tần để chạy bơm.

- Kiểm tra xem VAN TRỘN có được bật hay không, nếu có thì bật VAN THÙNG và cho phép nhấn bơm Sau đó, ta có thể dùng chiếc áp để chỉnh áp suất đặt đưa vào bộ điều khiển PID để xuất tín hiệu vào biến tần để chạy bơm.

Lưu đồ giải thuật xịt tự động:

Hình 4.7 Lưu đồ giải thuật xịt tự động.

Với lưu đồ giải thuật xịt tự động:

- Thao tác trên màn hình HMI, kiểm tra xem nút XỊT và VAN 1/VAN 2 Nếu cả 2 điều kiện đều đúng thì VAN THÙNG, VAN XỊT và BƠM tự động bật Sau đó, áp suất đặt đưa vào bộ điều khiển PID để xuất tín hiệu vào biến tần để chạy bơm.

- Kiểm tra xem có nhấn CẤP NƯỚC hay không, nếu có tiến hành bật VAN NGUỒN NƯỚC, VAN CẤP NƯỚC và BƠM Sau đó, áp suất đặt đưa vào bộ điều khiển PID để xuất tín hiệu vào biến tần để chạy bơm.

- Kiểm tra xem có nhấn TRỘN hay không, nếu có tiến hành bật VAN THÙNG, VAN TRỘN và BƠM Sau đó, áp suất đặt đưa vào bộ điều khiển PID để xuất tín hiệu vào biến tần để chạy bơm.

- Kiểm tra xem có nhấn HẸN GIỜ hay không, nếu có tiến hành thực hiện chương trình con HẸN GIỜ.

Lưu đồ giải thuật chế độ hẹn giờ:

Hình 4.8 Lưu đồ giải thuật chế độ hẹn giờ.

Với lưu đồ giải thuật chế độ hẹn giờ:

Lưu đồ giải thuật truyền nhận dữ liệu từ xa

Hình 4.10 Lưu đồ giải thuật của Gateway. Đầu tiên, cần khởi tạo các thư viện, địa chỉ chân, và các biến cần thiết Tiếp theo,tiến hành cấu hình để kết nối Wi-Fi, MQTT, hiển thị trên màn hình OLED và kết nối với máy chủ MQTT Cuối cùng, nhận dữ liệu từ các trạm gửi về.

Hình 4.11 Lưu đồ chương trình con nhận dữ liệu.

Trong chương trình con nhận dữ liệu, kiểm tra xem cổng Serial có nhận dữ liệu hay không Chuỗi dữ liệu nhận về có dạng "Tên trạm,ND:" + String(Nhiệt độ) + " " + "DA:" + String(Độ ẩm) + " " + "DAD:" + String(Độ ẩm đất) + " " + "Pin:" + String(voltage) " Kiểm tra xem dữ liệu nhận được là từ trạm nào để đưa ra quyết định xử lý, đồng thời đặt cờ thời gian để kiểm tra khoảng thời gian giữa các lần gửi. Nếu sau 60 giây mà trạm 1 hoặc trạm 2 vẫn chưa gửi dữ liệu về Gateway, xóa giá trị cũ tương ứng của các trạm trên màn hình OLED.

Hình 4.12 Lưu đồ chương trình con xử lý dữ liệu.

Trong chương trình con xử lý tín hiệu ở từng trạm, các bước thực hiện tương tự nhau Sau khi xác định được dữ liệu của trạm nào, tiến hành tách dữ liệu và chuyển đổi sang kiểu dữ liệu phù hợp: nhiệt độ và voltage là float, độ ẩm đất và độ ẩm là int. Tiếp theo, cập nhật các giá trị đã tách lên màn hình OLED và gửi lên Web.

Hình 4.13 Lưu đồ truyền dữ liệu của các trạm từ xa

Trước tiên, cần khởi tạo các thư viện, thiết lập các chân, và khai báo các biến cần thiết Sau đó, cấu hình địa chỉ cho cảm biến Tiếp theo, đọc giá trị nhiệt độ và độ ẩm từ thư viện SHT31, giá trị độ ẩm đất từ chân A0 và giá trị điện áp từ chân A1 Mỗi

10 giây, gửi chuỗi dữ liệu với định dạng sau: "Tên trạm, ND:" + String(Nhiệt độ) +

" " + "DA:" + String(Độ ẩm) + " " + "DAD:" + String(Độ ẩm đất) + " " + "Pin:" +String(Điện áp) qua Gateway bằng giao thức truyền thông LoRa.

Code PLC

4.3.1 Các chương trình sử dụng

Với đề tài này, nhóm sử dụng phần mềm Tia Portal V17 để tiến hành code PLC băng ngôn ngữ LADDER. Để có thể download code từ phần mềm xuống phần cứng, ta cần chỉnh địa chỉ AI, DI/DO cho PLC và DI/DO cho 2 Module mở rộng.

Hình 4.14 Chỉnh địa chỉ AI cho PLC.

+ 2 ngõ vào AI: IW150, IW152.

- Với Module SM1223 8DI/8DO:

- Với Module SM1223 16DI/16DO:

Phần Code của nhóm thì có các chương trình sau: các Organization Block (OB), các Function (FC), các Data Block (OB).

Hình 4.15 Các chương trình sử dụng.

4.3.2 Xử lý tín hiệu Analog

4.3.2.1 Tín hiệu từ cảm biến áp suất

Với PLC mà nhóm đang sử dụng có đầu vào Analog là từ 0-10VDC Cho nên, ở phần đấu dây cảm biến áp suất, ta sẽ đấu theo sơ đồ sau:

Tiếp đến ta vào Tia Portal khởi tạo các khối NORM, SCALE Cài đặt các thông số như sau:

- Do đầu vào áp suất từ 0-10V nên ta đặt giới hạn khối NORM từ 0-27648.

- Cảm biến áp suất của nhóm sử dụng có giới hạn từ 0-10bar nên ta sẽ đặt giới hạn khối SCALE có giá trị từ: 0-10.

Hình 4.16 Code xử lý tín hiệu cảm biến áp suất.

4.3.2.2 Tín hiệu từ chiết áp

Tương tự như cảm biến áp suất, chiết áp nhóm sử dụng của sẽ chỉnh giá trị từ 0-10VD, nên giá trị khối NORM tương tự nhau Vì giới hạn đặt của nhóm đặt từ 0-1bar cho nên giá trị ở khối SCALE 1 là 0-1, còn SCALE 2 0-10 vì chiết áp có thể chỉnh từ 0-10VDC.

Hình 4.17 Code xử lý tín hiệu chiếc áp.

4.3.3 Thiết kế bộ điều khiển PID

4.3.3.1 Khởi tạo khối PID_ Compact

Bộ điều khiển PID của mô hình sẽ hoạt động theo cấu trúc sau đồ sau:

Hình 4.18 Cấu trúc bộ điều khiển PID mô hình. Để khởi tạo khối PID_Compact: mở mục “Technology object” (1) → chọn mục

“Add new object” (2) → chọn mục “PID” (3) → chọn mục “PID_Compact” (4).

Hình 4.19 Hướng dẫn khởi tạo khối PID_Compact.

Sau khi khối PID_Compact được khởi tạo Ta vào mục “Configuration” để cấu hình các mục có trong đó.

Hình 4.20 Mục Configuration của PID_Compact.

Mục Basic settings trong Configuration, ta cấu hình:

- Loại bộ điều khiển: áp suất (pressure).

- Kiểu giá trị đặt: INPUT (kiểu số thực) là một tag được tạo bởi người dùng.

- Kiểu giá trị ngõ ra: OUTPUT_PER (kiểu số nguyên) là giá trị ngõ ra tương tự.

Hình 4.21 Cấu hình mục Basic settings.

Mục Process value settings trong Configuration:

- Mức giới hạn trên của quá trình: 3 bar.

- Mức giới hạn dưới của quá trình: 0 bar.

- Mục “Process value scaling” không cấu hình.

Hình 4.22 Cấu hình mục Process value settings.

4.3.3.2 Dò bộ thông số PID và điều khiển khối PID_Compact

Sau khi đã cấu hình xong, ta vào mục Comissioning của khối PID_Compact để tìm bộ thông số PID của hệ thống Sau đó để bắt đầu quá trình Pretuning, ta làm như sau:

- Nhấn “Start” để bắt đầu thời gian lấy mẫu.

- Nhấn “Start” khi đã chọn chế độ “Pretuning” ở Tuning mode.

Nhưng do dải áp suất cần điều khiển của hệ thống nhỏ nên bỏ qua quá trình Pretuning.

Tiếp theo, để thực hiện quá trình Fine-tuning, chỉ cần chuyển sang chể độ “Fine- tuning” và nhấn nút “Start” ở mục Tuning mode.

Hình 4.23 Dò thông số hệ thống ở chế độ Fine-tuning.

Nhưng do dải áp suất cần điều khiển của hệ thống nhỏ nên bỏ qua quá trình Pretuning.Tiếp theo, để thực hiện quá trình Fine-tuning, chỉ cần chuyển sang chế độ

“Fine-tuning” và nhấn nút “Start” ở mục Tuning mode.

Sau 1 khoảng thời gian, khi thấy đáp ứng hệ thống dao động ở setpoint thì ta nhấn

“Upload PID parameter” để bộ thông số PID được lưu vào khối PID_Compact Ta có bộ thông số PID như sau:

Cấu hình biến tần

Trong đề tài, biến tần sử dụng được cấp nguồn từ điện xoay chiều một pha, trong khi tín hiệu ngõ ra của biến tần lại điều khiển động cơ ba pha Tuy nhiên, do động cơ sử dụng trong đề tài là loại động cơ một pha, nên cần phải cấu hình biến tần để bỏ qua trạng thái mất pha mới có thể điều khiển bơm hiệu quả.

Biến tần trong hệ thống này được điều khiển bởi PLC thông qua giao thức truyền thông Modbus Do đó, cần phải thiết lập một số thông số quan trọng như sau:

- P117 = 1: Thiết lập địa chỉ IP.

- P118 = 96: Cấu hình tốc độ truyền thông là 9600 bps.

- P120 = 0: Bỏ qua kiểm tra Parity.

- P122 = 9999: Bỏ qua kiểm tra kết nối.

- P549 = 1: Chọn giao thức MODBUS RTU.

- P251 = 1: Bỏ qua bảo vệ mất pha ngõ ra.

- P79 = 2: Chuyển sang chế độ điều khiển External.

Ngoài ra, trước khi tiến hành cài đặt các thông số này, cần thực hiện thao tác reset biến tần Các bước reset biến tần bao gồm:

- P77 = 0: Hiển thị các thông số cài đặt.

- P79 = 1: Chuyển sang chế độ PU.

Các bước cấu hình này đảm bảo rằng biến tần có thể hoạt động ổn định và tương thích với các yêu cầu điều khiển của hệ thống Việc bỏ qua trạng thái mất pha và sử dụng giao thức Modbus RTU giúp tối ưu hóa quá trình điều khiển động cơ, đảm bảo hệ thống bơm hoạt động hiệu quả và ổn định.

Thiết kế giao diện màn hình HMI

Trong đề tài này, nhóm sử dụng HMI Delta, vì thế để có thể lập trình ta cần có phần mềm DOPSoft Sau khi cài phần mềm, ta tiến hành tạo giao diện cho đề tài.

Hình 4.24 Giao diện giới thiệu đề tài. Để tăng độ an toàn, nhóm còn có thiết kế màn hình đăng nhập, đăng xuất và đổi mật khẩu.

Hình 4.25 Giao diện đăng nhậpTiếp theo là các màn hình điều khiển các chế độ.

Bên cạnh đó, còn có các màn hình hiển thị dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm từ giàn tưới, thông số áp suất,

Hình 4.27 Giao diện hiển thị giá trị nhiệt độ, độ ẩm.

Ngoài ra, còn có các giao diện điều khiển từng chế độ, giao diện hẹn giờ, đặt điều kiện tưới, cảnh báo lỗi,

Thiết kế giao diện Web SCADA trên Node red

Trong đề tài, nhóm quyết định sử dụng Node-RED để làm nền tảng web SCADA cho hệ thống điều khiển bơm tưới, cùng với thu thập và hiển thị dữ liệu nhiệt độ và độ ẩm từ xa qua mạng LoRa Lựa chọn Node-RED là vì đây là một công cụ mạnh mẽ và linh hoạt dành cho việc kết nối các thiết bị IoT và hệ thống PLC Nó cung cấp một giao diện đồ họa dễ sử dụng, cho phép lập trình trực quan bằng cách kéo thả các khối chức năng, giúp giảm thời gian và công sức phát triển Ngoài ra, Node- RED hỗ trợ nhiều giao thức và tiêu chuẩn IoT, bao gồm MQTT, Modbus, và HTTP, giúp tích hợp liền mạch với các thiết bị và hệ thống hiện có Khả năng mở rộng và cộng đồng hỗ trợ lớn của Node-RED cũng đảm bảo rằng nhóm có thể dễ dàng mở rộng và tùy chỉnh hệ thống trong tương lai Đặc biệt, còn cho phép giám sát và điều khiển mô hình từ xa bất kỳ đâu miễn là có kết nối internet, giúp tăng cường tính linh hoạt và tiện lợi cho việc quản lý và vận hành.

Sau khi cài đặt Node-RED trên nền tảng Node.js, mở cửa sổ Command Prompt và nhập “node-red” để khởi chạy.

Hình 4.28 Khởi tạo Node-RED.

Web SCADA gồm có 3 trang chính:

- User: trang đăng nhập hệ thống.

- Home: trang điều khiển và giám sát.

- Database: trang xem và tìm kiếm dữ liệu, lịch sử vận hành.

Hình 4.29 Đăng nhập hệ thống. Để đảm bảo tính bảo mật cho hệ thống, nhóm đã thiết lập mô hình phân quyền truy cập gồm hai cấp độ.

- Cấp độ thứ nhất là admin, cấp này có quyền truy cập và quản lý toàn bộ hệ thống. Các quyền của admin bao gồm việc thực hiện các thao tác điều khiển toàn hệ thống. Admin cũng có thể xem lịch sử hoạt động và thực hiện các biện pháp khắc phục sự cố khi cần thiết.

- Cấp độ thứ hai là user, người dùng ở cấp này chỉ có quyền truy cập vào hệ thống để giám sát Họ có thể xem các thông số như nhiệt độ, độ ẩm, độ ẩm đất, và mức điện áp Tuy nhiên, không điều khiển thiết bị hay thực hiện bất kỳ thao tác nào có thể ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống Việc hạn chế quyền này giúp đảm bảo an toàn cho hệ thống và ngăn chặn các thay đổi không mong muốn hoặc không được phép từ người dùng.

4.6.2.2 Giao diện giám sát điều khiển

Trong phần điều khiển, các nút nhấn được thiết kế bằng cách kéo thả và cấu hình từ thư viện dashboard trên Node-RED, tạo ra giao diện trực quan và dễ sử dụng Để liên kết các nút nhấn từ Web với PLC, nhóm sử dụng thư viện S7:

- S7 in: dữ liệu từ PLC được gửi lên Web, cho phép người dùng giám sát trạng thái hiện tại của các thiết bị.

- S7 out: dữ liệu từ Web được truyền ngược lại về PLC, cho phép người dùng điều khiển thiết bị từ giao diện Web.

Trong phần giám sát, hệ thống được thiết kế trên phần mềm Inkscape để cung cấp một cái nhìn trực quan và dễ dàng khi vận hành Nhờ vào giao diện này, người dùng có thể giám sát trạng thái của các van và bơm, theo dõi giá trị áp suất cài đặt và giá trị áp suất thực tế từ các cảm biến, cũng như kiểm tra tần số của biến tần để điều khiển bơm Sau khi thiết kế trên phần mềm phải lưu lại file với đuôi “svg” để có thể đưa lên Node-RED thông qua thư viện SVG graphics.

Hình 4.32 Thiết kế SCADA trên phần mềm Inkscape.

Thư viện này cho phép chúng ta tích hợp các yếu tố đồ họa từ Inkscape vào giao diện giám sát, tạo ra một hệ thống trực quan và dễ hiểu Các biểu tượng và thông số hiển thị trên màn hình giám sát giúp người vận hành dễ dàng theo dõi và nắm bắt tình hình của hệ thống trong thời gian thực Điều này đảm bảo rằng tất cả các thiết bị và cảm biến hoạt động đúng theo yêu cầu, từ đó nâng cao hiệu quả và an toàn cho toàn bộ hệ thống.

Hình 4.33 Thư viện SVG graphics. Đối với việc giám sát dữ liệu từ xa của trạm 1 và trạm 2, nhóm sử dụng các đồng hồ đo (gauge) từ thư viện dashboard để hiển thị các giá trị như nhiệt độ, độ ẩm, độ ẩm đất và mức pin đồng thời cũng lưu trữ dữ liệu vào cơ sở dữ liệu MySQL Dữ liệu được nhận từ Gateway gửi lên thông qua giao thức mqtt được nền tảng hổ trợ thư viện MQTT broker của hệ thống được thiết lật trên Trạm-RED thông qua Aedes MQTT broker.

Aedes MQTT broker Thư viện mqtt

Hình 4.34 Thư viện mqtt. Để lưu trữ dữ liệu từ website vào MySQL, cần thiết lập kết nối giữa website và cơ sở dữ liệu MySQL sử dụng thư viện mysql trên Node-RED Việc này giúp tự động lưu trữ và quản lý dữ liệu từ web và cơ sở dữ liệu MySQL, tối ưu hóa quá trình quản lý hệ thống và thuận tiện cho việc phân tích dữ liệu Nhờ các thông số hiển thị rõ ràng và chính xác, người vận hành có thể nhanh chóng đánh giá trạng thái hiện tại của hệ thống, bao gồm cả tình trạng pin của các trạm Điều này hỗ trợ nhà vườn trong việc đưa ra các quyết định kịp thời và chính xác, từ đó tối ưu hóa hiệu quả quản lý và vận hành vườn.

Trong đề tài, nhóm đã triển khai một cơ sở dữ liệu bao gồm các bảng dữ liệu về nhiệt độ, độ ẩm, độ ẩm đất và lượng pin Hệ thống cho phép người dùng tìm kiếm thông tin theo tên từng trạm hoặc cả hai trạm, giúp lưu trữ dữ liệu một cách thuận

Bên cạnh đó, nhóm đã thiết kế và ghi nhận lịch sử các hoạt động như đăng nhập, đăng xuất và các hoạt động vận hành hệ thống Điều này dễ dàng theo dõi các sự kiện quan trọng, đánh giá hiệu suất hoạt động của hệ thống và bảo vệ thông tin một cách an toàn.

Dữ liệu từ cơ sở dữ liệu MySQL được hiển thị dưới dạng bảng trên giao diện, được tổ chức một cách rõ ràng và tiện lợi Việc này được thực hiện thông qua các table trong thư viện dashboard, cung cấp cho người dùng trải nghiệm quản lý và giám sát hệ thống một cách hiệu quả và tiện lợi.

Hình 4.37 Table trong thư viện dashboard.

Truyền thông giữa các thiết bị

Với yêu cầu điều khiển trực tiếp bằng nút nhấn, màn hình HMI và điều khiển từ xa thông qua Node-RED Nên nhóm cần phải truyền thông giữa các thiết bị với nhau.

4.7.1 Truyền thông thông qua Router 4G Ở đề tài này, nhóm có sử dụng 1 Router 4G để phát Wifi và có các cổng LAN để giúp truyền thông các thiết bị với nhau.

Router này có 4 cổng LAN và lần lượt được kết nối như sau:

- LAN 1: kết nào vào PLC.

- LAN 2: kết nối vào HMI.

- LAN 3: kết nối vào PC/LAPTOP.

Hình 4.38 Hình ảnh Router 4G kết nối với các thiết bị. Để các thiết bị có thể truyền thông với nhau, ta cần chỉnh IP cho các thiết bị cho chung 1 lớp với nhau Ví dụ như 1 thiết bị đã được cấu hình là 192.168.0.1, thì các thiết bị còn lại trong hệ thống sẽ phải đặt IP là: 192.168.0.x, với x là từ 0-255 và không trùng nhau.

- Thiết lập PLC: vào phần chỉnh IP PLC, ta chỉnh IP: 192.168.3.1

Hình 4.39 Điều chỉnh IP PLC.

- Thiết lập HMI: vào phần cài đặt phần cưng HMI, ta chỉnh IP: 192.168.3.125

Hình 4.40 Điều chỉnh IP HMI.

- Thiết lập Laptop: vào phần chỉnh IP Ethernet, ta chỉnh IP: 192.168.3.6

Hình 4.43 Điều chỉnh IP cổng Ethernet Laptop.

Sau khi chỉnh xong, ta lần lượt vào các phần mềm tương ứng để download cài đặt phần cứng và các chương trình đã thực hiện vào các thiết bị tương ứng Như vây, ta đã có thể truyền thông thành công các thiết bị với nhau.

4.7.2 Truyền thông Modbus Để có thể truyền thông PLC với biến tần, ta sử dụng Module CM1241 (RS485/RS422).

Tiếp đến, ta sử dụng đầu chuyển đực DB9 RS232 sang Domino và đấu dây như sơ đồ nguyên lý ở phần cơ sở lý thuyết.

Hình 4.44 Đầu chuyển DB9 RS232 và đấu dây thực tế vào CM1241.

Sau đó, vào phần code PLC, sử dụng các khối MB_COMM_LOAD và MB_MASTER để code chương trình kết nối PLC với biến tần.

Hình 4.45 KhốiMB_COMM_LOAD và MB_MASTER trong Tia Portal V17.

4.7.3 Điều khiển bằng thiết bị từ xa

Ngoài việc điều khiển mô hình trên Web SCADA Node-RED bằng các thiết bị nội bộ, thì mô hình còn cho phép điều khiển từ xa thông qua việc sử dụng ứng dụng Ngrok. Đầu tiên, ta cài đặt ứng dụng Ngrok Sau đó, đăng kí tài khoản cá nhân trên trang chủ của Ngrok.

Tiếp đến, ta đăng nhập vào trang chủ, sau đó vào phần Setup and Installation sao chép, dán đoạn đánh dấu bên dưới vào ứng dụng Ngrok đang chạy để lấy token. (Lưu ý: phần authtoken của mỗi tài khoản là khác nhau)

Hình 4.46 Thêm authtoken vào máy.

Tiếp đến, gõ địa chỉ cần truy cập vào Ở đây, nhóm vào Localhost của Node-RED http://localhost:1880.Sau đó, màn hình đang chạyNgrok hiện lên.

Hình 4.47 Đã chạy ngrok thành công.

Sau khi đã chạy thành công:

- Ta sẽ tiến hành sao chép địa chỉ đã ngrok và dán vào trình duyệt Web và gán thêm đuôi ui vào để chạy màn hình Node-RED.

- Tiếp ta chọn Viwe site, sau đó trang Web Scada sẽ xuất hiện.

- Trên điện thoại di động, ta có thể tạo liện kết nhanh bằng cách dán đường link sau khi Ngrok vào ứng dụng chrom Sau đó vào phần cài đặt, chọn cài đặt ứng dụng. Sau đó, trên điện thoại sẽ xuất hiện một ưng dụng cho phép ta có thể điều khiển mô hình từ xa.

Hình 4.48 Node-RED Dashboad trên điện thoại

KẾT QUẢ , THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ103

Kết quả mô hình

Sau khi thi công phần cứng, nhóm đã thi công thành công các phần như sau:

- Các trạm thu thập dữ liệu:

Hình 5.1 Trạm trung tâm truyền thông LoRa.

Kích thước trạm Lora trung tâm: 11x10x2cm.

Trạm trung tâm Lora gồm có: module esp8266, màn hình hiển thị OLED, LoRa AS32, mạch hạ áp LM2596, domino, công tắc.

Kích thước trạm Node 1, Node 2: 16x13x13cm.

Các trạm Node 1, Node 2 gồm có: pin 18650, mạch sạc pin 18650, điện trở, diode, công tắc, mạch hạ áp LM2596, mạch tăng áp MT3608, Arduino Nano, LoRa AS32, cảm biến độ ẩm đất, cảm biến nhiệt độ, độ ẩm SHT31.

Hình 5.4 Hình ảnh bên ngoài tủ điện.

Kích thước tủ điện: 600x400x220cm.

Bên ngoài tủ điện gồm có: các nút nhấn, đèn báo lỗi, đèn báo nguồn, chiết áp,HMI hiển thị nội dung, module điều khiển quạt làm mát tủ điện, Router 4G.

Hình 5.5 Hình ảnh bên trong tủ điện.

Hình 5.6 Hình ảnh nguồn cảm biến mực nước và trạm trung tâm LoRa.

Bên trong tủ điện gồm có: 1 nguồn 24VDC, 1 CB tổng, 1 CB tép, 1 cầu chì, các module PLC, 1 trạm trung tâm Lora, 1 nguồn cảm biến mực nước, 1 biến tần, 10 relay trung gian, 1 quạt làm mát, 2 còi báo động, 4 cầu đấu dây.

- Bộ xử lý nước trung tâm:

Hình 5.7 Bộ xử lý nước trung tâm nhìn từ trên xuống

Hình 5.8 Bộ xử lý nước trung tâm nhìn từ bên cạnh

Hình 5.9 Bộ xử lý nước trung tâm nhìn từ dưới lên Kích thước bộ xử lý nước trung tâm: 1,9x0,8x1,45m.

Bộ xử lý nước trung tâm gồm có: 1 máy bơm nước, 10 van điện từ, 1 van xả quá áp, 8 van tay, 4 bộ lọc đĩa, 2 van xả khí, 4 đồng hồ kim đo áp suất nước, 1 cảm biến áp suất, 1 relay áp suất, 1 công tắc dòng chảy, ống nhựa và các thiết bị kết nối của nó.

Hình 5.10 Hình ảnh tổng quan giàn tưới

Hình 5.11 Hình ảnh phía trước giàn tưới

Hình 5.12 Hình ảnh bên cạnh và thùng chứa nước cho giàn tưới

Giàn tưới gồm có: bạt chống nước, 24 béc tưới, 12 béc xịt, 3 thùng chứa nước,các van khóa, ống chính PVC (34mm, 27mm), ống nhánh LDPE (25mm, 16mm),ống con LDPE (7mm).

5.1.2 Kết quả Web SCADA Node-RED

Sau khi thiết kế thành công Web SCADA Node-RED, nhóm đã thực hiện được những phần như sau:

- Phần điều khiển: bao gồm các nút điều khiển các chế độ của mô hình.

Hình 5.13 Màn hình điều khiển trêm Web SCADA.

- Phần giám sát: SCADA giám sát mô hình, xem giá trị nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, Ngoài ra còn có thể xem lịch sử truyền dữ liệu từ các trạm ở giàn tưới về.

Hình 5.14 Màn hình giám sát trên Web SCADA.

Hình 5.15 Màn hình xem lịch sử nhiệt độ, độ ẩm.

Sau khi thực hiện đề tài, nhóm đã đạt được một mô hình tổng thể như sau:

Mô hình có thể thu thập được dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm tại giàn tưới và gửi về trạm trụng trung tâm Sau đó, các tín hiệu này được xử lý và được hiển thị trên HMI và Web SCADA HMI là nơi có thể vừa điều khiển, vừa giám sát dữ liệu thu từ giàn tưới và vừa có thể hiển thị các cảnh báo lỗi.

Mô hình có các chế độ điều khiển chính như sau:

- Tưới thủ công: cho phép thực hiện tưới nước bằng nút nhấn trên tủ và HMI.

- Tưới tự động: chỉ có thể thực hiện trên HMI, có các chế độ hẹn giờ và đặt điều kiện về độ ẩm để hệ thống có thể tự động tưới Ở chế độ này, có thể thực hiện tự động các chức năng sau:

+ Đặt điều kiện về độ ẩm để tưới nước.

- Bón phân thủ công: cho phép thực hiện mọi công việc bằng nút nhấn trên tủ và

+ Cấp nước vào thùng chứa

- Bón phân tự động: chỉ có thể thực hiện trên HMI và chế độ hẹn giờ bón Ở chế độ này, có thể thực hiện tự động các chức năng sau:

+ Cấp nước vào thùng chứa

- Xịt thuốc thủ công: cho phép thực hiện mọi công việc bằng nút nhấn trên tủ và HMI Ở chế độ này, có thể thực hiện các chức năng sau:

+ Cấp nước vào thùng chứa

- Bón tự động: chỉ có thể thực hiện trên HMI và chế độ hẹn giờ xịt Ở chế độ này, có thể thực hiện tự động các chức năng sau:

+ Cấp nước vào thùng chứa

Mô hình còn có Web SCADA để giám sát và điều khiển mô hình từ xa TrênWeb SCADA còn cho phép xem lịch sử thu thập dữ liệu.

Kết quả chạy thực nghiệm

5.2.1 Thực nghiệm thu thập dữ liệu và phân tích

Nhóm đã tiến hành thử nghiệm truyền nhận dữ liệu với nhiều khoảng cách khác nhau Do không có không gian thử nghiệm tại vườn thực tế, nhóm đã chọn thử nghiệm tại nội thành thành phố và thu được kết quả như sau:

- Với khoảng cách lớn hơn 1,5km, không nhận được tín hiệu.

- Với khoảng cách lớn hơn 1km và mật độ tòa nhà cao, tín hiệu chập chờn, có nhận được tín hiệu gửi về nhưng không ổn định.

- Với khoảng cách 700m, tín hiệu gửi về ổn định và ít bị nhiễu nhất.

Kiểm nghiệm với khoảng cách 700m.

Nhóm đã tiến hành đặt Gateway tại tầng 3 khu trọ của nhóm và bố trí hai trạm còn lại xung quanh khu vực với khoảng cách mỗi trạm đến Gateway khoảng 700m.Thí nghiệm được thực hiện trong vòng 30 phút, với mỗi trạm gửi tín hiệu vềGateway sau mỗi 10 giây Dữ liệu thu thập được lưu trữ trong MySQL và sau đó được chuyển đổi sang Excel để tiến hành phân tích chi tiết.

Hình 5.16 Hình ảnh các trạm trên bản đồ.

Do thí nghiệm diễn ra trong 30 phút, với mỗi trạm gửi tín hiệu về Gateway mỗi

10 giây Tổng số lần gửi tín hiệu của mỗi trạm là 180 lần trong suốt thời gian thí nghiệm.

Kết quả như bên dưới:

- Trạm 1 đã gửi thành công 169 lần.

- Trạm 2 đã gửi thành công 163 lần. Điều này cho thấy rằng khoảng cách của trạm 1 đến Trạm trung tâm gần hơn một chút so với trạm 2, dẫn đến tỉ lệ truyền thành công của trạm 1 cao hơn trạm 2 Cụ thể như sau:

Bảng 5.1 Bảng kết quả thực nghiệm LoRa.

Kết quả trạm 1 trên Wed Kết quả trạm 2 trên Wed.

Hình 5.18 Kết quả nhận dữ liệu trên Web.

5.2.2 Thực nghiệm chạy lỗi và phân tích Ở đây, nhóm tiến hành chạy thực nghiệm lỗi bằng 2 trường hợp: vặn van tay và chỉnh áp suất bằng chiết áp để không cho có nguồn nước vào bơm.

Sau khi tiến hành, nhóm thu được kết quả như sau:

- Trường hợp 1: vặn van tay

+ Trong vòng 15s giây đầu tiên, bơm chạy nhưng không có nước đầu vào.

+ Sau 15s, bơm tự động tắt và xuất hiện thông báo lỗi trên HMI và gửi về Web SCADA do không có dòng nước đi qua để bật công tắc dòng chảy, relay áp suất.

- Trường hợp 2: chỉnh áp suất thấp bằng chiết áp.

+ Sau khi chỉnh, bơm bắt đầu giảm tốc độ dần.

+ Sau khi áp suất xuống mực ngưỡng không thể bật công tắc dòng chảy, relay áp suất thì bơm cũng sẽ tự động tắt để bảo vệ bơm.

Hình 5.19 Màn hình thông báo lỗi trên SCADA.

Qua thực nghiệm nhóm thấy bơm được bảo vệ khá tốt, có lịch sử báo lỗi, có thể tránh rủi ro cho mô hình trong trường hợp mà người điều khiển không có mặt trực tiếp tại mô hình.

5.2.3 Thực nghiệm điều khiển từ xa và phân tích

Nhóm tiến hành thực nghiệm bằng cách sử dụng một thiết bị di động có kết nối 4G điều khiển từ xa Vị trí của thiết bị là ở Phường Hiệp Bình Phước, Tp.Thủ Đức, mô hình của nhóm ở Phường Tân Phú, Tp.Thủ Đức.

Nhóm tiến hành thực nghiệm với các điều kiện như sau:

- Wifi của Router 4G không ổn định.

- Wifi của Router 4G ổn định.

- Mô hình bị mất điện và có điện lại.

Kết quả thu được như sau:

- Với Wifi của Router 4G không ổn định: tín hiệu điều khiển bị chậm, các thiết bị chấp hành chậm hơn so với điều khiển bằng nút và HMI.

- Với Wifi của Router 4G ổn định: tín hiệu điều khiển nhanh, các thiết bị chấp hành khá tương đương với điều khiển bằng nút và HMI.

- Với mô hình mất điện và có điện lại: khi mất điện, sẽ không truy cập từ xa được.

Có điện lại thì vẫn có thể kết nối như thường Tuy nhiên, trong trường hợp mà mất điện quá lâu, máy trạm tắt thì Node-RED cũng sẽ tắt Dẫn đến không thể truy cập vào Web SCADA nội bộ lẫn từ xa.

Hình 5.20 Chương trình ngrok bị ngắt kết nối do mất Wifi.

Qua thực nghiệm này, nhóm có một số phân tích như sau:

- Việc điều khiển từ xa của mô hình phụ thuộc khá nhiều vào chất lượng Wifi Router 4G.

- Hạn chế lớn nhất của việc điều khiển từ xa là khi mất điện, Wifi không thể duy trì, nên đường dẫn đến LocalHost của Node-RED bằng ngrok bị mất kết nối Cho nên, không thể truy cập từ xa, mà chỉ có thể truy cập bằng mạng nội bộ.

5.2.4 Thực nghiệm điều khiển trong nhiều khoảng thời gian

Nhóm tiến hành cho chạy bơm với khoảng 3 mức thời gian: 10 phút, 30 phút và

Kết quả nhận được như sau:

- Khi điều khiển trong 5 phút: mô hình hoạt động ổn định, bơm chạy êm, các béc tưới xoay với lượng nước ổn định.

- Khi điều khển trong 30 phút: mô hình hoạt động ổn định, bơm có tình trạng nóng các béc tưới xoay ổn định.

- Khi điều khiển trong 60 phút: mô hình hoạt động ổn định, tuy nhiên, bơm khá nóng dẫn đến tình trạng các béc tưới xoay với lượng nước không được đều.

Qua thực nghiệm trên nhóm thấy thời gian điều khiển mô hình có ảnh hưởng đến chất lượng đầu ra, đặt biệt là bơm Để có thể khắc phục tình trạng này, nên cần lựa chọn bơm có công suất và chất lượng tốt hơn.