- Thiết kế, tính toán, kết nối board Arduino Mega 2560 với module Wifi ESP32, tính toán kết nối từng khối, thời gian sử dụng và thời gian nạp của pin năng lượng mặt trời, hiển thị các dữ
TỔNG QUAN
GIỚI THIỆU
Công nghệ hiện đại đã trở thành yếu tố thiết yếu trong cuộc sống, đặc biệt trong nông nghiệp, nơi mà những tiến bộ khoa học và kỹ thuật giúp tối ưu hóa sản xuất Ngành nông nghiệp Việt Nam đang trong quá trình chuyển đổi và đối mặt với nhiều thách thức về hiện đại hóa.
Chúng ta cần thay đổi cách tiếp cận nông nghiệp trong bối cảnh Internet of Things (IoTs) đang phát triển mạnh mẽ, mở ra cơ hội kết nối và quản lý thông tin từ xa Đề tài “Thiết kế và thi công mô hình hệ thống chăm sóc vườn Lan tự động sử dụng năng lượng mặt trời” được nhóm em lựa chọn nhằm tạo ra giải pháp hiệu quả và bền vững cho việc quản lý vườn Lan Điểm độc đáo của dự án là sự kết hợp giữa IoT và năng lượng mặt trời, thiết kế mô hình tự động hóa chăm sóc vườn Lan một cách tối ưu.
Hệ thống tích hợp cảm biến đo độ ẩm, nhiệt độ và ánh sáng, truyền dữ liệu đến Web Server qua mạng không dây, cho phép chủ sở hữu theo dõi và điều khiển từ xa bằng board Arduino Mega Đặc biệt, nguồn năng lượng mặt trời được sử dụng làm nguồn điện chính, giúp giảm chi phí và tăng tính bền vững cho hệ thống.
Mô hình này không chỉ nâng cao hiệu quả chăm sóc vườn Lan mà còn thúc đẩy quá trình tự động hóa trong nông nghiệp tại Việt Nam.
MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
Mô hình chăm sóc vườn hoa Lan tự động sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp công nghệ IoT nhằm giám sát và chăm sóc cây trồng hiệu quả Hệ thống này giúp giảm chi phí thuê nhân công và chi phí chăm sóc, đồng thời theo dõi sự sinh trưởng của hoa Lan trong điều kiện lý tưởng Các cảm biến thu thập thông tin về độ ẩm đất, độ ẩm không khí và ánh sáng, từ đó tối ưu hóa môi trường sống cho cây.
Xây dựng một hệ thống tự động hoàn chỉnh để chăm sóc và bảo vệ vườn Lan có giá trị ứng dụng cao Hệ thống này bao gồm việc kết nối các linh kiện và thiết bị điện khác nhau, cùng với các chuẩn giao tiếp, nhằm tạo ra một mô hình hoạt động đồng bộ và hiệu quả.
Hệ thống được thiết kế để đọc nhiệt độ và độ ẩm của đất cũng như không khí trong vườn hoa lan Dữ liệu này sẽ được hiển thị trên màn hình cảm ứng HMI và đồng thời được gửi lên máy chủ Blynk Người dùng có thể điều khiển hệ thống thông qua ứng dụng Blynk trên điện thoại di động.
GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
Đề tài có một số giới hạn cần lưu ý:
− Phần khung của hệ thống có kích thước khoảng 50x50x50 (cm)
− Nguồn mặt trời với tấm pin mặt trời poly công suất là 10W và áp là 18V, bình ắc quy 12V-3,5Ah
− Hệ thống giám sát và điều khiển từ xa chỉ hoạt động được khi kết nối với mạng không dây Wifi
− Đề tài chỉ dừng lại ở mức mô hình, sử dụng những thiết bị mang tính thí nghiệm có công suất nhỏ
Hệ thống được xây dựng với các linh kiện chính bao gồm Arduino Mega 2560 làm khối xử lý trung tâm, ESP32 để thu phát sóng wifi, và màn hình HMI 3.5 inch để hiển thị thông tin và điều khiển.
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Trong quá trình thực hiện Đồ án tốt nghiệp với đề tài “Thiết kế và thi công mô hình hệ thống chăm sóc vườn Lan tự động sử dụng năng lượng mặt trời”, nhóm chúng em đã nghiên cứu và giải quyết thành công các nội dung liên quan đến việc ứng dụng năng lượng mặt trời trong hệ thống chăm sóc tự động cho vườn Lan.
− Nội dung 1: Tìm hiểu các linh kiện phù hợp với đề tài
Nghiên cứu các phương pháp kết nối linh kiện để xây dựng hệ thống ứng dụng đa dạng như đo nhiệt độ, độ ẩm, độ ẩm đất, tự tưới phun sương, tạo mái che khi có mưa, bật đèn khi ánh sáng đạt ngưỡng, và tích hợp năng lượng mặt trời.
− Nội dung 3: Nguyên cứu lập trình code Adruino, ESP32, xây dựng Web Server để trình bày hiển thị trên màn HMI
− Nội dung 4: Nghiên cứu hệ thống chạy tự động theo ngưỡng dựa trên module thời gian thực và dữ liệu từ cảm biến
− Nội dung 4: Sử dụng, thiết kế giao diện trên điện thoại điều khiển các ứng dụng
− Nội dung 5: Thi công phần cứng, chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống
− Nội dung 6: Hoàn thiện sửa lỗi mô hình
− Nội dung 7: Viết báo cáo thực hiện
− Nội dung 8: Bảo vệ đề tài tốt nghiệp
Chương này trình bày lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, giới hạn đề tài và bố cục đồ án.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH IOT
2.1.1 Giới thiệu về hệ thống IOT
Sự bùng nổ của Internet of Things (IoT) đang tác động mạnh mẽ đến sản xuất, đời sống và xã hội, với ảnh hưởng lan tỏa đến nhiều lĩnh vực như quản lý hạ tầng, y tế, xây dựng, tự động hóa và giao thông.
Internet of Things (IoT) là một mạng lưới các thiết bị vật lý kết nối qua internet để chia sẻ dữ liệu Mạng lưới này có thể bao gồm từ vài đến hàng tỷ thiết bị, tạo ra hệ thống thông minh với khả năng lưu trữ và sử dụng thông tin cho nhiều mục đích khác nhau Các thiết bị tích hợp trí tuệ nhân tạo có khả năng tương tác và hoạt động thay cho con người, giúp giảm nhu cầu về nhân lực trong quản lý và vận hành.
2.1.2 Cấu trúc của hệ thống IOT
Cấu trúc của một hệ thống IOT thường bao gồm các lớp chính sau:
Lớp thiết bị trong hệ thống IoT bao gồm cảm biến, actuators và các thiết bị thông minh khác, có nhiệm vụ thu thập dữ liệu từ môi trường và thực hiện các hành động cụ thể Đây chính là nguồn gốc của dữ liệu trong toàn bộ hệ thống.
Lớp Gateway là trạm kết nối quan trọng giữa các thiết bị và hạ tầng mạng, có chức năng lọc dữ liệu, thực hiện các xử lý cơ bản và truyền tải thông tin từ nhiều thiết bị đến hạ tầng mạng một cách hiệu quả.
Hạ tầng mạng và đám mây đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển giao và lưu trữ dữ liệu từ các thiết bị Lớp hạ tầng này không chỉ bao gồm các cơ sở hạ tầng mạng mà còn cung cấp các dịch vụ thiết yếu như tích hợp, xử lý dữ liệu và lưu trữ an toàn.
Bộ phân tích và xử lý dữ liệu là lớp chứa các dịch vụ và giải pháp thiết yếu cho việc xử lý và phân tích dữ liệu từ thiết bị IoT Lớp này bao gồm các công nghệ tiên tiến như trí tuệ nhân tạo (AI) và machine learning, nhằm tạo ra các giải pháp thông minh và dự đoán hiệu quả.
Hình 2.1: Cấu trúc của hệ thống IOT 2.1.3 Cách thức hệ thống IOT vận hành
Hệ sinh thái IoT (Internet of Things) bao gồm các thiết bị thông minh kết nối web, tích hợp bộ vi xử lý, cảm biến và phần cứng truyền thông, cho phép thu thập và truyền tải dữ liệu Dữ liệu này có thể đơn giản như nhiệt độ, độ ẩm hoặc phức tạp hơn như video và hình ảnh, phục vụ cho việc thực hiện các hành động dựa trên thông tin thu thập được.
Các thiết bị IoT chia sẻ dữ liệu cảm biến thông qua kết nối với cổng IoT hoặc các thiết bị cảm biến khác, cho phép dữ liệu được gửi lên đám mây để phân tích hoặc xử lý tại chỗ Những thiết bị này có khả năng giao tiếp và hành động dựa trên thông tin từ các thiết bị liên quan, với phần lớn hoạt động diễn ra tự động mà không cần can thiệp của con người, mặc dù người dùng vẫn có thể tương tác với chúng.
Các giao thức kết nối và phương thức giao tiếp của thiết bị IoT phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể IoT có thể kết hợp trí tuệ nhân tạo (AI) và máy học, giúp quá trình thu thập dữ liệu trở nên dễ dàng và chủ động hơn.
GIỚI THIỆU HOA LAN VÀ CÁC ĐIỀU KIỆN CHĂM SÓC
Hoa Lan, biểu tượng của vẻ đẹp kiều diễm và huyền bí, đang ngày càng được ưa chuộng tại Việt Nam nhờ vào giá trị sử dụng và kinh tế cao Sự quan tâm và nghiên cứu về hoa Lan ngày càng gia tăng, với nhiều giống mới được lai tạo và nhập khẩu mỗi năm Các tiến bộ kỹ thuật trong sản xuất cũng đang được áp dụng, giúp nâng cao quy mô trồng trọt hoa Lan.
Hoa Lan là loài thực vật thân thảo, phát triển bằng cách bám vào thân cây trong rừng sâu hoặc leo lên các vách đá dốc Chúng thường sống bám và treo lơ lửng trên cây gỗ hoặc vách đá, với rễ lớn, dày và mọc thành chùm để hấp thụ nước và chất dinh dưỡng từ môi trường xung quanh.
Hình 2.3: Một số loại hoa Lan thường gặp
Hoa Lan hiện nay được trồng trên giá thể, bao gồm các nguyên liệu như vỏ dừa cục, xỉ than, vỏ thông, viên đất nung, đá pumice và perlite Việc sử dụng giá thể phù hợp giúp cung cấp môi trường lý tưởng cho sự phát triển của cây Lan.
2.2.2 Các điều kiện chăm sóc hoa Lan
Chăm sóc hoa Lan sau khi trồng là yếu tố quan trọng để đảm bảo cây ra hoa đều đặn và giữ hoa lâu Để cây Lan phát triển ổn định, nên đặt ở vị trí có ánh nắng nhẹ, giúp cây hấp thụ ánh sáng và kích thích quá trình kết hoa Thời gian phơi nắng lý tưởng cho cây là từ 6-7 giờ sáng.
Trong mùa hè, khi nhiệt độ cao và độ ẩm thấp, cần tưới nước cho Lan từ 2-3 lần mỗi ngày Tuy nhiên, vào mùa đông, tần suất tưới nước nên giảm xuống, chỉ cần thực hiện khoảng 10 ngày một lần.
Lan là loài cây ưa sáng nhưng cần ánh sáng gián tiếp để phát triển khỏe mạnh Đặt Lan dưới ánh nắng trực tiếp có thể làm lá bị úa vàng và dẫn đến chết cây Khi trồng trong nhà, nên để cây gần cửa sổ hướng Đông hoặc ở nơi có bóng râm hướng Tây hoặc Nam Nếu trồng ngoài trời, hãy đặt Lan dưới mái hiên hoặc giàn lưới che sáng Lá Lan khỏe mạnh sẽ có màu xanh, dày và bóng, trong khi lá nhợt nhạt hoặc có mảng màu nâu cho thấy cây nhận quá nhiều ánh sáng Ngược lại, khi thiếu sáng, lá cây thường mỏng, dài và có màu xanh thẫm.
Nhiệt độ và độ ẩm là yếu tố quan trọng trong việc chăm sóc Lan, với độ ẩm lý tưởng từ 50-80% và nhiệt độ từ 15-30 độ C Sử dụng màn che giúp hạn chế thoát hơi nước khi độ ẩm không đủ Đặt cây trên sỏi, đá cuội và nước để giữ độ ẩm, nhưng cần đảm bảo rễ không chạm vào nước Chỉ tưới nước cho rễ để tránh lá bị úng và khó ra hoa Phân bón cũng rất quan trọng, nên bón vào thời điểm cây chuẩn bị nở hoa để cung cấp dinh dưỡng cho sự phát triển của thân, chồi và hoa mới.
CÁC CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU
2.3.1 Chuẩn truyền thông UART Định nghĩa về lý thuyết của chuẩn giao tiếp bất đồng bộ UART
UART, viết tắt của Universal Asynchronous Receiver-Transmitter, là một giao thức truyền dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ Giao thức này sử dụng hai đường truyền dữ liệu: đường phát (Tx) và đường nhận (Rx) Không có tín hiệu xung clock trong quá trình truyền, vì vậy nó được gọi là bất đồng bộ Để đảm bảo việc truyền dữ liệu thành công, bên phát và bên nhận cần thống nhất về tần số xung clock, thường được gọi là tốc độ baud, ví dụ như 9600, 19200, hoặc 38400.
Hình 2.4: Hệ thống truyền dữ liệu bất đồng bộ
UART hoạt động thông qua hai đường dữ liệu chính là Tx (Transmitter) và Rx (Receiver) Khi nhận được tín hiệu bắt đầu (start bit), UART bắt đầu đọc các bit dữ liệu với tốc độ truyền được xác định bởi baud rate Tốc độ baud, đo lường bằng bit trên giây (bps), cần phải giống nhau ở cả hai UART để đảm bảo truyền và nhận dữ liệu thành công Khoảng chênh lệch tốc độ baud giữa hai UART không nên vượt quá 10% để tránh sai lệch thời gian của các bit.
Để hai thiết bị UART giao tiếp hiệu quả, ngoài việc thiết lập tốc độ baud giống nhau, chúng cần được cấu hình với cùng một cấu trúc gói dữ liệu Một yếu tố quan trọng khác là cả hai thiết bị phải được kết nối chung GND Thông thường, giao tiếp UART sử dụng chuẩn điện áp TTL (Transistor-Transistor Logic).
2.3.2 Chuẩn giao tiếp SPI Định nghĩa về giao tiếp SPI
SPI (Giao thức giao tiếp nối tiếp) là một giao thức đồng bộ phổ biến, thường được sử dụng để kết nối vi điều khiển, cảm biến, bộ nhớ và các thiết bị khác với vi xử lý hoặc vi điều khiển chính.
Cấu trúc giao thức SPI bao gồm một thiết bị chủ (master) và một hoặc nhiều thiết bị tớ (slave) Thiết bị chủ chịu trách nhiệm quản lý quá trình truyền và nhận dữ liệu từ các thiết bị tớ.
Giao thức SPI sử dụng 4 dây tín hiệu chính:
− MOSI: Cổng ra các bên Master, cổng vào các bên slave
− MISO: Cổng vào các bên master, cổng ra các bên slave
− SCLK : Xung nhịp Clock cho giao tiếp SPI
Hình 2.5: Hệ thống truyền dữ liệu chuẩn giao tiếp SPI 2.3.3 Chuẩn giao tiếp I2C Định nghĩa về chuẩn giao tiếp I2C
I2C hay IIC là giao thức truyền thông do Philips Semiconductor phát triển, cho phép truyền dữ liệu giữa bộ xử lý trung tâm và nhiều IC chỉ với hai dây dẫn Giao thức này hỗ trợ việc kết nối nhiều thiết bị trong cùng một mạch, giúp giảm thiểu số lượng dây cần thiết và tối ưu hóa quy trình truyền thông.
Chuẩn giao tiếp I2C sử dụng hai đường truyền tín hiệu SDA và SCL, cho phép nhiều thiết bị tớ (slave) giao tiếp với thiết bị chủ (master) Trong hệ thống này, thiết bị cấp xung clock được gọi là chủ, trong khi thiết bị nhận xung clock được gọi là tớ Nhiều thiết bị ngoại vi như bộ nhớ EEPROM, ADC-DAC, và IC mở rộng ngoại vi đều tích hợp chuẩn I2C, mang lại sự linh hoạt và hiệu quả trong việc kết nối và truyền dữ liệu.
− SDA (Serial data): chức năng của nó là truyền tải dữ liệu
− SCL ( Serial clock): chức năng truyền tải xung clock để dịch chuyển dữ liệu
− Chuẩn truyền ban đầu dùng địa chỉ 7 bit có thể giao tiếp với 128 thiết bị slave
− Địa chỉ của thiết bị slave thường thì do nhà chế tạo thiết bị thiết lập sẵn ”
Hình 2.6: Hệ thống truyền dữ liệu chuẩn giao tiếp I2C 2.3.4 Chuẩn giao tiếp One wire Định nghĩa về lý thuyết chuẩn giao tiếp one-wire
Chuẩn giao tiếp OneWire, được giới thiệu bởi hãng Dallas, là một giao thức không đồng bộ và bán song công (half-duplex), cho phép truyền tín hiệu và cung cấp nguồn điện cho các thiết bị chỉ bằng một dây Giao tiếp này tuân theo mối liên hệ chủ-tớ chặt chẽ, trong đó một master kết nối với một bus dữ liệu chứa các thiết bị slave Khi không có dữ liệu, bus dữ liệu phải được kéo lên mức cao thông qua một điện trở, giá trị của điện trở này thường được quy định trong datasheet của các thiết bị slave.
Hình 2.7: Hệ thống truyền dữ liệu bất đồng bộ
GIỚI THIỆU LINH KIỆN
Arduino Mega 2560 là phiên bản nâng cấp vượt trội so với Arduino Mega 1280, nổi bật với khả năng ứng dụng đa dạng hơn Sự cải tiến này chủ yếu đến từ việc sử dụng chip xử lý Atmega 2560, thay thế cho Atmega 1280 trong phiên bản trước.
Arduino Mega 2560 được trang bị vi xử lý ATmega2560, một chip AVR 8-bit hoạt động với tần số 16 MHz Chip này có dung lượng bộ nhớ flash lên đến 256 KB, cho phép lưu trữ chương trình hiệu quả, cùng với 5 EEPROM để ghi lại dữ liệu.
Arduino Mega 2560 được trang bị 54 chân vào ra (I/O), trong đó có 15 chân hỗ trợ điều chế độ rộng xung (PWM) và 16 chân đầu vào analog, mang lại khả năng linh hoạt cho các dự án điện tử.
Arduino Mega 2560 được trang bị nhiều giao diện kết nối, bao gồm 4 cổng UART (Serial), 1 cổng I2C và 1 cổng SPI, giúp dễ dàng kết nối với các thiết bị ngoại vi như cảm biến, màn hình và các module mở rộng khác.
Board có thể nhận nguồn qua cổng USB hoặc từ nguồn ngoài, với mức điện áp thường dao động từ 7-12V và có khả năng điều chỉnh qua một đầu ra điện áp.
Arduino Mega 2560 có thể được lập trình dễ dàng thông qua Arduino IDE, một phần mềm miễn phí và mã nguồn mở, hỗ trợ tối ưu cho việc phát triển các dự án điện tử.
• Ứng dụng: Với số lượng lớn chân I/O và khả năng xử lý mạnh mẽ, Arduino Mega
2560 là sự lựa chọn hoàn hảo cho các dự án phức tạp như robot, máy in 3D, và các ứng dụng điều khiển hệ thống trong lĩnh vực IoT
Chúng ta cần làm rõ hơn về các chân chức năng giao tiếp và các giao thức được sử dụng của Arduino Mega 2560
• Tx và Rx là chân để nhận tính hiệu UART cho truyền thông RS-232 và USB
• I2C là phương pháp truyền thông nối tiếp khác sử dụng đường truyền dữ liệu 2 chiều (SDA) và đường xung clock (SCL)
• SPI là phương pháp truyền thông nối tiếp khác sử dụng cho truyền chủ (MOSI Master Out Slave In), một đường nhận chủ (MISO), và xung clock (SCK)
A/D là quá trình chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số, trong đó điện áp tương tự được chuyển đổi sang PWM (Modulator độ rộng xung) PWM được sử dụng để tạo ra tín hiệu xung vuông với chu kỳ làm việc có thể thay đổi.
• ICSP có nghĩa In Circuit Serial Programming – một cách khác đề lập trình vi điều khiển
• IOREF cung cấp điện áp tham chiếu vì thế các module (shields) có thể lựa chọn nguồn phù hợp
• AREF là ngõ vào điện áp tham chiếu sử dụng cho bộ A/Ds ”
Hình 2.8: Sơ đồ các chân Arduino Mega 2560
ESP32 là vi điều khiển tích hợp Wi-Fi và Bluetooth do Espressif Systems phát triển, nổi bật với hiệu suất mạnh mẽ và tính năng đa dạng Với bộ vi xử lý lõi kép Xtensa LX6 chạy ở tần số lên đến 240 MHz, ESP32 sở hữu bộ nhớ RAM lớn và nhiều giao diện kết nối như SPI, I2C, UART, và ADC Khả năng kết nối Wi-Fi 802.11 b/g/n và Bluetooth 4.2/BLE giúp ESP32 truyền dữ liệu không dây hiệu quả và ổn định Đây là lựa chọn hàng đầu cho các ứng dụng nghiên cứu về Wi-Fi, BLE, IoT, cũng như trong việc điều khiển và thu thập dữ liệu qua mạng.
− Kích thước nhỏ gọn, dễ dàng tích hợp vào các sản phẩm khác
− Tính năng mạnh mẽ với giao thức LWIP và Freertos
− Hỗ trợ ba chế độ hoạt động: AP, STA và AP + STA
− Hỗ trợ tất cả các loại giao tiếp:
− 2 bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tương tự (DAC) 8 bit
− SD card/SDIO/MMC host
Các module ESP32 không chỉ hỗ trợ giao diện máy ảnh, mà còn dễ dàng tích hợp vào các ứng dụng camera Ngoài ra, một số module còn được trang bị chân đầu vào cảm ứng, mở rộng khả năng sử dụng cho các dự án khác nhau.
Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật của ESP32
STT Chức năng Mô tả
1 CPU Xtensa Dual-Core LX6 microprocessor
2 Tốc độ xử lý 160MHZ lên tới 240 MHz
3 Tốc độ xung nhịp 40Mhz lên tới 80Mhz
6 Bluetooth v4.2 BR/EDR and BLE
Hình 2.9: Các thông số chân ESP32 2.6.3 Màn hình HMI TJC 3.5 inch
Màn hình HMI Nextion UART cảm ứng điện trở 3.5 inch TJC4832K035-011R là phiên bản nâng cao, giúp người dùng dễ dàng thiết kế giao diện điều khiển và hiển thị (GUI) theo nhu cầu Với giao tiếp UART chỉ cần 2 dây truyền nhận (TX, RX), việc giao tiếp và điều khiển trở nên đơn giản Sản phẩm tích hợp bộ nhớ lưu trữ và xử lý hình ảnh, cùng khe thẻ nhớ, giúp giảm thiểu đáng kể các bước xử lý hình ảnh cho mạch điều khiển trung tâm, chỉ cần truyền dữ liệu thao tác cảm ứng về trung tâm Thiết kế cảm ứng điện trở cho phép thao tác dễ dàng ngay cả khi người sử dụng mang găng tay trong môi trường lao động.
• Màn/hình/HMI 3.5 Inch/cảm/ứng/điện/trở
• Giao tiếp/UART/mức/TTL/ (3 - 5VDC)
• Có/phần/mềm/USART HMI để/có thể thiết/kế/giao/diện/cho màn
• Có bộ nhớ lưu trữ và xử lý hình ảnh
• Thiết kế cảm ứng/điện trở giúp người/dùng/có/thể dễ dàng sử/dụng/ngay cả khi mang/găng/tay/trong/môi trường/lao/động
• Mạch thi công tốt, /chất/lượng ”
Động cơ giảm tốc DC 12V JGB37-520-107 RPM là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng cần lực kéo mạnh và moment lớn, với thiết kế lõi đồng và chổi than to, đảm bảo hiệu suất và độ bền vượt trội Hộp giảm tốc bằng kim loại chắc chắn giúp động cơ chịu tải nặng và hoạt động ổn định lâu dài Động cơ này tiết kiệm năng lượng, có kích thước gọn gàng và dễ lắp đặt, phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp và robot tự động.
Hình 2.11: Động cơ giảm tốc DC 12V (JGB37 – 520 – 107RPM)
Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật của động cơ giảm tốc DC 12V
STT Thông số kỹ thuật Chi tiết
1 Điện áp hoạt động 6-15 VDC
2 Điện áp định mức 12 VDC
5 Lực kéo moment 35kg.cm
2.6.5 Pin và bộ điều khiển năng lượng mặt trời
Thông ⊕ số ⊕ kỹ ⊕ thuật của tấm ⊕ pin ⊕ năng ⊕ lượng ⊕ mặt ⊕ trời
Hình 2.12: Tấm pin năng lượng mặt trời
Pin năng lượng mặt trời 10W với kích thước nhỏ gọn là lựa chọn lý tưởng để sạc các bình ắc quy 12V/4.5Ah và 12V/7.2Ah, phù hợp với các loại bình ắc quy phổ biến cho xe máy hiện nay.
Pin này chuyển đổi quang năng từ mặt trời thành điện năng, đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng nghiêm ngặt như IEC, UL, CE, TUV, ETL, PV Cycle, MCS, BBA và tiêu chuẩn an toàn Safety class.
Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật tấm pin năng lượng mặt trời 10W
PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI POLY 10 W
STT Thông số Đơn vị Mô tả
1 Công suất tấm pin Pmax 10 W
2 Điện áp hở mạch Voc 21.6V
4 Điện áp định mức Vmp 18 V
6 Chuẩn loại Pin (cell) - Pin Silic đơn tinh thể
8 Chất lượng sản phẩm - IEC 61215, IEC 61730, TUV
9 Nhiệt độ hoạt động Tpv - 40 oC ~ 80 o C
11 Tuổi thọ sản phẩm - Từ 30 năm đến 50 năm
Bộ điều khiển sạc ắc quy có vai trò quan trọng trong việc điều tiết quá trình sạc, bảo vệ ắc quy khỏi tình trạng nạp quá tải và xả quá sâu, từ đó kéo dài tuổi thọ và đảm bảo hiệu quả hoạt động của hệ thống pin mặt trời Thiết bị này còn hiển thị trạng thái nạp điện từ tấm pin mặt trời vào ắc quy, giúp người dùng dễ dàng quản lý các phụ tải Hơn nữa, bộ điều khiển cũng bảo vệ ắc quy khỏi tình trạng nạp quá điện áp (>13,8V) và điện áp thấp, đảm bảo an toàn cho hệ thống.
Hình 2.13: Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời 12V Bảng 2.4: Thông số kỹ thuật Bộ Điều Khiển Sạc Solar 12V/24V 5A
2 Dòng ⊕ sạc ⊕ định ⊕ mức 5A ⊕ Max
3 Dòng ⊕ tải ⊕ định ⊕ mức 5A ⊕ Max
4 Bảo ⊕ vệ ⊕ quá ⊕ tải 120%/5phút,130%/5s ngưng làm việc
5 Dòng ⊕ điện ⊕ tiêu ⊕ thụ ⊕ (không tải) 50ms
6 Nhiệt ⊕ độ ⊕ làm ⊕ việc 0 ⊕ đến ⊕ 45 o C
7 Dung ⊕ lượng ⊕ ắc ⊕ quy 4,5Ah – 100Ah
8 Thông ⊕ số ⊕ sạc Ắc quy
9 Mức ⊕ áp ⊕ sạc ⊕ nhồi ⊕ (V_full) 14.5 V : ( giữ 10 phút)
10 Mức ⊕ áp ⊕ sạc ⊕ duy ⊕ trì(V_Float) 13.8 V : ( keep 10min)
11 Mức ⊕ áp sạc nhồi lại(V_Reboost) 13.2 V
12 Mức ⊕ áp sử dụng lại (V_ReUse)* 13.2 V
13 Mức ⊕ áp báo cạn (V_Empty) 10.7 V
Hình 2.14: Bình ắc-quy 12V-3.5Ah Bảng 2.5: Thông số kỹ thuật của bình ắc quy GS GTZ5S
2.6.6 Bộ động cơ bơm phun sương và nguồn 12V/2A
Máy bơm tăng áp mini 12V tự ngắt LD-6666 là thiết bị lý tưởng cho việc tạo luồng nước dạng sương mịn, phù hợp cho nhiều ứng dụng như tưới cây, làm mát không khí, tạo ẩm và kiểm soát bụi trong công nghiệp Hệ thống bao gồm các thành phần chính như động cơ, máy bơm, bộ lọc, ống dẫn và đầu phun sương, với động cơ cung cấp năng lượng cần thiết để bơm hút nước, tạo áp suất cao và đẩy nước qua ống dẫn đến đầu phun.
STT Thuộc tính Thông tin
1 Mã sản phẩm GS GTZ5S
2 Loại ắc quy Ắc quy khô, miễn bảo dưỡng
7 Kiểu cọc bình Cọc bắt ốc
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
GIỚI THIỆU
Trong chương 3, nhóm em sẽ thiết kế một hệ thống vườn Lan tự động sử dụng năng lượng mặt trời với nhiều tính năng đa dạng Hệ thống cho phép người dùng điều khiển và theo dõi qua màn hình HMI cảm ứng và ứng dụng Blynk kết nối internet Đặc biệt, hệ thống sẽ tự động tưới, mở quạt và đóng mái che dựa trên dữ liệu từ cảm biến môi trường, giúp người dùng chăm sóc vườn Lan một cách hiệu quả và tiện lợi.
XÂY DỰNG MÔ HÌNH VƯỜN LAN TRONG CÔNG NGHIỆP
Vườn Lan hiện nay sử dụng nhà lưới để sản xuất hoa lan hồ điệp theo quy mô công nghiệp, với diện tích tối thiểu 360m² Diện tích này cho phép trồng khoảng 10.000 cây thương phẩm, trong đó chiều dài nhà lưới tối đa là 40m, nhằm tối ưu hóa hiệu quả sử dụng các thiết bị.
Nhà lưới hiện đại được trang bị đầy đủ các hệ thống như lưới cắt nắng, thông gió, tản nhiệt cưỡng bức bằng tấm tản nhiệt, quạt đối lưu, rèm che mái và rèm che hai bên sườn, cùng với hệ thống tăng nhiệt, nhằm tối ưu hóa điều kiện trồng trọt.
Thiết bị điều tiết nhiệt độ bao gồm hệ thống tăng nhiệt bằng hơi nóng, thiết bị hạ nhiệt như quạt hút gió và tấm làm mát, cùng với hệ thống quạt đảo gió Nếu có điều kiện, máy điều hòa nhiệt độ 2 chiều có thể được sử dụng để duy trì nhiệt độ trong nhà lưới Nhiệt độ có thể được kiểm soát trong khoảng trên 18°C vào mùa đông và xuân, và dưới 31°C vào mùa hè và thu Ngoài ra, nhiệt độ trong nhà lưới có thể chênh lệch từ 7 đến 10°C so với nhiệt độ bên ngoài.
Hệ thống điều khiển cường độ ánh sáng bằng lưới cản quang cho phép điều chỉnh cường độ ánh sáng dưới 20.000 Lux, tạo điều kiện lý tưởng để chăm sóc vườn Lan Nhóm tác giả sẽ tập trung vào các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, độ ẩm đất và cường độ ánh sáng để thiết kế và thi công mạch điều khiển Tuy nhiên, do hạn chế về tài chính và thời gian, nhóm sẽ xây dựng mô hình để kiểm tra và đánh giá kết quả so với mục tiêu ban đầu.
THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI TOÀN HỆ THỐNG
Hình 3.2: Sơ đồ khối hệ thống
• Khối xử lý và điều khiển trung tâm :
− Sử dụng vi xử lý Arduino Mega 2560 làm khối xử lý trung tâm cho cả hệ thống
Khối trung tâm đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối các khối xử lý và điều khiển trong hệ thống, bao gồm khối cảm biến và khối hiển thị Nhiệm vụ chính của nó là truyền nhận dữ liệu giữa người điều khiển và các thiết bị vận hành, đồng thời thu thập dữ liệu từ các cảm biến ngoại vi và gửi thông tin này lên Blynk App qua giao tiếp Wifi Điều này cho phép người sử dụng dễ dàng điều khiển và giám sát hệ thống từ xa.
Giao tiếp giữa khối xử lý trung tâm và khối thu phát Wifi sử dụng chuẩn giao tiếp không dây Wifi, tạo ra cầu nối để nhận và gửi dữ liệu Điều này cho phép giám sát và điều khiển các thiết bị ngoại vi từ xa thông qua Blynk Server.
Hệ thống hoạt động hoàn toàn nhờ vào nguồn năng lượng từ các tấm pin mặt trời, cung cấp điện cho các thành phần như khối xử lý trung tâm, khối thu phát Wifi, khối Relay, khối cơ cấu chấp hành, khối cảm biến, khối hiển thị, module L298N và động cơ DC điều khiển mái che.
− Chức năng của nó là lấy các giá trị như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, độ ẩm đất,… để gửi về khối xử lý trung tâm
Sử dụng màn hình HMI TJC để hiển thị giá trị từ khối cảm biến và khối thời gian thực, đồng thời điều khiển bật tắt khối Relay nhằm quản lý thiết bị hiệu quả.
• Khối điều khiển công suất
− Đóng vai trò là một công tắc điện từ được sử dụng để bật tắt các thiết bị như máy bơm, quạt, phun sương,…
• Khối cơ cấu chấp hành :
Các thiết bị này hỗ trợ điều chỉnh các thông số và cơ cấu của khu vườn, đảm bảo rằng vườn Lam luôn được chăm sóc trong điều kiện tối ưu nhất.
− Dùng để điều khiển cho động cơ mái che khi thời tiết có mưa hoặc không mưa.
THI CÔNG HỆ THỐNG
GIỚI THIỆU
Sau quá trình nghiên cứu, nhóm chúng tôi đã hoàn thiện sản phẩm, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu đề ra Các khối chức năng hoạt động chính xác và đồng bộ với nhau.
Kết quả từ chu kỳ hoạt động của mô hình cho phép điều khiển thiết bị ngoại vi, thực hiện các hoạt động chăm sóc và canh tác Nó cũng hiển thị thông số từ cảm biến ngoại vi lên màn hình HMI LCD, giúp người sử dụng dễ dàng quản lý Sau quá trình tính toán và thiết kế, nhóm đã lựa chọn thiết bị phù hợp và tiến hành thi công board mạch PCB, lắp ráp và kiểm tra mạch.
THI CÔNG HỆ THỐNG
Hình 4.1: Sơ đồ mạch in của hệ thống
Hình 4.2: Sơ đồ bố trí linh kiện trong mạch PCB 4.2.2 Thi công mạch hệ thống điều khiển
Dựa trên mô hình và sau khi tìm tòi nghiên cứu, nhóm em đã áp dụng danh sách các linh kiện cho mô hình theo bảng 4-1 sau đây:
Bảng 4.1: Danh sách linh kiện
Tên linh kiện Chức năng SL Giá
1 Arduino Mega 2560 Xử lý các tác vụ trung tâm 1 329.000 đ
2 Module ESP32 Giúp giám sát thiết bị từ xa qua Wifi 1 179.000 đ
3 Module relay 4 kênh Đóng vai trò như công tắc điện từ, cách ly điện giữa mạch tải và mạch điều khiển trung tâm
4 Module RTC DS3231 Cung cấp thông tin thời gian thực cho hệ thống 1 45.000 đ
5 Màn hình HMI TJC Hiển thị các giá trị và chế độ điều khiển của hệ thống 1 720.000 đ
6 Cảm biến DHT11 Đo nhiệt độ và độ ẩm không khí 1 15.000 đ
7 Cảm biến độ ẩm đất Đo độ ẩm của đất 1 12.000 đ
8 Cảm biến ánh sáng Giúp mô hệ thống tự động bật đèn 1 10.000 đ
9 Cảm biến mưa Giúp hệ thống phát hiện mưa, để điều khiển mái che 1 14.000 đ
10 Module công tắc hành trình Được sử dụng để dừng động cơ mái che khi đang di chuyển 2 24.000 đ
11 Quạt Thổi gió giúp điều tiết không khí cho hệ thống 1 25.000 đ
12 Động cơm bơm Bơm tưới nước cho vườn theo ngưỡng cài đặt 1 45.000 đ
13 Động cơ giảm tốc Là động cơ để điều khiển cho mái che đóng lại và mở ra 1 155.000 đ
14 Động cơ phun sương Phun sương tưới cho hoa 1 104.000 đ
15 Đèn Chiếu sáng cho hệ thống 1 25.000 đ
16 Terminal Dùng để cố định chân vào board cho các thiết bị ngoại vi 2 3.000 đ
17 Domino Dùng để cố định chân vào board cho các thiết bị ngoại vi 8 8.000 đ
18 Module L298N Dùng để điều khiển đổi chiều quay cho động cơ của mái che 1 25.000 đ
Hạ áp từ nguồn 12V xuống 5V cấp cho hệ thống
Hạ áp xuống 12V để cấp nguồn cho khối chấp hành
20 Đồng hồ đo điện áp và dòng điện
Dùng để đo dòng và áp mà mạch sử dụng 3 120.000 đ
21 Tấm pin năng lượng mặt trời poly 10W
Chuyển hóa quang năng thành điện năng để sạc cho bình ắc quy 1 210.000 đ
22 Bộ sạc năng lượng mặt trời Điều chỉnh quá trình sạc pin, đảm bảo pin sạc đúng cách, tránh sạc quá mức 1 85.000 đ
23 Bình ắc quy 12V-3.5Ah Nguồn cấp điện chính cho hệ thống 1 400.000 đ
24 Thanh nhôm định hình Dựng mô hình 13 650.000 đ
Tổng chi phí linh kiện được sử dụng cho mô hình là: 2.654.000 đồng
Tổng chi phí cho khung nhôm định hình 50cm và ốc cơ khí:
Tổng chi phí đã sử dụng : 2.654.000 + 925.000 = 2.654.925 đồng
4.2.3 Láp ráp và kiểm tra
Sau khi hoàn thành việc tính toán và thiết kế PCB, bước tiếp theo là in mạch, rửa mạch in và khoan lỗ cho chân linh kiện theo sơ đồ bố trí Tiếp theo, tiến hành hàn mạch và sử dụng VOM để kiểm tra thông mạch cũng như ngắn mạch các đường đồng và chân linh kiện, nhằm đảm bảo rằng mạch hoạt động hiệu quả.
Board ⊕ mạch ⊕ điều ⊕ khiển ⊕ trung ⊕ tâm
Mặt trước của board mạch điều khiển bao gồm 6 khối, trong đó khối xử lý trung tâm và khối module Wifi được cố định trên board Các khối còn lại sẽ kết nối với các Terminal và Domino thông qua dây bus.
Hình 4.3: Mặt trước board mạch điều khiển
Tiến hành kết nối các khối và module vào board mạch, ta có hình ảnh chi tiết của một board mạch hoàn chỉnh trong hình 4.5
Hình 4.5: Board mạch hoàn chỉnh
Hình trên là một board mạch hoàn chỉnh với đầy đủ các khối xử lý đã thi công được của hệ thống
4.2.4 Đóng gói bộ điều khiển
Để xác định hoạt động của mạch bình thường, chúng ta tiến hành đóng hộp các khối điều khiển Sử dụng hộp đựng bộ điều khiển trung tâm bằng nhựa ABS với kích thước 265mm x.
185mm x 95mm( dài x rộng x cao) để chứa board mạch điều khiển chính
Hình 4.6: Tủ điện thực tế 265x185x95 mm
Hình 4.7: Sơ đồ kích thước và bố trí linh kiện trên tụ điện
• Mặt phía trước của bộ điều khiển bao gồm :
− Màn ⊕ hình ⊕ hiển ⊕ thị và điều ⊕ khiển HMI
− Hai đồng hồ đo điện áp và dòng điện cho khối cơ cấu chấp hành
− Bộ điều khiển năng lượng mặt trời 12/24 VDC
4.2.5 Thi công mạch sạc pin năng lượng mặt trời cho mô hình
Sau khi hoàn thành thiết kế sơ đồ nguyên lý của mạch, chúng ta tiến hành kết nối dây và sử dụng nguồn năng lượng được sạc từ các tấm pin mặt trời để cung cấp cho hệ thống.
• Bình ắc quy 12V- 3.5Ah để cấp cho nguồn cho toàn bộ mô hình
• Đồng hồ đo A,V cho điện áp từ tấm pin đi vào bộ điều khiển sạc năng ⊕ lượng ⊕ mặt ⊕ trời
• Tấm pin ⊕ năng ⊕ lượng ⊕ mặt ⊕ trời poly 10W với kích thước 360x240x15 mm
Hình 4.8: Mặt trên tấm pin năng lượng mặt trời
Sau khi xem xét kỹ lưỡng, nhóm đã quyết định chọn tấm pin năng lượng mặt trời poly 10W cho mô hình vườn hoa của mình.
Với giá thành hợp lý, kích thước phù hợp và các thông số kỹ thuật như dòng định danh 0.56A và điện áp 18V, sản phẩm này hoàn toàn đáp ứng được mô hình mà nhóm đã tính toán và thiết kế.
Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời là thiết bị quan trọng trong hệ thống năng lượng tái tạo Nó sử dụng đồng hồ đo điện áp và dòng điện để sạc bình ắc quy, với điện áp và dòng điện thay đổi liên tục Sự biến đổi này tỷ lệ thuận với lượng ánh nắng mặt trời mà tấm pin hấp thụ, giúp tối ưu hóa hiệu suất sạc.
4.2.6 Thi công và lắp ráp mô hình hoàn chỉnh
Sau khi hoàn tất lắp ráp và kiểm tra mạch, nhóm bắt đầu thi công mô hình theo yêu cầu đề tài Mô hình này bao gồm một hộp chứa bộ điều khiển trung tâm, trong đó có board PCB trung tâm của hệ thống, màn hình HMI và bộ điều khiển năng lượng mặt trời.
• Mô hình sẽ được xây dựng bằng khung nhôm định hình 20x20 có chiều dài 50cm để kết nối các linh kiện cơ khí với số lượng 13 thanh
• Hộp đựng bộ điều khiển trung tâm với kích thước 265mm × 185mm × 95mm (dài × rộng × cao)
• Sử dụng 13 thanh nhôm định hình với chiều dài 50cm và các con ốc vít để có định các thanh nhôm định hình
• Ống tưới: Ống tưới dẻo trong suốt đường kính 12mm
• Ống phun sương: Ống khí nén trong suốt đường kính 8mm
• Đầu tạo hơi sương: Sử dụng béc phun đầu ống 8mm với số lượng 3 cái
• Sử dụng đầu nối thẳng PG8-12: Đầu nối thẳng với đường kính mỗi đầu tương ứng với 8mm và 12mm
• Sử dụng thanh Vitme T8 400mm, bước 2 kèm đai ốc cho mái che mô hình
Bộ điều khiển và mô hình sau khi nhóm thi công:
Hình 4.10: Giao diện mặt trước của tụ điều khiển sau khi hoàn thiện
Hình 4.11: Sơ đồ bố trí bên trong các khối của bộ điều khiển
− Hình 4.8: Giao ⊕ diện ⊕ mặt ⊕ trước ⊕ của ⊕ tụ ⊕ điều ⊕ khiển ⊕ theo bố cục ⊕ đã ⊕ thiết ⊕ kế hoàn thiện
− Hình 4.9 Giao ⊕ diện bố trí bên ⊕ trong của bộ tụ điều ⊕ khiển sau khi đã hoàn ⊕ thiện
Hình 4.12: Mô hình hoàn chỉnh của hệ thống nhìn từ mặt trước
Hình 4.14: Mô hình hoàn chỉnh của hệ thống nhìn từ bên trái
Hình 4.15: Mô hình hoàn chỉnh của hệ thống nhìn từ phía sau.
XÂY DỰNG GIAO DIỆN
4.3.1 Thiết kế giao diện cho màn hình HMI
Nhóm chúng em sử dụng màn hình cảm ứng HMI để điều khiển toàn bộ hệ thống, kết hợp với phần mềm USART HMI nhằm tạo giao diện và thao tác nút trên màn hình Hệ thống được giám sát hoàn toàn qua ứng dụng Blynk và màn hình HMI Màn hình HMI bao gồm bốn trang chức năng: một trang chờ, một trang điều khiển, một trang cài đặt ngày giờ và thời gian hoạt động, cùng với một trang bàn phím hệ thống.
Hình 4.16: Trang chờ của màn hình HMI
• Trang chờ trên màn hình HMI gồm có:
− “ Logo ⊕ trường, ⊕ tên ⊕ trường ⊕ và ⊕ tên ⊕ khoa
− Tiếp theo, dòng phía dưới là tên đề tài nhóm sẽ thực hiện của đồ án tốt nghiệp:
“THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VƯỜN LAN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ’’
− Cuối cùng là tên của thầy hướng dẫn nhóm thực hiện đề tài: ThS.Võ Đức Dũng
Khi hệ thống được khởi động, trang chính sẽ hiển thị trên màn hình chờ (hình 4.16) Để truy cập thông số, chế độ điều khiển và các chức năng khác, người dùng chỉ cần chạm nhẹ vào màn hình.
Trang hiển thị trong Hình 4.17 cung cấp thông tin chi tiết về các thông số từ cảm biến, thời gian thực từ khối DS3231 và chế độ điều khiển của hệ thống.
Hình 4.17: Trang hiển thị các thông số và chế độ điều khiển
Trang điều khiển quan trọng nhất của hệ thống, như được thể hiện trong hình 4.17, hiển thị các chức năng thiết yếu bao gồm nhiệt độ, độ ẩm, độ ẩm đất, ánh sáng, mưa và thời gian thực Ngoài ra, nó còn tích hợp các nút điều khiển cho đèn, bơm, phun sương và quạt.
Trên trang điều khiển, người dùng có thể theo dõi các thông số của vườn hoa và điều khiển thiết bị Ở chế độ thủ công, người dùng thực hiện thao tác bằng tay qua các nút điều khiển trên màn hình, trong khi chế độ tự động cho phép hệ thống tự điều chỉnh thiết bị dựa trên các ngưỡng thông số đã được cài đặt.
Khi nhấn vào ô thời gian thực, trang hiển thị cùng với bàn phím sẽ xuất hiện, cho phép người dùng điều chỉnh thời gian bật tắt thiết bị ở chế độ thủ công.
Hình 4.18: Trang hiển thị thời gian thực và thời gian bật tắt
Người dùng có thể điều chỉnh thời gian sai lệch với múi giờ chính xác và hẹn giờ bật tắt thiết bị ở chế độ bằng tay trên trang hiển thị.
4.3.2 Thiết kế giao diện cho App Blynk
Nhóm em đã sử dụng nền tảng Blynk để giám sát và điều khiển hệ thống, một ứng dụng di động cho phép người dùng tương tác dễ dàng với các bộ vi điều khiển như Arduino, ESP8266, ESP32 và Raspberry Pi thông qua Internet.
• Giao diện với app Blynk gồm:
− Trang giám sát và điều khiển.
− Trang biểu đồ về nhiệt độ, ⊕ độ ⊕ ẩm không ⊕ khí ⊕ và ⊕ độ ⊕ ấm ⊕ đất.
Giao diện trên ứng dụng Blynk cho trang giám sát và điều khiển tương tự như giao diện trên màn HMI, với năm thông số hiển thị và các chế độ điều khiển có sẵn trên ứng dụng.
− Các giá trị này khi điều khiển sẽ được đồng bộ giữa phần cứng và phần ⊕ mềm ”
Hình 4.19: Giao diện của App Blynk.
KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ
KẾT QUẢ THỰC HIỆN MÔ HÌNH
Trong phần này, nhóm chúng tôi sẽ trình bày và đánh giá những kết quả đạt được từ quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài Các kết quả này bao gồm mô hình phần cứng và phần mềm, cùng với việc kiểm tra hoạt động và các chức năng của hệ thống.
Sau một thời gian nghiên cứu tài liệu chuyên ngành bằng tiếng Việt và tiếng Anh, cùng với việc tìm hiểu trên Internet, nhóm chúng tôi đã tổng hợp kiến thức trong 4 năm học Nhờ sự hỗ trợ nhiệt tình từ ThS Võ Đức Dũng, chúng tôi đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp với đề tài "Thiết kế và thi công mô hình chăm sóc vườn Lan tự động sử dụng năng lượng mặt trời".
Sau thời gian nghiên cứu và thi công mô hình hệ thống thì nhóm em đã đạt được những kết quả sau:
Mô hình hệ thống trồng hoa Lan được thiết kế để thu thập dữ liệu nhiệt độ và độ ẩm không khí thông qua cảm biến DHT11, đồng thời đo độ ẩm trong đất bằng cảm biến độ ẩm đất Hệ thống cũng có khả năng nhận biết ánh sáng nhờ cảm biến ánh sáng và xác định thời tiết có mưa hay không thông qua cảm biến mưa Ngoài ra, nó tích hợp module thời gian thực để theo dõi thời gian trong ngày và cho phép hẹn giờ bật tắt các thiết bị ở chế độ thủ công.
Có thể khống chế được các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, độ ẩm đất, ánh sáng, thời tiết bằng cách:
− Đóng mở mái che tự động khi thời tiết có mưa
− Bật tắt đèn để chiếu sáng
− Hệ thống phun sương làm mát để khống chế độ ẩm không khí
− Hệ thống tưới nước để khống chế độ ẩm đất
− Bật quạt để khống chế nhiệt độ khu vườn
− Có thể điều chỉnh bằng tay trực tiếp hoặc là điều khiển tự động thông qua màn hình điều khiển
− Có thể giám sát từ xa các chế độ và thông số môi trường thông qua Internet
− Thiết kế và sử dụng ứng dụng Blynk từ xa bằng điện thoại thông minh.
GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN CỦA HỆ THỐNG
5.2.1 Giao diện màn hình chờ
Sau khi hệ thống được cấp nguồn, màn hình hiển thị một màn hình chờ Để truy cập giao diện điều khiển, người dùng chỉ cần chạm nhẹ vào màn hình điều khiển để chuyển sang chế độ điều khiển.
Hình 5.1: Màn hình chờ của hệ thống 5.2.2 Giao diện màn hình chính của hệ thống
Khi chạm vào màn hình chờ, người dùng sẽ được chuyển đến màn hình quan sát và điều khiển chính của hệ thống Tại đây, có hai chế độ điều khiển: chế độ tự động và chế độ thủ công, trong đó chế độ thủ công là mặc định khi hệ thống khởi động.
Hình 5.2: Chế độ bằng tay ở màn hình điều khiển chính
Mô tả: Ở chế độ thủ công thì người dùng có thể tùy ý bật tắt các thiết bị bằng
Hình 5.3: Chế độ tự động ở màn hình điều khiển chính
Mô tả: Ở chế độ tự động thì hệ thống sẽ tự bật tắt các thiết bị căn cứ trên các thông số đã được cài đặt từ trước
5.2.3 Giao diện chỉnh thời gian và hẹn thời gian bật tắt của hệ thống
Khi ta bấm vào ô thời gian và ngày tháng trên màn hình điều khiển chính thì lập tức trang giao diện thời gian sẽ hiện lên
Hình 5.4: Giao diện chỉnh thời gian và hẹn giờ
Trang giao diện này cung cấp hai chức năng chính: chỉnh sửa múi giờ và hẹn giờ bật tắt thiết bị Để điều chỉnh giờ hoặc thiết lập hẹn giờ, bạn chỉ cần chạm vào ô thời gian mong muốn, sau đó bàn phím sẽ xuất hiện cho phép bạn nhập thời gian cần thiết để căn chỉnh hoặc bật tắt thiết bị (hình 5.5).
Hình 5.5: Bàn phím ở giao diện thời gian
Bàn phím hiển thị trong hình 5.5 cho phép người dùng cài đặt lại ngày và giờ theo múi giờ hiện tại, đồng thời nhập và xóa thời gian bật tắt cho thiết bị Đây là màn hình mặc định của ứng dụng HMI USART, và người dùng có thể tự thiết kế giao diện đẹp hơn và thử nghiệm chúng.
KẾT QUẢ CHẠY THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG
5.3.1 Quá trình chạy trên phần cứng của hệ thống
Sau khi cấp nguồn thì hệ thống bắt đầu hoạt động, các cảm biến và các thiết bị bắt đầu hoạt động
Màn hình điều khiển và hiển thị HMI sẽ bắt đầu tiếp nhận dữ liệu từ các cảm biến Chế độ mặc định được chọn sẽ là chế độ thủ công.
Hình 5.6: Bảng điều khiển hệ thống khi ở chế độ thủ công
Màn hình HMI sẽ hiển thị 6 giá trị tương ứng với các cảm biến và module RTC, bao gồm cảm biến DHT11, cảm biến độ ẩm đất, cảm biến quang, cảm biến mưa và module DS3231.
Sử dụng hai đồng hồ đo dòng và áp, đồng hồ bên trái sẽ theo dõi dòng và áp của các thiết bị trên board xử lý trung tâm, trong khi đồng hồ bên phải đo thiết bị tải sử dụng nguồn 12V Khi ở chế độ thủ công, người dùng cần thao tác trực tiếp trên màn hình để bật thiết bị Ban đầu, không có thiết bị nào được bật, nên đồng hồ bên phải hiển thị 0.00A Để bật thiết bị đèn, người dùng chạm vào nút trên màn hình; khi nút chuyển từ màu đỏ sang xanh, đèn đã hoạt động.
Hình 5.7: Đèn đã được bật khi ở chế độ thủ công
Hình 5.7 minh họa quá trình bật đèn bằng tay ở chế độ thủ công, khi đó đèn sẽ sáng lên Đồng hồ bên phải sẽ đo dòng tiêu thụ, cho thấy quạt tiêu thụ 0.39A.
Để làm mát cho mô hình hệ thống, trong chế độ thủ công, bạn chỉ cần chạm nhẹ vào màn hình HMI tại ô thiết bị quạt Khi ô thiết bị quạt chuyển sang màu xanh, điều đó có nghĩa là quạt đã bắt đầu hoạt động.
Hình 5.8: Quạt đã được bật khi ở chế độ thủ công
Hình 5.8 minh họa cách quạt được khởi động bằng tay ở chế độ thủ công, khi đó quạt sẽ hoạt động và đồng hồ bên phải sẽ đo dòng tiêu thụ, với giá trị dòng tiêu thụ cho quạt là 0.25A.
Hình 5.9: Phun sương đã được bật khi ở chế độ thủ công
Khi nhấn nút phun sương ở chế độ thủ công trên màn hình điều khiển, nút sẽ chuyển sang màu xanh, cho thấy bơm đã hoạt động và bắt đầu phun sương cho vườn hoa lan Hình ảnh minh họa (hình 5.10) bên dưới giúp chúng ta dễ dàng nhận thấy quá trình này.
Hình 5.10: Phun sương đang tưới trong vườn hoa Lan
5.3.1.2 Ở chế độ tự động Ở chương trình hoạt động của chế độ tự động, bộ xử lý trung tâm sẽ căn cứ trên những thông số cài đặt sẵn và đem so sánh với các thông số giá trị của cảm biến gửi về để thực thi các việc bật tắt thiết bị để khống chế các thông số môi trường mà cảm biến nhận được
Khi chuyển từ chế độ thủ công sang chế độ tự động, hệ thống sẽ dựa vào các ngưỡng đã được cài đặt trước để tự động bật các thiết bị.
Hình 5.11: Chế độ chương trình tự động(về ban đêm)
Trong chế độ tự động hình 5.11 (thử nghiệm mô hình vào ban đêm), quạt và bơm sẽ tự động hoạt động theo các thông số đã được cài đặt trước Khi cảm biến ghi nhận không có ánh sáng, mức cảm biến sẽ ở 1, và đèn sẽ tự động bật Nếu độ ẩm đất nằm trong khoảng 0-55%, bơm sẽ được kích hoạt; ngược lại, nếu độ ẩm trên 55%, bơm sẽ tắt Trong trường hợp này, cảm biến ghi nhận độ ẩm chỉ đạt 15%, do đó bơm sẽ hoạt động Đồng hồ đo dòng điện sẽ hiển thị tổng dòng tiêu thụ của hai thiết bị, với giá trị là 0.54A.
Hình 5.12: Chế độ chương trình tự động(về ban ngày)
Hệ thống tự động hoạt động vào ban ngày, như thể hiện trong hình 5.12, cho thấy nhiệt độ không khí đã đạt 66%, vượt ngưỡng cài đặt cho phép, dẫn đến việc phun sương tự động bật Đồng thời, nhiệt độ đạt 32°C cũng vượt ngưỡng cho phép, khiến quạt khởi động Đồng hồ đo điện áp và dòng điện ghi nhận tổng dòng tiêu thụ của quạt và phun sương là 0.71A.
Ta có thể thấy rõ hơn quạt và phun sương được bật dưới đây (hình 5.13 và 5.14)
Hình 5.13: Phun Sương được bật ở chế độ tự động(ban ngày)
Hình 5.14: Quạt được bật ở chế độ tự động(ban ngày)
Hình 5.13 và 5.14 thể hiện kết quả từ chế độ tự động, trong đó các giá trị cảm biến được so sánh với các giá trị cài đặt sẵn Theo hình 5.12, cảm biến DHT11 ghi nhận nhiệt độ và độ ẩm không khí đã vượt ngưỡng cài đặt cho cây hoa, dẫn đến việc quạt và hệ thống phun sương được kích hoạt để điều chỉnh các thông số này, nhằm tối ưu hóa việc chăm sóc cây hoa Lan Vào ban ngày, ánh nắng mặt trời cung cấp năng lượng cho tấm pin mặt trời, giúp nạp điện cho bình ắc quy để lưu trữ năng lượng.
Hình 5.15: Ánh sáng mặt trời nạp vào ắc quy
Khi có ánh sáng, đồng hồ năng lượng mặt trời sẽ hiển thị thông báo trên màn hình LCD, cho biết quá trình sạc pin đang diễn ra Năng lượng thu được sẽ được lưu trữ vào bình ắc quy.
5.3.1.3 Ở chế độ hẹn giờ bật tắt thiết bị
Vào lúc 1 giờ 37 phút, thiết bị đèn được bật (hình 5.16) Tiếp theo, giao diện hẹn giờ bật tắt được thiết lập vào lúc 1 giờ 38 phút (hình 5.16) Sau khi đồng hồ điểm 1 giờ 38 phút, đèn đã tự động tắt (hình 5.17).
Hình 5.16: Đèn đang được bật ở chế độ hẹn giờ
Chế độ hẹn giờ sẽ được sử dụng cho chương trình thủ công, để tránh trường hợp người sử dụng bật thiết bị và quên tắt
Để kiểm tra chương trình hẹn giờ, đầu tiên bạn cần bật đèn Sau đó, để thiết lập thời gian bật tắt, hãy chạm nhẹ vào ô thời gian thực được khoanh tròn trên màn hình (hình 5.16) Khi đó, thời gian thực của hệ thống hiển thị là 1 giờ 37 phút, và sau khi bấm, giao diện chỉnh giờ và hẹn giờ sẽ xuất hiện (hình 5.4).
Hình 5.17: Hẹn giờ tắt cho thiết bị