Đồ án tốt nghiệp thiết kế hệ thống tưới tiêu bằng năng lượng mặt trời

MỤC LỤC MUC LUC HINH ANH MUC LUC BAN8 GIỚI THIỆU CHUNG Giới thiệu hệ thống tưới nước tự động Ứng dụng của tự động hóa trong tưới tiêu Phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Kết quả m

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU BẰNG NĂNG

LUONG MAT TROI NGUYEN VAN A nguyenvanabc@sis.hust.edu.vn

Nganh KT Diéu khién & Tự động hóa

Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Phạm Văn ABC

Chữ ký của GVHD

Trường: Điện — Điện tử

HA NOI, 8/2023

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA HÀ NAM

NHIỆM VỤ

DO AN TOT NGHIỆP

Họ và tên sinh vIÊH: ccccccceceecsecnsceseeeecsceeceenetneavececess

Khóa Trường: Điện- Điện tử Ngành: KT

Lời cảm ơn Đây là mục tùy chọn, nên viết phần cảm ơn ngắn gọn, tránh dùng các từ sáo rỗng, giới hạn trong khoảng 100-150 từ.

Tóm tắt nội dung đồ án Tóm tắt nội dung của đồ án tốt nghiệp trong khoảng tối đa 300 chữ Phần tóm tắt cần nêu được các ý: vấn đề cần thực hiện; phương pháp thực hiện; công cụ sử dụng (phần mềm, phân cứng ); kết quả của đồ án có phù hợp với các vấn đề đã đặt ra hay không: tính thực tế của đồ án, định hướng phát triển mở rộng của đồ án (nếu có); các kiến thức và kỹ năng mà sinh viên đã đạt được

Sinh viên thực hiện

MỤC LỤC

MUC LUC HINH ANH

MUC LUC BAN8

GIỚI THIỆU CHUNG

Giới thiệu hệ thống tưới nước tự động

Ứng dụng của tự động hóa trong tưới tiêu

Phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu

Kết quả mong muốn

THIET KE HE THÓNG BƠM TƯỚI

Xây dựng bài toán cho hệ thống

Xác định công suất máy bơm

Xác định phương pháp tưới tiêu

Xác định nguồn

Xác định cảm biến độ âm và nhiệt độ

Các phần tử quan trọng của hệ thông

So đồ khối lựa chọn nguồn điện

Sơ đồ đầu dây

Sơ đồ giải thuật điều khiên

4.3 Hướng phát triển đề tài

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Phụ lục 34

32 33

MUC LUC HINH ANH

Hinh 1.2 Hé thong phum suong c.cccccccccscscssesesessestesessvsesssevsssesesevevseseess 10 Hình 2.1 Module nguồn 12V.o ceccecccccscsccssescssessesesssesesesseesvssesesecsvsesveeeseeetens 13

Hình 2.2 Module ESP32 5 s2 2 1211211211211 11211 rree 14 Hinh 2.3 Pin va Pout ESP32 -s- 2c cọc HH H212 121g 14 Hình 2.4:DHT1I Module - 5c s5 91 EE11221271121127E11E.ExEcerrreo 17 Hình 2.5:Sơ đỗ kết nối DHTI l - 2-2221 EE‡EEEEEEEE212217122121 2E ertre 17 Hình 2.6:LCTD lốX2 5 S1 1 1E 112112112211 110221221211 2n eo 19

Hình 2.7:I2C moduÌe - QC 2211112222511 1 1111251111111 11 1111k kTnkEEnEEnkEEEEEt 20 Hình 2.8:Module RơL,e 1 kênh - - T211 S2 9211111 E Tnhh 20 Hình 2.9:Máy bơm nước áp lực CaO Q0 2 1 2111222 HH key 22 Hình 2.12:Bộ điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời - 55 cccsesrei 22

Hình 2.13:Kích thước và sơ đồ kết nồi 2252 SE E2 ren 23

Hinh 2.14:Tam pm năng lượng mặt trời Mono I§V LSW 25 Hình 3.1 Sơ đồ khối lựa chọn nguồn ši 01 eee ceecccececccccccccesessessnstttttseeesanes 26

Hình 3.4: Phần mềm điều khiển 22 Ss3 335155 551555152151115511111125 15555 xe 29

MỤC LỤC BẢN

Bang 2.2 Dién đạt chân I/O ESP32 55 s2 T222 se rrere 12

Bảng 2.10 Thông số kỹ thuật Sea YF-S201Œ€ DNI5 -2- c sec 21

Bang 2.12 Thông số kỹ thuật Pin Mono 18V 15W 552ccc se 24

CHUONG 1 GIOI THIEU CHUNG

1.1 Giới thiệu hệ thống tưới nước tự động

Bài toán hệ thông tưới tiêu bằng năng lượng mặt trời là một chủ đề quan trọng

và cấp bách trong nông nghiệp và quản lý tài nguyên nước Nó tập trung vào phát triên và triển khai hệ thông tưới năng lượng mặt trời để tối ưu hóa việc cung cấp nước cho cây trồng mà không ảnh hưởng đến môi trường và tiết kiệm năng lượng

Hệ thong diéu khién tu động là một mạng lưới phức tạp của các thành phân kết nối với nhau, được thiết kế đề quản lý các quá trình tự nhiên và hàng ngày mà không cần sự can thiệp trực tiếp của con người

Hệ thống điều khiển tự động bao gồm các yếu tô vật lý tương tác và ảnh hưởng

lẫn nhau đề điều chỉnh, tự điều chỉnh hoặc điều khiển một hệ thong khác

1.2 Ứng dụng của tự động hóa trong tưới tiêu

Lịch sử hoàn thiện của công cụ, phương tiện sản xuất phát triển trên cơ sở cơ giới hóa và điện khí hóa Khi có những đột phá mới trong lĩnh vực công nghệ vật liệu và tiếp theo là điện tử va tin hoc thì công nghệ tự động có cơ hội phát triển mạnh mẽ, đem lại muôn vàn lợi ích thiết thực cho xã hội Đó là mắấu chốt của năng suất, chất lượng, giá thành

Trong thực tiễn khi áp dụng tự động hóa vào sản xuất sẽ mang lại những hiệu quả không nhỏ cho phép giảm giá thành và nâng cao năng suất lao động, cải thiện điều kiện sản xuất, đáp ứng cường độ cao về sản xuất hiện đại, thực hiện chuyên môn hóa và hoán đổi sản xuất Từ đó sẽ tăng khả năng cạnh tranh, đáp ứng yêu cầu sản xuất

Ngày nay, hệ thống điều khiến tự động xuất hiện phố biến trong nhiều ứng dụng, chẳng hạn như:

- _ Hệ thống điều hòa không khí

- _ Hệ thống tưới nhỏ giọt: Nước tưới thành từng giọt đến chính xác vị trí của gốc cây Phương pháp tưới này thích hợp để tưới cho các gốc cây

lớn trong vườn, chậu cây cảnh, hàng rào cây, bức tường cây, khau rau trồng ở ban công

Hinh 1.1 Hệ thống tưới nhỏ giọt

"_ Tiết kiệm nước tối đa

=_ Không làm nước văng tung tóe ra xung quanh, hạn chế sự phát triển của cỏ dại mọc quanh gốc cây

“ Có thê ứng dụng cho nhiều khu vườn, nhiều địa hình khác nhau

"_ Áp suất nước tưới đồng đều cho toàn bộ các gốc cây ở những vị trí khác nhau

“ Nước tưới đều, không bỏ sót khu vực nảo

"Có thể điều chỉnh được lưu lượng nước tưới ở từng khu vực và từng gốc cây

"_ Ứng dụng tưới cho nhiều loại cây khác nhau

® Nhược điểm:

“_ Nước dễ văng tung tóc ra lỗi đi

"_ Lưu lượng nước tưới lớn

- _ Hệ thống tưới cỏ: Nêu khuôn viên khu vườn được trồng những mảng cỏ xanh thì một hệ thống tưới cỏ là giải pháp thích hợp nhất giúp cỏ duy trì

vẻ xanh tươi mỗi ngày

“ Có thê điều chỉnh bán kính tưới và lưu lượng nước tưới

® Nhược điểm:

“_ Lưu lượng nước hao tôn rất lớn

“ Quy trình lắp đặt phức tạp, cần phải tính toán kỹ lưỡng

= Kha nang img dung thap, chi thích hợp để tưới cho mảng

co

Hãng robot Droplet giới thiệu robot tưới cây tích hợp những công nghệ tự động mới nhất, điện toán đảm mây và một số địch vụ kết nối khác cho phép Droplet có khả năng tự động ngắm hướng vòi phun, lượng nước và tần suất tưới đề tự động tưới nước cho cây theo những lịch trình tự tính toán dựa trên phân tích các dữ liệu đầu vào Droplet là l chiếc vòi phun tự động có khả năng tự điều chỉnh hướng dong nước phun ra từ ông đến thân cây trong bán kính 9,14 mét [1]

Hiện nay cũng có rất nhiều đề tài nghiên cứu về hệ thống tưới tiêu cho nền nông nghiệp và một sô các đề tài nghiên cứu nôi bật như:

- Dé tai hé thông tưới tiêu cho nên nông nghiệp hữu cơ ở Saudi Arabia, Nông nghiệp hữu cơ đã được công nhận là có nhiều hứa hẹn ở A Rap Saudi Chính phủ Saudi da bat dau khuyén khich các hoạt động canh tác thân thiện với môi trường hơn trong những năm gan day [2]

- - Đề tài hệ thống tưới tiêu thông minh bằng trí tuệ nhân tạo, đề tài được thực hiện với sự hỗ trợ của các thuật toán trí tuệ nhân tạo và hệ thông tưới tiêu được tính toán kỹ lưỡng [3|

1.3 Phạm vi nghiên cứu

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu

ESP32

DHTII (cảm biến nhiệt đô/độ âm)

Bộ chuyển điện Pin mặt trời và Pin thường

Phần mềm điều khiên được viết bằng ngôn ngữ C#

143.2 Kết quả mong muốn

Dựa vào cảm biến nhiệt độ và độ âm đo được nhiệt độ không khí và độ am dat

đề điêu khiên nguồn nước câp cho cây trông

Có cảm biến lưu lượng nước đề kiểm soát lượng nước cấp cho tưới tiêu

CHƯƠNG 2 THIET KE HE THÓNG BƠM TƯỚI

2.1 Xây dựng bài toán cho hệ thống

Hệ thống tưới cây tự động đã và đang được ứng dụng rộng rãi Việc tưới cây

tự động sẽ làm tăng hiệu quả canh tác như: giảm thời gian lao động, tiết kiệm nước, tăng năng suất cho cây trồng

Tuy nhiên đề đạt được hiệu quả cao nhất cần tính toán kĩ về đặc tính cây trồng cũng như điều kiện vùng và nguồn nước cấp cho hệ thống

Máy bơm nước, các van điện từ Hệ thống đường ống chính và phụ Các đầu phun tưới (có hoặc không tùy vào phương pháp tưới ) Bộ điều khiển tự động đóng ngắt may bơm hoặc các van điện từ Bộ điều khiển pin năng lượng mặt trời phụ trách sạc ắc quy và cấp nguồn hệ thông

Các phương án lựa chọn trên có thê thay đôi được tùy theo vùng miền, loại cây, mùa và thời tiết Thiết kế bộ hẹn giờ tự động, đến giờ cài đặt hệ thống hoạt động, bơm được bật lên và tùy thuộc vào khoảng độ âm và quyết định đến thời gian đóng bơm

2.1.1 Xác định công suất máy bơm

Máy bơm 1,5 HP thông thường thường có công suất 15-36 m3/giờ (ghi trên nhãn) Nói chung, máy bơm nước có cùng công suất tiêu thụ điện năng có khả năng nâng cao mực nước nếu công suất máy bơm thấp và ngược lại

Chọn loại máy bơm phù hợp dựa vào độ cao của cột nước (đo từ đáy giếng, hồ

— nơi đặt đầu ắc quy, đến nơi nước được bơm lên cao nhất) Như câu hỏi cụ thể ở trên, nếu cột nước <5m thì ta có thê chọn may bơm nude 1,5HP, luu lượng tưới 25-

35 m3/giờ, vì trong thực tế sử dụng ta có thê tăng giảm thời gian tưới một chút Đảm bảo lượng nước tưới đáp ứng yêu cầu của chúng ta Nếu cột nước tưới cao và điện tích tưới không lớn thì nên chọn máy bơm nước có công suất nhỏ hơn và ngược lại

2.1.2 Xác định phương pháp tưới tiêu

Nếu điện tích tưới nhỏ, có thể bỏ qua các ống nhánh và có thê nối trực tiếp các ống phân phôi vào ông chính Phương pháp tưới tràn, ống nhánh 4 được thay thành mương, rãnh; ống cấp 5 được thay bằng mương phụ

Đối với các phương pháp tưới nêu trên, theo tôi, kinh phí đầu tư của nông dân rat hạn chế, nhất là trong giai đoạn đầu xây dựng cơ sở hạ tầng, có hàng chục việc phải nhắm đến nên lựa chọn phương thức

Phương pháp tưới nào phù hợp nhất? Cần cân nhắc và tính toán mức ngân sách phù hợp cho nhà đầu tư Khi đến vụ thu hoạch, chúng ta có thé cai tao, bố sung hệ

thống tưới tiêu đê hoàn thiện.

2.1.4 Xác định cảm biến độ ấm và nhiệt độ

Cũng tùy vào chị phí vốn có thê lựa chọn rất nhiều cảm biến độ âm và nhiệt độ khác nhau Việc chọn cảm biến độ âm sẽ còn tùy thuộc mục đích của người dùng, có loại cảm biến đo được độ âm trong đất với khá năng chống ăn mòn của chất đất ở nơi trồng hoặc là loại cảm biến chỉ dùng để đo độ âm có trong không khí với độ chính xác cao Với cảm biến nhiệt độ sẽ tùy vào độ chính xác của mỗi loại cảm biến

và khả năng độ rộng nhận diện của cảm biên đó

Ở đồ án này với quy mô phòng thí nghiệm vì vậy ta sẽ chọn cảm biến có giá thành rẻ và độ chính xác cao nhất có thể Với các nhu cầu trên thì tác giả chọn cảm

biến DHT11 đề thực hiện đồ án này

2.2 Các phần tử quan trọng của hệ thống

2.2.1 Mạch điều khiến trung tâm

ESP32 là sự nâng cấp hoàn hảo của ESP8266, với ESP§266 phù hợp với các

dự án nhỏ và tiết kiệm chỉ phí ESP32 lại phù hợp với các dự án phức tạp hơn, tốc

độ xử lý cao hơn và tích hợp nhiều ngoại vi mạnh mẽ hơn [4]

Hình 2.3 Module ESP32

Ne Troucks Jancis] cr1033 SAO

PW coors [scx J vse cK]

—\ AEE SET

aN, 9_“ AE [X77

Bang 2.1 Diễn đạt chan I/O ESP32

GPIO Pin | Input | Output Special functions

0 pulledup| OK outputs PWM signal at boot

1 TX pin OK debug output at boot

2 OK OK connected to on-board LED

3 OK RX pin HIGH at boot

4 OK OK

5 OK OK outputs PWM signal at boot

6 x x connected to the integrated SPI flash

7 x x connected to the integrated SPI flash

8 x x connected to the integrated SPI flash

9 x x connected to the integrated SPI flash

10 x x connected to the integrated SPI flash

II X X connected to the integrated SPI flash

12 OK OK boot fail if pulled high

13 OK OK

14 OK OK outputs PWM signal at boot

15 OK OK outputs PWM signal at boot

16 OK OK

17 OK OK

18 OK OK

GPIO Pin Input Output Chức năng đặc biệt

0 pulledup| OK outputs PWM signal at boot

1 TX pin OK debug output at boot

2 OK OK connected to on-board LED

3 OK RX pin HIGH at boot

Pins 30, 36, or 38 (depending on the model)

Peripherals Capacitive touch, ADC (analog to digital converter), DAC

(digital to analog converter), I2C (Inter-Integrated Circuit), UART (universal asynchronous receiver/transmitter), CAN 2.0

(Controller Area Netwokr), SPI (Serial Peripheral Interface), I2S (Integrated Inter-IC Sound), RMIT (Reduced Media-Independent Interface), PWM (pulse width modulation), and more

Hinh 2.5:DHT11 Module VDD VDD

Response Time 1/e(63%)25°C,

(Seconds) Im/s Air 63 105 15S

kết nối với Arduino, chúng ta chỉ cần đùng 4 đây (VCC, GND, SDA, SCL) dé diéu

khiển LCD ít hơn là không kết hợp I2C, nên có thê thấy thoái mái và ít khó khăn

hơn mà I2C mang lại cho nhà phát triển và giá của I2C thấp

Giao thức I2C cung cấp khả năng liên lạc dễ dàng mà không mất dữ liệu Nó cũng cho tốc độ tuyệt vời so với các giao thức khác I2C chỉ sử dụng hai dây đề liên lạc có trọng lượng nhẹ, kinh tế và có mặt khắp nơi Nó cũng làm tăng tộc độ truyền

dữ liệu Mục tiêu của việc phát triển giao thức là để có được giao tiếp tốc độ cao và kiểm soát các thanh ghi bên trong thiết bị cũng như dữ liệu có thê được lưu trên các thanh ghi, thông qua đó chúng ta có thê kiểm soát các thông số khác nhau I2C được

sử dụng trong giám sát dữ liệu đề đảm bảo độ chính xác và hiệu quả Phương pháp