THIẾT kế VÀ THI CÔNG bộ THU THẬP THÔNG TIN TẠI CHỖ, từ XA CHO mô HÌNH NĂNG LƯỢNG mặt TRỜI TÍCH hơp PHÁT điện, nước NÓNG, LỌC nước

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 1/81 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ THU THẬP THÔNG TIN TẠI CHỖ, TỪ XA CHO MÔ HÌNH NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TÍCH HƠP PHÁT ĐIỆN, NƯỚC NÓNG, LỌC NƯỚC Thiết kế và thi công bộ thu thập thông tin tại chỗ, từ xa cho mô hình lượng mặt trời tích hơp phát điện, nước nóng, lọc nước ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 2/81 CHƯƠNG GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI Thời đại ngày càng phát triển, người ngày càng có nhu cầu cao về chất lượng cuộc sống và việc tiết kiệm lượng Đề tài lần này sẽ cung cấp một giải pháp vừa tạo lượng vừa đáp ứng các nhu cầu hằng ngày của người Đó là hệ thống máy nước nóng lượng mặt trời kết hợp tạo điện Hệ thống sẽ tạo lượng nước nóng thường xuyên và điện phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời Ưu điểm: - Được sử dụng một nguồn lượng miễn phí và có khả tái tạo Giảm sự phụ thuộc vào lượng hóa thạch, sự độc lập sử dụng - lượng và giúp cải thiện an ninh lượng Cực kì phù hợp cho những nơi có cường độ ánh sáng mạnh và thời gian chiếu - sáng dài Góp phần bảo vệ môi trường Tiết kiệm được chi phí cho người sử dụng Thay thế cho các thiết bị có chức tương đương Nội dung đề tài  Tìm hiểu về hệ thống máy nước nóng lượng mặt trời  Tìm hiểu về cảm biến nhiệt độ, cảm biến đo dòng, cảm biến đo điện áp, cách điều khiển van điện từ, máy bơm AC  Thực hành lập trình về Arduino  Thực hiện làm mô hình hoàn chỉnh  Tạo giao diện điều khiển, giám sát Raspberry Pi và lưu Database SQLite3 CHƯƠNG Ý TƯỞNG CHO ĐỀ TÀI Thiết kế và thi công bộ thu thập thông tin tại chỗ, từ xa cho mô hình lượng mặt trời tích hơp phát điện, nước nóng, lọc nước ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 3/81 Sơ đồ khối cho mạch: Hình 2-1 Sơ đồ khối Hình 2-2 Sơ đồ mạch Thiết kế và thi công bộ thu thập thông tin tại chỗ, từ xa cho mô hình lượng mặt trời tích hơp phát điện, nước nóng, lọc nước ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 4/81 1.1Khối nguồn - Sử dụng nguồn 220VAC cho máy bơm - Nguồn 24VDC dùng để điều khiển van - Nguồn 5V DC dùng cấp cho Adruino và cảm biến (nguồn phải được lọc để đảm bảo cung cấp ổn định nguồn điện cho arduino vì rất dễ bị nhiễu dùng chung nguồn với động bơm) 1.2Khối điều khiển Dùng Arduino Mega 2560 để lập trình điều khiển và nhận tín hiệu từ các ngo vào, ngo digital, analog , truyền thông 1.3Khối thiết bị chấp hành, giám sát Bao gồm điều khiển van, động và nhận tín hiệu từ các cảm biến nhiệt độ, đo dòng điện, điện áp Cụ thể: - Van dầu: chân 39, Van nước chân 41 Bơm: chân 51 Cảm biến nhiệt độ: các chân: 22, 24, 26, 23, 25, 27, 28, 30, 32, 29, 31, 33, 10, - 11, 12, 13 Cảm biến dòng: chân A1 Cảm biến áp: chân A0 1.4Khối truyền thông Dự án sử dụng LoRa (dùng chân RX, TX Arduino nhận và gửi tín hiệu đến máy chủ) cho việc truyền thông dự liệu phạm vi 3000m, với các ưu điểm tiết kiệm lượng mà vẫn truyền được xa, có tính ổn định cao 1.5Khối lưu data và giám sát Internet Raspberry Pi được sử dụng một máy chủ dự án, có chức truyền tín hiệu điều khiển, nhận tín hiệu phản hồi từ arduino, lưu dữ liệu vào Database (phần mềm được sử dụng để làm Database là SQLite3) CHƯƠNG GIỚI THIỆU CÁC THÀNH PHẦN Thiết kế và thi công bộ thu thập thông tin tại chỗ, từ xa cho mô hình lượng mặt trời tích hơp phát điện, nước nóng, lọc nước ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 5/81 Hình 3-1 Sơ đồ nối cảm biến với chân Arduino 1.6Bộ điều khiển Arduino 1.1.1 Tổng quan về Arduino Arduino là một bảng mạch vi xử lý được sinh tại thị trấn Ivrea (nước Ý), nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với hoặc với môi trường bên ngoài được thuận lợi Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế dựa trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit Hình 3-2 Các dạng Arduino hiện Thiết kế và thi công bộ thu thập thông tin tại chỗ, từ xa cho mô hình lượng mặt trời tích hơp phát điện, nước nóng, lọc nước ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 6/81 Phần mềm: Môi trường phát triển tích hợp (IDE) của Arduino là một ứng dụng đa nền tảng được viết bằng Java, và từ IDE này sẽ được sử dụng cho Ngôn ngữ lập trình xử lý (Processing programming language) và project Wiring Nó được thiết kế cho người mới muốn khám phá lĩnh vực phát triển phần mềm Bao gồm một chương trình với các chức đánh dấu cú pháp, tự động brace matching, và tự động canh lề, compile và upload chương trình lên board một lần nhấn chuột Mỗi chương trình hoặc code được gọi là sketch Các chương trình Arduino được viết bằng C hoặc C++ Arduino IDE hỗ trợ một thư viện phần mềm được gọi là "Wiring" , nhằm giúp các thao tác input/output được dễ dàng Người dùng cần định nghĩa hàm để tạo một chương trình vòng thực thi (cyclic executive) có thể chạy được: • Setup(): hàm này chạy mỗi khởi động một chương trình, dùng để thiết lập các cài đặt • Loop(): hàm này được gọi lặp lại cho đến tắt nguồn board mạch Hình 3-3 Giao diện lập trình Arduino IDE 1.1.2 Arduino Mega 2560: Thiết kế và thi công bộ thu thập thông tin tại chỗ, từ xa cho mô hình lượng mặt trời tích hơp phát điện, nước nóng, lọc nước ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 7/81 Hình 3-4 Vietduino Mega 2560 Hệ thống giám sát và điều khiển sử dụng Vietduino Mega 2560 là phiên bản có chức năng, kích thước, hình dạng và cách sử dụng tương tự với Arduino Mega 2560 R3 được cải tiến để khắc phục nhược điểm chính mà board Arduino thơng thường gặp phải: • - Ng̀n điện: Arduino Mega 2560 R3 sử dụng IC chuyển nguồn tuyến tính LM1117 5VDC có dòng đầu thấp và rất nóng cấp điện áp đầu vào cao (khắc phục: Vietduino Mega 2560 sử dụng mạch nguồn xung với dải điện áp đầu vào linh hoạt 4.5~35VDC, dòng đầu tối đa lên đến 1.5A, mạch nguồn phát nhiệt thấp với hiệu suất chuyển đổi cao và khả tiết kiệm lượng vượt trội.) - IC chuyển nguồn 3.3VDC của Arduino Mega 2560 R3 có dòng đầu tối đa 150mA, Vietduino Mega 2560 là 700mA đủ khả cấp nguồn cho các module Wifi phổ biến hiện ESP8266, ESP32, mà không cần thêm bất kỳ mạch nguồn phụ trợ nào Thiết kế và thi công bộ thu thập thông tin tại chỗ, từ xa cho mô hình lượng mặt trời tích hơp phát điện, nước nóng, lọc nước ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 8/81 • - IC nạp: Arduino Mega 2560 R3 sử dụng vi điều khiển ATmega16U2 giả lập chức USB UART, thường bị mất firmware sử dụng lâu hoặc cháy thạch anh dẫn đến không nhận cổng USB Vietduino Mega 2560 sử dụng IC chức USB UART chuyên dụng CP2102 cho độ ổn định và độ bền cao, vì là IC chức và có thạch anh tích hợp bên nên sẽ tránh được các trường hợp lỡi của Arduino Mega 2560 • - Chức cách ly nguồn cổng USB cấp nguồn ngoài: Ở các phiên bản Arduino Mega 2560 sản xuất tại China thì chức cách ly nguồn cổng USB cấp nguồn ngoài từ chân Vin hoặc Jack DC không hoạt động Vietduino Mega 2560 khắc phục hoàn toàn nhược điểm này với khả cách ly nguồn cổng USB tự động cấp nguồn ngoài giúp bảo vệ cổng USB máy tính của bạn an toàn Thông số kĩ thuật: - Tương thích hoàn toàn so với Arduino Mega 2560 R3 - IC nạp và giao tiếp UART CP2102 tương thích với tất cả các hệ điều hành phổ biến nhưWindows, Mac, Linux, - Vi điều khiển chính: ATmega2560 - Nguồn nuôi mạch: 5VDC từ cổng Micro USB - Nguồn ngoài từ giắc DC tròn hoặc chân Vin từ 4.5~35VDC - Tốc độ thạch anh: 16Mhz - Dòng đầu chân 5VDC cấp nguồn từ: - Cổng DC hoặc Vin: Max 1.5A - Số chân Digital: 54 (hỗ trợ 15 chân PWM) Thiết kế và thi công bộ thu thập thông tin tại chỗ, từ xa cho mô hình lượng mặt trời tích hơp phát điện, nước nóng, lọc nước ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 9/81 - Cổng USB: 500mA - Số chân Analog: 16 - Dòng tối đa GPIO: 20mA - Dòng tối đa chân cấp nguồn 3.3VDC: 700 mA (Lastest version) - Dung lượng bộ nhớ Flash: 256 KB, KB used by bootloader - EEPROM: KB - SRAM: KB - Kích thước: 101.52 x 53.3 mm Hình 3-5 Sơ đồ chân Arduino Mega 2560 1.7Relay 1.1.3 Module Relay Kích H/L (5VDC) Rơ le (hay rơ le điện) là một công tắc được vận hành bằng điện Rơ le được sử dụng cần kiểm soát một mạch điện bằng một tín hiệu công suất thấp (với đầy đủ cách điện giữa kiểm soát và mạch điều khiển), hoặc trường hợp một số mạch phải được kiểm soát một tín hiệu Rơ le được dùng rộng rãi trao đổi điện thoại và các máy điện toán thời kỳ đầu với vai trò điều hành mạch lôgic Một loại rơle Thiết kế và thi công bộ thu thập thông tin tại chỗ, từ xa cho mô hình lượng mặt trời tích hơp phát điện, nước nóng, lọc nước ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 10/81 có thể xử lý công suất cao cần thiết để trực tiếp kiểm soát một động điện hoặc mức tải khác được gọi là một contactor Module Relay kích H/L (5VDC) sử dụng nguồn 5VDC để nuôi mạch, tín hiệu kích có thể tùy chọn kích mức cao (High - 5VDC) hoặc mức thấp (Low - 0VDC) qua Jumper mỗi relay Thích hợp cho các thiết bị sử dụng mức tín hiệu 5VDC Vi điều khiển, Trong dự án lần này Relay được sử dụng để điều khiển ON/OFF các van điện từ 24VDC Thông số kĩ thuật sản phẩm: - - Điện áp nuôi mạch: 5VDC Tín hiệu kích: High (5VDC) hoặc Low (0VDC) chọn bằng Jumper Dòng tiêu thụ: khoảng 200mA/1Relay Relay mạch: • Ng̀n ni: 5VDC • Tiếp điểm đóng ngắt max: 250VAC-10A hoặc 30VDC-10A Kích thước: 72 (L) * 55 (W) * 19 (H) mm Hình 3-6 Module 4relay 1.1.4 Relay bán dẫn SSR-40DA SSR40DA 40A Thiết kế và thi công bộ thu thập thông tin tại chỗ, từ xa cho mô hình lượng mặt trời tích hơp phát điện, nước nóng, lọc nước ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 61/81 Thiết kế và thi công bộ thu thập thông tin tại chỗ, từ xa cho mô hình lượng mặt trời tích hơp phát điện, nước nóng, lọc nước ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 62/81 Hình 6-1 Những hình ảnh thu thập số liệu ngày 9/1/2019 Hình 6-2 Những số liệu thu thập vào Database ngày 9/1/2019 Thiết kế và thi công bộ thu thập thông tin tại chỗ, từ xa cho mô hình lượng mặt trời tích hơp phát điện, nước nóng, lọc nước ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 63/81  Khảo sát mở van: Khảo sát ngày 10/1/2019: Thiết kế và thi công bộ thu thập thông tin tại chỗ, từ xa cho mô hình lượng mặt trời tích hơp phát điện, nước nóng, lọc nước ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 64/81 Thiết kế và thi công bộ thu thập thông tin tại chỗ, từ xa cho mô hình lượng mặt trời tích hơp phát điện, nước nóng, lọc nước ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 65/81 Thiết kế và thi công bộ thu thập thông tin tại chỗ, từ xa cho mô hình lượng mặt trời tích hơp phát điện, nước nóng, lọc nước ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 66/81 Hình 6-3 Những hình ảnh số liệu thu thập ngày 10/1/2019 Hình 6-4 Số liệu thu thập vào Database ngày 10/1/2019 Thiết kế và thi công bộ thu thập thông tin tại chỗ, từ xa cho mô hình lượng mặt trời tích hơp phát điện, nước nóng, lọc nước ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 67/81 Khảo sát ngày 11/1/2019 Thiết kế và thi công bộ thu thập thông tin tại chỗ, từ xa cho mô hình lượng mặt trời tích hơp phát điện, nước nóng, lọc nước ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 68/81 Thiết kế và thi công bộ thu thập thông tin tại chỗ, từ xa cho mô hình lượng mặt trời tích hơp phát điện, nước nóng, lọc nước ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 69/81 Hình 6-5 Những hình ảnh số liệu thu thập ngày 11/1/2019 Thiết kế và thi công bộ thu thập thông tin tại chỗ, từ xa cho mô hình lượng mặt trời tích hơp phát điện, nước nóng, lọc nước ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 70/81 Hình 6-6 Số liệu thu thập vào Database ngày 11/1/2019 1.24 Nhận xét Có sự khác ro rệt mở van và van Sự thay đổi được biểu hiện các hình bên dưới -  Hình 6-7: Các giá trị được so sánh có đơn vị là độ C Nhiệt độ nước thay đổi từ 69-71 độ Nhiệt độ dầu tăng từ 49.43 lên 64.32 độ thời gian gần 20 phút (tăng xấp xỉ - 15 độ) Nhiệt độ dầu đường ống chạy qua máng từ 55.75 độ lên 71.25 độ - (chênh lệch gần 15 độ) Nhiệt độ dầu qua bồn nước 44.75 độ lên 63.75 độ ( chênh lệch 19 độ) Nhiệt độ dầu qua máng (giá trị cảm biến ghi tại đầu máng và cuối máng) là 0.25 độ C Thiết kế và thi công bộ thu thập thông tin tại chỗ, từ xa cho mô hình lượng mặt trời tích hơp phát điện, nước nóng, lọc nước ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 71/81 Hình 6-7 Biểu đồ theo dõi nhiệt độ ngày 9/1/2019 -  Hình 6-8: Các giá trị được so sánh có đơn vị là độ C Nhiệt độ nước không thay đổi nhiều Nhiệt độ dầu tăng từ 44.67 lên 50.32 độ thời gian 30 phút (tăng 5.65 độ) Nhiệt độ dầu đường ống chạy qua máng từ 42.50 độ lên 50.5 độ - (chênh lệch gần độ) Nhiệt độ dầu qua bồn nước 40.25 độ lên 41.25 độ ( chênh lệch độ) vì - không có dầu chảy qua Nhiệt độ dầu qua máng (giá trị cảm biến ghi tại đầu máng và cuối máng) là 0.25 độ C Thiết kế và thi công bộ thu thập thông tin tại chỗ, từ xa cho mô hình lượng mặt trời tích hơp phát điện, nước nóng, lọc nước ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 72/81 Hình 6-8 Biểu đồ theo dõi nhiệt độ ngày 10/1/2019 -  Hình 6-9: Các giá trị được so sánh có đơn vị là độ C Nhiệt độ nước không thay đổi nhiều từ 80.75-84.25 độ Nhiệt độ dầu tăng từ 46.37 lên 52.13 độ thời gian gần 25 phút (tăng xấp xỉ - độ) Nhiệt độ dầu đường ống chạy qua máng từ 50.5 độ lên 51 độ (chênh - lệch gần 0.5 độ) Nhiệt độ dầu qua bồn nước 40.25 độ lên 42 độ (van đóng không có dầu - chạy qua) Nhiệt độ dầu qua máng (giá trị cảm biến ghi tại đầu máng và cuối máng) là 0.25-2 độ C Thiết kế và thi công bộ thu thập thông tin tại chỗ, từ xa cho mô hình lượng mặt trời tích hơp phát điện, nước nóng, lọc nước ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 73/81 Hình 6-9 Biểu đồ theo dõi nhiệt độ ngày 11/1/2019 Nhận xét:  Khi mở hai van để làm nóng dầu thì nhiệt độ chênh lệch xấp xỉ lần so với mở một van (chên lệch 15 độ hai van so với và độ mở một van)  Nhiệt độ dầu mỗi qua máng được khảo sát là tăng 0.25 độ C  Thời gian làm nóng dầu nhanh (20 phút hai van với 30 và 25 phút một van)  Ngoài tốc độ tăng nhiệt của dầu còn phụ thuộc vào thời tiết ngày khảo sát CHƯƠNG KẾT LUẬN 1.25 Tổng kết Thiết kế và thi công bộ thu thập thông tin tại chỗ, từ xa cho mô hình lượng mặt trời tích hơp phát điện, nước nóng, lọc nước ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 74/81 Trong quá trình hoàn thành dự án mặc dù là mô hình khảo sát với những thiết bị chưa đầy đủ giúp em hiều được nhiều điều bổ ích: - Biết được công nghệ đồng phát là gì - Biết được các thông số của cảm biến nhiệt độ, cảm biến đo dòng và cách xử lí tín hiệu từ nó - Hiểu được cách lập trình chương trình Arduino - Cách thiết kế giao diện giám sát và điều khiển Node-red một cách hoàn chỉnh - Hiểu được nguyên lí hoạt động của mạch 1.26 Hướng phát triển Hoàn thành tốt đồ án lần này giúp em có một nền tảng để có thể làm được các đồ án khác có nguyên lí hoạt động tương tự giám sát và điều khiển nhà thông minh, giám sát hệ thống lượng mặt trời,… TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://arduino.vn [2] Lập Trình Iot Với Arduino của tác giả Phạm Quang Huy, TS Lê Mỹ Hà thuộc Nhà xuất bản niên Thiết kế và thi công bộ thu thập thông tin tại chỗ, từ xa cho mô hình lượng mặt trời tích hơp phát điện, nước nóng, lọc nước ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 75/81 PHỤ LỤC Thiết kế và thi công bộ thu thập thông tin tại chỗ, từ xa cho mô hình lượng mặt trời tích hơp phát điện, nước nóng, lọc nước ... USB-UART Hình 3-22 Giao diện cài đặt thông số cho Lora Thi ́t kế và thi công bộ thu thập thông tin tại chỗ, từ xa cho mô hình lượng mặt trời tích hơp phát điện, nước nóng, lọc nước. .. SPI Thi ́t kế và thi công bộ thu thập thông tin tại chỗ, từ xa cho mô hình lượng mặt trời tích hơp phát điện, nước nóng, lọc nước ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 18/81 Hình 3-14 Bộ. .. mạch: Hình 2-1 Sơ đồ khối Hình 2-2 Sơ đồ mạch Thi ́t kế và thi công bộ thu thập thông tin tại chỗ, từ xa cho mô hình lượng mặt trời tích hơp phát điện, nước nóng, lọc nước