T p Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2019 Giáo viên phản biện
2.6.3 Hệ thống thiết bị ngõ ra
Module Relay là một loại thiết bị điện tự động mà tín hiệu đầu ra thay đổi nhảy cấp khi tín hiệu đầu vào đạt những giá trị xác định, là thiết bị điện dùng để đóng cắt mạch điều khiển, bảo vệ và điều khiển sự làm việc của mạch điện động lực.
Module Relay bao gồm:
Relay với các thông số đầu vào như VCC, GND, chân điều khiển và đầu ra NO, NC, COM kết nối thiết bị ngõ ra.
Opto cách ly điều khiển giữa khối điều khiển và khối thiết bị đảm bảo an toàn cho khối điều khiển nếu có sự cố xảy ra từ khối thiết bị.
Hình 2.18Module Relay
12VDC
2.6.3.2 Động cơ DC
Trong mô phỏng và trong giới hạn của mô hình sản phẩm sử dụng động cơ một chiều 12V-2A để điều khiển bơm nước.
22
ngõ ống vào và một ngõ ống ra, bên trong được gắn cánh quạt nhằm bơm nước một chiều. Công suất máy bơm 24W tạo áp suất nước 0.3Mpa và tốc độ 1.8L/phút. Máy bơm có thể hoạt động khi đặt ở độ cao tối đa 5m.
Hình 2.19Máy bơm nước
Thông qua relay ta sẽ điều khiển hoạt động của máy bơm, đảm bảo công suất bơm và cách li với mạch điều khiển.
2.6.3.3 Servo
Động cơ RC Servo 9G là động phổ biến dùng trong các mô hình điều khiển nhỏ và đơn giản như cánh tay robot. Động cơ có tốc độ phản ứng nhanh, được tích hợp sẵn Driver điều khiển động cơ, dễ dàng điều khiển góc quay bằng phương pháp điều độ rộng xung PWM. Thông số hoạt động: Kích thước: 23mmX12.2mmX29mm Trọng lượng: 9 gram Điện áp hoạt động: 4.2-6V Nhiệt độ: 0 --55 Tốc độ: 0.3 giây / 60 độ Hình 2.20Động cơ Servo SG90
23
Chương 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG 3.1 YÊU CẦU VÀ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG
3.1.1 Yêu cầu của hệ thống
Dựa trên nhu cầu phát triển của cây trồng, nhóm thiết kế hệ thống với các mục tiêu sau:
Giám sát các thông số môi trường như:
Nhiệt độ, độ ẩm, độ ẩm đất, lượng ánh sang, tình trạng mưa.
Đo nhiệt độ trong khoảng từ 20oC đến 50oC, đo độ ẩm không khí trong khoảng từ 20% đến 100%, đo độ ẩm đất trong khoảng từ 20% đến 100%.
Giám sát lượng ánh sáng tác động đến cây trồng, tình trạng mưa. Điều khiển thiết bị tác động đến môi trường sống của cây:
Thay đổi lượng ánh sáng.
Cung cấp nước cây trồng.
Xây dựng giao diện Android Application hiển thị các thông số môi
trường ở trên và trạng thái thiết bị (ON/OFF). Xây dựng bảng điều khiển thủ công bao gồm:
Các phím điều khiển (bật/tắt thiết bị).
Màn hình LCD hiển thị: nhiệt độ, độ ẩm môi trường, độ ẩm đất, lượng ánh sáng, trạng thái mưa,trạng thái thiết bị.
3.1.2 Sơ đồ khối và chức năng mỗi khối
HỆ THỐNG GIÁM SÁT CÂY CÀ RỐT TRONG NHÀ KÍNH
Khối xử lý trung tâm Cảm biến độ ẩm nhiệt độ môi trường Cảm biến ánh sáng Cảm biến độ ẩm nhiệt độ đất Cảm biến mưa
Nguồn Khối giao tiếp mạng Router
Server Giao diện Android Manual Bàn phím điều khiển Động cơ máy bơm Động cơ mái che Đèn chiếu sáng Khối hiển thị
24
Chức năng từng khối:
Khối xử lý trung tâm: Đọc dữ liệu từ các cảm biến, truyền dữ liệu tới khối giao tiếp mạng thông qua UART, nhận dữ liệu điều khiển từ khối giao tiếp mạng để điều khiển thiết bị.Đọc dữ liệu từ các cảm biến hiển thị LCD và nhận lệnh điều khiển từ các nút nhấn.
Khối cảm biến nhiệt độ, độ ẩm môi trường: Thu thập nhiệt độ, độ ẩm từ môi trường và gửi đến khối xử lý trung tâm.
Khối cảm biến độ ẩm đất: Thu thập thông tin độ ẩm đất và gửi đến khối xử lý trung tâm.
Khối cảm biến mưa: Thu thập thông tin có mưa hoặc không và gửi đên khối xử lý trung tâm.
Khối cảm biến ánh sáng: Thu thập thông tin về lượng ánh sáng và gửi đến khối xử lý trung tâm.
Khối động cơ máy bơm: Nhận tín hiệu điều khiển từ khối xử lý trung tâm để bật tắt máy bơm.
Khối động cơ mái che: Nhận tín hiệu điều khiển từ khối xử lý trung tâm để đóng mở máy che.
Khối đèn chiếu sáng : Nhận tín hiệu điều khiển từ khối xử lý trung tâm để bật tắt/đèn
Khối giao tiếp mạng: Truyền nhận dữ liệu với khối xử lý trung tâm thông qua UART và và truyền nhận thông qua mạng không dây giữa các khối chuyển tiếp dữ liệu với nhau.
Khối Server: cập nhật các thông số cảm biến và trạng thái các thiết bị.
Khối giao diện Android: Hiển thị các thông số cảm biến và điều khiển các thiết bị.
Khối hiển thị: LCD hiển thị Mode manual các thông số cảm biến và trạng thái thiết bị.
Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho các khối: Cảm biến độ ẩm nhiệt độ môi trường, Cảm biến ánh sáng, Cảm biến độ ẩm đất, Cảm biến mưa, Khối xử lý trung tâm, khối bàn phím điều khiển, động cơ mái che, động cơ máy bơm.
3.1.3 Hoạt động của hệ thống
Khi hệ thống được cấp nguồn hệ thống sẽ hoạt động theo trình tự như sau:
Bước 1: Các cảm biến thu thập và gửi dữ liệu tín hiệu về khối xử
lý trung tâm.
25
đến khối giao tiếp mạng. Tại đây, khối giao tiếp mạng sẽ đưa dữ liệu thu thập lên server thông qua giao tiếp wifi.
Bước 3:Server sau khi nhận sẽ hiển thị các thông tin lên giao diện
phần mềm. Khi đó, người dùng có thể quyết định điều chỉnh các thông số lại như thayđổi mức độ sáng hoặc tăng cường độ ẩm hoặc giảm nhiệt độ bằng cách điều khiển máy bơm hoặc mái che ở giao diện Android.
Bước 4: Sau khi người dùng ra lệnh điều khiển, server sẽ gửi dữ
liệu điều khiển sang khối giao tiếp mạng. Khối giao tiếp mạng sẽ tiếp tục chuyển tiếp dữ liệu này sang khối xử lý trung tâm.
Bước 5:Khối xử lý trung tâm nhận dữ liệu điều khiển từ khối giao
tiếp mạng sẽ điều khiển máy bơm/mái che hoạt động theo ý người dùng.
Nếu xảy ra trường hợpgặp sự cố mạng thì sẽ chuyển sang chế độ Manual lúc này hệ thống sẽ đi theo trình tự sau:
Bước 1: Các cảm biến bao gồm cảm biến ánh sáng, nhiệt độ độ ẩm
môi trường, độ ẩm đất và cảm biến mưa sẽ gửi tín hiệu về khối điều khiển trung tâm.
Bước 2: Khối xử lý trung tâm sẽ hiển thị các thông số lên LCD để
người dùng có thể xem và quyết định điều chỉnh các thông số lại như thay đổi mức độ sáng hoặc tăng cường độ ẩm hoặc giảm nhiệt độ bằng cách điều khiển máy bơm hoặc mái che ở khối bàn phím điều khiển.
Bước 3:Sau khi nhận các tín hiệu điều khiển từ khối bàn phím điều
khiển, khối xử lý trung tâm sẽ điều khiển các thiết bị hoạt động theo ý người dùng.
3.2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHẦN CỨNG 3.2.1 Khối cảm biến 3.2.1 Khối cảm biến
3.2.1.1 Khối cảm biến ánh sáng
Yêu cầu:
Người dùng cần phải kiểm soát được cường độ sáng trong các giai đoạn phát triển của cây trồng để đưa ra quyết định điều chỉnh lượng ánh sáng phù hợp. Do đó, thiết bị đo phải đáp ứng tiêu chí chính xác, ổn định trong thời gian dài.
Phương án:Để đo cường độ ánh sáng nhóm có phương án như là sử dụng quang trở, cảm biến ánh sáng, các máy đo cường độ ánh sáng.
Lựa chọn: sử dụng module cảm biến ánh sáng.
Cảm biến ánh sáng quang trở phát hiện cường độ ánh sáng, sử dụng bộ cảm biến photoresistor loại nhạy cảm, cho tín hiệu ổn định, rõ
ràng và chính xác hơn so v
Cảm biến với 2 ng
D0 và A0 cho phép nhóm th theo d
A0).
Kết nối của các chân trong Vi điều khiển:
Chân Chân Chân 3.2.1.2 Khối cảm bi Để đo nhiệt độ, độ ẩm môi trường, c loại cảm biến nh LM35, DS18B20 HR202, TH,…. Nhóm thiết kế lựa chọn sử dụng cảm biến DHT11 l cảm biến tích hợp cả cảm biến nhiệt độ v độ ẩm. C DHT11 s
chuẩn giao tiế
độ nhạy cao, độ chính xác ± 0.5℃
ràng và chính xác hơn so với quang trở.
ảm biến với 2 ngõ ra xác định cường độ ánh sáng môi tr
D0 và A0 cho phép nhóm thiết kế linh hoạt lựa chọn kết quả đo theo dạng Digital( kết nối chân D0) hoặc dạng Analog(kết nối chân ết nối của các chân trong Vi điều khiển:
Chân VCC: nối nguồn cung cấp 5V Chân GND: nối GND
Chân A0: kết nối với chân A3 của vi điều khiển.
Hình 3.2 Sơ đồ kết nối cảm biến ánh sáng
m biến nhiệt độ, độ ẩm
ể đo nhiệt độ, độ ẩm ờng, có nhiều ại cảm biến như: LM35, DS18B20, HR202, TH,…. ết kế lựa ử dụng cảm ến DHT11 là loại ảm biến tích hợp cả ảm biến nhiệt độ và . Cảm biến DHT11 sử dụng ẩn giao tiếp 1 dây, ộ nhạy cao, độ chính
℃, ổn định.
Hình 3.3 Sơ đồ mạch cả
ẩm
Kết nối với khối xử lý trung tâm :
Chân số 1 của DHT11 đ với nguồn 5V. Chân số 3 đư Chân số 2 củ với chân A0 c 26 ờng độ ánh sáng môi trường là ết kế linh hoạt lựa chọn kết quả đo ạng Digital( kết nối chân D0) hoặc dạng Analog(kết nối chân
ới chân A3 của vi điều khiển.
n ánh sáng
ảm biến nhiệt độ, độ m
ết nối với khối xử lý trung tâm : ố 1 của DHT11 được nối ới nguồn 5V.
ược nối GND.
ủa DHT11 được nối i chân A0 của vi điều khiển.
3.2.1.3 Khối cảm bi Để đo độ ẩm đất, nhóm thiết kế lựa chọn cảm biến độ ẩm đất v cài đặt, kết nối cũng nh xử lí kết quả đo dễ d hơn so với các loại máy đo và phương pháp đo khác.
Hai ngõ ra cho phép l kết quả theo dạng Digital hoặc Analog m linh hoạt. 3.2.1.4 Khối cảm bi Để nhận biết tình tr ngoài trời có m không, ta có th một thiết bị để phát hiện được điển h như cảm biến m 37. 2 ngõ ra cho phép l kết quả theo Digital và Analog m cách linh hoạt. m biến độ ẩm đất ể đo độ ẩm đất, nhóm ết kế lựa chọn module ảm biến độ ẩm đất vì dễ ặt, kết nối cũng như ết quả đo dễ dàng ới các loại máy đo và phương pháp đo ngõ ra cho phép lấy ết quả theo dạng Digital Analog một cách
Hình 3.4 Sơ đồ kết nối c
Kết nối với khối xử lý trung tâm :
Chân A0 của cảm biến đ A1 của vi điều khiển Analog).
Chân VCC nối với nguồn 5V, chân G nối với chân GND của vi điều khiển.
m biến mưa
ình trạng ời có mưa hoặc không, ta có thể dùng ột thiết bị để phát ợc điển hình ảm biến mưa FC- 2 ngõ ra cho phép lấy ết quả theo dạng Digital và Analog một Hình 3.5 Sơ đồ kết nói c
Kết nối với khối xử lý trung tâm :
Chân D0 của cảm biến đ
với chân số A1 của vi điều khiển nếu muốn lấy kiểu dữ liệu dạng số.
Chân VCC nối với nguồn 5V, chân GND nối với chân
điều khiển.
27
i cảm biến độ ẩm đất
ết nối với khối xử lý trung tâm :
ủa cảm biến được nối với chân ủa vi điều khiển (lấy kiểu dữ liệu ối với nguồn 5V, chân GND
ủa vi điều khiển.
t nói cảm biến mưa
ết nối với khối xử lý trung tâm :
ủa cảm biến được nối ủa vi điều khiển ếu muốn lấy kiểu dữ liệu dạng số.
ối với nguồn 5V, chân ối với chân GND của vi
3.2.2 Khối thực thi 3.2.2.1 Khối độ 3.2.2.1 Khối độ
Khối này bao g tiếp giữa cácthi
khiển. Các thiết bị bao gồm: máy bơm nước
và đèn. Mạch giao tiếp từ transistor, diode,.. nhóm sử dụng module 1 Relay với Opto cách ly kích H/L (5VDC) giúp được ổn định và an toàn
Các thiết bị điều khiển có thể l thiết bị DC hoặc AC.
mô hình thí nghi chọn các động c
3.2.2.2 Khối hiể
Để người dùng có thể thực hiện việc hiển thị
hiển thị như LCD, OLED, TFT. Nhóm l hiển thị thông số rõ ràng và
Kết nối LCD với module I2C
D3 đến D7 nối với chân module I2C để xuất dữ liệu
Chân RS,RW và E c chân P0, P1,P2
tín hiệu điều khiển xuất dữ liệu ra m hình LCD.
Chân VSS đư
VDD được kết nối với nguồn, chân VEE, ta kết nối với biến trở 10KΩ để điều chỉnh độ tương ph
Kết nối I2C với Arduino:
Chân SCL kết nối lần l
của Arduino Mega.
ộng cơ
ày bao gồm 1 mạch giao cácthiết bị với vi điều ết bị bao gồm: ớc, mái che, quạt ạch giao tiếp có thể thiết kế ừ transistor, diode,.. Ở đây ử dụng module 1 Relay ới Opto cách ly kích H/L (5VDC) giúp bộ điều khiển
à an toàn.
ều khiển có thể là ết bị DC hoặc AC. Vì đây là mô hình thí nghiệm , nên nhóm
ộng cơ DC.
Hình 3.6 Kết nối h
ển thị
biết được các giá trị biến được đọc từ môi trư các thông số đó lên màn hình. Có nhiều lo
như LCD, OLED, TFT. Nhóm lựa chọn màn hình LCD 16x02 vì ch rõ ràng và đầy đủ.
ới module I2C:
ến D7 nối với chân P3 đến P7 của ể xuất dữ liệu.
và E của LCD được nối với của module I2C nhằm tạo ệu điều khiển xuất dữ liệu ra màn VSS được nối với GND, Chân ợc kết nối với nguồn, chân VEE, ết nối với biến trở 10KΩ để điều
ương phản của màn hình. ết nối I2C với Arduino:
Chân SCL, SDA của module I2C ết nối lần lượt tới chân 20 và 21 ủa Arduino Mega.
Hình 3.7 28 i hệ thống bơm nước môi trường, hệ thống u loại màn hình để n màn hình LCD 16x02 vì chỉ cần Hình 3.7 Sơ đồ mạch LCD
3.2.3 Khốigiao tiếp m
Chúng ta có thể sử dụng nhiều loại module chuyển tiếp dữ liệu có sẵn tr trường hiện này là
Do yêu cầu có th
nhất. Vì vậy, Node MCU là l
Cách kết nối chân từ Arduino đến Node MCU
D3 nối với chân số 3 của Arduino(chân n
D2 nối với chân số 2 của Arduino(chân n
3.2.4 Khối giao diện Android
Từ yêu cầu của mô h cách thuận tiện hơn. Th
thể chạy trên smartphone hay máy tính b tác như sau:
Giám sát nhiệt đ
thời tiết(có mưa hay không mưa) theo th
Giao diện ứng d cứng qua Internet.
Ở đây, nhóm sử dụng một công cụ MIT App Inventor để thiết kế ứng dụng điều khiển.
p mạng
ể sử dụng nhiều loại module chuyển tiếp dữ liệu có sẵn tr này là Zigbee, RF, Bluetooth, LoRa…
có thể sử dụng từ xa nên việc kết nối với I
Node MCU là lựa chọn để có thể dễ dàng kết nối đến ết nối chân từ Arduino đến Node MCU:
ối với chân số 3 của Arduino(chân này được d ối với chân số 2 của Arduino(chân này được d
Hình 3.8 Sơ đồ kết nối với Node MCU
Android
ầu của mô hình, để người dùng có thể tương tác v ơn. Thì nhóm thực hiện đề tài đã thiết kế một ứng dụng ên smartphone hay máy tính bảng có kết nối internet. V
t độ, độ ẩm đất, độ ẩm môi trường, lượng ánh sang, tình tr t(có mưa hay không mưa) theo thời gian thực.
ng dụng được thiết kế để người dùng có thể b Internet.
Ở đây, nhóm sử dụng một công cụ MIT App Inventor để thiết kế ứng dụng điều
29
ể sử dụng nhiều loại module chuyển tiếp dữ liệu có sẵn trên thị ệc kết nối với Internet sẽ hỗ trợ tốt
ết nối đến Internet. ợc dùng làm RX) ợc dùng làm TX) Node MCU ương tác với hệ thống một ết kế một ứng dụng Android có internet. Với khả năng tương
ng ánh sang, tình trạng bật/tắt thiết bị phần