Phần này sẽ trình bày cấu trúc phần cứng điển hình của nhà trồng thông minh
2.1.1.1. Main – board a, Các yêu cầu:
Hình 2.2. Sơ đồ khối của Main – board Yêu cầu chức năng:
- Kết nối Wifi: Dùng để kết nối với Smartphone, sử dụng chuẩn kết nối IEEE 802.11b/g
- Kết nối ZigBee: Dùng để kết nối với các thiết bị, sử dụng chuẩn IEEE 802.15.4/ZigBee
- Display: Gồm các ma trận hiển thị Led, màn hình LCD 16x2 hiển thị trạng thái của hệ thống.
…
Yêu cầu phi chức năng:
- Hệ thống hoạt động ổn định (hệ thống ít bị treo, kết nối không bị gián đoạn, tự động khôi phục khi có sự cố bất thường xảy ra).
- Tự động kết nối, phát hiện các node được thêm vào. - Giá thành phù hợp.
Main – board bao gồm các khối: ZigBee, Wifi, MCU, nguồn. Khối ZigBee có nhiệm vụ tạo ra và duy trì mạng ZigBee. Khối Wifi có chức năng kết nối vào mạng Wifi, tạo ra server cho phép smartphone/tablet có thể kết nối vào và điều khiển thiết bị. Khối MCU điều khiển mọi hoạt động của mạch. Khối nguồn có nhiệm vụ cung cấp năng
lượng cho toàn mạch.
b, Khối MCU
Đây là khối quan trọng nhất trong Main – board, khối MCU có nhiệm vụ khởi tạo, duy trì hoạt động của các khối ZigBee và Wifi. Đây chính là cầu nối giữa hai khối này.
Đặc biệt, khối MCU phải đảm bảo mức năng lượng tiêu thụ thấp nhưng vẫn đủ khả năng xử lý các tác vụ yêu cầu từ các khối khác. [14] [15]
Bảng 2.1: Chỉ tiêu kĩ thuật khối MCU
Tiêu chí Đặc điểm
Số lượng giao tiếp SPI 2
Nguồn cung cấp 1.8 – 3.6 V Năng lượng tiêu thụ Nhỏ hơn 5mW Tần số hoạt động >= 4MHz
Chỉ tiêu kĩ thuật Công cụ hỗ trợ lập trình đầy đủ, dễ lập trình Timer Hỗ trợ timer-16bit trở lên.
ADC Có khối ADC độ phân giải 10-bits
c, Khối truyền thông không dây
Công nghệ truyền thông không dây được sử dụng phổ biến trong nhà trồng thông minh là ZigBee. Khối Zigbee thực hiện nhiệm vụ thu, phát sóng điện từ tại tần số 2.4 GHz. Đây chính là cầu nối giữa thiết bị với người dùng.
Khối này sử dụng nguồn năng lượng từ pin nên cũng phải đảm bảo năng lượng tiêu thụ thấp.
Bảng 2.2: Chỉ tiêu kĩ thuật khối ZigBee
Tiêu chí Đặc điểm Công suất phát 4.5 dBm Độ nhạy máy thu -97 dBm
Tần số trung tâm 868MHz-2,4GHz
Khoảng cách >= 10m (không có vật cản)
Điện áp 3.3V
d, Khối Wifi
Khối Wifi thực hiện nhiệm vụ thu, phát sóng Wifi từ access point. Module Wifi truyền dữ liệu giữa người dùng và mạng ZigBee. Bảng 2.3 biểu diễn các thông số kĩ thuật của module Wifi
Bảng 2.3: Đặc điểm kĩ thuật khối Wifi
Thông số Đặc điểm Điện áp đầu vào 3.3 V Công suất phát >=18 dBm Độ nhạy <= -88 dBm
Các chế độ bảo mật WEP, WPA/ WPA2 Giao tiếp SPI
e, Khối nguồn
Khối nguồn cung cấp năng lượng hoạt động cho toàn mạch. Các thông số cần thiết của khối nguồn được biểu diễn trong bảng 2.4 dưới đây.
Bảng 2.4: Thông số của khối nguồn
Thông số Đặc điểm
Điện áp đầu vào Từ 5-9V Điện áp đầu ra 3.3 V Dòng điện định mức 500 mA
2.1.1.2. Sub – board
Hình 2.3. Sơ đồ khối Sub – board a, Chức năng:
Sub – board làm nhiệm vụ nhận dữ liệu điều khiển từ Main – board thông qua Module ZigBee sau đó được MCU xử lý để xuất ra lệnh tương ứng điều khiển thiết bị. Sau đó sẽ gửi phản hồi về phía người dùng thông qua module ZigBee.
Yêu cầu chức năng
- Kết nối với Main – board qua module Wifi.
- Cho phép điều khiển thiết bị thông qua các phím cảm ứng.
- Thực hiện đo công suất tiêu thụ của thiết bị, rồi gửi về Main – board thông qua kết nối ZigBee. [20]
Yêu cầu phi chức năng
- Hệ thống hoạt động ổn định.
- Tự động kết nối khi có mạng ZigBee. - Giá thành phù hợp. [17]
2.1.1.3. Hệ thống cảm biến
Hệ thống các cảm biến thu thập các thông số về môi trường sinh trưởng và phát triển cho cây trồng như:
- Nhiệt độ không khí - Độ ẩm không khí - Ánh sáng
- Nhiệt độ - độ ẩm đất, dinh dưỡng đất - Nồng độ khí CO2
- Độ pH, độ dẫn điện EC và nhiệt độ dung dịch - Và các thông số môi trường khác… [18] [19]
Trong thực tế, hệ thống giám sát thu thập số liệu đo những thông số môi trường sinh trưởng của cây trồng được ứng dụng dựa trên nền tảng công nghệ mạng cảm biến không dây. Các cảm biến đo thông minh này được tích hợp với chip điều khiển và module truyền thông cho phép truyền số liệu không dây đến trạm thu thập số liệu, từ đây số liệu đo được gửi về trung tâm giám sát. Một số thiết bị cảm biến thường được sử dụng để đo thông số nhiệt độ, độ ẩm bao gồm:
Cảm biến đo nhiệt độ: LM 134, LM235, LM335 cho đầu ra 10mV/oK; LM 35 cho đầu ra 10mV/oC, LM 34 cho đầu ra 10mV/oF.
Một số cảm biến cơ bản đo độ ẩm có thể kể đến như Honeywell HCH 1000, Humirel S110x.
Hình 2.5. Hình ảnh IC đo độ ẩm cơ bản
Ngoài ra trên thị trường cũng có một số loại IC tích hợp đo đồng thời cả nhiệt độ và độ ẩm, như Texas Instruments HDC1000, Silicon Labs Si701x/2x.
2.1.1.4. Hệ thống chấp hành
Những thành phần hệ thống chấp hành giúp tối ưu hóa quản lý các công việc hàng ngày trong chăm sóc cây trồng, tiết kiệm nguồn tài nguyên nước, đồng thời giảm đáng kể chi phí năng lượng. Những thiết bị chấp hành có thể điều khiển gồm có máy bơm, quạt, phun sương..., được điều khiển tự động dựa theo cài đặt của người dùng.
Trong thực tế, hệ thống chấp hành còn được tích hợp giải pháp điển khiển tự động hệ thống tưới nhỏ giọt, lướt phun sương hoặc điều khiển hệ thống nhiệt độ, ánh sáng, gió theo các mức độ tùy theo tình hình hình thực tế.