3.2.1. Sơ đồ giải pháp
43
3.2.2. Lựa chọn các thiết bị điện cho hệ thống 3.2.3.1. Arduino 3.2.3.1. Arduino
Hiện nay, trên thị trường đã có rất nhiều bộ vi điều khiển với mức độ tinh vi ngày càng cao về cả chất lượng sản phẩm lẫn tốc độ xử lý. Nhưng để phù hợp nhất với đồ án lần này nhóm chúng em đã lựa chọn cảm biến Arduino Uno R3.
Hình 3.15. Arduino Uno R3
Một vài thông số của Arduino UNO R3
Bảng 3.1 Thông số của Arduino UNO R3
Thông số Giá trị
Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit
Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)
Tần số hoạt động 16 MHz
Dòng tiêu thụ khoảng 30mA
Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC
Điện áp vào giới hạn 6-20V DC
Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM
Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O
30 mA
Dòng ra tối đa (5V) 500 mA
Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi
bootloader
SRAM 2 KB (ATmega328)
44
3.2.3.2. Module Wifi ESP 8266
Trong mô hình đề tài, nhóm lựa chọn sử dụng module Wifi ESP 8266 Nodemcu CP 2102
Hình 3.16. Arduino ESP 8266
Sơ đồ chân của adruino esp 8266
Hình 3.17. Sơ đồ chân của adruino ESP 8266
Thông số kĩ thuật:
- Chip: ESP8266EX
- WiFi: 2.4 GHz hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n - Điện áp hoạt động: 3.3V
- Điện áp vào: 5V thông qua cổng USB
- Số chân I/O: 11 (tất cả các chân I/O đều có Interrupt/PWM/I2C/One-wire, trừ chân D0)
- Số chân Analog Input: 1 (điện áp vào tối đa 3.3V) - Bộ nhớ Flash: 4MB
- Giao tiếp: Cable Micro USB - Hỗ trợ bảo mật: WPA/WPA2 - Tích hợp giao thức TCP/IP
45
3.2.3.3. Cảm biến
Cảm biến độ ẩm đất
Lựa chọn loại cảm biến ẩm kế đất điện trở có thể hiện thị chính xác phần trăm độ ẩm đất từ môi trường và dễ dàng kết nối với Arduino
Hình 3.18. Cảm biến độ ẩm đất
Nguyên lý hoạt động:
Cảm biến đo độ ẩm hoạt động dựa trên nguyên lí: sự hấp thụ hơi nước làm biến đổi tính chất của thành phần cảm nhận trong cảm biến làm thay đổi điện trở của cảm biến qua đó xác định được độ ẩm.
Trong nguyên lý đo độ ẩm điện trở, polymer hoặc sứ hấp thụ độ ẩm, sau đó ảnh hưởng đến điện trở suất của nó. Và được kết nối với một mạch trong đó độ ẩm ảnh hưởng đến điện trở của vật liệu. Từ đó độ ẩm tương đối sau đó được xác định dựa trên sự thay đổi của dòng điện.
Thông số kĩ thuật:
- Điện áp hoạt động: 3.3V-5V - Kích thước PCB: 3cm * 1.6cm
- Led đỏ báo nguồn vào, Led xanh báo độ ẩm. - IC so sánh : LM393
Sơ đồ chân của cảm biến độ ẩm đất
- VCC: 3.3V-5V - GND: 0V
- DO: Đầu ra tín hiệu số (0 và 1)
46 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm.
Lựa chọn loại cảm biến DHT11 là một cảm biến kỹ thuật số giá rẻ để cảm nhận nhiệt độ và độ ẩm. Cảm biến này có thể dễ dàng giao tiếp với bất kỳ bộ vi điều khiển vi nào như Arduino, Raspberry Pi, ... để đo độ ẩm và nhiệt độ ngay lập tức.
Hình 3.19. Module cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT 11
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động cảm biến DHT 11
Cảm biến DHT11 bao gồm một phần tử cảm biến độ ẩm điện dung và một điện trở nhiệt để cảm nhận nhiệt độ. Tụ điện cảm biến độ ẩm có hai điện cực với chất nền giữ ẩm làm chất điện môi giữa chúng. Thay đổi giá trị điện dung xảy ra với sự thay đổi của các mức độ ẩm. IC đo, xử lý các giá trị điện trở đã thay đổi này và chuyển chúng thành dạng kỹ thuật số.
Để đo nhiệt độ, cảm biến này sử dụng một nhiệt điện trở có hệ số nhiệt độ âm, làm giảm giá trị điện trở của nó khi nhiệt độ tăng. Để có được giá trị điện trở lớn hơn ngay cả đối với sự thay đổi nhỏ nhất của nhiệt độ, cảm biến này thường được làm bằng gốm bán dẫn hoặc polymer
Thông số kĩ thuật của cảm biến DHT 11
- Điện áp làm việc: 3V- 5V DC - Cường độ định mức: 2.5 mA
- Phạm vi đo độ ẩm: 20% - 90% RH, sai số ±5%RH - Phạm vi đo nhiệt độ: 0°C - 50°C với sai số ±2°C - Tần số lấy mẫu: 1 HZ (1 lần/s)
- Kích thước: 23 * 12 * 5 mm
- Độ phân giải: 1ºC đối với đo nhiệt độ, và 1% RH với độ ẩm - Tín hiệu đầu ra: Tín hiệu kĩ thuật số
47 Sơ đồ chân kết nối
- Chân VCC: Dùng để cấp nguồn 5V - Chân GND: Nối đất
- Chân DATA: Digital input Cảm biến ánh sáng.
Lựa chọn cảm biến Photodiodes có ưu điểm phản ứng nhanh với sự thay đổi ánh sáng của môi trường xung quanh
Hình 3.20. Cảm biến ánh sáng
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Cảm biến Photodiode có cấu tạo gồm 1 led phát hồng ngoại phân cực ngược, khi có ánh sáng làm thay đổi nội điện trở của led, tạo ra sự phân áp thay đổi giá trị điện áp ở chân A0. Sau đó qua IC opamp so sánh với điện áp biến trở để tạo ra mức 0 hoặc 1 ở chân D0.
Nguyên lý hoạt động của nó dựa vào hiệu ứng quang học bên trong. Khi có chùm ánh sáng chiếu vào, các electron sẽ bị nới lỏng tạo thành các lỗ cho dòng điện chạy qua. Ánh sáng càng lớn, lỗ hở giữa các electron càng to nên dòng điện sẽ càng mạnh.
Thông số kĩ thuật của cảm biến photodiode
- Điều chỉnh độ nhạy (màu xanh trong điều chỉnh chiết áp kỹ thuật số FIG) - Điện áp: 3.3- 5V
- Output hình thức: DO đầu ra chuyển mạch kỹ thuật số (0 và 1) và đầu ra analog AO - Kích thước của cảm biến ánh sáng: 3.2cm x 1.4cm
Sơ đồ chân của cảm biến ánh sáng Photodiode
- AO: Ngõ ra tín hiện Analog - DO: Ngõ ra tín hiệu Digital - VCC: Nguồn 3.3 ~ 5VDC - GND: Mass
48 Cảm biến mưa
Nhóm lựa chọn module cảm biến phát hiện mưa có thể điều chỉnh độ nhạy, ưu điểm dễ dàng lắp đặt và chi phí thấp
Nguyên lí hoạt động
Khi có nước rơi trên cảm biến, sẽ có điện áp trong khoảng từ 0V đến 5V trên chân A0 và được đưa vào bộ so sánh sử dụng ic LM393, để đưa ra chân D0 điện áp mức 0 hoặc mức 1. Biến trở có tác dụng điều chỉnh đó nhạy, bạn có thể tùy ý quyết định với lượng mưa nào thì cảm biến sẽ đưa ra mức 1. Ngoài ra, cảm biến còn đưa trực tiếp chân A0 ra cho các bạn có thể tiến hành đo lường, xác định lưu lượng mưa bằng cách giao tiếp với vi điều khiển và các bộ chuyển đổi ADC.
Thông số kỹ thuật
- Led báo nguồn ( Màu xanh) - Led cảnh báo mưa ( Màu đỏ)
- Hoạt động dựa trên nguyên lý: Nước rơi vào board sẽ tạo ra môi trường dẫn điện. - Có 2 dạng tín hiệu: Analog( AO) và Digital (DO)
- Dạng tín hiệu : TTL, đầu ra 100mA ( Có thể sử dụng trực tiếp Relay, Còi công suất nhỏ…)
- Điều chỉnh độ nhạy bằng biến trở. - Sử dụng LM358 để chuyển AO –> DO - Kích thước: 5.4*4.0mm - Dày 1.6mm Sơ đồ chân - VCC: Nguồn - GND: Đất Hình 3.21. Cảm biến mưa
49 - D0: Đầu ra tín hiệu TTL chuyển đổi
- A0: Đầu ra tín hiệu Analog Cảm biến hồng ngoại
Nhóm lưa chọn module cảm biến hồng ngoại phát hiện vật cản V1 có thể điều chỉnh độ nhạy, khả năng phát hiện vật cản với khoảng cách <25cm
Hình 3.22. Cảm biến phát hiện vật cản hồng ngoạ
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Cảm biến có khả năng nhận biết vật cản ở môi trường với một cặp LED thu phát hồng ngoại để truyền và nhận dữ liệu hồng ngoại. Tia hồng ngoại phát ra với tần số nhất định, khi có vật cản trên đường truyền của LED phát nó sẽ phản xạ vào LED thu hồng ngoại, khi đó LED báo vật cản trên module sẽ sáng, khi không có vật cản, LED sẽ tắt.
Với khả năng phát hiện vật cản trong khoảng 2 ~ 30cm và khoảng cách này có thể điều chỉnh thông qua chiết áp trên cảm biến cho thích hợp với từng ứng dụng cụ thể như: xe dò line, xe tránh vật cản, …
Thông số kĩ thuật của cảm biến
- Thông số cơ bản: + IC so sánh: LM393 + Điện áp: 3.3V - 6VDC + Dòng tiêu thụ: + Vcc = 3.3V: 23 mA + Vcc = 5.0V: 43 mA + Góc hoạt động: 35° + Khoảng cách phát hiện: 2 ~ 30 cm
+ LED báo nguồn và LED báo tín hiệu ngõ ra + Kích thước: 3.2cm x 1.4cm
50 - Mức logic ngõ ra:
+ Mức thấp - 0V: khi có vật cản + Mức cao - 5V: khi không có vật cản Sơ đồ chân
- VCC: điện áp chuyển đổi từ 3.3V đến 5V (có thể được kết nối trực tiếp đến vi điều khiển 5V và 3.3V)
- GND: GND ngoài
- OUT: đầu ra kỹ thuật số (0 và 1)
3.2.3.4. Module Relay
Nhóm lựa chọn Module Relay 2-Channel 5V được dùng nhiều trong các ứng dụng đóng ngắt các thiết bị tiêu thụ dòng điện lớn (<10A). Module có thể đóng ngắt cùng lúc hai kênh bằng tín hiệu điều khiển ( với mức điện áp 3V3 hoặc 5V) từ các vi điều khiển khác nhau như: Arduino, 8051, AVR, PIC, DSP, ARM, ARM, MSP430, logic TTL, đồng thời module được cách ly bằng optocoupler giúp bảo vệ tốt hơn cho các vi điều khiển.
Hình 3.23. Module Relay 5V 2 kênh có opto cách ly
Module được kết nối với các board điều khiển bằng 4 chân header như sau:
VCC cung cấp nguồn cho các opto.
GND kết nối với GND của board điều khiển.
51
3.2.3.5. Nguồn
- Nguồn sạc dự phòng đầu ra 5V-2.1A cấp cho vi điều khiển Arduino UNO, ESP 8266 Nodemcu CH2102.
Hình 3.24. Nguồn sạc dự phòng
- Nguồn Adapter 12V- 2A cấp cho các cơ cấu chấp hành: Quạt, máy bơm, động cơ kéo rèm, đèn sáng
3.2.3.6. Đèn chiếu sáng
Lựa chọn bóng đèn LED MODULE 3 bóng cầu lồi 6113 siêu sáng
Hình 3.26. Bóng đèn LED 3 bóng cầu nồi 12V Hình 3.25. Nguồn Adapter
52 Thông số kĩ thuật: - Công suất : 4W - Điện áp : 12VDC - Góc sáng : 160 độ Ưu điểm:
- Hiệu suất cao, tiết kiệm điện. Chất lượng ánh sáng cao, sang trọng và tiện nghi. - Kiểu dáng nhỏ gọn, dễ dàng thay thế cho đèn sợi đốt và đèn Compact.
3.2.3.7. Quạt làm mát Hình 3.27. Quạt làm mát Thông số kĩ thuật: - Điện áp: 12V - Kích thước: 9x9 cm - Tham chiếu tốc độ: 4000 +/- 10% RPM - Tham chiếu tiếng ồn: 18DB
- Tham chiếu âm lượng không khí: 18.17-25.97 CFM
3.2.3.8. Led đơn
Hình 3.28. Led đơn 5mm
- Kích thước bóng: đường kính 5mm - Số chân: 2 chân
53
3.2.3. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển
Hình 3.29. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển
Kết nối giữa các thành phần trong sơ đồ nguyên lý:
Kết nối khối nguồn với thành phần của hệ thống:
- Nguồn 5V-2.1A từ sạc dự phòng được cấp cho vi điều khiển Arduino - Nguồn 12V-2A từ bộ nguồn Adapter được cấp cho các cơ cấp chấp hành
Kết nối giữa vi điều khiển Arduino Uno R3 và module Wifi ESP 8266:
- Chân D3 của Arduino được kết nối với chân D6 của ESP - Chân D2 của Arduino được kết nối với chân D5 của ESP - Chân 5V của Arduino được kết nối với chân Vin của ESP - Chân GND của Arduino được kết nối với chân GND của ESP
Kết nối giữa vi điều khiển Arduino và các cảm biến:
- Chân VCC ( 5V) của các cảm biến được kết nối với chân đầu ra 5V của Arduino - Chân GND của cảm biến kết nối với chân GND của Arduino
- Các chân tín hiệu của cảm biến được kết nối lần lượt với các chân Arduino: + Cảm biến Độ ẩm đất 1: chân A0 (Kết nối Analog)
+ Cảm biến Độ ẩm đất 2: chân A1 (Kết nối Analog) + Cảm biến Ánh sáng: chân A2 (Kết nối Analog)
54 + Cảm biến DHT 11: chân D6 (Kết nối Digital) + Cảm biến mưa: chân D4 (Kết nối Digital)
+ Cảm biến Hông ngoại đóng rèm: D8 (Kết nối Digital) + Cảm biến Hồng ngoại mở rèm: D10 (Kết nối Digital) Kết nối giữa vi điều khiển Arduino và LCD:
- Arduino kết nối với LCD 20x04 thông qua module I2C :
+ Chân SCL và SDA của I2C kết nối với hai chân của Arduino là A4 và A5 + Chân VCC của I2C được kết nối với chân dầu ra 5V của Arduino
+ Chân GND của I2C được kết nối với chân GND của Arduino
Kết nối giữa ESP 8266 và các relay điều khiển các cơ cấu chấp hành:
- Các chân cấp tín hiệu kích relay được kết với Module ESP 8266 qua các chân: + Chân D0 kết nối Relay 1 điều khiển bật tắt đèn
+ Chân D1 kết nối Relay 2 điều khiển bật tắt quạt + Chân D2 kết nối Relay 3 điều khiển bật tắt bơm 1 + Chân D4 kết nối Relay 4 điều khiển bật tắt bơm 2 + Chân D7 kết nối Relay 5 điều khiển đóng rèm + Chân D8 kết nối Relay 6 điều khiển mở rèm
- Chân GND của các Relay được kết nối với chân GND của ESP 8266
3.2.4. Mô phỏng, thiết kế mạch điều khiển
Thiết kế mạch trên phần mềm Altium
55 Gia công, lắp ráp, mạch in hoàn chỉnh
Hình 3.32. Mạch PCB thực tế Hình 3.31. Mạch PCB 3D
56
3.2.5. Lưu đồ thuật toán
57
3.3. Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển qua web 3.3.1. Giới thiệu ứng dụng Web. 3.3.1. Giới thiệu ứng dụng Web.
3.3.1.1. Khái niệm ứng dụng Web.
Mang tính kỹ thuật nhiều hơn có thể giải thích các ứng dụng Web truy vấn máy chủ chứa nội dung (chủ yếu trên cơ sở dữ liệu lưu trữ nội dung) và tạo tài liệu Web động để phục vụ yêu cầu của máy khách (chính là người dùng website). Tài liệu được tạo trong kiểu định dạng tiêu chuẩn hỗ trợ trên tất cả mọi trình duyệt (như HTML, XHTML). JavaScript là một dạng script client-side cho phép yếu tố động có ở trên từng trang như thay đổi ảnh mỗi lần người dùng di chuột tới). Trình duyệt web chính là chìa khóa. Nó dịch và chạy tất cả script, lệnh khi hiển thị trang web và nội dung được yêu cầu.
Dưới góc độ kỹ thuật, Web được định nghĩa là môi trường có khả năng thực thi chương trình cao, cho phép tạo vô số tùy biến trên triển khai trực tiếp của một lượng lớn các ứng dụng tới hàng triệu người dùng trên thế giới. Hai thành phần quan trọng nhất của website hiện là trình duyệt Web linh hoạt và các ứng dụng Web. Tất cả mọi người đều có thể sử dụng hai thành phần mà không phải trả bất cứ khoản phí nào.
Dưới góc độ chức năng, ứng dụng Web là các chương trình máy tính cho phép người dùng website đăng nhập, truy vấn vào ra dữ liệu qua mạng Internet trên trình duyệt Web yêu thích của họ. Dữ liệu sẽ được gửi tới người dùng trong trình duyệt theo kiểu thông tin động trong một định dạng cụ thể, như với HTML thì dùng CSS) từ ứng dụng Web qua một Web Server.
3.1.1.2. Các ngôn ngữ lập trình Web thông dụng.
Ngôn ngữ lập trình web có vai trò không thể thiếu đối với tất cả mọi thiết kế web. Mỗi ngôn ngữ đều có những đặc điểm và chức năng riêng. Phù hợp cho sự lựa chọn của từng website khác nhau.
Một số ngôn ngữ cơ bản: