Kết quả giao diện sau khi điều chỉnh.
56
4.8 Khối nguồn.
Yêu cầu của khối nguồn: Đây sẽ là khối cung cấp toàn bộ điện năng cho mọi hoạt động của hệ thống. Toàn bộ khu vườn sử dụng nguồn điện của Pin năng lượng mặt trời để sạc cho các Acquy cấp nguồn cho toàn bộ mạch. Do đặc điểm không được sử dụng nguồn điện lưới nên hệ thống Pin năng lượng mặt trời cũng như ắc quy lưu điện phải đáp ứng được mức tiêu thụ điện của toàn bộ hệ thống.
Hiện nay ngồi thị trường có rất nhiều loại pin năng lượng mặt trời khác nhau với các mức giá cũng khác nhau như loại 5W, 10W, 100W, 200W,… tuy nhiên trong đề tài này với mục đích nghiên cứu học tập cách thức sử dụng một hệ thống năng lượng mặt trời nên nhóm sử dụng pin loại 12V – 10W.
4.8.1 Pin năng lượng mặt trời.
- Tính tốn lựa chọn pin mặt trời:
Ta có cơng suất tiêu thụ trong 1 ngày:
3x24(đèn) + 0,75(bơm) + 1,2x5(quạt) = 78,75Wh. Từ đó ta chọn loại pin: (1,3 x 78,75)/4,6 = 22.26W. Vậy ta chọn tấm pin năng lượng 30Wp.
Do yêu cầu mạch sử dụng các mức điện áp 3.3V, 5V, 12V cho hoạt động của toàn bộ hệ thống nên nhóm sử dụng 1 tầm pin năng lượng mặt trời 30W.
57
Pin năng lượng mặt trời công suất 30W có kích thước nhỏ gọn. Phù hợp để sạc cho bình ắc quy 12V/4.5Ah đến 12V/7Ah. Cơng suất tấm pin là 30W và có thể ghép nối các tấm lại với nhau để tăng điện áp hoặc công suất lên trong những trường hợp cần thiết.
Thông số kỹ thuật :
Công suất : 30W.
Điện áp danh định : 18,36V.
Dòng điện danh định : 1.36A.
Điện áp hở mạch : 22V.
Dòng ngắn mạch : 1,75A.
Chuẩn loại pin : Pin Silic đơn tinh thể.
Kích thước : 668mm x 1485mm x 40mm.
Tuổi thọ : 30 năm ( giảm 20% cơng suất ). Mục đích chọn tấm pin mặt trời như trên:
Chi phí vừa phải phù hợp với kinh tế.
Tuổi thọ và độ bền cao.
Sử dụng và lắp ráp thuận tiện.
Kết nối với các thiệt bị khác dễ dàng.
4.8.2 Ắc quy dự trử năng lượng.
Do đặc điểm năng lượng mặt trời khơng có sẵn vào tất cả các thời gian trong ngày nên chúng ta cần phải có bộ lưu trữ điện năng để sử dụng trong những trường hợp khơng có ánh sáng mặt trời. Nhóm sử dụng bình ắc quy để làm nhiệm vụ lưu trữ điện.
58
Bảng 4.1 : Bảng dịng tiêu thụ của mơ hình.
Tên linh kiện Số lượng Dòng tiêu thụ
Nodemcu ESP32 1 0.5 A
Module Relay 1 80 mA
Bơm 1 0.7 A
Quạt 1 0.5 A
Bộ sạc Pin năng lượng 1 10 mA
Đèn Led dây 1 0.5 A Các cảm biến 1 1 A Nút nhấn 4 2 A Màn hình LCD 1 600 mA UART 1 100 mA Tổng dịng tiêu thụ ~ 6A
Thơng qua tính tốn số liệu các linh kiện sử dụng trong mạch nhóm sử dụng Ắc quy 12V-6Ah để cấp nguồn hoạt động cho mạch.
59 Thông số kỹ thuật :
Công suất : 12V- 6Ah, 335W – 5 phút, 28Wpc – 15 phút
Nội trở : < 16 mΩ.
Dịng điện : Sạc lớn nhất < 1.8A, phóng tối đa 5 giây 90A.
Tuổi thọ : 5 năm.
Nhiệt độ : -15℃ < sạc < 40℃,-15℃ < phóng < 50℃,-15℃ < lưu < 40℃.
Phương pháp sạc : chu kỳ 14.4V - 15V-5mV/℃/cell, thường xuyên 13.5 - 13.8V - 3mV/℃/cell.
Kích thước : 90mm x 70mm x 101mm. Mục đích chọn ắc quy 12V-6Ah:
Phù hợp với tấm pin mặt trời.
Có thể dự trữ và cung cấp đủ điện năng cho mơ hình.
Chi phí vừa phải phù hợp với kinh tế.
Tuổi thọ và độ bền cao.
Phù hợp với các thiết bị khác của mơ hình.
4.8.3 Bộ điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời.
Bộ điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời 10A được sử dụng để điều khiển tối ưu quá trình sạc acquy từ pin năng lượng mặt trời, giúp quá trình sạc ln đạt hiệu suất cao nhất cũng như bảo vệ acquy bằng quy trình sạc thơng minh PWM trạng thái và ngắt khi đầy.
60
Hình 4.40 : Bộ điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời. [7]
Các chức năng chính của bộ điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời:
Bảo vệ bình ắc quy: Khi bình đầy (VD 13.8V – 14V đối với ắc quy 12V) thì bộ
điều khiển ngăn không cho nguồn điện tiếp tục nạp vào ắc quy có thể gây sơi bình và làm ảnh hưởng đến tuổi thọ của bình. Khi bình gần cạn đến ngưỡng phải ngắt để bảo vệ bình (VD 10.5V đối với ắc quy 12V), bộ điều khiển sẽ ngắt không cho sử dụng tải để bảo vệ bình khơng bị “kiệt”.
Bảo vệ tấm pin mặt trời: Nguyên lý của dòng điện là chảy từ nơi điện áp cao đến nơi điện áp thấp. Ban ngày trời nắng thì điện áp tấm pin loại 12V sẽ từ khoảng 15 đến hơn 20V, cao hơn điện áp ắc quy nên dòng điện sẽ đi từ pin xuống ắc quy. Nhưng ban đêm khi khơng có ánh nắng, điện áp của pin sẽ thấp hơn điện áp của ắc quy và dòng điện sẽ đi từ ắc quy lên ngược tấm pin và “đốt” tấm pin, làm giảm hiệu suất tấm pin dần dần và có thể hỏng tấm pin. Vậy nên bộ điều khiển sẽ ngăn một cách triệt để khơng để cho dịng điện có thể đi ngược lên tấm pin để tránh hiện tượng trên.
Điều quan trọng nhất: giúp chúng ta đạt hiệu suất cao nhất từ tấm pin mặt trời. Các
bộ điều khiển sạc kiểu cũ đơn giản thì chỉ điều khiển đóng cắt khi bình đầy hoặc bình cạn và bảo vệ khơng cho điện trào lên pin, hiện đại hơn là sử dụng phương pháp điều khiển điều rộng xung PWM (Pulse – Width – Modulation) sử dụng mạch transitor đóng cắt liên tục để ổn áp sạc cho ắc quy, phương pháp này có nhược điểm lớn là làm hao phí khoảng trên dưới 20% lượng điện sạc từ pin mặt trời. Các bộ điều khiển sạc hiện đại sử
61
dụng phương pháp điều rộng xung khơng hao phí, có bộ vi xử lý và thiết bị đo chọn được điểm có cơng suất cực đại MPP (Max Power Point) Pmax để sạc cho ắc quy.
Thông số kỹ thuật :
Chỉ sử dụng với pin Năng lượng mặt trời.
Sử dụng với Ắc Quy Chì 12V/24V OPEN,AGM, GEL, tuyệt đối không sử dụng với các loại pin Lithium và các loại pin khác.
Có 2 cổng USB hổ trợ sạc điện thoại.
Có đèn LED báo hiệu : Sạc, dung lượng, báo tải.
Có LCD hiển thị. Điện áp : 12V/24V. Dòng nạp : 10A, dòng xả 10A. Nhiệt độ làm việc -35°C đến +60°C. Tiêu thụ < 10mA. Kích thước: 133 x 70 x 32mm. Ngừng xả: 10.7V (mặc định, điều chỉnh được).
Kết nối lại: 12.6V (mặc định, điều chỉnh được). Mụcđíchchọn bộ sạc:
Giúpsạcắcquydễdàng
Gọngàngvàdễlắpđặt
Độ bền và tuổi thọ cao.
Ít hư vặt.
Bảo vệ tấm pin mặt trời.
Giúpđạthiệusuấtcao nhất từ tấm pin mặt trời.
4.8.4 Module hạ áp.
Nguồn cấp chính của mạch là nguồn DC 12V nên nếu muốn sử dụng cho các thiệt bị 5V cần phải hạ áp nguồn. Ở đây nhóm sử dụng mạch hạ áp LM2596 để hạ áp cho mạch.
62
Hình 4.41 : Module hạ áp LM2596.
Thơng số kỹ thuật :
Điện áp đầu vào 2,5 V - 36 V.
Điện áp đầu ra 1.25 V - 35 V (có thể điều chỉnh).
Có nút nhấn thay đổi hiển thị điện áp ngõ ra – vào.
Dịng ngõ ra tối đa 3A, cơng suất 15W.
Kích thước : 66mm x 36mm x 14mm. Sơ đồ nguyên lý của Module LM2596 :
Hình 4.42 : Sơ đồ nguyên lý mạch hạ áp LM2596.
Khi cấp điện vào 2 chân Vin, dòng điện sẽ được đưa qua các tụ lọc nhiễu, sau đó được đưa qua IC LM2596. Thơng qua biến trở để điều chỉnh ngõ vào của chân FeedBack, IC sẽ tạo ra điện áp tương ứng phụ thuộc vào giá trị của biến trở và đưa
63
điện áp ra chân Out đưa ra ngoài. Nguồn 12v của bộ sạc nối với chân In+ của LM2569, chân GND của bộ sạc nối với GND của LM2569
Mục đích chọn LM2596:
Hạ áp từ 12v về 5v để cung cấp cho hệ thống vi xử lý và cảm biến.
Ổn định nguồn điện cho vi xử lí.
Tần số làm việc: 180KHz
64
CHƯƠNG 5: THI CƠNG MƠ HÌNH 5.1 Lưu đồ thuật tốn của hệ thống.
Lưu đồ giải thuật hệ thống như Hình 5.1 hoạt động như sau:
Khi bắt đầu cấp nguồn cho hệ thống thì mơ hình bắt đầu hoạt động. Nếu mơ hình khơng được kết nối internet thì mơ hình chỉ có thể điều khiển trực tiếp bằng bộ phận các nút nhấn trên mơ hình. Khi mơ hình kết nối internet và được kết nối với app điện thoại blynk thì có thể điều khiển mơ hình trên cả hai phương diện là điều khiển qua app điện thoại và điều khiển trực tiếp trên mơ hình. Các thơng số nhiệt độ, độ ẩm khơng khí, độ ẩm đất, chế độ hoạt động được hiển thị trên màn hình giám sát LCD.
Kết thúc : Khi ngừng cung cấp điện cho hệ thống mơ hình thì các cảm biến và các thiết bị trong mơ hình sẽ dừng hoạt động, hệ thống mơ hình ngưng hoạt động Mơ hình có hai chế độ điều khiển là tự động (AUTO) và thủ công (MANUAL):
Chế độ tự động :
Khi nhiệt độ môi trường đo được thông qua cảm biến nhiệt độ lớn hơn so với nhiệt độ được cài đặt thì quạt sẽ tự động bật và khi nhiệt độ môi trường nhỏ hơn so với nhiệt độ được cài đặt thì quạt sẽ tự động tắt.
Khi độ ẩm trong đất đo được thông qua cảm biến độ ẩm đất lớn hơn so với độ ẩm đất được cài đặt thì bơm sẽ tự động bật để bơm nước cung cấp cho đất và lúc độ ẩm trong đất đo được nhỏ hơn so với độ ẩm đất được cài đặt thì lúc đấy bơm sẽ tự động tắt.
Khi cường độ ánh sáng thu được ở cảm biến cường độ ánh sáng càng lớn thì khi đó đèn sẽ sáng yếu và khi trời tối hay cường độ ánh sáng giảm thì đèn sẽ sáng mạnh.
Chế độ thủ công :
Ở chế độ thủ cơng thì ta sẽ điều khiển trực tiếp bằn các nút nhấn điều khiển trên mơ hình hoặc trên thiết bị được kết nối với mơ hình và mạng internet
65
như điện thoại để bật tắt các thiết bị, nếu khơng được kết nối internet thì có thể điều khiển bật tắt thiết bị bằng các nút nhấn điều khiển trên mơ hình.
66
5.2. Sơ đồ kết nối hệ thống.
67 Sơ đồ kết nối chân từng bộ phận:
- Kết nối cảm biến nhiệt độ DHT11 với Nodemcu ESP 32:
Chân DATA nối vào chân D15 của ESP32 để truyền nhận dữ liệu.
Chân số VDD nối với 5V DC 5V từ ESP32.
Chân GND nối vào GND của ESP32.
- Kết nối cảm biến độ ẩm đất với Nodemcu ESP 32:
Chân VO nối với chân D39 của ESP32 để đọc giá trị analog.
Chân GND nối với chân GND của ESP32.
Chân VCC nối với nguồn 5V DC 5V của ESP32.
- Kết nối cảm biến cường độ ánh sáng với Nodemcu ESP 32:
Chân VO nối với chân D36 của ESP32 để đọc giá trị analog.
Chân GND nối với chân GND của ESP32.
Chân VCC nối với nguồn 5V DC 5V của ESP32. - Kết nối nút nhấn với Nodemcu ESP32:
Chân số 1 của BT1 nối với chân D32 của ESP32 để chọn chế độ hoạt động của mơ hình.
Chân số 1 của BT2 nối với chân D33 của ESP32 để bật tắt bơm.
Chân số 1 của BT3 nối với chân D25 của ESP32 để bật tắt đèn.
Chân số 1 của BT4 nối với chân D26 của ESP32 để bật tắt quạt.
Chân số 2 của các BT nối với GND của ESP 32. - Kết nối màn hình LCD với Nodemcu ESP32:
Chân SCL của LCD nối với chân D21 của Nodemcu ESP32.
Chân SDA nối với chân D22 của Nodemcu ESP32.
Chân VCC của LCD nối với 5V của Nodemcu ESP32.
- Kết nối LM298 với Nodemcu ESP32:
Chân IN1 của LM298 nối với chân D27 của Nodemcu ESP32.
68
Chân IN2,IN4,ENA,ENB,GND của LM298 nối với chân GND của Nodemcu ESP32.
- Kết nối đèn LED dây với Module LM298:
Chân số 13 của đèn nối với chân OUT 3 của Module.
Chân số 14 của đèn nối với chân OUT 4 của Module. - Kết nối bơm với LM298:
Chân số 2 của bơm nối với chân OUT 1 của Module.
Chân số 2 của bơm nối với chân OUT 2 của Module. - Kết nối quạt với Relay:
Chân 1 của quạt kết nối với chân NO của Relay.
Chân 2 của quạt kết nối với chân COM của Relay. - Kết nối tấm pin mặt trời với bộ sạc và ắc quy:
Chân GND của tấm pin nối với chân Vin- của bộ sạc.
Chân VCC của tấm pin nối với chân Vin+ của bộ sạc
Chân Vbat+ nối với chân (+) của ắc quy.
Chân Vbat- nối với chân (-) của ắc quy.
Chân Vout+ nối với chân In của module hạ áp.
69
5.3 Kết quả thi công.
Mơ hình thực tế: hệ thống IOT chăm sóc vườn cây sữ dụng pin năng lượng mặt trời. Các cảm biến thu thập thông số từ mô trường hiển thị trên LCD. Kích thước 46cm x 38cm x 24 cm.
70
Hiển thị nhiệt độ và độ ẩm trên màn hình LCD ở chế độ tự động Auto.
Hình 5.4 : Hiển thị LCD ở chế độ Auto.
Khi trong trạng thái hoạt động, LCD sẽ hiển thị các thông tin lấy từ cảm biến như nhiệt độ, độ ẩm môi trường, độ ẩm đất.
71
Hoạt động ở chế độ thủ công ( Mamual ), điều khiển các bộ phận dựa vào nút nhấn trên hộp điều khiển. Dấu chấm than báo mơ hình chưa kết nối được với wifi nhưng mơ hình vẫn hoạt động được bằng nút bấm ở chế độ bằng tay tại mơ hình.
Hình 5.6 : Hiển thị lỗi chưa kết nối wifi hoặc internet.
72
Hình 5.8: Hoạt động trên thực tế và app điều khiển
Hoạt động trên thực tế và hiển thị trên app điều khiển đồng nhất, cung cấp cho người sử dụng biết tình trạng hoạt động của mơ hình.
Hiển thị giao diện điều khiển qua app blynk trên điện thoại.
73
Tùy theo Độ ẩm và nhiệt độ cài đặt, thiết bị sẽ hoạt động để điều chỉnh các yếu tố mơi trường phù hợp với giá trị đã nhập.
Hình 5.10: Hoạt động theo giá trị cài đặt.
5.4 Kết luận.
Mơ hình hoạt động ổn định.
Các thông số nhiệt độ, độ ẩm được thu thập thơng qua các cảm biến.
Màn hình LCD hiển thị lỗi kết nối internet và các thông số nhiệt độ, độ ẩm để giám sát.
Các nút nhấn đáp ứng được khả năng điều khiển chế độ hoạt động, bật, tắt các thiết bị.
Có thể giám sát, hiển thị và điều khiển chế độ hoạt động bật tắt các thiết bị qua app điện thoại blynk.
74
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận.
Ưu điểm:
Xây dựng được mơ hình hệ thống.
Vận hành và thử nghiệm thành cơng với mơ hình của hệ thống điều khiển
thơng minh chăm sóc khu vườn.
Thiết lập được hệ thống điều khiển và giám sát hệ thống qua mạng wifi.. Giám sát hệ thống qua app điện thoại blynk và màn hình LCD.
Thu thập được thơng số nhiệt độ và độ ẩm qua các cảm biến. Khuyết điểm:
Hệ thống chưa có nhiều cảm biến để quản lý các thông số của môi trường