Thông số kỹ thuật :
Điện áp hoạt động : 12VDC.
Dòng danh định : 0.5A - 0.7A.
Công suất : 3W.
Lưu lượng bơm : 1lít - 2 lít/phút.
Kích thước : 90mm x 40mm x 35mm.
Đường kính vịi ra : đường kính trong 6mm, đường kính ngồi 8.5mm.
Tuổi thọ : 2500h.
Dựa vào đặc tính của cây cà chua ta có các tính tốn sau: 10 gốc cần 20lít/ngày --> 0,84lít/giờ
Như vậy bơm 1,5 lít/phút, 1 ngày bơm hoạt động khoảng 15 phút, công suất bơm 3W --> 1 ngày bơm hoạt động 15phút tiêu thụ 0.75W.
48
Hình 4.25: Kết nối bơm với module L298N
Mục đích chọn bơm R385:
Chi phí rẻ phù hợp với kinh tế.
Áp suất vừa đủ đáp ứng lượng nước cây cần.
Phù hợp với ắc quy đã chọn.
Độ bền và tuổi thọ cao.
Dễ sử dụng.
4.6.5 Quạt tản nhiệt.
Để đáp ứng yêu cầu thay đổi nhiệt độ cho vườn cây trong những điều kiện nhiệt độ khơng lí tưởng, nhóm sử dụng quạt để làm giảm nhiệt độ cho hệ thống. Đây là quạt Coolerguys có kích thước nhỏ gọn với khả năng tản nhiệt cao.
49 Thông số kỹ thuật : Điện áp hoạt động : 12VDC. Dòng danh định : 0,5 A. Cơng suất : 1,2W. Kích thước : 120mm x 120mm x 25mm. Tốc độ : 1200 rpm.
Hình 4.27 : Kết nối quạt với Relay và Nodemcu ESP32.
Mục đích chọn quạt Coolerguys:
Chi phí phù hợp với kinh tế.
Nhỏ gọn phù hợp với mơ hình.
Dễ sử dụng và kết nối với khối nguồn
Khả năng tản nhiệt cao phù hợp với mơ hình.
50
4.7 Khối Internet (Blynk).
Blynk là một ứng dụng chạy trên nền tảng iOS và Android để điều khiển và giám sát thiết bị thông qua internet. Blynk không bị ràng buộc với những phần cứng cụ thể nào cả, thay vào đó, nó hỗ trợ phần cứng để lựa chọn như Arduino, Raspberry Pi, ESP8266 và nhiều module phần cứng phổ biến khác.
Hình 4.28 : Biểu tượng Blynk.
4.7.1 Các thành phần chính Blynk.
Có ba thành phần chính trong nền tảng là Blynk app, Blynk sever, Blynk library. Blynk app cho phép tạo giao diện cho sản phẩm của bạn bằng cách kéo thả các chức năng khác nhau mà nhà cung cấp đã thiết kế sẵn.
Blynk Server chịu trách nhiệm xử lý dữ liệu trung tâm giữa điện thoại, máy tính bảng và phần cứng. Người dùng có thể sử dụng Blynk Cloud của Blynk cung cấp hoặc tự tạo máy chủ Blynk riêng của bản thân.
Library Blynk support cho hầu hết tất cả các nền tảng phần cứng phổ biến, cho phép giao tiếp với máy chủ và xử lý tất cả các lệnh đến và đi.
4.7.2 Lý do chọn Blynk.
Dễ sử dụng: chỉ việc vào store, cài đặt, sau đó đăng ký tài khoản và mất khơng quá 5 phút để làm quen.
51
Đẹp và đầy đủ: Giao diện của Blynk quá tuyệt vời, sử dụng bằng cách kéo thả, bạn cần nút bấm, kéo thả nút bấm, bạn cần đồ thị, kéo thả đồ thị, bạn cần LCD, kéo thả LCD, tóm lại là bạn cần gì thì kéo thả cái đó.
Khơng phải lập trình android hay ios: Nếu như khơng có kiên thức về làm app trên điện thoại thì việc điều khiển thiết bị từ chính smartphone của mình quả là điều vơ cùng khó khăn và phức tạp. Nhờ blynk thì chúng ta có thể bỏ qua bước lập trình tạo app. Có thể thử nhanh chóng và ứng dụng được dự án của mình vào thực tế.
Thử nghiệm nhanh chóng, có thể điều khiển giám sát ở bất kỳ nơi nào có internet.
4.7.3 Cách thức hoạt động.
Sau khi tải ứng dụng Blynk về điện thoại, lúc mở ứng dụng màn hình hiển thị giao diện, lúc này việc cần làm là tạo một tài khoản hoặc dùng tài khoản facebook đều đuợc.
Hình 4.29 : Giao diện Blynk.
Đăng nhập tài khoản vừa tạo rồi, thì việc tiếp theo cần làm là tạo một project, đây được hiểu như là một ứng dụng.
52
Hình 4.30 : Tạo project.
Sau đó điền tên project vào board phần cứng.
53
Mỗi project, Blynk sẽ gửi cho cho người dùng 1 mã Auth Token qua gmail như để nhập vào trong code của Board mạch điều khiển Nodemcu.
Hình 4.32 : Blynk gữi mã Auth Token qua gmail.
Sau đó chúng ta có thể lựa chọn nhiều chức năng như nút bấm, hẹn giờ, biểu đồ,… để đưa vào project của mình bằng cách nhấp vào biểu tượng dấu + ở góc bên phải trên cùng giao diện. Mỗi chức năng chọn sẽ tốn energy.
54
Chọn xong đối tượng, tiếp theo nhấp vào để điều chỉnh cấu hình chân, các mức logic các cấu hình này sẽ tác động đến board phần cứng.
Hình 4.34 : Chọn cấu hình chân, mức logic.
Sau khi cài đặt xong trên điện thoại thì lập trình cho board phần cứng. Dùng phần mềm Arduino IDE để lập trình cho NodeMCU ESP8266.
Trước khi bắt đầu cần phải mở Arduino IDE và chọn đúng module đang sử dụng, ở đây là NodeMCU.
55
Để sử dụng blynk thì cần phải tải thư viện của nó thơng qua Arduino IDE. Chọn Sketch -> Include Library -> Manage Libraries, tìm kiếm blynk và install.
Hình 4.36 : Tải thư viện Blynk.
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 tồn bộ mạch. Do đặc điểm khơng 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 tồn bộ hệ thống nên nhóm sử dụng 1 tầm pin năng lượng mặt trời 30W.
57
Pin năng lượng mặt trời cơng suất 30W có kích thước nhỏ gọn. Phù hợp để sạc cho bình ắc quy 12V/4.5Ah đến 12V/7Ah. Công 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% công 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 dòng tiêu thụ của mơ hình.
Tên linh kiện Số lượng Dịng 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 dòng 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 khơng 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 không 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 khơng 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.
Thông 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 toán 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.