Màn hình LCD được cấu tạo từ nhiều lớp xếp chồng lên nhau như, bắt đầu bằng kính lọc phân cực nằm dọc (1) lọc ánh sáng tự nhiên, 2 lớp kính có điện cực ITO (2, 4) kẹp chặt lớp tinh thể lỏng ở giữa (3), một lớp kính lọc phân cực nằm ngang (5) nữa và kết thúc bằng gương phản xạ ánh sáng (6) cho người xem.
Mục đích chọn màn hình LCD:
Dùng để hiển thị các thông số nhiệt độ, độ ẩm.
Nhỏ gọn dể sữ dụng.
Hiển thỉ rõ ràng các thơng số cần thiết.
Chí phí rẻ và dễ kết nối.
41 Thơng số kỹ thuật : Điện áp MAX : 7V. Điện áp MIN : - 0,3V. Hoạt động ổn định : 2.7-5.5V. Điện áp ra mức cao : > 2.4. Điện áp ra mức thấp : <0.4V.
Dòng điện cấp nguồn : 350uA - 600uA.
Nhiệt độ hoạt động : - 30 - 75 độ C.
Hình 4.16: Kết nối LCD với Nodemcu ESP32.
4.6 Khối chấp hành.
Yêu cầu khối cơ cấu chấp hành: Khi các thông số của môi trường đọc được từ cảm biến không phù hợp với sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng, khối xử lý trung tâm sẽ tác động đến khối cơ cấu chấp hành để điều chỉnh các thông số của khu vườn thông qua hoạt động của các thiết bị trong khối này.
Khi cần tác động vào độ ẩm đất thì sẽ sử dụng hệ thống bơm nước.
Khi cần tác động vào nhiệt độ môi trường sẽ sử dụng hệ thống quạt hút.
42
4.6.1 Module L298N.
Module L298N là module điều khiển động cơ sử dụng chip cầu H L298N giúp điều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ DC một cách dễ dàng, ngồi ra module L298N cịn điều khiển được 1 động cơ bước lưỡng cực. Mạch cầu H của IC L298N có thể hoạt động ở điện áp từ 5V đến 35V.
Module L298N có tích hợp một IC nguồn 78M05 để tạo ra nguồn 5V để cung cấp cho các thiết bị khác.
Hình 4.17: Module L298N.
Output A: DC motor 1 “+”,“-” hoặc stepper motor A+, A-.
Output B: DC motor 2 “+”,“-” hoặc stepper motor B+, B-
5V Enable: 12V jumper – tháo jumper này nếu sử dụng nguồn trên 12V cấp vào chân 4. Jumper này dùng để cấp nguồn cho IC ổn áp tạo ra nguồn 5V nếu nguồn trên 12V sẽ làm cháy IC 78M05.
+12V Power: cấp dương nguồn cho motor vào đây.
Power GND: cắm chân GND (đất, cực âm) của nguồn vào đây.
+5V Power: nguồn ra 5V, nếu jumper được cắm thì có nguồn ra 5V ở đây.
A Enable: chân Enable của Motor A, chân này cũng dùng để cấp xung PWM cho motor. Nếu điều khiển tốc độ thì rút jumper ra và cắm chân PWM của VĐK vào đây. Giữ nguyên khi dùng với động cơ bước.
43
B Enable: chân Enable của Motor B, chân này cũng dùng để cấp xung PWM cho motor. Nếu điều khiển tốc độ thì rút jumper ra và cắm chân PWM của VĐK vào đây. Giữ nguyên khi dùng với động cơ bước.
Thông số kỹ thuật :
Driver: L298N tích hợp hai mạch cầu H.
Điện áp điều khiển : +5V ~ +12 V.
Dòng tối đa cho mỗi cầu H là :2A.
Điện áp của tín hiệu điều khiển : +5 V ~ +7 V.
Dịng của tín hiệu điều khiển : 0 ~ 36Ma.
Cơng suất hao phí : 20W (khi nhiệt độ T = 75 °C).
Nhiệt độ bảo quản : -25°C ~ +130.
Hình 4.18: Kết nối L298N với Nodemcu ESP32.
4.6.2 Relay.
Yêu cầu khối Relay: tín hiệu điều khiển từ ngõ ra của khối xử lý trung tâm là 5v tuy nhiên các thiết bị lại hoạt động ở mức điện áp 12V vì thế cần phải có một thiết bị trung gian có thể đóng ngắt với điện áp 5V để điều khiển cho các thiết bị 12V. Ngồi ra thiết bị đó cịn cần phải có khả năng cách ly để đảm bảo sự an toàn cho khối xử lý trung tâm trong các trường hợp cháy nổ, chập cháy.
44
Với các yêu cầu đó, nhóm sử dụng Relay. Relay sẽ được sử dụng để đóng ngắt tiếp điểm cũng như là đóng ngắt tải điện.
Hình 4.19: Relay và cấu tạo bên trong.
Relay là một loại linh kiện điện tử thụ động rất hay gặp trong các ứng dụng thực tế khi gặp các vấn đề liên quan đến công suất và cần sự ổn định cao, ngồi ra có thể dễ dàng bảo trì.
Relay là một cơng tắc (khóa K). Nhưng khác với công tắc ở một chỗ cơ bản, Relay được kích hoạt bằng điện thay vì dùng tay người. Chính vì lẽ đó, Relay được dùng làm cơng tắc điện tử. Vì rơ-le là một cơng tắc nên nó có 2 trạng thái: đóng và mở.
Hính 4.20: Cơ cấu tác động của Relay.
Để sử dụng được Relay, ta phải cấp nguồn vào 2 chân + và – của cuộn dây của Relay, khi cuộn dây chưa có điện thì tiếp điểm của Relay ở vị trí NC, khi cuộn dây có điện, nó sẽ hút tiếp điểm của Relay từ vị trí NC sang vị trí NO, ta nối dây của thiết bị cần điều khiển vào 2 chân COM và NO để điều khiển đóng ngắt thiết bị đó.
45
Hình 4.21: Mạch ngun lí của module Relay.
Thông số kỹ thuật :
Sử dụng điện áp nuôi:12VDC.
Relay mỗi Relay tiêu thụ dịng khoảng 80mA.
Điện thế đóng ngắt tối đa: 250VAC ~ 10A hoặc 30VDC ~ 10A.
Có đèn báo đóng ngắt trên mỗi Relay.
Có thể chọn mức tín hiệu kích 0 hoặc 1 qua jumper.
Kích thước: 1.97 in x 1.02 in x 0.75 in (5.0 cm x 2.6 cm x 1.9 cm).
4.6.3 Đèn LED.
Để đáp ứng yêu cầu cung cấp ánh sáng cho vườn cây trong những điều kiện thiếu sáng, nhóm sử dụng đèn led dây. Đây là loại led cho công suất phát sáng tốt, màu sắc rõ nét, độ bền cao.
46 Thông số kỹ thuật : Công suất : 6W/m. Quang thông : 90lm/W. Ánh sáng : 2000K/4000K. Điện áp : 12/24V.
Led được kết nối và điều khiển thông qua module L298N
Hình 4.23: Kết nối led dây với L298N
Mục đích chọn đèn led dây:
Chi phí rẻ
Dễ sử dụng và thuận tiện trong việc gắn vào mơ hình.
Lượng ánh sáng mạnh đủ tiêu chuẩn.
Độ bền cao trong môi trường ẩm ướt.
Dễ kết nối với khối nguồn.
4.6.4 Động cơ bơm.
Để đáp ứng yêu cầu cung cấp nước cho vườn cây trong những điều kiện đất thiếu độ ẩm, nhóm sử dụng bơm để cung cấp nước cho hệ thống. Đây là bơm R385 – 12V có kích thước nhỏ gọn với khả năng bơm 1lít - 2 lít/phút.
47
Hình 4.24: Động cơ bơm R385-12V. [15]
Thông số kỹ thuật :
Điện áp hoạt động : 12VDC.
Dịng danh định : 0.5A - 0.7A.
Cơng 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. Công 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 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.