Cảm biến độ ẩm đất:
Cảm biến độ ẩm đất dùng để đo độ ẩm trong đất. Hai đầu của cảm biến được cắm vào đất để phát hiện độ ẩm. Dùng dây nối giữa cảm biến và module chuyển đổi. Thông tin về độ ẩm đất sẽ được đọc về và gửi tới module chuyển đổi.
Cách thức giao tiếp của cảm biến độ ẩm đât và ESP32:
Cảm biến độ ẩm đất khi hoạt động sẽ trả về một giá trị Analog tương ứng với độ ẩm của từng loại đất đang đo, giá trị này sẽ được quy đổi thành giá trị số trải dài trong khoảng từ 0 đến 1023 tương ứng với 10 bit
Chân dữ liệu A0 sẽ được kết nối với ESP32 và từ giá trị từ 0 đến 1023 này, ESP32 sẽ quy đổi nó thành các giá trị % tương ứng với giá trị độ ẩm đất hiện tại đo được.
Mục đích chọn cảm biến độ ẩm đất:
Đáp ứng được vấn đề thu nhập thơng số độ ẩm đất ngồi mơi trường.
36
Chi phí rẻ phù hợp với kinh tế.
Dễ kết nối với khối nguồn.
Phù hợp với mục tiêu của đề tài và mơ hình.
4.3.3 Cảm biến cường độ ánh sáng.
Cảm biến cường độ ánh sáng là một thiết bị thụ động chuyển đổi “năng lượng ánh sáng” này cho dù có thể nhìn thấy hoặc trong các phần hồng ngoại của quang phổ thành tín hiệu điện.
Cảm biến cường độ ánh sáng là thiết bị cảm biến thơng minh có khả năng nhận biết các biến đổi của môi trường thông qua mắt cảm biến để kịp thời điều chỉnh ánh sáng cho phù hợp. Cảm biến này nhận biết ánh sáng và điều chỉnh thay đổi dựa trên các đi-ốt quang học.
Cảm biến cường độ ánh sáng thường được gọi là “Thiết bị quang điện” hoặc “Cảm biến ảnh” bởi vì năng lượng ánh sáng chuyển đổi (photon) thành điện (electron).
Hình 4.10: Cảm biến cường độ ánh sáng. [14]
Thông số kỹ thuật :
Điện áp hoạt động : 3.3V – 5V DC.
37
Kích thước : 36mm x 16mm
Xuất tín hiệu Digital.
IC so sánh : LM393. Mục đích chọn cảm biến ánh sáng:
Dễ kết nối với khối nguồn.
Chi phí rẻ phù hợp với kinh tế.
Thiết bị có tính nhạy bén cao với mơi trường ánh sáng xung quanh.
Tuổi thọ và độ bền cao.
Hình 4.11: Kết nối cảm biến ánh sáng với Nodemcu ESP32.
Cách thức giao tiếp của cảm biến ánh sáng và ESP32:
Cảm biến ánh sáng giao tiếp với ESP32 thông qua chuẩn giao tiếp I2C.Thông qua chân VO kết nối với chân VP của ESP32. Tín hiệu sẽ được gửi thơng qua chân VP, khi tín hiệu điều khiển gọi vào cảm biến ánh sáng, nó sẽ trả về cho thiết bị địa chỉ được quy định của nó thường là 0X23 hoặc 0X5C và địa chỉ này sẽ khơng thay đổi trong suốt q trình làm việc với ESP32 để qua đó thiết bị có thể nhận biết được chính xác đối tượng nó đang tiến hành giao tiếp.
38
4.5 Khối điều khiển và giám sát. 4.5.1 Nút nhấn. 4.5.1 Nút nhấn.
Nút nhấn (nút ấn) là một loại khí cụ dùng để đóng ngắt từ xa các thiết bị điện, máy móc hoặc một số loại quá trình trong điều khiển.
Nút nhấn (nút ấn) thường đặt trên bảng điều khiển, ở tủ điện, trên hộp nút nhấn… Khi thao tác với nút nhấn cần dứt khốt để mở hoặc đóng mạch điện.
Hầu hết, các nút nhấn (nút ấn) là nhựa hoặc kim loại. Hình dạng của nút ấn có thể phù hợp với ngón tay hoặc bàn tay để sử dụng dễ dàng. Tất cả phụ thuộc vào thiết kế cá nhân.
Nút nhấn được thiết kế và sản xuất theo tiêu chuẩn cao, có kiểu dáng đẹp, kết cấu chất lượng, chắc chắn, dễ dàng lắp đặt và thay thế.
Hình 4.12: Nút nhấn DS-316
Thơng số kỹ thuật :
Hoạt động: Nhấn nhả / Nhấn giữ. Đèn LED: Khơng có.
Cấu hình tiếp điểm: Single Pole Single Throw. Đường kính thân: 10mm.
39 Màu núm chỉnh: Đỏ / Xanh lá. Điện áp định mức: 250V AC. Dịng định mức: 0.5A.
Hình 4.13: Kết nối nút nhấn với Nodemcu ESP32.
Mục đích chọn nút nhấn:
Nhỏ gọn dùng để điều khiển chọn chế độ hoạt động, bật tắt các thiết bị trong mơ hình.
Kích thước nhỏ gọn. Dễ kết nối với khối nguồn.
4.5.2 Màn hình LCD.
Màn hình LCD hay màn hình tinh thể lỏng được khá nhiều thiết bị điện tử sử dụng. Màn hình cơng nghệ này dùng đèn nền để tạo ánh sáng chứ khơng tự phát sáng được.
40
Hình 4.14: Màn hình LCD.
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 thông 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.
Thơng số kỹ thuật :
Sử dụng điện áp nuôi:12VDC.
Relay mỗi Relay tiêu thụ dòng 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]
Thơng 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. Dịng 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.