3.4. Sơ đồ nguyên lý
Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lí
Nguyên lý hoạt động
➢ Hệ thống hoạt động ở 2 chế độ Manual và Auto, chúng ta thay đổi chế độ bằng nút nhấn điều khiển tại mơ hình hoặc trên app điện thoại
➢ Hệ thống vẫn hoạt động bình thường khi mất kết nối với wifi
➢ Ở chế độ manual điều khiển tắt mở các thiết bị bằng nút nhấn tại mơ hình hoặc app trên điện thoại, hiển thị dữ liệu cảm biến trên LCD và điện thoại
➢ Ở chế độ auto hệ thế sẽ kiểm tra dữ liệu đọc từ cảm biến để so sánh với giá trị hạn mức được cài đặt trên app
➢ Nếu độ ẩm đất thấp dưới mức cài đặt hệ thống sẽ tự động bật bơm tưới và hiển thị trên app cho đến khi độ ẩm đất đạt mức yêu cầu
➢ Hệ thống đọc cảm biến ánh sáng để điều khiển mức sáng của đèn, trời càng tối đèn càng sáng và ngược lại.
3.5. Ứng dụng Blynk
Blynk (Hình 3.5) 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 3.5. Biểu tượng Blynk
3.5.1. Các thành phần chính
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.
3.5.2. Lý do chọn Blynk
➢ Dễ sử dụng: chỉ việc vào store, cài đặt, sau đó đăng ký tài khoản và mất không quá 5 phút để làm quen.
➢ 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.
3.5.3. Cách thức hoạt động
Sau khi tải ứng dụng Blynk về điện thoại, lúc mở ứng dụng màn hình hiển thị giao diện như Hình 3.6, lúc này việc cần làm là tạo một tài khoản hoặc dùng tài khoản facebook đều đuợc.
Hình 3.6. Giao diện Blynk.
Đăng nhập tài khoản vừa tạo rồi, thì việc tiếp theo cần làm là tạo một project như Hình 3.7, đây được hiểu như là một ứng dụng.
Hình 3.7. Tạo project
Hình 3.8. Chọn Board
Mỗi project, Blynk sẽ gửi cho cho người dùng 1 mã Auth Token qua gmail như Hình 3.9 để nhập vào trong code của Board mạch điều khiển NodeMCU.
Hình 3.9. Blynk gửi 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.
Hình 3.10. Chọn đối tượng trong Widget Box
Chọn xong đối tượng, tiếp theo nhấp vào để điều chỉnh cấu hình chân, các mức logic như Hình 3.11 các cấu hình này sẽ tác động đến board phần cứng.
Hình 3.11. 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 như Hình 3.12 mình đang sử dụng, ở đây là NodeMCU.
Hình 3.12. Chọn đúng module sử dụng
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 như Hình 3.13 và install
Hình 3.13. Tải thư viện Blynk
CHƯƠNG 4. QUY TRÌNH THIẾT KẾ
4.1. Giới thiệu Nodemcu Esp8266
4.1.1. Khái niệm
Nodemcu Esp8266 (Hình 4.1) là một hệ thống trên chip, do công ty Espressif của Trung Quốc sản xuất. Được phát hành đầu tiên vào tháng 8 năm 2014, nó bao gồm bộ vi điều khiển Tensilica L106 32-bit.
Nó có 11 chân GPIO và một đầu vào analog, có nghĩa là có thể lập trình nó giống như với Arduino hoặc vi điều khiển khác. Bản thân chip ESP8266 có 17 chân GPIO, nhưng 6 trong số các chân này được sử dụng để giao tiếp với chip nhớ flash trên bo mạch như Hình . Ngồi ra nó có kết nối Wi-Fi, vì vậy có thể sử dụng nó để kết nối với mạng Wi-Fi, kết nối Internet, lưu trữ máy chủ web với các trang web thực, để điện thoại thơng minh của bạn kết nối với nó
ESP8266 có thể được dùng làm module Wifi bên ngồi, sử dụng firmware tập lệnh AT tiêu chuẩn bằng cách kết nối nó với bất kỳ bộ vi điều khiển nào sử dụng UART nối tiếp hoặc trực tiếp làm bộ vi điều khiển hỗ trợ Wifi, bằng cách lập trình một chương trình cơ sở mới sử dụng SDK được cung cấp. Các chân GPIO cho phép IO Analog và Digital, cộng với PWM, SPI, I2C, v.v.
Hình 4.1. Nodemcu Esp8266
Thông số kỹ thuật:
➢ Phiên bản firmware: NodeMCU Lua.
➢ Chip nạp và giao tiếp UART: CP2102.
➢ GPIO tương thích hồn tồn với firmware Node MCU.
➢ Cấp nguồn: 5VDC MicroUSB hoặc Vin.
➢ GIPO giao tiếp mức 3.3VDC.
➢ Tích hợp Led báo trạng thái, nút Reset, Flash.
➢ Tương thích hồn tồn với trình biên dịch Arduino.
➢ Kích thước: 25 x 50 mm.
Hình 4.2. Sơ đồ chân Nodemcu Esp8266 4.1.2. Phần mềm lập trình Nodecm Esp8266 4.1.2. Phần mềm lập trình Nodecm Esp8266
Phần mềm sử dụng là phần mềm Arduino IDE (Hình 4.3). IDE là phần mềm hỗ trợ phát triển tích hợp, viết tắt của từ (Integrated Development Environment) dùng để soạn thảo, biên dịch code và nạp chương trình cho board mạch Arduino, ESP 8266,..
Hình 4.3. Giao diện phần mềm Arduino IDE 4.1.3. Lý do chọn Nodemcu Esp8266 4.1.3. Lý do chọn Nodemcu Esp8266
➢ Kết nối được với mạng Wi-Fi và Internet
➢ Lập trình dễ dàng, ngơn ngữ dễ học, tương tự ngơn ngữ C, C++.
➢ Giá thành rẻ nhưng đáp ứng đầy đủ những gì người dùng cần thiết
➢ Dễ bảo quản, sửa chữa và tin cậy.
➢ Dung lượng đủ để đáp ứng chứa được những chương trình phức tạp.
➢ Giao tiếp được các thiết bị thơng minh khác: máy tính, điện thoại, nối mạng.
➢ Việc gắn các cảm biến hay module cho NodeMCU ESP 8266 dễ dàng bằng cách gắn phía trên board tạo thành tầng dễ dàng và gọn gàng.
4.2. Màn hình LCD
Màn hình LCD (Hình 4.4) 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.
Hình 4.4. Màn hình LCD
Màn hình LCD được cấu tạo từ nhiều ớp xếp chồng lên nhau như Hình 4.5, 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.
Hình 4.5. Cấu tạo màn hình LCD Thơng số kỹ thuật: Thông 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
4.3. Cảm biến
4.3.1. Cảm biến nhiệt độ DHT11
DHT11 (Hình 4.6) Là cảm biến nhiệt độ, độ ẩm rất thơng dụng hiện nay vì chi phí rẻ và rất dễ lấy dữ liệu thông qua giao tiếp 1-wire (giao tiếp digital 1-wire truyền dữ liệu duy nhất). Cảm biến được tích hợp bộ tiền xử lý tín hiệu giúp dữ liệu nhận về được chính xác mà khơng cần phải qua bất kỳ tính tốn.
Hình 4.6. Cảm biến DHT11
Thông số kỹ thuật:
➢ Điện áp hoạt động: 3V - 5V (DC).
➢ Dải độ ẩm hoạt động: 20% - 90% RH, sai số ±5%RH.
➢ Dải nhiệt độ hoạt động: 0°C ~ 50°C, sai số ±2°C.
➢ Tần số lấy mẫu tối đa: 1 Hz.
➢ Khoảng cách truyển tối đa: 20m.
4.3.2. Cảm biến độ ẩm đất
Cảm biến độ ẩm đất (Hình 4.7) có trạng thái đầu ra mức thấp (0V), khi đất thiếu nước đầu ra sẽ là mức cao (5V), độ nhạy cao chúng ta có thể điều chỉnh được bằng biến trở. Cảm biến độ ẩm đất có thể sử dụng tưới hoa tự động khi khơng có người quản lý khu vườn của bạn hoặc dùng trong những ứng dụng tương tự như trồng cây. Độ nhạy của. Phần đầu đo được cắm vào đất để phát hiện độ ẩm của đất, khi độ ẩm của đất đạt ngưỡng thiết lập, đầu ra DO sẽ chuyển trạng thái lên mức cao.
Hình 4.7. Cảm biến độ ẩm đất
Thông số kỹ 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.
➢ VCC: 3.3V-5V.
➢ GND: 0V.
➢ DO: Đầu ra tín hiệu số (0 và 1).
4.3.3. Cảm biến mưa
Cảm biến mưa (Hình 4.8) sử dụng để phát hiện trời mưa, hay các mơi trường có nước. Mạch cảm biến mưa được đặt ngoài trời để kiểm tra trời có mưa khơng, qua đó truyền tín hiệu điều khiển đóng ngắt rơ le.
Hình 4.8. Cảm biến mưa
Thơng số kỹ thuật:
➢ Kích thước tấm cảm biến mưa: 54 x 40mm.
➢ Kích thước board PCB: 30 x 16mm.
➢ Điện áp: 5V.
➢ Đầu ra: đầu ra kỹ thuật số (0 và 1) và đầu ra tương tự điện áp A0.
➢ Lỗ cố định bu lông dễ dàng để cài đặt.
➢ Có đèn báo hiệu nguồn và đầu ra.
➢ Độ nhạy có thể được điều chỉnh thông qua chiết áp.
➢ LED sáng lên khi khơng có mưa đầu ra cao, có mưa, đầu ra thấp LED tắt.
4.3.4. Cảm biến ánh sáng
Cảm biến ánh sáng (Hình 4.9) quang trở CDS có tích hợp sẵn Op-amp và biến trở so sánh mức tín hiệu giúp cho việc nhận biết tín hiệu trở nên dễ dàng, cảm biến ánh sáng này thường dùng để nhận biết, bật tắt thiết bị theo cường độ ánh sáng mơi trường.
Hình 4.9. Cảm biến ánh sáng
Thông số kỹ thuật:
➢ Nguồn: 3.3 – 5VDC
➢ Sử dụng quang trở CDS.
➢ Kích thước nhỏ gọn: 36x16mm
➢ Xuất tín hiệu Digital rất dễ sử dụng.
4.3.5. Module L298N
Module L298N (Hình 4.10) 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 4.10. 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 (3) 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.
➢ 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.
➢ 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.
4.3.6. Mạch hạ áp XL4005
XL4005 (Hình 4.11) là mạch hạ áp đầu ra 5A với kích thước nhỏ gọn, tốt hơn so với LM2596 và đảm bảo được hiệu suất tốt, dùng để thiết kế các mạch nguồn cho các thiết bị nhỏ như mơ hình, thiết bị di động, camera,…
Hình 4.11. Mạch hạ áp XL4005
Thơng số kỹ thuật:
➢ Điện áp đầu vào: Từ 5V đến 32V.
➢ Điện áp đầu ra: điều chỉnh từ 1.25V đến 30V.
➢ Dịng đỉnh tối đa là 5A (dịng trung bình 3.5A).
➢ Hiệu suất: 90%.
➢ Độ gợn sóng: 30mV.
➢ Tần số 300KHz.
➢ Nhiệt độ làm việc: 40 – 85 độ C.
4.3.7. Relay
Module 2 Relay (Hình ) nhỏ gọn, có opto và transistor cách ly giúp cho việc sử dụng trở nên an tồn với board mạch chính, mạch được sử dụng để đóng ngắt nguồn
điện cơng suất cao AC hoặc DC, có thể chọn đóng khi kích mức cao hoặc mức thấp bằng Jumper.
Module 2 Relay với opto cách ly kích HL tiếp điểm đóng ngắt gồm 3 tiếp điểm NC (thường đóng), NO (thường mở) và COM (chân chung) được cách ly hoàn tồn với board mạch chính, ở trạng thái bình thường chưa kích NC sẽ nối với COM, khi có trạng thái kích COM sẽ chuyển sang nối với NO và mất kết nối với NC.
Hình 4.12. Module 2 Relay
Thông số kỹ thuật:
➢ Sử dụng điện áp ni: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).
➢ Nặng: 50g.
4.3.8. Nguồn
Adapter 12V-5A (Hình 4.13) hay còn gọi là bộ nguồn một chiều 12 Volt được thiết kế để chuyển đổi điện áp từ nguồn xoay chiều 110/220VAC thành nguồn một chiều 12VDC để cung cấp cho các thiết bị hoạt động. Nguồn 12V-5A sử dụng cấp nguồn cho camera, hdd box, hdd docking, thiết bị điện khác…
Hình 4.13. Adapter 12v-5A
Thơng số kỹ thuật:
➢ Điện áp đầu vào: AC100-240V 50 / 60HZ.
➢ Điện áp đầu ra: DC12V.
➢ Dòng đầu ra tối đa: 5A.
➢ Tổng chiều dài nguồn ~ 1m5.
➢ Ripple: > 120mV.
➢ Jack cắm DC: 5.5*2.1.
[Trích Các bộ cảm biến trong kỹ thuật đo lường và điều khiển. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, xuất bản 2015 Trang 32-75]
CHƯƠNG 5. THI CÔNG
5.1. Quy trình thi cơng:
➢ Bước 1: Lên ý tưởng.
➢ Bước 2: Tìm hiểu các thiết bị phần cứng.
➢ Bước 3: Tìm hiểu app, trình lập trình code.
➢ Bước 4: Thi cơng phần cứng.
➢ Bước 5: Lập trình.
➢ Bước 6: Thực nghiệp kết quả.
5.2. Chạy thử sản phẩm, mơ hình thực tế:
CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
6.1. Kết luận
➢ 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.
➢ Tìm hiểu được Nodemcu Esp 8266
➢ Thiết lập được hệ thống điều khiển và giám sát hệ thống qua mạng wifi