Chương 2 : TỔNG QUAN GIẢI PHÁP
2.10 TỔNG QUAN PHẦN CỨNG
2.10.4 Cảm biến độ ẩm đất
- Cảm biến độ ẩm đất Soil Moisture Sensor thường được sử dụng trong các mơ hình tưới nước tự động, vườn thông minh, ..., cảm biến giúp xác định độ ẩm của đất qua đầu dò và trả về giá trị Analog, Digital qua 2 chân tương ứng để giao tiếp với Vi điều khiển để thực hiện vơ số các ứng dụng khác nhau.
Hình 2.45: Cảm biến độ ẩm đất [21]
- 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
GND: 0V
DO: Đầu ra tín hiệu số (0 và 1)
AO: Đầu ra Analog (Tín hiệu tương tự)
Có lỗ cố định để lắp đặt thuận tiện
Sử dung chip LM393 để so sánh, ổn định làm việc
Lưu ý: Module khi chưa phát hiện ở mức 1, khi phát hiện độ ẩm cho ra mức 0
57 - Sơ đồ chân:
Hình 2.46: Sơ đồ chân của cảm biến độ ẩm đất [21]
- Nguyên lý hoạt động:
Khi module cảm biến độ ẩm phát hiện, khi đó sẽ có sự thay đổi điện áp ngay tại đầu vào của ic LM393. Ic này nhận biết có sự thay đổi nó sẽ đưa ra một tín hiệu 0V để báo hiệu và thay đổi như thế nào sẽ được tính tốn để đọc độ ẩm đất.
Cảm biến độ ẩm đất rất nhạy với độ ẩm môi trường xung quanh, thường được sử dụng để phát hiện độ ẩm của đất.
Khi độ ẩm đất vượt quá giá trị được thiết lập, ngõ ra của module D0 ở mức giá trị là 0V.
Ngõ ra D0 có thể được kết nối trực tiếp với vi điều khiển như (Arduino, PIC, AVR, STM), để phát hiện cao và thấp, và do đó để phát hiện độ ẩm của đất.
Đầu ra Analog A0 có thể được kết nối với bộ chuyển đổi ADC, có thể nhận được các giá trị chính xác hơn độ ẩm của đất.
Nếu như đất khơ, khơng có độ ẩm thì điện áp ra của nó tương đương 3,3V. Cịn nếu ở trong mơi trường có độ ẩm rất lớn, thì nó sẽ xấp xỉ 0V (chứ không phải tuyệt đối 0V). Sở dĩ có điều này bởi vì 2 phiến kim loại ở cảm biến sẽ cảm nhận được độ dẫn điện của mơi trường, từ đó nếu độ ẩm càng lớn thì điện áp càng nhỏ.
58
Cảm biến độ ẩm đất có tích hợp IC LM393, từ đó chúng ta có thể đọc được 2 trạng thái của cảm biến là Analog và Digital. Cảm biến sẽ chuyển tính hiệu chân D0 từ mức cao xuống mức thấp nếu đạt giá trị ngưỡng độ ẩm đặt.
Lưu ý: Không nên sử dụng cảm biến này q lâu vì có thể bị ăn mịn bản
kim loại.
Độ ẩm của đất tỷ lệ nghịch với khả năng chống chịu của nó, tức là hàm lượng nước trong đất càng cao thì khả năng chống chịu của nó càng thấp. Cảm biến được thiết kế như một điện cực có điện trở thay đổi theo cả độ ẩm và độ sâu của nó vào đất.
Loại đất và nhiệt độ là những yếu tố khác xác định độ ẩm của đất. Do đó, việc đọc độ ẩm của đất thơng qua cảm biến này có thể khơng đủ cho các ứng dụng hoặc nghiên cứu khoa học phức tạp hơn.
Cảm biến đi kèm với app mobile Blynk giúp hiển thị tín hiệu kỹ thuật số hoặc tín hiệu tương tự.
- Gửi giá trị cảm biến qua WiFi:
Để người dùng có thể đọc được độ ẩm của đất qua WiFi, cần phải có app Blynk có khả năng kết nối mạng không dây. Đối với dự án này sẽ sử dụng vi điều khiển ESP8266, đặc biệt là bo mạch NodeMCU V3.
Thông số kỹ thuật điện áp sử dụng: 3,3 – 5 VDC Đầu ra: AOUT – Đầu ra analog: DOUT – Đầu ra tương tự Led báo tín hiệu: Led đỏ – báo nguồn: Led xanh – báo mức độ ẩm ở pin D0.
- Sơ đồ đấu nối với ESP8266: Trong phần này sẽ sử dụng hàm map trong
59
Hình 2.47: Sơ đồ kết nối của cảm biến độ ẩm đất với ESP8266 [21] 2.10.5 Module Relay 2.10.5 Module Relay
Hình 2.48: Module relay 1 kênh 5V (Nguồn Internet)
- Module Relay 5V 1 Kênh được dùng như một công tắc điện, dùng để điều khiển các thiết bị công suất lớn ( đèn, động cơ, ...)
- Module Relay 5V 1 Kênh gồm 1 rơ le hoạt động tại điện áp 5VDC, 12VDC chịu được hiệu điện thế lên đến 250VAC 10A. Module relay 1 kênh được thiết kế chắc chắn, khả năng cách điện tốt.
- Trên module có opto để cách ly dòng ngược về, hiệu suất ổn định. - Có Led báo nguồn màu xanh, Led báo trạng thái Relay màu đỏ. - Kết nối module với mạch điều khiển đơn giản.
60 - Thông số kỹ thuật:
Điện áp tải tối đa: AC 250V-10A / DC 30V-10A
Điện áp điều khiển: 5 VDC
Dịng kích Relay: 5 mA
Trạng thái kích : Mức thấp (0V)
Đường kính Lỗ ốc: 3,1 mm
2.10.6 Động cơ DC bơm nước P385
- Động cơ DC bơm nước P385 12VDC có kích thước nhỏ gọn, áp lực mạnh, được sử dụng để bơm nước, dung dịch với khả năng bơm tối đa lên đến 1~2L/1 phút, thích hợp với các thiết kế sử dụng máy bơm nhỏ: bơm hồ cá, tưới nước cho cây, gắn với đầu phun để làm máy rửa tay hoặc các ứng dụng phun, xịt,.... Lưu ý khơng cấp ngược cực vì có thể làm hư cơ cấu bơm của động cơ (cực dương có đánh dấu màu đỏ).
Hình 2.49: Động cơ bơm nước P385 12VDC (Nguồn Internet)
- Thông số kỹ thuật:
Loại động cơ: P385
Điện áp sử dụng: 6~12VDC
Dòng điện sử dụng: 0,5~0,7A
Lưu lượng bơm: 1~2L / 1 phút
Thời gian chạy liên tục: < 1h
Đường kính đầu bơm: đường kính trong 6mm, đường kính ngồi 8,5mm
61
2.11 Chuẩn giao tiếp UART
- UART là viết tắt của Universal Asynchronous Receiver - Transmitter có nghĩa là truyền dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ. UART chuyển đổi giữa dữ liệu nối tiếp và song song. Một chiều, UART chuyển đổi dữ liệu song song bus hệ thống ra dữ liệu nối tiếp để truyền đi. Một chiều khác, UART chuyển đổi dữ liệu nhận được dạng dữ liệu nối tiếp thành dạng dữ liệu song song cho CPU có thể đọc vào bus hệ thống. Để truyền được dữ liệu thì cả bên phát và bên nhận phải tự tạo xung clock có cùng tần số và thường được gọi là tốc độ baud. Ví dụ như 2400 baud, 4800 baud, 9600 baud...
- UART của PC hỗ trợ cả hai kiểu giao tiếp là giao tiếp đồng thời và không giao tiếp đồng thời. Giao tiếp đồng thời tức là UART có thể gửi và nhận dữ liệu vào cùng một thời điểm. Cịn giao tiếp khơng đồng thời (không kép) là chỉ có một thiết bị có thể chuyển dữ liệu vào một thời điểm, với tín hiệu điểu khiển hoặc mã sẽ quyết định bên nào có thể truyền dữ liệu. Giao tiếp khơng đồng thời được thực hiện khi mà cả 2 chiều chia sẻ một đường dẫn hoặc nếu có 2 đường nhưng cả 2 thiết bị chỉ giao tiếp qua một đường ở cùng một thời điểm.
Hình 2.50: Giao tiếp UART (Nguồn Internet)
- Đề giao tiếp giữa 2 thiết bị thông qua chuẩn giao tiếp UART, ta tiến hành nối dây Tx (chân gửi tín hiệu) của bên phát với chân Rx (chân nhận tín hiệu) của bên thu và ngược lại nối chân Rx (chân nhận tín hiệu) của bên phát với chân Tx (chân gửi tín hiệu) của bên thu. Cách nói đây này được gọi là nối chéo dây. Bên cạnh đó, cần phải nói chung GD cho cả 2 bên nhận và phát với nhau và muốn truyền nhận được, 2 bên phải có cùng tốc độ baud.
62
Chương 3: PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT
3.1 Giải pháp thực hiện
3.1.1 Giải pháp cho hệ thống điện năng lượng mặt trời
- Trong những năm gần đây, xu hướng điện năng lượng mặt trời trở thành một trong những nguồn năng lượng chính của Việt Nam trong tương lai gần. Có thể nói đây là giải pháp năng lượng được ưu tiên và khuyến khích lựa chọn vì ưu điểm tiết kiệm điện năng cũng như mang đến những ảnh hưởng tích cực đến mơi trường.
- Tùy thuộc vào nhu cầu của người sử dụng mà hệ thống điện năng lượng mặt trời được phân ra làm 3 giải pháp chính:
Hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập:
• Tấm pin hấp thu ánh sáng mặt trời tạo ra điện 1 chiều (DC).
• Dịng điện đi qua Điều khiển sạc năng lượng mặt trời nạp vào bộ lưu trữ (bình ắc quy).
• Điện 1 chiều từ bộ lưu trữ cung cấp trực tiếp cho thiết bị DC hay đi qua bộ chuyển đổi cung cấp thiết bị AC.
63
Hệ thống điện năng lượng mặt trời hịa lưới:
• Tấm pin hấp thu ánh sáng mặt trời tạo ra điện 1 chiều (DC).
• Điện DC đi qua bộ kích điện hịa lưới chuyển thành điện AC cùng pha, cùng tần số với điện lưới.
• Sau đó, dịng điện AC đi đến tủ điện để cung cấp cho các thiết bị. • Khi điện mặt trời tạo ra nhiều hơn lượng cần thiết, điện dư sẽ được
đưa lên lưới.
• Nếu khơng đủ, sẽ lấy thêm điện từ lưới bù vào, để cung cấp cho các thiết bị.
Hình 3.2: Hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới [6]
Hệ thống điện năng lượng mặt trời hịa lưới có lưu trữ (Hybrid):
• Hoạt động giống với hệ thống hòa lưới. Tuy nhiên, dòng điện ưu tiên lưu trữ đầy vào ắc quy, còn các thiết bị khác sẽ được cung cấp bởi lưới điện.
• Khi ắc quy đầy, dịng điện sẽ chuyển qua bộ kích điện hịa lưới và tiếp tục quy trình như điện hịa lưới.
• Khi mất điện lưới, bộ kích điện hịa lưới sẽ lấy điện được dự trữ trong bình ắc quy, chuyển nguồn cung cấp cho các thiết bị.
64
• Khi có điện lưới trở lại, bình ắc quy được nạp đầy thì hệ thống tự động chuyển sang chế độ hịa lưới bình thường.
Hình 3.3: Hệ thống điện năng lượng mặt trời hịa lưới có lưu trữ [6]
- So sánh các loại hệ thống:
Bảng 3.1: So sánh các hệ thống điện năng lượng mặt trời
Nội dung HTNLMT độc lập HTNLMT hòa lưới HTNLMT
hịa lưới có dự trữ Thành phần cơ bản Tấm pin NLMT Bộ kích điện Bộ điều khiển Bình ắc quy Tấm pin NLMT Bộ hịa lưới Đồng hồ điện Tấm pin NLMT Bộ hòa lưới Đồng hồ điện Bình ắc quy Hiệu quả tiết
kiệm năng lượng
Ít nhất
Bị hạn chế cơng suất tiêu thụ điện do lưu trữ vào bình ắc quy
Cao nhất Không sử dụng ắc quy, cung cấp tối đa năng lượng
Trung bình Do dự trữ vào ắc quy nên bị giảm công suất
Đầu tư giá cả
Do có bình ắc quy nên giá gấp 2 lần NLMT hòa lưới Chi phí thấp nhất Trung bình Do ắc quy có giá thành cao
65
Tải tiêu thụ Giới hạn tải tiêu thụ Không giới hạn tải tiêu thụ
Không giới hạn tải tiêu thụ
Hiệu quả kinh tế
Thấp Do nguồn điện bị hạn chế về công suất và ắc quy Cao Sử dụng tối ưu nguồn năng lượng
Trung bình Do ắc quy có giá thành cao
Chi phí tiết kiệm điện năng
Thấp Cao Thấp
Thời gian hoàn vốn
Dài Ngắn Dài nhất
Ứng dụng
Thích hợp cho vùng sâu vùng xa, vùng chưa có điện lưới
Khu vực có điện lưới tương đối ổn định Thích hợp cho vùng thường xuyên mất điện Dự phòng sự cố mất điện Cao Thấp Cao Chi phí bảo trì, bảo dưỡng Rất Cao Ắc quy mau hỏng do không được nạp đầy
Thấp Gần như bằng không Cao Tuổi thọ Ắc quy chỉ từ 3-5 năm Tính ổn định của hệ thống Thấp
Lệ thuộc vào cường độ ánh sáng mặt trời do đó khơng ổn định khi công suất tải tăng lên.
Cao
Vận hành song song với lưới điện, không ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống.
Cao
Vận hành song song với lưới điện, không ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống.
- Từ bảng so sánh trên, giải pháp tốt nhất là hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới có dự trữ để phịng các trường hợp sự cố mất điện lưới thì cịn phương án nguồn dự phòng, tránh ảnh hưởng đến sự vận hành của các tải hoạt động.
66
- Ngoài ra khi hệ thống điện mặt trời gặp sự cố hoặc bào trì bảo dưỡng thì ta có thể lấy điện lưới vào để tải có thể hoạt động.
3.1.2 Giải pháp cho hệ thống vườn rau thông minh
- Hiện nay nền nông nghiệp các quốc gia phát triển như Nhật Bản, Isarel, … đa số đã sử dụng hệ thống thông minh.
- Ở nước ta cũng đang áp dụng, triển khai một số hệ thống vườn rau thông minh. Các hệ thống giám sát, điều khiển thông minh như:
Biết được cây trồng khi nào thiếu nước => đưa ra cảnh báo cho người nông dân thực hiện tưới nước (bằng tay hoặc tự động). Bật hệ thống tưới tự động để tưới cho cây đủ nước, tưới đến khi nào lượng nước đủ cho cây thì hệ thống tự dừng. Như vậy sẽ giảm đi lượng nước tưới thừa cho cây (tiết kiệm được nước tưới trong mùa khô), tiết kiệm điện cho hệ thống tưới.
Biết được lượng nước thừa trong vườn để người dân có thể tháo nước, nước thoát nhanh trong vườn, giảm thiệt hại đáng kể về cây trồng bị ngập nước thối rễ mà chết.
Hệ thống kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm của vườn có phù hợp với cây trồng hay khơng? Để người dân có thể điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm cho cây được sinh trưởng trong môi trường tốt nhất.
- Với những giải pháp trên người nơng dân sẽ n tâm về vườn của mình khi đang bận việc gì đấy mà khơng lo vườn của mình bị thiệt hại gì khơng. - Tiết kiệm lượng nước thừa đổ vào vườn ảnh hưởng đến phát triển bộ rễ dẫn
đến ảnh hưởng đến năng suất.
- Khống chế lượng nước vào vườn quá nhiều khi vào mùa mưa dẫn đến cây trồng trong vườn bị thối rễ mà chết.
67
3.2 Phương án thiết kế
- Thiết kế cho hệ thống điện năng lượng mặt trời:
Thiết kế tủ điện cho hệ thống điện năng lượng mặt trời
Thiết kế bộ điều khiển sạc pin mặt trời
Thiết kế mạch đo sản lượng điện sinh ra từ pin mặt trời và bán ra điện lưới
Thiết kế giám sát thông số điện năng đo được hiển thị qua app Blynk trên smartphone được kết nối với thiết bị qua wifi
- Thiết kế cho hệ thống vườn rau thông minh:
Thiết kế mơ hình vườn rau
Thiết kế lắp đặt hệ thống điện năng lượng mặt trời cho vườn rau
Thiết kế hệ thống vườn rau thơng minh có thể điều khiển và giám sát thiết bị thông qua app Blynk trên smartphone được kết nối internet
3.3 Giới hạn nội dung
- Chọn vườn rau là đối tượng nghiên cứu. - Thiết kế mơ hình nhà lưới cho vườn rau.
- Điều khiển và giám sát khu vườn bằng Blynk trên smartphone thông qua wifi. - Sử dụng 1 tấm pin năng lượng mặt trời Mono 20W và bộ lưu điện 12V 9Ah
để cấp nguồn dự phịng cho tồn bộ hệ thống.
- Sử dụng 1 module để đo các thông số điện mặt trời và 1 hệ thống điều khiển giám sát vườn rau.
68
Chương 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG
4.1 Sơ đồ khối hệ thống
4.1.1 Sơ đồ khối hệ thống điện năng lượng mặt trời
Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống điện năng lượng mặt trời Chức năng của các khối: Chức năng của các khối:
- Khối điều khiển sạc: Có chức năng điều khiển điện áp từ pin mặt trời để sạc cho bình ắc quy, bảo vệ ắc quy khi điện áp ắc quy xuống thấp. - Khối lưu trữ: Có chức năng phịng trường hợp mất điện từ pin mặt trời
và điện lưới để cấp điện cho tải hoạt động bình thường.
- Khối bộ chuyển đổi Inverter: Giúp chuyển đổi đầu ra dòng điện một chiều