Chương 2 : TỔNG QUAN GIẢI PHÁP
2.10 TỔNG QUAN PHẦN CỨNG
2.10.1 Module Wifi ESP8266
- Module ESP8266 là module wifi giá rẻ và được đánh giá rất cao cho các ứng dụng liên quan đến Internet và Wifi cũng như các ứng dụng truyền sử dụng thay thế cho các module khác.
50
- ESP8266 là một chip tích hợp cao, được thiết kế cho nhu cầu của một thế giới kết nối mới, thế giới Internet of things (IOT). Nó cung cấp một giải pháp kết nối mạng Wifi đầy đủ và khép kín, cho phép nó có thể lưu trữ các ứng dụng hoặc để giảm tải tất cả các chức năng kết nối mạng Wifi từ một bộ xử lý ứng dụng.
- ESP8266 có xử lý và khả năng lưu trữ mạnh mẽ cho phép nó được tích hợp với các bộ cảm biến, vi điều khiển và các thiết bị ứng dụng cụ thể khác.
Hình 2.38: NodeMCU ESP8266 [18]
- Các tính năng chính:
Hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n không dây.
Wifi 2.4 GHz, hỗ trợ WPA/WPA2.
Có 3 chế độ hoạt động: Client, Access Point, Both Client và Access Point.
Hỗ trợ các chuẩn bảo mật như: OPEN, WEP, WPA_PSK, WPA2_PSK, WPA_WPA2_PSK.
Hỗ trợ cả 2 giao tiếp TCP và UDP.
Làm việc như các máy chủ có thể kết nối với 5 máy con.
LED chỉ báo truyền nhận TX/RX. - Thông số kỹ thuật:
NodeMCU có cổng USB-TTL với IC CH340G hoạt động ổn định với chuẩn công nghiệp.
51
Phiên bản firmware: NodeMCU Lua
Chip nạp và giao tiếp UART: CH340
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: 59 x 32mm - Sơ đồ chân ESP8266:
Hình 2.39: Sơ đồ các chân của ESP8266 [18] 2.10.2 Module đo công suất AC PZEM-004T 2.10.2 Module đo công suất AC PZEM-004T
- Mạch đo công suất AC PZEM-004T được sử dụng theo dõi và giám sát các thông số về điện năng AC như điện áp hoạt động, dịng điện tiêu thụ, cơng suất và năng lượng tiêu thụ. Mạch hỗ trợ giao tiếp UART giúp giao tiếp truyền thơng với máy tính, vi điều khiển.
52
Hình 2.40: Module PZEM – 004T [19]
- Chức năng:
Đo lường được các thông số điện như: điện áp, dịng điện, cơng suất hoạt động và điện năng tiêu thụ.
Cài đặt ngưỡng báo động bằng phần mềm.
Báo động quá tải (khi công suất tiêu thụ của thiết bị điện vượt quá giới hạn mà người sử dụng cài đặt thì module sẽ phát tín hiệu báo động quá tải).
Lưu trữ dữ liệu về điện năng tiêu thụ khi tắt nguồn (lưu trữ năng lượng tích lũy trước khi tắt nguồn) và có thể reset điện năng tiêu thụ tích lũy bằng phím cứng trên module.
Giao tiếp nối tiếp với thiết bị điều khiển hoặc máy tính qua UART (9600/8N1).
Module sử dụng phương pháp đo dòng điện gián tiếp thơng qua cuộn dây CT.
Ngồi ra, module cịn có Opto quang cách ly giữa mạch đo điện năng và mạch nhận tín hiệu UART đảm bảo an toàn cho mạch điều khiển và người sử dụng.
53 - Thông số kỹ thuật:
Model: PZEM-004T
Thương hiệu: Peacefair
Điện áp
• Dải đo : 80 ~ 260VAC • Tần số: 45 – 65Hz • Độ phân giải: 0,1V
• Độ chính xác của phép đo: 0,5%
Dịng điện
• Dải đo: 0 ~ 100A (PZEM-004T-100A) • Phép đo bắt đầu: 0,02A (PZEM-004T-100A) • Độ phân giải: 0,001A
• Độ chính xác của phép đo: 0,5%
Điện năng
• Dải đo: 0 ~ 23kW (PZEM-004T-100A) • Phép đo bắt đầu: 0,4W • Độ phân giải: 0,1W • Độ chính xác của phép đo: 0,5% Kích thước board mạch chủ : 78 x 38 x 20mm Kích thước CT: 31 x 29 x 47mm Trọng lượng: 90g cả bao bì Bộ sản phẩm gồm: Board mạch chủ + CT mở – PZCT-02 + Manual Chú ý:
• Khơng được đấu nối sai dây • Module thích hợp để trong nhà
54 - Sơ đồ nối dây:
Hình 2.41: Sơ đồ nối dây để sử dụng module PZEM 004T [19]
- Giao tiếp: Module sử dụng giao tiếp nối tiếp TTL qua UART với tốc độ
Baudrate mặc định 9600bit/s, khung truyền gồm 8bit/s, 1bit stop và không bit kiểm tra parity.
2.10.3 DHT11
- DHT11 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 nào.
55 - Sơ đồ chân:
Hình 2.43: Sơ đồ chân cảm biến DHT11 [20]
- Thông số kỹ thuật:
Nguồn: 3 -> 5 VDC
Dòng sử dụng: 2,5mA max (khi truyền dữ liệu)
Đo tốt ở độ ẩm 20 to 70%RH với sai số 5%
Đo tốt ở nhiệt độ 0 to 50°C sai số ±2°C
Tần số lấy mẫu tối đa 1Hz (1 giây 1 lần)
Kích thước 15mm x 12mm x 5.5mm
Chân, khoảng cách chân 0,1'' - Sơ đồ kết nối:
56
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 thơng 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 vô 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 khơng 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 môi 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 mòn 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 dịng 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 không 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 (khơng 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 hòa lưới Đồng hồ điện Tấm pin NLMT Bộ hịa lưới Đồng hồ điện Bình ắc quy Hiệu quả tiết
kiệm năng lượng
Ít nhất
Bị hạn chế công suất tiêu thụ điện do lưu trữ vào bình ắc quy
Cao nhất Khơng 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