Qua nghiên cứu và tìm hiểu về cảm biến độ dinh dƣỡng Ec, nhóm sinh viên đã tìm hiểu đƣợc sơ đồ nguyên lý bên trong của cảm biến Ec. Chi tiết của sơ đồ nguyên lý sẽ thể hiện ở phần phụ lục 2.
- Kết nối giữa Arduino với cảm biến nhiệt độ dây DS18B20 qua chân Digital A1 của Arduino. Giữa chân nguồn và chân Data của cảm biến đƣợc mắc một điện trở 4,7K.
Hình 4.8: Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm giao tiếp với cảm biến nhiệt độ DS 18B20
Để đọc giá trị pH của môi trƣờng thủy canh, sinh viên lựa chọn một module cảm biến đo pH của DFRobot, giá thành khá cao nhƣng đảm bảo về độ chính xác và dễ sử dụng.
- Kết nối giữa Arduino với cảm biến nồng độ pH qua chân Analog A2 của Arduino.
Qua tìm hiểu và nghiên cứu về cảm biến nồng độ pH, nhóm sinh viên cũng đã tìm hiểu đƣợc sơ đồ nguyên lý bên trong của cảm biến độ pH, chi tiết về sơ đồ nguyên lý đƣợc thể hiện ở phần phụ lục 2.
Yêu cầu giám sát các mực nƣớc của các bình dung dịch, mực nƣớc trong bồn chứa dung dịch trồng thủy canh để có thể điều khiển bật tắt bơm khi cần thiết.
- Kết nối giữa Arduino với các cảm biến đo mực nƣớc qua các chân Analog A3 của Arduino.
Phương án: Hệ thống có thể sử dụng các loại cảm biến có thể đo đƣợc mực
nƣớc nhƣ thông qua cảm biến áp suất nƣớc, các cảm biến mực nƣớc có phao nổi trong cơng nghiệp tích hợp bộ chuyển đổi, nhƣng giá thành các loại cảm biến này khá cao. Ngồi ra cũng có thể sử dụng cảm biến siêu âm cũng đƣợc sử dụng nhiều trong thực tế.
Nhóm lựa chọn loại cảm biến đo mực nƣớc Analog có điện áp tiêu thụ ít, độ chính xác cao. Trƣờng hợp sử dụng một bể chứa lớn có thể nối dài thêm cảm biến này để có thể đo đƣợc mức nƣớc cao hơn.
Hình 4.10: Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm giao tiếp với cảm biến mực nƣớc
Khối xử lý trung tâm bộ thu thập dữ liệu:
Một số phương án lựa chọn:
Để điều khiển, xử lý các yêu cầu của một hệ thống, hiện nay có rất nhiều dịng vi điều khiển có thể đáp ứng đƣợc nhƣ: PIC, Arduino, ARM,… Với yêu cầu của hệ thống thu thập dữ liệu từ nhiều cảm biến và các kênh đo ADC có độ phân giải cao, giá thành rẻ và khá bền, nhiều thƣ viện hỗ trợ khi lập trình thì nhóm lựa chọn Kit phát triển Arduino Uno R3, nhóm sẽ sử để làm chip xử lý cho khối xử lý trung tâm của phần quan trắc, vừa hỗ trợ nhiều chuẩn giao tiếp và vừa hỗ trợ giao tiếp nhiều thiết bị ngoại vi nhƣ là với module Wifi dùng trong hệ thống.
Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm bộ thu thập dữ liệu:
Hình 4.11: Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm hệ thống thu thập dữ liệu
Kết nối khối xử lý trung tâm như sơ đồ gồm:
- Các chân Analog A0, A1, A3 đƣợc kết nối đến các cảm biến Analog: độ dẫn điện EC, cảm biến độ pH và các cảm biến mực nƣớc.
- Chân Digital A2 của Arduino đƣợc kết nối với cảm biến nhiệt độ DS18B20. - Các chân nguồn đƣợc kết nối với một nguồn 5VDC và GND từ bộ nguồn.
Khối xử lý trung tâm bộ thu thập dữ liệu dùng Kit Arduino Uno R3 sẽ tiêu thụ công suất vào khoảng 2.5 W khi sử dụng ở nguồn DC 5V và dòng tiêu thụ 500 mA.
Sơ đồ nguyên lý của toàn bộ module thu thập dữ liệu: 4.2.2. Khối điều khiển:
Khối động lực:
Một số phương án lựa chọn:
Khối động lực của hệ thống sử dụng relay và timer để điều khiển hoạt động của động cơ, thơng qua các relay kích giúp bảo vệ khối xử lý trung tâm. Hệ thống gồm 4 thiết bị ngõ ra DC và 3 thiết bị ngõ ra AC.
Sơ đồ nguyên lý khối động lực:
(b)
Hình 4.12: (a), (b) Sơ đồ nguyên lý khối động lực Kết nối khối động lực nhƣ sơ đồ gồm: Kết nối khối động lực nhƣ sơ đồ gồm:
- Các chân ngõ vào IN_1, IN_2, IN_3, IN_4, IN_5, IN_6, IN_7 đƣợc kết nối với các chân ngõ ra digital D3, D4, D5, D6, D7, D8, D9 của ESP8266 Node MCU.
Tính tốn và giải thích:
Giải thích hoạt động của mạch:
Khi ngõ ra ESP ở mức 0, khơng có tín hiệu để kích dẫn opto, khơng có dịng từ nguồn qua transistor, opto không dẫn; ngƣợc lại, khi ngõ ra ESP lên mức 1, lúc này opto cách li quang sẽ đƣợc kích, transitor trong opto sẽ cho dịng từ nguồn cấp đi qua và vào cực B của transitor. Khi có dịng vào cực B thì transitor sẽ dẫn để cho dòng từ nguồn đi qua relay và xuống mass, khi có dịng đi qua thì relay sẽ kích đóng, cơng tắc từ chân NC của relay sẽ chuyển sang chân NO và lúc này kín mạch với tải. Sử dụng một diode để ngăn chặn điện áp ngƣợc khi transistor ngắt đột ngột nhằm bảo vệ transistor.
Dòng ra của ESP 8266 Node MCU nhỏ (20mA) không thể dùng trực tiếp để điều khiển Role (89.3mA) và để bảo vệ mạch ta sẽ thông qua IC cách ly quang PC817 và dùng C1815 khuyết đại dịng kích cho role, nhóm chọn relay 5V-10A sử dụng cho hệ thống.
- Chọn áp qua LED1 và PC817 là 1V và dòng là 10mA nên, vì nguồn cấp là 3.3V nên sẽ tính R nhƣ biểu thức 4.3:
Ta có: Vin = VLed + ILed. RLed + VLed-opto Biểu thức 4.1
=>R = =
= 130 (Ω) Nên có thể chọn trở 220 Ω hoặc 330 Ω.
- Đo điện trở của 2 cuộn dây role là 50(Ω), nên dòng qua cực C (Ic) của C1815 là :
Ta có : VCC = IC. RC + VCB + VBE Biểu thức 4.2 Trong đó: Transistor ở chế độ bão hịa nên VCE = 0, VBE = 0,8V.
Nguồn cấp là 5V.
Chọn hệ số Bê ta là 100, vì bê ta nằm trong khoảng 70-700 khi ở chế độ dẫn bão hòa.
Ic = = 100 Ma
- Dòng Ibcủa C1815, tính tồn nhƣ biểu thức 4.3 là :
Ib =
= 1 mA.
Biểu thức 4.3
Vậy để dòng ra đƣợc 1mA ở cực B C1815 ta phải chon dòng ngõ ra của PC817 là 1mA nên chọn điện trở ở cực C của PC817, đƣợc tính tồn ở biểu thức 4.4:
Rc =
= 5 (kΩ) Biểu thức 4.4 - Lựa chọn chọn R = 4.7(kΩ).
- Khi C1815 ngắt mạch, dòng điện trong relay đột ngột giảm về 0, khi đó cuộn dây trong relay xuất hiện dòng điện tự cảm khá lớn, cần một diode để dẫn dòng điện áp này ngƣợc trở lại, để bảo vệ, tránh làm hỏng transistor. Sinh viên chọn loại diode 1N4007 1A để sử dụng cho khối động lực.
- Các thiết bị DC bao gồm một van điện từ 12VDC có cơng suất 3.6W và 3 bơm nhu động có cơng suất là 3x5W = 15W.
- Các thiết bị AC gồm 2 máy bơm và sục khí sử dụng điện áp 220VAC.
Khối xử lý và giao tiếp qua mạng:
Một số phương án lựa chọn:
Khối xử lý trung tâm trong khối điều khiển cũng yêu cầu sử dụng một vi xử lý có khả năng hoạt động lâu dài, bền và tốc độ xử lý, quá trình chờ nhận dữ liệu và xử lý trực tiếp, thực hiện cả 2 công việc nhận dữ liệu từ cơ sở dữ liệu và điều khiển các ngõ ra, vừa có thể giao tiếp hiển thị nên sẽ chọn ESP8266 Node MCU làm khối xử lý trung tâm bộ điều khiển để thuận tiện cho việc lập trình và vẫn có thể đảm bảo các yêu cầu hoạt động của hệ thống.
Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm và giao tiếp qua mạng cho bộ điều khiển:
Hình 4.13: Sơ đồ nguyên lý khối xử lý giao tiếp qua mạng cho bộ điều khiển. khiển.
Kết nối khối xử lý trung tâm bộ điều khiển như sơ đồ gồm:
- Các chân nguồn của khối xử lý trung tâm sẽ đƣợc kết nối với nguồn +3.3V và các chân GND cũng đƣợc kết nối với chân GND của nguồn cung cấp.
- Các chân Digital D3, D4, D5, D6, D7, D8, D9 đƣợc đƣợc kết nối với các ngõ vào IN_1, IN_2, IN_3, IN_4, IN_5, IN_6, IN_7 của khối động lực để điều khiển ngõ ra tải.
Tính tốn và giải thích:
- Khối giao tiếp qua mạng chỉ dùng một module Wifi Node MCU ESP8266 dùng nguồn cung cấp 5VDC khi sử dụng cổng USB hoặc 3.3VDC qua chân Vin.
- Dòng tiêu thụ qua ESP: 70mA (Max 200 mA)
- Công suất cực đại qua ESP khi dùng nguồn cung cấp 3.3VDC dòng tiêu thụ cực đại 200 mA là: 0.66W
- ESP khi dùng nguồn cung cấp 3.3VDC dòng tiêu thụ cực đại 200 mA là: 0.66W.
Khối nguồn:
Một số phương án lựa chọn:
Bộ điều khiển của hệ thống yêu cầu nguồn DC cung cấp với ngõ ra 3.3VDC cho khối xử lý trung tâm, giao tiếp qua mạng và các cảm biến. Với nguồn 3.3V có thể sử dụng một bộ chuyển đổi điện áp, yêu cầu sử dụng nguồn 220V để cấp cho máy bơm và đèn hoạt động. Do đó ƣu tiên sử dụng nguồn tổ ong, có năng suất hoạt động cao, bền, ít nhiễu dạng sóng ngõ ra.
Tính tốn và giải thích:
Thông qua yêu cầu sử dụng của các khối trong bộ điều khiển đã đƣợc tính tốn ở trên sẽ tiến hành tính tốn cơng suất và dịng tiêu thụ qua tất cả các khối.
Tính tốn cơng suất cả mạch:
- Khối giao tiếp qua mạng dùng một module ESP8266 NodeMCU có cơng suất tiêu thụ 0.66 W = 660 mW.
- Khối hiển thị sử dụng màn hình OLED SSD1306 có cơng suất tiêu thụ là 49.5 mW .
- Khối động lực sử dụng một van điện từ 12VDC có cơng suất 3.6W và 3 bơm nhu động có cơng suất 3x5W = 15W. Có tổng cơng suất là 18.6W.
Tính tốn dịng tiêu thụ cả mạch:
- Khối giao tiếp qua mạng dùng một module ESP8266 NodeMCU có dịng tiêu thụ cực đại là 200 mA
- Khối động lực bao van điện từ có dịng tiêu thụ là 300mA, 3 bơm nhu động có dịng tiệu thụ là 3x0,42mA = 1,26mA. Tổng dòng tiêu thụ trên khối động lực là 301.26 mA.
Bộ nguồn đƣợc yêu cầu cho cả bộ thu thập dữ liệu theo tính tốn về cơng suất và dịng tiêu thụ:
Tổng cơng suất trên 2 mạch:
∑ = ∑ + ∑ = 660 + 49.5 + 18600 + 2500 + 660 + = 22469 mW ≈ 22.5W Dòng tiêu thụ trên 2 mạch: Mạch điều khiển: ∑ = 200 + 15 + 301.26 ≈ 516 mA Mạch thu thập dữ liệu: ∑ = 500 + 200 ≈ 700 mA ∑ = ∑ + ∑ = 1216 mA
Vậy có thể lựa chọn sử dụng một nguồn cung cấp có áp ở ngõ ra là 12VDC 3A đủ để cung cấp cho tồn mạch điều khiển hoạt động. Vì vậy lựa chọn nguồn tổ ong 12VDC - 3A, qua 1 mạch giảm áp để chuyển đổi thành áp 5VDC cung cấp nguồn cho mạch thu thập dữ liệu và một mạch giảm áp từ 5V – 3.3V để cấp nguồn cho Node MCU; một nguồn riêng 5VDC để cung cấp cho mạch relay hoạt động. Ngồi ra cịn cung cấp nguồn điện xoay chiều 220VAC để cung cấp cho tải AC.
Sơ đồ nguyên lý khối nguồn cho bộ điều khiển:
Hình 4.14: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn cho bộ điều khiển. Kết nối khối nguồn bộ điều khiển nhƣ sơ đồ gồm: Kết nối khối nguồn bộ điều khiển nhƣ sơ đồ gồm:
- Ngõ ra nguồn tổ ong 12VDC cấp cho các khối sử dụng nguồn 12VDC. 1 ng ra V_pin đƣợc qua mạch giảm áp cung cấp 5VDC cho các thiết bị sử dụng nguồn 5VDC và một mạch giảm áp cung cấp nguồn 3.3 VDC cho các thiết bị sử dụng nguồn 3.3VDC.
4.2.3. Khối Web server:
4.2.3.1. Phương án lựa chọn:
Một số hệ thống IoTs hiện nay có thể sử dụng các cách truyền nhận dữ liệu qua Wifi, Bluetooth hoặc truyền bằng các dữ liệu khơng dây nhƣ sóng RF, bằng cách này có thể truyền dữ liệu đi xa hàng km thông qua sử dụng các module Lora, Zigbee hoặc các module hỗ trợ cho chuẩn truyền RF khác. Các chuẩn truyền dữ liệu không dây này đem lại nhiều ƣu điểm khi không cần dùng Wifi cho các node sensor để gửi nhận dữ liệu nhƣng cần có một trung tâm xử lý để lấy dữ liệu từ các node sensor và gửi dữ liệu
đến các bộ điều khiển động lực, đồng thời có thể lƣu trữ và hiển thị dữ liệu lên web nên sẽ gây khó khăn và tốn kém.
Có thể nhận và truyền dữ liệu đã đƣợc xử lý từ khối xử lý trung tâm qua mạng Internet bằng nhiều cách nhƣ Bluetooth, Wifi, GPRS,…
Hiện nay, ngƣời ta có thể truyền dữ liệu thu đƣợc lên Web server, Cloud, ThingSpeak,… truy cập một cách dễ dàng và ứng dụng khi muốn cập nhật hoặc truyền một số thông tin đơn giản, hiệu quả hay mở rộng cơ sở dữ liệu thì sử dụng Web server rất phổ biến.
Việc truyền dữ liệu đi xa, ổn định thì truyền qua Wifi đảm bảo đƣợc nhiều yêu cầu ở nhiều ứng dụng sử dụng IoTs. Hiện nay có một số Module cho phép thực hiện đƣợc việc truyền nhận này nhƣ Module ESP8266 hay BlueTooth HC-05,…
Do Wifi có nhiều ƣu điểm, ngồi Kit Raspberry đã tích hợp wifi chuẩn 802.11n thuận tiện cho các ứng dụng IoTs nhƣng chi phí cao và khơng đảm bảo với hệ thống hoạt động liên tục. Do đó, việc lựa chọn một chip xử lý có tốc độ xử lý cao, bền và giao tiếp đƣợc với một module wifi sẽ giảm đƣợc chi phí và đảm bảo đƣợc độ bền và hoạt động ổn định của hệ thống. Trong hệ thống sẽ sử dụng một chip ARM để xử lý và giao tiếp với một module Wifi ESP8266 để kết nối wifi với tốc độ gửi nhận dữ liệu có thể tƣơng đƣơng vi Kit raspberry.
4.2.3.2. Thông số:
- Hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n.
- Wifi chuẩn 2.4 Ghz, hỗ trợ WPA/WPA2.
- Chuẩn giao tiếp kết nối UART với tốc độ Baud đến 115200. - Hỗ trợ cả 2 giao tiếp TCP và UDP.
4.3. PHẦN MỀM SỬ DỤNG
4.3.1. Tóm tắt các cơng đoạn thực hiện
Phần mềm Google Assistant
Hệ thống phần mềm chƣơng trình IFTTT và Webhook Cài đặt Driver và thƣ viện ESP8266
Cài đặt và sử dụng ứng dụng Blynk trên điện thoại
Đúng nhƣ tên gọi của nó, Google Assistant là một trợ lý ảo thơng minh tƣơng tự nhƣ Siri của Apple hay Bixby của Samsung. Trợ lý ảo Google Assistant đƣợc coi nhƣ là một phiên bản nâng cấp hoặc mở rộng của Google Now, cho phép mở rộng khả năng điều khiển bằng giọng nói, đồng thời mở rộng các điều khiển bằng giọng nói trực tiếp trên điện thoại
Ứng Dụng BLYNK
- Blynk là ứng dụng đƣợc thiết kế cho Internet of Things. Nó có thể: - điều khiển các thiết bị phần cứng từ xa
- hiển thị dữ liệu cảm biến
- lƣu trữ dữ liệu và làm đƣợc nhiều điều khác
Có ba thành phần chính trong nền tảng:
Blynk App - cho phép tạo giao diện cho sản phẩm của bạn bằng cách kéo thả các widget 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. Bạn có thể sử dụng Blynk Cloud của Blynk cung cấp hoặc tự tạo máy chủ Blynk riêng của bạn. Vì đây là mã nguồn mở, nên bạn có thể dễ dàng intergrate vào các thiết bị và thậm chí có thể sử dụng Raspberry Pi làm server của bạn.
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.