3.13.2. Thông số kỹ thuật
Điện áp đầu vào: 220VAC Điện áp đầu ra: 12VDC Dịng qua tải: 5A
CHƢƠNG 4: QUY TRÌNH THIẾT KẾ ( SẢN PHẨM, MƠ HÌH VẬT LÝ, MƠ HÌNH MƠ PHỎNG)
4.1. U CẦU VÀ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG
4.1.1. Yêu cầu của hệ thống
Hệ thống thủy canh bao gồm ba phần chính gồm phần thu thập hiển thị dữ liệu, phần điều khiển và phần giao tiếp mạng. Phần thu thập dữ liệu bao gồm bộ xử lý trung tâm sẽ thực hiện công việc kết nối với các cảm biến và xử lý các tín hiệu đọc đƣợc để có thể giám sát đƣợc độ dẫn điện, nồng độ pH hay độ dinh dƣỡng trong dung dịch thủy canh. Thơng qua đó sẽ tiến hành gửi dữ liệu đọc đƣợc từ các cảm biến lên màn hình Oled để giám sát điều khiển của hệ thống. Hệ thống điều khiển cũng bao gồm các timer, role, công tắc, nút nhấn, điều khiển các ng ra nhƣ động cơ bơm, động cơ trộn và van điện từ. Việc điều khiển các thiết bị ngõ ra sẽ theo với từng loại rau và từng giai đoạn phát triển của loại rau đó.
Cơng việc thiết lập các cài đặt, giám sát bật/tắt sẽ thực hiện trên ứng dụng Blynk trên điện thoại thông qua cơ sở dữ liệu IFTTT và Google Assistant . Ứng dụng Blynk sẽ hiển thị các trạng thái của các công tắc, relay
Với ứng dụng Blynk: Ngƣời giám sát sẽ thực hiện bật/tắt các thiết bị nhƣ
máy bơm ph up, down; máy bơm dinh dƣỡng, van nƣớc, máy trộn, … bằng cách thủ công thông qua việc lựa chọn ON/OFF trên ứng dụng
Ngồi ra, hệ thống cịn có khả năng điều khiển bằng tay trực tiếp trên tủ
4.1.2. Sơ đồ khối và chức năng mỗi khối
Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống:
Hình 4.1: Sơ đồ khối tổng quát của toàn hệ thống
Sơ đồ khối của hệ thống bao gồm các module chính:
Module thu thập dữ liệu Module điều khiển Web server
4.1.3. Chức năng các module trong hệ thống
Module thu thập hiển thị dữ liệu:
Thu thập tín hiệu từ các cảm biến (độ dinh dẫn điện trong dung dịch, độ pH) rồi gửi đến Oled.
Khối WebServer:
Nhận tín hiệu điều khiển hệ thống bằng điện thoại
Ra lệnh, điều khiển hệ thống bằng giọng nói với google assistant
Module điều khiển:
Nhận nguồn DC để hoạt động, Điều khiển hệ thống bằng tay
4.1.4. Sơ đồ chi tiết của module điều khiển và module thu thập dữ liệu
Sơ đồ của khối thu thập dữ liệu:
Sơ đồ khối:
Hình 4.2: Sơ đồ khối của module thu thập hiển thị dữ liệu.
Chức năng các khối trong module thu thập hiển thị dữ liệu:
o Khối cảm biến: Thu thập các tín hiệu từ cảm biến, xử lý và gửi tín hiệu về cho khối xử lý trung tâm.
o Khối xử lý trung tâm: xử lý các tín hiệu từ cảm biến và gửi các tín hiệu đó lên OLed
o Khối nguồn: Cấp nguồn hoạt động cho khối xử lý trung tâm, khối cảm biến và khối giao tiếp qua mạng.
Sơ đồ của module điều khiển:
Sơ đồ khối:
Hình 4.3: Sơ đồ khối của module điều khiển.
Chức năng các khối trong module điều khiển điều khiển:
o Khối giao tiếp qua mạng: nhận dữ liệu từ server
o Khối xử lý trung tâm: nhận dữ liệu và để điều khiển khối động lực
o Khối hiển thị: hiển thị các giá trị đọc đƣợc từ cảm biến, trạng thái bật tắt.
o Khối nguồn: cấp nguồn 5VDC để duy trì hoạt động của các khối khác, đồng thời cấp nguồn 220VAC và 12VDC để điều khiển thiết bị.
o Khối động lực: Nhận tín hiệu từ khối xử lý trung tâm để điều khiển các thiết bị ở ngõ ra gồm các động cơ bơm DC và AC.
4.1.5. Hoạt động của hệ thống
Hệ thống gồm 3 phần chính: Webserver, module thu thập dữ liệu từ cảm biến và module điều khiển.
Module thu thập dữ liệu:
Đây là hệ thống tích hợp nhiều cảm biến đo lƣờng (độ dẫn điện trong dung dịch, pH) có chức năng chính là thu thập dữ liệu ở mơi trƣờng dung dịch cần giám sát. Sau khi thu thập dữ liệu là các thông số của môi trƣờng thông qua các cảm biến, sẽ gửi các giá trị đọc đƣợc đến màn hình Oled.
Các dữ liệu, tín hiệu từ Blynk hoặc Google Assistant đƣợc thu thập rồi lƣu vào cơ sở dữ liệu của IFTTT.
Module điều khiển:
Hệ thống này nằm trong trung tâm hệ thống, nhận các tín hiệu từ web server gửi xuống, xử lý và phân tích các tín hiệu để phục vụ cho yêu cầu bật tắt thiết bị nhƣ động cơ bơm, đóng xả van. Các thơng số cũng đƣợc hiển thị trên một màn hình OLED để ngƣời giám sát có thể điều khiển và giám sát trực tiếp trên hệ thống điều khiển bật tắt và điều chỉnh giới hạn bơm, trộn dung dịch, …
Để điều khiển bơm nƣớc, pH và dinh dƣỡng vào một bể chứa dung dịch để trồng thủy canh. Theo yêu cầu, các máy bơm sẽ đƣợc điều khiển theo các chế độ tự động hay bằng tay, dựa vào giới hạn từng loại rau khi trồng.
Hệ thống trồng rau thủy canh thông qua so sánh với giá trị từ cảm biến độ dẫn điện, độ dinh dƣỡng kèm với nhiệt độ trong dung dịch và pH dựa trên giới hạn cài đặt với mỗi loại sẽ bặt tắt bơm, van để đảm bảo đƣợc pH, độ dinh dƣỡng trong giới hạn phù hợp với từng loại rau qua từng giai đoạn trồng.
4.2. TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Từ yêu cầu của hệ thống, tiến hành thiết kế, tính tốn để xây dựng cho hệ thống thơng qua thiết kế cho từng khối có trong hệ thống.
4.2.1. Khối thu thập hiển thị dữ liệu:
Khối hiển thị:
Một số phương án lựa chọn:
Ngoài giám sát qua web server, Khối hiển thị có chức năng hiển thị thông báo cho ngƣời dùng biết trạng đang hoạt động của mạch điện. Để thiết kế khối này ta có thể sử dụng led 7 đoạn, màn hình Oled, Nokia hoặc LCD. Tuy nhiên led 7 đoạn không thể hiển thị đƣợc một số ký tự trong bảng chữ cái, LCD sẽ hiển thị thừa thông tin hiển thị, nên chọn OLED để sử dụng cho khối hiển thị vì vừa nhỏ gọn và có thể hiển thị đủ thông tin cần thiết.
Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị cho bộ điều khiển:
Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị cho bộ điều khiển.
Kết nối khối hiển thị bộ điều khiển như sơ đồ gồm:
- Các chân I2C của màn hình OLED SDA, SCL kết nối với các chân I2C D3 và D5 của module ESP 8266 Node MCU.
- Các chân nguồn kết nối với nguồn 3,3VDC và GND.
Tính tốn và giải thích:
Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị dữ liệu:
Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị
Kết nối khối hiển thị như sơ đồ gồm:
- Chân SCL của Arduino kết nối với chân SCL của màn oled - Chân SDA của Arduino kết nối với chân SDA của màn oled
- Các chân nguồn đƣợc kết nối với nguồn 3,3VDC và chung GND với chân GND của Arduino.
Tính tốn và giải thích:
- Khối giao tiếp hiển thị chỉ dùng một module Oled 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 Oled khi dùng nguồn cung cấp 3.3VDC dòng tiêu thụ cực đại 200 mA là: 0.66W
Khối cảm biến:
Theo yêu cầu, hệ thống trồng thủy canh gồm các yếu tố mơi trƣờng cần thiết nhất gồm có độ dẫn điện trong nƣớc để suy ra đƣợc nồng độ dinh dƣỡng, nồng độ pH, các yếu tố này đều dựa trên một nhiệt độ mỗi trƣờng chuẩn để đánh giá cho chính xác.
Sinh viên lựa chọn loại cảm biến công nghiệp đo độ dẫn điện EC DFR0300 của hãng DFRobot, và có tích hợp kèm theo một cảm biến nhiệt độ DS 18B20 dạng một dây khơng thấm nƣớc để tăng tính chính xác khi đọc cảm biến.
- Kết nối giữa Arduino với cảm biến độ dẫn điện EC qua chân Analog A0 của Arduino.
Hình 4.7: Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm giao tiếp với cảm biến EC
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 dòng từ nguồn cấp đi qua và vào cực B của transitor. Khi có dịng vào cực B thì transitor sẽ dẫn để cho dịng 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
- Dịng 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 dịng 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