Lựa chọn các thiết bị khác sử dụng trong mơ hình (cảm biến, bơm nước…)

CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ THI CƠNG MƠ HÌNH

3.3 Lựa chọn các thiết bị khác sử dụng trong mơ hình (cảm biến, bơm nước…)

nước…)

Hệ thống thủy canh mà em lựa chọn có một số tính năng dưới đây, điều khiển bơm nước hoạt động nhờ Arduino Nano (phần 3.2); kết nối điều khiển qua mạng Wifi. Để có thể thu nhận dữ liệu thơng qua mạng Wifi, em cần chọn một thiết bị phù hợp với yêu cầu này, và kit RF ESP8266 là linh kiện tốt nhất và phù hợp nhất để thực hiện nhiệm vụụ̣ này. Ngoài ra, cần sử dụụ̣ng một số linh kiện khác như LCD 16*2 để hiện thị các thông số của hệ thống thủy canh, module LM2596 để hạ áp từ nguồn đầu vào xuống dịng thích hợp điều khiển các vi điều khiển như Arduino Nano và ESP8266.

Và không thể thiếu được các cảm biến như cảm biến đo độ ẩm nhiệt độ DHT11; cảm biến đo độ ẩm đất, cảm biến đo độ PH; các cảm biến này sẽ phát hiện các thông số môi trường của hệ thống thủy canh để người giám sát có thể điều chỉnh hoạt động của máy bơm nước một cách phù hợp nhất. Dưới đây là thông tin chi tiết về các linh kiện điện tử, các cảm biến mà em sử dụụ̣ng trong đồ án.

3.3.1 Kit rf thu phát WIFI ESP8266 NODE36 MCU

Kit RF thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua CP2102 là kit phát triển dựa trên nền chip Wifi SoC ESP8266 với thiết kế dễ sử dụụ̣ng và đặc biệt là có thể sử dụụ̣ng trực tiếp trình biên dịch của Arduino để lập trình và nạp code, điều này khiến việc sử dụụ̣ng và lập trình các ứng dụụ̣ng trên ESP8266 trở nên rất đơn giản.

36

Hình 3.6- Node MCU 8266

Kit RF thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua CP2102 được dùng cho các ứng dụụ̣ng cần kết nối, thu thập dữ liệu và điều khiển qua sóng Wifi, đặc biệt là các ứng dụụ̣ng liên quan đến IoT.

Kit RF thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua CP2102 tại Hshop.vn sử dụụ̣ng chip nạp và giao tiếp UART mới và ổn định nhất là CP2102 có khả năng tự nhận Driver trên tất cả các hệ điều hành Window và Linux, đây là phiên bản nâng cấp từ các phiên bản sử dụụ̣ng IC nạp giá rẻ CH340.

Thơng số kỹ thuật:

IC chính: ESP8266;

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.

37

Hình 3.7- Sơ đồ chân Node MCU

3.3.2- Module LM 2596

Là module giảm áp có khả năng điều chỉnh được dòng ra đến 3A. LM2596 là IC nguồn tích hợp đầy đủ bên trong. Tức là khi cấp nguồn 9v vào module, sau khi giảm áp ta có thể lấp được nguồn 3A < 9v...như 5V hay 3.3V Thông số kỹ thuật:

Module nguồn không sử dụụ̣ng cách ly; Nguồn đầu vào từ 4V - 35V; Nguồn đầu ra: 1V - 30V;

Dịng ra Max: 3A;

Kích thước mạch: 53mm x 26mm.

38

Hình 3.8- Module LM2596

3.3.3- Nguồn Adapter 12V-2A

Hình 3.9- Nguồn Adapter 12V-2A

Thơng số kỹ thuật:

Đầu vào: 100 -240V 50/60Hz; Đầu ra: 12V - 2A.

Các thông số chỉ ra Adapter này sẽ biến đổi nguồn vào AC thành nguồn ra DA. Điều này có nghĩa là adapter sẽ hoạt động ổn định khi cung cấp cho nó nguồn điện đầu vào trong khoảng 100 – 220V thành nguồn điện đầu ra chuẩn 20V.

Cường độ dòng điện chuẩn của nguồn 220V thường là 12A các thiết bị sử dụụ̣ng adapter phải có cường độ thấp hơn con số này.

Nguồn Adapter 12V-2A đáp ứng CEC năng lượng hiệu quả

39

Cung cấp năng lượng với đầu kết nối 2.1mm x 5.5mm Kích thước nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ.

Độ bền cao: Nguồn Adapter có tuổi thọ trung bình 3 năm với thời gian sử dụụ̣ng được tính tốn là 8 tiếng/ngày.

Quy định điện áp ổn định. Chất lượng SMPS tốt

Có thể thay thế adapter thấp hơn như 12V 0.5A/ 1A…

Ứng dụng:

Adapter 12V cung cấp điện cho LED, SMD (Công nghệ LED tiên tiến nhất hiện nay), đèn LED Strip, RGB LED Strip,...

Đây là nguồn điện lý tưởng cho các bộ định tuyến / Modem / Điện thoại di động / máy nghe nhạc Mp3 / POS Máy móc...

Đặc biệt thích hợp cấp điện cho Router, Wifi Router an ninh / thu máy ảnh và một số máy ảnh CCTV tiên tiến, máy nghe, Set Top Box, sạc hoặc bất kỳ tiện ích theo đánh giá của các thiết bị.

Nguồn Adapter 12V-2A là một sự thay thế lý tưởng cho một bộ định tuyến mạng không dây như: Netgear DG834, DG834GT, DG934... cộng với một loạt các router không dây khác…

Bảo vệ quá áp và ngắn mạch.

3.3.4- LCD 16*2

Màn hình LCD 1602 xanh lá sử dụụ̣ng driver HD44780, có khả năng hiển thị 2 dòng với mỗi dịng 16 ký tự, màn hình có độ bền cao, rất phổ biến và dễ dàng sử dụụ̣ng hơn nếu đi kèm mạch chuyển tiếp I2C.

Hình 3.10- Màn hình LCD 1602 xanh lá

40

Thơng số kỹ thuật:

Điện áp hoạt động là 5V;

Kích thước: 80 x 36 x 12.5mm; Chữ trắng, nền xanh dương.

Khoảng cách giữa hai chân kết nối là 0.1 inch tiện dụụ̣ng khi kết nối với Breadboard;

Tên các chân được ghi ở mặt sau của màn hình LCD hổ trợ việc kết nối, đi dây điện;

Có đèn led nền, có thể dùng biến trở hoặc PWM điều chình độ sáng để sử dụụ̣ng ít điện năng hơn;

Có thể được điều khiển với 6 dây tín hiệu;

Có bộ ký tự được xây dựng hổ trợ tiếng Anh và tiếng Nhật.

3.3.5- Cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11

El DHT11 là một cảm biến đơn giản để đo nhiệt độ và độ ẩm, tất cả hợp lại thành một. DHT11 có độ tin cậy và độ ổn định cao do tín hiệu kỹ thuật số được hiệu chỉnh.

Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11 ra đời sau và được sử dụụ̣ng thay thế cho dòng SHT1x ở những nơi khơng cần độ chính xác cao về nhiệt độ và độ ẩm. Cảm biến sử dụụ̣ng giao tiếp số theo chuẩn 1 dây.

Hình 3.11- Cảm biến DHT11

41

Thông số kỹ thuật:

Nguồn: 3 -> 5 VDC.

Dòng sử dụụ̣ng: 2.5mA max (khi truyền dữ liệu). Đo tốt ở độ ẩm 20-80%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. 4 chân, khoảng cách chân 0.1''.

Sơ đồ ngun lí:

Hình 3.12- Sơ đồ ngun lí

Ngun lý hoạt động:

Để có thể giao tiếp với DHT11 theo chuẩn 1 chân vi xử lý thực hiện theo 2 bước: Gửi tin hiệu muốn đo (Start) tới DHT11, sau đó DHT11 xác nhận lại. Khi đã giao tiếp được với DHT11, Cảm biến sẽ gửi lại 5 byte dữ liệu và nhiệt độ đo được.

3.3.6- Cảm biến đo độ ẩm đất

Cảm biến độ ẩm đất Soil Moisture Sensor thường được sử dụụ̣ng 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 dụụ̣ng khác nhau.

42

Thông số kỹ thuật:

Điện áp hoạt động: 3.3~5VDC; Tín hiệu đầu ra:

Analog: theo điện áp cấp nguồn tương ứng.

Digital: High hoặc Low, có thể điều chỉnh độ ẩm mong muốn bằng biến trở thông qua mạch so sánh LM393 tích hợp.

Kích thước: 3 x 1.6cm.

Sơ đồ chân:

Hình 3.13- Cảm biến đo độ ẩm đất

3.3.7- Cảm biến đo độ PH

Cảm biến đo độ pH dùng để đo pH được thiết kê đặc biệt cho Arduino có các chức năng và các cổng kết nối nên việc sử dụụ̣ng rất đơn giản và tiện lợi với chi phí thấp hiệu quả cao. Để sử dụụ̣ng chỉ cần kết nối các cảm biến pH với đầu nối BNC và cắm cổng giao tiếp PH2.0 vào cổng analog của bất kì bộ điều khiển Arduino. Nếu đã được lập trình trước bạn sẽ nhận được ngay kết quả pH.

43

Hình 3.14- Cảm biến đo độ PH

Thông số kĩ thuật:

Điện áp làm việc: 5 ± 0.2V (AC - DC); Dòng tiêu thụụ̣: 5-10mA;

Phạm vi phát hiện nhiệt độ : 0-100 ℃;Phạmvipháthiện:PH0-14; Thời gian phản ứng: ≤5S;

Thời gian xử lý: ≤60S;

Các yếu tố tiêu thụụ̣ điện năng:℃ ≤0.5W; ℃

Nhiệt độ làm việc: -10 ~ 50 (tốt nhất ở 15-30 ) Độ ẩm làm việc: 95% RH (tốt nhất ở 65% RH);

Tuổi thọ: >3 năm;

Kích thước: 42mm × 32mm × 20mm; Trọng lượng: 25g.

Đầu ra: đầu ra tín hiệu điện áp analog

3.3.8- LED chiếu sáng và quang trở

Đây là cặp thiết bị có nhiệm vụụ̣ kiểm sốt cường độ ánh sáng cho hệ thống thủy canh IOT trong đồ án này của em. Khi quang trở phát hiện cường độ ánh sáng cao hay thấp sẽ là điều kiện để vi điều khiển thực hiện vật tắt LED (được bố trí trên bộ khung của hệ thống thủy canh) giúp chiếu sáng cho cây trồng. Với mơ hình nhỏ gọn, em sẽ sử dụụ̣ng loại LED 5mm như các hệ thống đèn nháy thường gặp trong cuộc sống. Hình 3.15 dưới đây là hình ảnh loại quang trở mà em sử dụụ̣ng.

44

Hình 3.15- Quang trở

Quang trở là một loại điện trở có điện trở thay đổi theo cường độ ánh sáng. Ở trong khu vực ít ánh sáng thì điện trở tăng cao lên đến vài M(ohm), cịn ngồi ánh sáng thì giảm cịn vài trăm (ohm). Vật liệu của quang trở gồm nhiều loại, ở đây ta sử dụụ̣ng loại CDS (làm từ Sunfua Cadmi).

Vật liệu:

-Sunfua cadmi (CdS) và selenua cadmi (CdSe), nhưng tại châu Âu đang cấm dùng cadmi.

-Sunfua chì (PbS) và indi antimonit (InSb) được sử dụụ̣ng cho vùng phổ hồng ngoại. -Gecu là cảm biến dò hồng ngoại xa tốt nhất, được sử dụụ̣ng trong thiên văn hồng ngoại và quang phổ hồng ngoại.

Nguyên lý hoạt động

Ánh sáng sớm vào chất bán dẫn phát sinh các điện từ tự do tức sự dẫn điện tăng lên và giảm sự giá điện trở của chất bán dẫn các động tính nhiệt độ độ và độ nhạy của quang điện trở thì thuộc vào vật liệu dùng chế tạo áo khi ánh sáng ảnh kích thích chiếu vào LDR thì nội điện trở của LDR giảm xuống tiến về không (mạch kín) nhưng khi ánh sáng rừng thì một điện trở tăng lên vô cùng (mạch hở). Quang trở dùng là quang trở 5mm.

45

Điện áp tối đa (V–dc) : 150 Công suất (mW) : 100mW

Nhiệt độ môi trường : – 30°C -> +70°C Đỉnh phổ (nm) : 560 Trở kháng khi có ánh sáng (10Lux) : 5-10KΩ Trở kháng khi tối : 0.8MΩ Thời gian đáp ứng : 30ms Các đặc tính kháng Illumination: 2 3.4 Xây dựng mơ hình 3.4.1 Thiết kế phần cơ khí

Mơi trường làm việc:

Em đã lựa chọn phần mềm thiết kế 3D Solidworks để thực hiện ý tưởng thiết kế mơ hình hệ thống thủy canh IOT.

Phần mềm Solidworks cung cấp cho người dùng những tính năng tuyệt vời nhất về:

- Thiết kế các chi tiết các khối 3D, lắp ráp các chi tiết đó để hình thành nên nhưng bộ phận của máy móc; xuất bản vẽ 2D các chi tiết đó là những tính năng rất phổ biến của phần mềm Solidworks; ngồi ra cịn có những tính năng khác nữa như: phân tích động học, phân tích động lực học.

46

- Thiết kế mơ hình 3D: trong phần mềm Solidworks thì đây được coi là tính năng nổi bật với việc thiết kế các các biên dạng 2D, sẽ dựng được các khối 3D theo yêu cầu.

- Lắp ráp các chi tiết: các chi tiết 3D sau khi được thiết kế xong bởi tính năng thiết kế có thể lắp ráp lại với nhau tạo thành một bộ phận máy hoặc một máy hồn chỉnh. Tính năng này giúp dễ dàng chỉnh sửa, thỏa sức sáng tạo và nghiên cứu dễ dàng cho những sản phẩm mới.

- Xuất bản vẽ dễ dàng: phần mềm Solidworks cho phép ta tạo các hình chiếu vng góc các chi tiết hoặc các bản lắp với tỉ lệ và vị trí do người sử dụụ̣ng quy định mà khơng ảnh hưởng đến kích thước. Cơng cụụ̣ tạo kích thước tự động và kích thước theo quy định của người sử dụụ̣ng. Sau đó nhanh chóng tạo ra các chú thích cho các lỗ một cách nhanh chóng. Chức năng ghi độ nhám bề mặt, dung sai kích thước và hình học được sử dụụ̣ng dễ dàng.

Bản vẽ 3D:

Nhóm đã lựa chọn dạng thủy canh nhập rút để làm mơ hình cơ khí cho hệ thống thủy canh IOT. Với dạng thủy canh ngập rút này có một số yêu cầu về các kết cấu như sau:

- Có hệ thống bình đựng lưu trữ nước;

- Có hệ thống ống dẫn nước;

- Có hệ thống máy bơm thực hiện nhiệm vụụ̣ điều chỉnh lượng nước bơm vào khi cần thiết;

- Có hệ thống các lỗ chứa các cốc đựng rau thủy canh;

- Ngồi ra cịn có một số cụụ̣m phụụ̣ như hệ thống khung đỡ.

Bản vẽ 3D của em bao gồm các chi tiết và cụụ̣m chi tiết tạo nên hệ thống trồng rau có kết cấu bao gồm:

- Khay dẫn nước;

- Cốc chứa rau;

- Bộ khung hệ thống;

47

- Bảng mạch điều khiển;

- Thùng lưu trữ nước.

Hình 3.15- Mơ hình 3D hệ thống trồng rau IOT

Để tiết kiệm chi phí và giảm khối lượng mơ hình cũng như để hoạt thống có thời gian sử dụụ̣ng lâu dài, em sử dụụ̣ng các ống nhựa để làm các bộ phận của hệ thống thủy canh như trên.

Với yêu cầu nước được bơm từ khay lưu trữ lên các ống dẫn nước, em lựa chọn một máy bơm nước mini có điện áp và dịng hoạt động phù hợp với lượng nước cần bơm. Và máy bơm nước RS385 là thiết bị có thể đáp ứng được u cầu trên đây:

48

Hình 3.15*- Máy bơm nước RS385

Máy bơm nước RS385 là loại máy bơm nước hoạt động ở mức điện áp 6-12V và dòng điện tiêu thụụ̣ là 0.5-0.7A (phù hợp với nguồn đầu vào 12V-2A và module hạ áp LM2596) với lưu lượng khoảng 1.5-2 lít/phút. Đây là loại máy bơm thường được sử dụụ̣ng trong những mơ hình dạng nhỏ.

Mơ tả hoạt động hệ thống:

- Hệ thống nước được lưu thông trong các ống dẫn nước, và giữa ống dẫn nước và khau dự trữ;

- Cây rau được trồng trong các cốc đặt vào các lỗ trên ống dẫn nước;

-Khi hệ thống đi vào hoạt động, các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, độ ẩm đất và độ PH thu thập dữ liệu về dịng nước và mơi trường xung quanh.

- Khi nước trong ống dẫn hết (phát hiện nhờ cảm biến đo độ ẩm đất) thì thực hiện hoạt động của máy bơm, bơm nước từ khay lưu trữ lên ống dẫn.

- Các thông số môi trường được giám sát thông qua 2 phương án:

+ Phương án trực tiếp: Hiện thi các thông số đó qua màn hình LCD 16*2 được gắn ngay trên hệ thống thủy canh;

+ Phương án gián tiếp: Hiện thị các thơng số mơi trường lên màn hình Blynk App nhờ mạng Wifi đã được kết nối thông qua module thu phát Wifi Esp 8266;

- Nguồn điện được cấp vào cho hệ thống hoạt động nhờ nguồn Adapter 12V-2A, và có bộ hạ áp hỗ trợ cung cấp nguồn điện cho các vi điều khiển hoạt động.

49

3.4.2 Thiết kế phần điện

Sơ đồ mạch thiết kế Altium:

Altium Designer trước kia có tên gọi là Protel DXP, là một trong những công cụụ̣ vẽ mạch điện tử mạnh nhất hiện nay. Được phát triển bởi hãng Altium Limited. Altium Designer là một phần mềm chuyên ngành được sử dụụ̣ng trong thiết kế điện tử. Nó là một phần mềm mạnh với nhiều tính năng thú vị, tuy nhiên phần mềm này