IoT (Internet of Things) mạng lưới các đồ vật có kết nối và điều khiển thơng qua Internet. Chủ sở hữu có thể sử dụng các thiết bị thông minh để điều khiển các đồ vật từ xa thơng qua internet.
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 39 Hình 2.30. Mạng các đồ vật kết nối
Khi một thiết bị gửi dữ liệu thơng qua một u cầu HTTP (giao tiếp), nó được xử lý bởi dịch vụ IOT, giao tiếp với một máy chủ ảo. Cả hai máy chủ và dịch vụ IOT giao tiếp trực tiếp với các ứng dụng. Cuối cùng, ở tất cả các cấp của việc thông tin, liên lạc từ thiết bị đến các ứng dụng có cả các yêu cầu về an ninh và quản lý cho chuyển giao dữ liệu.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 40
Thingspeak dễ dàng cho phép thêm, lưu trữ liệu theo mơ hình IoT, trực quan và dễ dàng cho việc lập trình và biểu đồ theo thời gian thực. Với mã nguồn mở nên thích hợp với Arduino, Raspberry, hoặc các kênh khác cùng loại. Mã API nên có thể chạy cá nhân hoặc cục bộ tùy theo yêu cầu sử dụng.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 41 Chương 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ
3.1 GIỚI THIỆU
Đề tài xây dựng mơ hình giám sát thông số pH và nhiệt độ trong hồ nuôi tôm, các thông số được liên tục đưa lên lưu trữ trên trang web Thingspeak.com để lưu trữ để người ở xa có thể xem liên tục thơng qua máy tính hoặc smartphone, khi các thông số bất thường hệ thống sẽ gửi tin nhắn hoặc thực hiện cuộc gọi đến số điện thoại của chủ sở hữu cũng như phát tín hiệu báo động kịp thời. Hệ thống tích hợp điều khiển quạt nước theo thời gian thực, tất cả thơng số có thể được xem thơng qua màn hình VGA hoặc một màn hình LCD tích hợp cùng hệ thống. Ngồi ra u cầu thiết kế khối nguồn sao cho mạch hoạt động đủ nguồn, ổn định, có pin hoạt động khi mất điện....
3.2 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
Khối nguồn 5V Cảm biến pH Cảm biến nhiệt độ DS18B20 Cảm biến dòng Khối Real time
DS1307 Khối Internet Khối Driver động cơ Khối hiển thị Khối nguồn 4.4V Khối cảnh báo sự cố
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 42 Hình 3.1.Sơ đồ khối hệ thống
Khối nguồn:
Cung cấp nguồn 5V DC cho toàn bộ hệ thống hoạt động ổn định. Ngoài ra, cấp nguồn điện áp từ 3,7 – 4,2 V DC cho modul sim hoạt động.
Khối cảm biến:
Cảm biến nhiệt độ: đo đạc, tính tốn các giá trị nhiệt độ trong mơi trường nước.
Cảm biến pH: đo đạc giá trị pH trong môi trường nước.
Cảm biến dịng: đo đạc, tính giá trị dịng điện qua động cơ quạt nước. Khối xử lý trung tâm:
Thực hiện ra lệnh cho các module cảm biến đọc các giá trị thông số mơi trường sau đó lấy các giá trị trả về của các module cảm biến, tiếp nhận giá trị thời gian thực, đồng thời upload dữ liệu, điều khiển module sim, shield internet và các tác vụ điều khiển động cơ khác. Cảm biến pH Cảm biến nhiệt độ Khối xử lý trung tâm ARDUINO
Khối giao tiếp với Websever
Khối điều khiển động cơ Khối Real time DS1307 Khối cảnh báosự cố Khối hiển thị LCD Cảm biến dịng Hall
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP 43
Khối giao tiếp với Websever
Thực hiện chức năng giao tiếp upload dữ liệu lên Thingspeak thông qua sự điều khiển của khối xử lý trung tâm thông qua cổng mạng RJ45.Thingspeaklà nơi lưu trữ các thông số pH nhiệt độ, chủ sở hữu có thể xem các thơng số bất cứ lúc nào. Thingpeak hỗ trợ vẽ giản đồ, chủ hồ ni tơm có thể xem các thay đổi thông qua giản đồ hoặc có thể xem tất cả thơng số dưới dạng bảng.
Khối giao tiếp động cơ
Vi điều khiển điều khiển động cơ thông qua khối giao tiếp động cơ là các relay thông qua việc xuất mức 0,1 để relay có thể đóng hoặc mở cơng tắc của nó để giúp động cơ quay hoặc không quay theo yêu cầu của vi điều khiển.
Khối cảnh báo SMS và buzzer
Vi điều khiển sử dụng module Sim800L thực hiện chức năng nhắn tin, cuộc gọi để thông báo cho chủ sở hữu khi có sự cố bất thường đột ngột, để có các biện pháp xử lý kịp thời.
Khối hiển thị LCD:
Các thông số được hiển thị bằng LCD16x2 và hiển thị thông qua cổng VGA, với màn hình này, việc hiển thị sẽ sinh động hơn và sẽ dễ dàng hơn, màn hình hỗ trợ đắc lực cho việc xem giá trị tại chỗ tốt hơn.
3.2.2 Tính tốn và thiết kế mạch a. Khối cảm biến a. Khối cảm biến
Yêu cầu:
Giám sát các thông số của hồ nuôi tôm như: độ pH, nhiệt độ và trạng thái hoạt động của động cơ (không hoạt động, quá tải, mất nguồn) thông qua các cảm biến pH, cảm biến nhiệt độ và cảm biến dòng điện.
Cảm biến pH
Cảm biến pH được dùng trong việc giải quyết các vấn đề liên quan đến đo và điều chỉnh độ pH. Nó có thể được sử dụng trong các quy trình xử lý nước thơng
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP 44
thường hoặc các dây chuyền phức tạp có sự ảnh hưởng của các yếu tố khác như nhiệt độ, áp suất, mức chống chịu hóa chất….
Trên thị trường có nhiều loại cảm biến đo nồng độ pH, dưới đây là 2 loại cảm biến pH phổ biến và thường được sử dụng trong các quy trình xử lý nước thông thường.
Bảng 3.1. So sánh giữa cảm biến pH loại E-201-C và pH Meter Pro
Cảm biến pH E-201-C pH Meter Pro
Hình ảnh thực tế
Xuất xứ China China
Nhà sản xuất Shanghai Kingdak DFR Prenium
Điện áp hoạt động 5V 5V Dải đo 0 - 14 0 - 14 Nhiệt độ hoạt động 5 – 60 độ C 0 – 60 độ C Độ chính xác ± 0.01 pH 25℃ ± 0.1 pH 25℃ Giá thành 950 000 VND 2700000
Với yêu cầu là độ chính xác cao và giá thành rẻ, dễ sử dụng, kết nối dễ dàng nên nhóm sử dụng cảm biến pH E201-C.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 45 Hình 3.2. Sơ đồ kết nối module cảm biến pH
Cảm biến pH E201-C là cảm biến làm bằng thủy tinh, gồm có 1 bầu thủy tinh và bên trong chứa 1 bầu khác. Trong đó có 1 điện cực chuẩn ví dụ điện cực Hydro và điện thế cực này là không đổi và được chọn như là mốc không. Điện cực thứ 2 là điện cực so sánh, điện cực này sẽ có điện thế cực thay đổi theo nồng độ dung dịch. Như vậy điện thế giửa 2 điện cực chúng ta đo được chính bằng tổng 2 điện thế cực của 2 điện cực.
Trong đó điện thế cực của Hydro là khơng đổi vì vậy:
U= Vdtcsosanh+Vchuan(const) (3.1) Vậy đo được điện áp 2 đầu điện cực sẽ xác định được nồng độ. Từ bài toán này chúng ta quy về đo pH liên quan đến độ hoạt độ aH+ và PH=-lgaH+.
Cơng thức tính độ pH:
pH = 14 – 2.8 * ( Ura / 1023) * 5 (3.2) Với Ura là tín hiệu analog đo được từ cảm biến pH E201-C.
Cảm biến nhiệt độ DS18B20
Cảm biến nhiệt độ được dùng trong việc giải quyết các vấn đề liên quan đến đo và điều chỉnh nhiệt độ. Trên thị trường hiện nay, có rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 46
với giá thành và ưu nhược điểm khác nhau. Dưới đây là 2 loại cảm biến nhiệt độ thông dụng và thường được sử dụng vào các ứng dụng thực tiễn trong cuộc sống.
Bảng 3.2. So sánh giữa cảm biến nhiệt độ DS18B20 và LM35
Cảm biến DS18B20 LM35 Hình ảnh thực tế Điện áp hoạt động 3 – 5.5 V DC 4 – 30 V DC
Dải đo nhiệt -55 -125 độ C -55 -150 độ C
Loại cảm biến Kỹ thuật số Tương tự
Độ chính xác 0.0625 độ C (12 bit) 0.5 độ C ở 25 độ C
Đo dưới nước Có Khơng
Giá thành 50 000 VND 18 000 VND
Với yêu cầu độ chính xác cao, dễ sử dụng, kích thước nhỏ gọn, dễ lập trình và đặc biệt là đo ở khoảng cách xa và trong môi trường nước. Nên nhóm sử dụng cảm biến nhiệt độ dây DS18B20.
Cảm biến nhiệt độ DS18B20 là loại cảm biến đo nhiệt độ mới của hãng MAXIM với độ phân giải cao lên đến 12 bit tùy theo sử dụng. Trong trường hợp khơng cấu hình thì nó tự động ở chế độ 12 bit. Thời gian chuyển đổi nhiệt độ tối đa là 750ms cho mã hóa 12 bit.
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP 47
IC sử dụng giao tiếp 1 dây rất gọn gàng, dễ lập trình và giao tiếp nhiều cảm biến DS18B20 trên cùng 1 dây. IC cịn có chức năng cảnh báo nhiệt độ khi vượt ngưỡng và đặc biệt hơn là có thể cấp nguồn từ chân data.
Hình 3.3. Sơ đồ kết nối module cảm biến nhiệt độ DS18B20
Độ sai số của cảm biến: 0.5 độ C nếu đo ở chế độ 9 bit. 0.25 độ C nếu đo ở chế độ 10 bit. 0.125 độ C nếu đo ở chế độ 11 bit. 0.0625 độ C nếu đo ở chế độ 12 bit.
Cảm biến có thể hoạt động ở 125 độ C nhưng do cáp bọc bằng nhựa PVC nên được dùng để đo dung dịch có nhiệt độ nhỏ hơn hoặc bằng 100 độ C. Đây là cảm biến kỹ thuật số nên khơng bị suy hao tín hiệu khi đường dây dài. Do đó phù hợp sử dụng đo nhiệt độ nước trong hồ nuôi tôm và có thể sử dụng ở các hồ ni tơm quy mô lớn.
Khi cấp điện cảm biến ở trạng thái nghỉ để giảm cơng suất tiêu thụ. Dịng tiêu thụ ở trạng thái nghỉ rất nhỏ. Để bắt đầu quá trình chuyển đổi từ tương tự sang số thì máy chủ phải cấp lệnh chuyển đổi.Sau khi chuyển đổi xong, dữ liệu nhiệt độlưu trong 2 thanh ghi nhiệt độ và cảm biến lại vào trạng thái nghỉ.
Byte 0 và Byte 1 là hai Byte chứa giá trị nhiệt độ theo thứ tự Byte thấp và Byte cao, hai byte này chỉ cho phép đọc. Khi đọc giá trị nhiệt độ ta phải chuyển các số HEX thành số thập phân:
nd = (data[1] << 8) | data[0] (3.3) celsius = (float) nd / 16.0 (3.4)
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 48
Kết quả Celsius là một phân số dạng q4, tức là 12 bit đầu là tử số, 4 bít sau là phân số. Khi chia cho 16 là tương đương với việc dịch xuống 4 bit.
Cảm biến dòng điện
Cảm biến nhiệt độ được dùng trong việc giải quyết các vấn đề liên quan đến đo và điều chỉnh dòng điện. Trên thị trường hiện nay, có rất nhiều loại cảm biến dòng điện với giá thành và ưu nhược điểm khác nhau. Dưới đây là 2 loại cảm biến dịng điện thơng dụng và thường được sử dụng vào các ứng dụng thực tiễn trong cuộc sống.
Bảng 3.3. So sánh giữa cảm biến dòng ACS712 và HALL YHDC
Cảm biến ACS712 HALL YHDC
Hình ảnh Thực tế Dải đo 100, 200, 300 A 5 ,20, 30 A Nhiệt độ Làm việc --25 -70 độ C -40 -85 độ C Điện áp cách ly Tối đa 6000 V 2100 V Giá thành 75 000 VND 165 000 VND
Với yêu cầu đo dịng điện chay qua động cơ với độ chính xác cao, dễ sử dụng, kích thước nhỏ gọn, dễ lập trình và đặc biệt là giá thành rẻ. Nên nhóm sử dụng cảm biến dịng điện ACS712 loại 30A.
ACS712 là linh kiện điện tử thuộc loại IC cảm biến dòng tuyến tính dựa trên hiệu ứng Hall. Từ chân Out của modul ACS712 xuất ra một tín hiệu analog. Điện áp ra được thay đổi tuyến tính theo sự thay đổi của dòng điện Ip lấy mẫu thứ cấp DC (hoặc AC). Tại 2,5V thì dịng điện bằng 0. Từ 0 -> 2,5 V dòng âm, 2,5V -> 5V là dịng
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP 49
dương. Để đo dòng điện ACS712 ta sử dung ADC để đọc tín hiệu analog từ chân Vout của ACS712.
Hình 3.4. Sơ đồ kết nối module cảm biến dịng ACS712
Cảm biến dịng ACS712 có đường tín hiệu analog có độ nhiễu thâp. Thời gianthay đổi điện áp đầu ra tương ứng với dòng điện đầu vào là 5 (us). Ngồi ra, ACS712 có độ nhạy cao từ 66 đến 185mV/A với sai số thấp chỉ 1.5% ở 25 0C.
Cơng thức tính dịng điện:
Voltage0 = (data_adc0 / 1023.0) * 5 (3.5) Quy đổi điện áp đọc được từ ADC.
I =((Voltage0 – 2.5)*1000)/a; (3.6) Với a là độ nhạy điện áp đối với từng loại cảm biến 5A, 20A, 30A.
Cụ thể: ACS712 - 5A: a = 185 mV/A ACS712 - 20A: a = 100 mV/A ACS712 - 30A: a = 66 mV/A
b. Khối giao tiếp điều khiển quạt nước
Quạt nước được điều khiển theo thời gian thực, khi tơm càng lớn thì thời gian chạy càng nhiều, trong mơ hình thiết kế 4 khối giao tiếp động cơ thơng qua Relay, vì trong thực tế, động cơ thường là động cơ AC, và việc điều khiển động cơ không cần điều khiển tốc độ mà chỉ cần điều khiển theo thời gian thực.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 50
Mơ hình sử dụng động cơ 12V DC, dịng < 2A, Relay 5V (7A) nên khơng bị quá dòng, dòng làm việc của Relay 100 mA, Vậy lựa chọn transistor có > 100 mA. Với Transistor C1815 dịng có tối đa là 400 mA nên chọn C1815 phù hợp. Opto PC817 cách ly ngõ ra của vi điều khiển với mạch Relay, diode 1N4007 chống dòng ngược nên có thể chọn nhiều loại diode khác.
Với Transistor C1815 có thể chọn nhiều dịng khác miễn sao đảm bảo > 100 mA là được. Ở đồ án chọn transistor C1815 vì giá thành rẻ và sự phổ biến.
Hình 3.5. Khối điều khiển động cơ c. Khối nguồn c. Khối nguồn
Bảng 3.4. Dòng tiêu thụ lớn nhất dùng nguồn 5V
Module Dòng tiêu thụ Đơn vị
Board Arduino Mega 2560 315 mA
Shield Arduino Internet 500-1000 (hoạt động) mA
Module SIM 800L 500(hoạt động) mA
Module Realtime DS1307 1.5 mA
Module Cảm biến dòng Hall 10 mA
IC Atmega328P 315 mA
Module cảm biến pH + nhiệt độ
10 mA
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 51
Relay x4 100x4 mA
Tổng >2054,5 mA
Với khối nguồn sử dụng dòng điện trên 1.5A nên thiết kế khối nguồn 3A thông qua IC LM2576 5V và LM2576 ADJ trong đó khối nguồn LM2576 ADJ cung cấp điện áp cho module sim 800L , cũng có thể sử dụng IC tinh chỉnh LM317 song IC nguồn LM317 là IC tuyến tính nên độ bền khơng cao bằng IC phi tuyến LM2576 ADJ
Hình 3.6.Khối nguồn LM2576-5V, LM2576 ADJ
Trong đó khối IC LM2576 5V và LM2576 ADJ có dịng chịu tải tối đa là 3A, phù hợp cho yêu cầu thiết kế khối nguồn ở trên.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 52
Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
4.1 GIỚI THIỆU
Thực hiện các yêu cầu thiết kế board mạch, nhận thấy rằng số lượng linh kiện trên board khá nhiều và hệ thống cần sự ổn định mà tự làm mạch in thủ công không thể đáp ứng được yêu cầu sản phẩm nên nhóm tiến hành đặt board, phủ xanh, tráng thiếc như thế các đường tín hiệu đi ổn định hơn, đồng thời tránh sự oxy hóa tại những nơi ni tơm (độ mặn, ẩm ướt).
4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG
4.2.1 Thi công bo mạch
Bảng 4.1. Danh sách các linh kiện.
STT Tên linh kiện Giá trị Dạng vỏ Chú thích
1 IC nguồn LM2576 ADJ 3A T0-220 Có tản nhiệt 2 IC nguồn LM2576 5V 3A T0-220 Có tản nhiệt
3 Cầu diode 5A Nhựa đúc
4 Cuộn cảm 2A -
5 Biến trở tinh chỉnh 10K Nhựa
6 Buzzer 5V - 7 Transistor C1815 - T0-92 NPN 8 Diode 1N5822 - DO-201AD 9 Diode 1N4007 - DO-41 10 Opto PC817 - MO-220 11 Relay 5V 12 Cổng DB15 - Nhựa Cổng VGA
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 53 13 IC Atmega 328P 5V MO-220 14 Thạch anh 16MHz - 15 Nút nhấn - - 16 Tụ điện 2200 F- 50V, 2200 F- 25V, 1000 F, 22 F, 22 F, 0.1 F - Phân cực 17 Tụ gốm 22 F - Không phân cực 18 Điện trở 68Ω 68 Ω , 220 Ω, 470 Ω, 10KΩ - Không phân cực 19 Hàng rào - - 20 Domino - Nhựa
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 54
Sơ đồ mạch in lớp trên