CHƯƠNG 3:THIẾT KẾ HỆ THỐNG VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH
3.1. Thiết kế hệ thống
3.1.1. Tính toán, lựa chọn mạch điều khiển
Bộ mạch điều khiển của hệ thống bao gồm 1 bộ điều khiển Master kết nối với 2 bộ điều khiển Slave. Các bộ điều khiển được tích hợp từ nhiều linh kiện khác nhau để tạo thành một mạch điều khiển hoàn chỉnh.
3.1.1.1. Lựa chọn board vi xử lý Arduino
Arduino chính là một phần không thể thiếu trong trung tâm xử lý. Arduino sẽ có 3 loại ESP32, ESP8266 và Arduino Uno. Nhưng nhóm em đã chọn ESP32 (Hình 3.1) cho vườn rau thông minh vì những lý do sau:
- Mạnh mẽ: ESP32 có thể xử lý các thuật toán phức tạp hơn, phù hợp cho các ứng dụng vườn rau thông minh cần nhiều tính năng như:
+ Phân tích dữ liệu cảm biến.
+ Điều khiển tự động các thiết bị.
+ Kết nối với các hệ thống vườn rau khác nhau.
- Kết nối: ESP32 hỗ trợ nhiều kết nối hơn ESP8266, cho phép bạn kết nối với nhiều thiết bị hơn trong vườn rau thông minh của mình.
- Cảm biến tích hợp: ESP32 có nhiều cảm biến tích hợp hơn ESP8266, giúp bạn tiết kiệm chi phí và không gian cho thiết bị.
- Tiết kiệm năng lượng: ESP32 tiêu thụ năng lượng ít hơn ESP8266, giúp bạn tiết kiệm pin cho thiết bị.
- Điều khiển: ESP32 có thể kết nối Wifi và điều khiển được trên điện thoại của mình thông qua app.
- Giá thành: ESP32 có giá thành rẻ hơn so với Arduino Uno.
Hình 3.1: Arduino ESP32-WROOM-32E
- Thông số kỹ thuật: [4]
+ Nguồn cung cấp: 5 VDC thông qua cổng micro USB.
+ Tích hợp mạch nạp và giao tiếp UART CP2102.
+ Tích hợp ngoại vi: LED Status, BOOT, ENABLE.
+ Wifi:
• 802.11 b/g/n
• Tốc độ bit: 802.11 n lên tới 150 Mbps
• Tập hợp A-MPDU và A-MSDU
• Hỗ trợ khoảng bảo vệ 0,4 às
• Dải tần trung tâm của kênh hoạt động: 2412 ~ 2484 MHz + Bluetooth:
• Thông số kỹ thuật Bluetooth V4.2 BR/EDR và Bluetooth LE
• Máy phát loại 1, loại 2 và loại 3
• AFH
• CVSD và SBC
+ Phần cứng:
• Giao diện: Thẻ SD, UART, SPI, SDIO, I2C, LED RGB, Motor Motor, I2S, IR, bộ đếm xung, GPIO, cảm biến cảm ứng điện dung, ADC, DAC, Giao diện ô tô hai dây (TWAI®, tương thích với ISO11898-1).
• Bộ tạo dao động tinh thể 40 MHz.
+ Kích thước: 18 x 25.5 x 3.1 mm.
- Ưu điểm:
+ ESP32 cung cấp dual-core 160 MHZ đến 240 MHZ.
+ Có thể điều khiển và giám sát thiết bị với sự trợ giúp của Wi-fi hoặc Bluetooth với mức giá rất rẻ.
+ ESP32 cung cấp nhiều GPIO.
+ ESP32 cung cấp cho tốc độ cao 150 Mbps.
3.1.1.2. Tính chọn module chuyển đổi TTL sang RS485
Để kết nối giữa các board điều khiển Slave với board Master chúng ta có thể thấy có rất nhiều loại giao thức như là ESP NOW, UART, I2C, hay là Lora. Vì nhóm chúng em làm hệ thống 2 vườn rau cách xa nhau trong phạm vi 1km nên chúng em đã chọn giao thức RS485 vì những lý do sau đây:
- Khả năng chống nhiễu tốt: RS485 sử dụng tín hiệu vi sai, giúp giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu điện từ môi trường xung quanh. Điều này rất quan trọng cho việc ứng dụng sử dụng ESP32 trong môi trường nông nghiệp.
- Khoảng cách truyền xa: RS485 cho phép truyền dữ liệu với khoảng cách lên đến 1200 mét phù hợp với khoảng cách 2 vườn rau của nhóm em (1km), xa hơn nhiều so với các giao thức truyền thông khác như UART (15 mét) hay I2C (1 mét). Ưu điểm này giúp RS485 phù hợp cho các ứng dụng cần giám sát và điều khiển các thiết bị từ xa.
- Kết nối nhiều thiết bị: RS485 cho phép kết nối tối đa 32 thiết bị trên cùng một bus truyền thông. Điều này giúp giảm thiểu chi phí cáp và vật liệu so với việc sử dụng các giao thức truyền thông khác chỉ cho phép kết nối một thiết bị.
- Tốc độ truyền dữ liệu cao: RS485 hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu lên đến 10 Mbps, đáp ứng nhu cầu truyền dữ liệu nhanh chóng.
- Giá thành thấp: RS485 có giá thành thấp hơn so với Lora.
- Dễ sử dụng: RS485 sử dụng cấu hình đơn giản với hai dây dẫn và một dây nối đất, giúp việc triển khai và sử dụng dễ dàng.
Hệ thống sử dụng giao thức RS485, vì thế cần 1 module chuyển đổi tín hiệu từ TTL sang RS485 để truyền nhận dữ liệu. Để giải quyết cho vấn đề đó, nhóm chúng em sử dụng module chuyển đổi TTL sang RS-485 MAX485 RS485 như Hình 3.2.
Hình 3.2: Module chuyển đổi TTL sang RS-485 MAX485 RS485
- Giới thiệu:
+ MAX485 là một mạch chuyển đổi TTL To RS485 chuyển đổi tín hiệu TTL sang RS485 cho phạm vi xa, tốc độ dữ liệu cao, dễ xảy ra lỗi giao tiếp. Các mạng truyền thông kỹ thuật số thực hiện tiêu chuẩn EIA-485 có thể được sử dụng hiệu quả trong khoảng cách xa và trong môi trường nhiễu điện.
+ Bộ chuyển đổi này cho phép bạn gửi và nhận dữ liệu bằng mạng RS485 từ Arduino vi điều khiển của bạn. Tương tự như giao diện Serial TTL và RS232, RS485 cho phép bạn truyền dữ liệu giữa các bộ vi điều khiển và thiết bị nhưng với các tính năng bổ sung. RS485 là một giao thức tiêu chuẩn công nghiệp để truyền dữ liệu và cung cấp nhiều ưu điểm.
+ Nó cho phép bạn truyền dữ liệu giữa tối đa 32 thiết bị, thông qua cùng một đường truyền dữ liệu qua chiều dài cáp lên đến 1.2 km (4000ft) với tốc độ dữ liệu tối đa là 10 Mbit / s. Bộ chuyển đổi này được thiết kế cho các ứng dụng văn phòng và công nghiệp (không bị cô lập) và cung cấp các đặc điểm / tính năng ưu việt thường chỉ có trên các thiết bị đắt tiền hơn.
- Thông số kỹ thuật: [5]
+ Mạch giao tiếp TTL - RS485 được dùng để chuyển đổi tín hiệu nối tiếp (Serial) UART sang giao tiếp RS485 sử dụng IC MAX485.
+ Điện áp hoạt động: 5 VDC.
+ Kích thước: 44 X 14 mm.
+ Tiêu thụ điện năng thấp cho giao tiếp RS-485
+ Trên bo mạch có thiết bị đầu cuối 2P cao 5,08 (mm) để tạo thuận lợi cho việc đấu dây giao tiếp RS-485.
+ Bộ thu phát giới hạn tốc độ quay
3.1.1.3. Tính chọn bộ chuyển đổi nguồn 5 V
Mạch điều khiển bao gồm các linh kiện đều sử dụng điện áp đầu vào 5 VDC. Ta có bảng liệt kê điện áp và dòng điện của các linh kiện trong mạch (Bảng 3.1).
Bảng 3.1:Bảng liệt kê điện áp và dòng điện của các linh kiện trong mạch
Tên linh kiện Điện áp Dòng điện
ESP32-WROOM 32E 5V 200mA
Các cảm biến 2,7V- 6V 50mA
Module MAX485 5V 250mA
Module relay 5V 5V 80mA
LCD I2C 5V 50mA
Tổng 970mA
Từ Bảng 3.1 ta có: Tổng dòng tiêu thụ: Itong= 200+50x3+250+50+80x4 = 970mA.
Vì thế, nhóm em chọn bộ chuyển đổi nguồn 5V 2A như hình 3.3.
Hình 3.3: Bộ chuyển đổi nguồn 220 VAC-5 VDC 2A - Thông số kỹ thuật: [6]
+ Điện áp vào: 85 ~ 264 VAC.
+ Tần số: 47 ~ 62 HZ.
+ Điện áp đầu ra: 5 VDC.
+ Dòng điện đầu ra: 2 A, dòng đỉnh 3 A.
+ Công suất đầu ra: 10 W (tối đa 15 W).
+ Kích thước: 63.7 x 30.8 x 20 mm.
+ Trọng lượng: 28 g.