Giới Thiệu Chung Về vườn thông minh
Các vấn đề đặt ra
Rau xanh là nguồn thực phẩm thiết yếu trong bữa ăn hàng ngày, nhưng tại Việt Nam, ô nhiễm môi trường và an toàn thực phẩm đang là vấn đề nghiêm trọng Nhiều sản phẩm nông sản được canh tác theo phương pháp truyền thống, thường xuyên sử dụng hóa chất độc hại, thuốc bảo vệ thực vật và chất kích thích sinh trưởng, đồng thời trồng rau trên đất và nước ô nhiễm mà không có sự kiểm soát.
Ngày nay, sự phát triển không ngừng của khoa học và công nghệ đã mang lại những thay đổi đáng kể cho thế giới, khiến nó trở nên văn minh và hiện đại hơn Các thiết bị thông minh hiện đang được áp dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực của đời sống.
Nhóm đã phát triển hệ thống trồng cây tự động khép kín, có khả năng điều chỉnh độ ẩm, nhiệt độ và ánh sáng theo tiêu chuẩn của từng loại cây trồng Phương thức chăm bón hoàn toàn tự động và điều khiển từ xa giúp tránh sâu bệnh, giảm thiểu công sức và thời gian cho người trồng, đồng thời nâng cao chất lượng sản phẩm Đặc biệt, việc không sử dụng hóa chất nông nghiệp đảm bảo rau an toàn cho người tiêu dùng, đáp ứng nhu cầu của cư dân đô thị, những người có không gian hạn chế nhưng vẫn muốn trồng rau sạch cho gia đình.
Hình 1.1 Thực trạng nông nghiệp hiện nay
Tổng quát đề tài
Internet of Things (IoT) là một mạng lưới các thiết bị kết nối với nhau và với internet thông qua địa chỉ IP Mỗi vật thể hoặc con người trong mạng lưới đều có một định danh riêng, cho phép truyền tải và trao đổi thông tin mà không cần tương tác trực tiếp Sự phát triển của IoT là kết quả của công nghệ truyền tải không dây, công nghệ vi cơ điện tử, và mạng internet.
Mạng lưới IoT trong ngành công nghiệp năng lượng kết nối các máy móc thành một dây chuyền sản xuất hiệu quả Sản phẩm được tạo ra từ sự tích hợp giữa các thiết bị, đồng thời kết hợp với phân tích dữ liệu thông minh, mang lại giá trị gia tăng cho quy trình sản xuất.
1.2.1.2 Đặc điểm nổi bật của IOT
Trong thời đại công nghệ hiện nay, máy móc thông minh có khả năng nhận biết và phản hồi môi trường xung quanh mà không cần kết nối mạng Nghiên cứu hiện nay đang hướng tới việc kết hợp Internet of Things (IoT) và khả năng tự điều khiển để tạo thành một hệ thống thống nhất Trong tương lai, IoT có thể hình thành các mạng lưới thông minh, tự tổ chức và hoạt động độc lập, đồng thời cho phép trao đổi thông tin và kết nối dữ liệu giữa các thực thể.
Hình 1.2 IOT được ứng dụng trong cuộc sống
Kiến trúc dựa vào sự kiện
Trong mạng lưới IoT, các thiết bị và máy móc sẽ gửi thông tin phản hồi dựa trên chuỗi sự kiện diễn ra trong quá trình hoạt động theo thời gian thực Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng cảm biến đóng vai trò là một thành phần cơ bản trong hệ thống IoT.
Trong bối cảnh công nghệ ngày càng phát triển, Internet of Things (IoT) trở nên phức tạp do có nhiều kết nối giữa các thiết bị và máy móc trong một hệ thống.
Trong một mạng lưới IoT, hàng triệu thiết bị được kết nối với internet, cho phép theo dõi sự di chuyển và biến đổi của từng đối tượng trong hệ thống.
Vấn đề về không gian
Trong lĩnh vực IoT, việc định vị chính xác một vật là rất quan trọng, tuy nhiên, hiện nay internet chủ yếu được sử dụng để quản lý thông tin đã qua xử lý Các thông tin về không gian, thời gian và địa điểm của đối tượng thường bị xem nhẹ, vì người xử lý có quyền quyết định tính cần thiết của chúng Mặc dù IoT lý thuyết có khả năng thu thập nhiều dữ liệu, nhưng không ít trong số đó có thể là dữ liệu thừa về địa điểm, dẫn đến việc xử lý những dữ liệu này trở nên kém hiệu quả.
1.2.1.3 Ứng dụng Internet of Things
Quản lý các thiết bị đeo tay để do nhịp tim huyết áp
Quản lý các dây chuyền sản xuất
Quản lý lĩnh vực mua sắm thông minh
Đồ dùng sinh hoạt hàng ngày: Máy pha coffee, bình nước nóng lạnh
1.2.2 Hệ thống vườn thông minh
Hệ thống vườn thông minh đáp ứng nhu cầu sinh trưởng của cây trồng bằng cách tự động cung cấp nước, ánh sáng và môi trường đất hợp lý, giúp tiết kiệm thời gian và công sức Với nhu cầu rau sạch ngày càng tăng, việc tìm mua rau có nguồn gốc rõ ràng trở nên khó khăn, trong khi không gian cho vườn truyền thống lại hạn chế Do đó, ý tưởng về khu vườn thông minh mini ra đời, cho phép trồng rau mà không cần tốn nhiều diện tích, đồng thời có thể trở thành sản phẩm trang trí trong nhà Mô hình này mang lại giải pháp cho nhiều gia đình trong bối cảnh nông nghiệp Việt Nam vẫn phụ thuộc vào khí hậu tự nhiên và phương pháp canh tác truyền thống Để hỗ trợ việc này, cần có thiết bị kỹ thuật đo đạc và điều khiển các thông số môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và chất dinh dưỡng phù hợp với từng giai đoạn phát triển của cây trồng Xuất phát từ những vấn đề thực tiễn, nhóm đồ án đã nghiên cứu và thiết kế mô hình "vườn thông minh giám sát và điều khiển qua web".
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài
Việt Nam có diện tích trồng rau xanh rộng lớn, nhưng phương thức canh tác truyền thống dẫn đến năng suất thấp và chất lượng sản phẩm không cao Để cải thiện tình hình này, cần áp dụng các phương pháp mới nhằm nâng cao chất lượng và năng suất cây trồng Hiện nay, nhiều địa phương ở Việt Nam đã bắt đầu ứng dụng công nghệ trong trồng cây, mang lại nhiều triển vọng tích cực cho ngành nông nghiệp.
Hình 1.3 Hệ thống vườn thông minh cho gia đình
Công nghệ nhà màng đã chứng minh hiệu quả trong việc giúp các nhà đầu tư đạt lợi nhuận cao Tuy nhiên, hầu hết thiết bị điều khiển cho nhà màng trồng rau tại Việt Nam đều nhập khẩu từ nước ngoài, dẫn đến chi phí cao Điều này khiến cho nhiều hộ nông dân nhỏ gặp khó khăn trong việc tiếp cận công nghệ, hoặc chỉ có thể sử dụng các thiết bị đơn giản và vẫn phải thực hiện nhiều công đoạn bằng tay.
Nhóm đồ án của chúng em đã quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế mô hình vườn thông minh giám sát và điều khiển qua web” nhằm giải quyết các vấn đề liên quan đến quản lý và tối ưu hóa hoạt động của vườn thông minh.
Áp dụng công nghệ tự động trong việc điều khiển và kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm, và ánh sáng của nhà màng không chỉ giảm thiểu sức lao động mà còn tiết kiệm nguồn nước, phân bón và thuốc trừ sâu, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm nông nghiệp.
- Ứng dụng công nghệ thông tin để quan sát, quản lý thiết bị điều khiển
- Mô hình nhà màng có thể sử dụng ở quy mô nhỏ hộ gia đình nhất là những nơi có khuôn viên nhỏ của gia đình ở khu đô thị
- Làm tăng giá trị của sản phẩm cây trồng, giúp cải thiện chất lượng cuộc sống và tăng thu nhập cho người trồng.
Mục tiêu nghiên cứu đề tài
- Nghiên cứu và xây dựng hệ thống tự động hóa quá trình tưới nước, hệ thống quạt, hệ thống chiếu sáng, hệ thống mái che
- Điều khiển, kiểm soát được nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng trong mô hình vườn thông minh
- Giám sát các thông số nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng thông qua web
Giới hạn và phạm vi nghiên cứu
Nhóm nghiên cứu đã lập kế hoạch chi tiết để xây dựng nội dung nghiên cứu chính của đề tài, phân chia các nội dung theo trật tự hợp lý Quy trình này bắt đầu từ những kiến thức cơ bản, sau đó dần nâng cao độ phức tạp trong nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống.
Các nội dung nghiên cứu chính của đề tài có thể được phân chia như sau:
Nghiên cứu các loại vi điều khiển và module thu phát wifi là cần thiết cho đề tài này Nhóm nghiên cứu đã chọn mạch vi điều khiển Arduino Uno R3 để thu thập dữ liệu và điều khiển thiết bị, kết hợp với module Wifi Nodemcu để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống.
Esp8266 dùng để làm mạch trung tâm giao tiếp với server và giao tiếp với mạch công suất
Nhóm nghiên cứu đã khảo sát nhiều loại cảm biến, trong đó sử dụng cảm biến cường độ ánh sáng photodiode để đo và nhận biết ánh sáng môi trường, cùng với cảm biến nhiệt độ độ ẩm DTH11 để theo dõi nhiệt độ và độ ẩm không khí Ngoài ra, cảm biến mưa được áp dụng để phát hiện sự xuất hiện của mưa, trong khi cảm biến đo độ ẩm trong đất giúp xác định mức độ ẩm của đất.
Sau khi lựa chọn loại cảm biến và nhà sản xuất, nhóm nghiên cứu tiến hành thiết kế và xây dựng các module thành phần của hệ thống Các module này sẽ được phân chia dựa trên loại cảm biến và mục đích của đề tài nghiên cứu.
+ Module thông tin đầu vào là thông tin từ cảm biến cường độ ánh sáng, cảm biến độ ẩm và cảm biến nhiệt độ
+ Module thu phát wifi để cập nhật thông tin về nhiệt độ, độ ẩm, các trạng thái hoạt động lên hệ thống và nhận các lệnh điều khiển
+ Module xử lý trung tâm, xử lý các tín hiệu đầu vào và điều khiển hoạt động của các cơ cấu chấp hành
Module chấp hành, được điều khiển bởi bộ vi xử lý, có khả năng bật tắt các thiết bị công suất nhỏ như máy bơm, quạt gió, bóng đèn và cơ cấu kéo rèm che.
- Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển kết nối các module, các thiết bị
- Lập trình hệ thống hoạt động tự động giám sát và điều khiển thông qua Web.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp phân tích và tổng hợp giúp xác định các mô hình nhà vườn thông minh dựa trên yêu cầu và sản phẩm hiện có trên thị trường, từ đó đưa ra những giải pháp tối ưu nhất với mức giá hợp lý.
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết bao gồm việc thu thập và phân tích tài liệu cũng như kiến thức liên quan đến kết cấu cơ khí của các bộ phận trong hệ thống Ngoài ra, nó cũng tìm hiểu cấu trúc, phương pháp lập trình các hệ thống điều khiển và nguyên lý hoạt động của các hệ thống vườn thông minh.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được áp dụng thông qua việc quan sát, đo lường và đánh giá hoạt động của các bộ phận cơ bản trong mô hình vườn thông minh, đã được triển khai trong thực tế.
Tổng Quan Về Vườn Thông Minh
Nguyên lí hoạt động của vườn thông minh
Vườn thông minh mang đến khả năng điều khiển các thiết bị điện trong khu vườn thông qua điện thoại hoặc máy tính, giúp chủ nhân tiết kiệm thời gian và công sức mà không cần thực hiện các thao tác cơ học như trong các khu vườn truyền thống.
Hệ thống vườn thông minh sử dụng giao thức Internet Protocol (IP) để kết nối và truyền thông tin qua mạng Internet, tương tự như cách các máy tính giao tiếp Mọi thiết bị trong vườn đều kết nối WiFi và sử dụng địa chỉ IP để gửi dữ liệu đến bộ định tuyến Người dùng có thể điều khiển và theo dõi các thiết bị như bơm nước, quạt mát, và rèm che nắng từ bất kỳ đâu trên thế giới thông qua trình duyệt web.
Cảm biến đóng vai trò quan trọng trong "Internet of Things", cho phép tự động cập nhật và đo lường sự biến đổi, chuyển hóa thành tín hiệu điện gửi đến trung tâm điều khiển Khi trung tâm này thu thập dữ liệu từ hàng triệu thiết bị, việc phân tích và tìm ra mẫu chung là cần thiết để nâng cao hiệu quả hoạt động Hệ thống điện toán đám mây hỗ trợ quá trình này, đảm bảo thông tin được truyền tải chính xác và giúp hệ thống vườn thông minh hoạt động hiệu quả nhất.
Sơ đồ nguyên lí hoạt động của hệ thống
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lí hoạt động của hệ thống
Hoạt động của hệ thống bao gồm việc cung cấp nguồn điện cho toàn bộ mạch, đảm bảo hoạt động ổn định cho khối xử lý trung tâm, khối đầu vào, module thu phát wifi, màn hình LCD và khối cơ cấu chấp hành.
- Gồm có: Cảm biến nhiệt đô, độ ẩm không khí, cảm biến mưa, cảm biến độ ẩm đất cảm biến ánh sáng
Các cảm biến có vai trò quan trọng trong việc thu thập tín hiệu từ môi trường, bao gồm nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất, cường độ ánh sáng và nhận diện mưa, để gửi thông tin về khối xử lý trung tâm.
- Gồm có: Màn hình LCD 20x04
Hoạt động của hệ thống bao gồm việc nhận tín hiệu từ khối xử lý trung tâm, nhằm hiển thị các thông số môi trường cùng với trạng thái hoạt động của quạt, bóng đèn, rèm che và bơm nước.
2.1.4 Khối xử lý trung tâm
- Gồm có: Mạch vi điều khiển Arduino, module thu phát Wifi
Khối này tiếp nhận tín hiệu từ đầu vào, truyền thông số đo từ cảm biến lên web server Nó nhận lệnh điều khiển từ web server và thực hiện các hoạt động theo chương trình lưu trong bộ nhớ Đồng thời, khối này truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động đến cơ cấu chấp hành và hiển thị, cũng như gửi thông số trạng thái của các cơ cấu chấp hành lên web server.
2.1.5 Khối cơ cấu chấp hành
- Gồm có: Module relay, động cơ kéo rèm, bóng đèn, quạt gió, động cơ bơm nước
- Hoạt động: Khối này nhận tín hiệu từ khối xử lý trung tâm, các cơ cấu chấp hành thực hiện các chức năng của nó.
Hệ thống điện
Arduino đang trở thành công cụ phổ biến toàn cầu, khẳng định sức mạnh của mình qua nhiều ứng dụng sáng tạo từ người dùng.
16 đồng nguồn mở (open-source) Tuy nhiên tại Việt Nam Arduino vẫn còn chưa được biết đến nhiều
Arduino là nền tảng tạo mẫu điện tử mã nguồn mở, bao gồm cả phần cứng và phần mềm, cho phép người dùng lập trình và điều khiển thiết bị một cách dễ dàng Được coi là bộ điều khiển logic có thể lập trình, Arduino tương tác với môi trường thông qua cảm biến và hành vi đã được lập trình sẵn Điều này giúp việc lắp ráp và điều khiển các thiết bị điện tử trở nên đơn giản hơn, đặc biệt cho những người đam mê công nghệ nhưng không có nhiều thời gian để tìm hiểu sâu về lập trình và cơ điện tử.
Lập trình Arduino hỗ trợ đa nền tảng, cho phép người dùng thực hiện trên nhiều hệ điều hành khác nhau như Windows, Mac OS, Linux trên máy tính để bàn và Android trên thiết bị di động.
- Ngôn ngữ lập trình đơn giản dễ hiểu
Arduino là một nền tảng mở, cho phép phần mềm được phát triển và chia sẻ dễ dàng, đồng thời tích hợp linh hoạt vào nhiều nền tảng khác nhau.
- Mở rộng phần cứng: Arduino được thiết kế và sử dụng theo dạng module nên việc mở rộng phần cứng cũng dễ dàng hơn
- Đơn giản và nhanh: Rất dễ dàng lắp ráp, lập trình và sử dụng thiết bị
- Dễ dàng chia sẻ: Mọi người dễ dàng chia sẻ mã nguồn với nhau mà không lo lắng về ngôn ngữ hay hệ điều hành mình đang sử dụng
Arduino là bộ não xử lý được ưa chuộng trong nhiều thiết bị từ đơn giản đến phức tạp, nhờ vào khả năng thực hiện nhiều nhiệm vụ phức tạp Một số ứng dụng nổi bật của Arduino bao gồm công nghệ in 3D, robot dò đường theo nguồn nhiệt, thiết bị nhấp nháy theo âm thanh và đèn laser, cũng như thiết bị thông báo cho khách hàng khi bánh mì vừa ra lò.
- Phần cứng gồm một board mạch mã nguồn mở (thường gọi là vi điều khiển): có thể lập trình được
- Các phần mềm hỗ trợ phát triển tích hợp IDE (Integrated Development Environment ) dùng để soạn thảo, biên dịch code và nạp chương cho board
Một số loại Board Arduino
Ứng dụng của Arduino trong đời sống
- Lập trình robot: Arduino chính là một phần quan trọng trong trung tâm xử lí giúp điều khiển được hoạt động của robot
- Lập trình máy bay không người lái Có thể nói đây là ứng dụng có nhiều kì vọng trong tương lai
Game tương tác sử dụng Arduino cho phép người dùng kết nối với Joystick, màn hình và nhiều thiết bị khác, mang đến trải nghiệm chơi các trò chơi như Tetrix, phá gạch, Mario và nhiều game sáng tạo khác.
Arduino là một công cụ hiệu quả trong việc điều khiển thiết bị ánh sáng cảm biến, đóng vai trò quan trọng trong hệ thống đèn giao thông và tạo ra các hiệu ứng đèn nháy thu hút cho biển quảng cáo.
- Arduino cũng được ứng dụng trong máy in 3D và nhiều ứng dụng khác tùy thuộc vào khả năng sáng tạo của người sử dụng
ESP8266 là một hệ thống trên chip (SoC) được sản xuất bởi công ty Espressif của Trung Quốc, tích hợp bộ vi điều khiển Tensilica L106 32-bit (MCU) và bộ thu phát Wi-Fi, mang lại khả năng kết nối Internet cho các ứng dụng IoT.
ESP8266 là một vi điều khiển mạnh mẽ với 11 chân GPIO (chân đầu vào/đầu ra đa dụng) và một đầu vào analog, cho phép lập trình tương tự như Arduino Mặc dù chip ESP8266 có tổng cộng 17 chân GPIO, nhưng 6 chân (từ chân 6 đến 11) được sử dụng để giao tiếp với chip nhớ flash trên bo mạch Đặc biệt, ESP8266 còn tích hợp kết nối Wi-Fi, giúp người dùng dễ dàng kết nối với mạng Wi-Fi, truy cập Internet và lưu trữ máy chủ web, đồng thời cho phép điện thoại thông minh kết nối với nó.
Một số loại module Wifi
- Module Wifi Node MCU ESP8266 CP2102
Ứng dụng của module trong điều khiển
ESP8266 có thể được dùng làm module Wifi bên ngoài, sử dụng firmware tập lệnh
AT tiêu chuẩn có thể được kết nối với bất kỳ bộ vi điều khiển nào thông qua giao thức UART nối tiếp, hoặc được sử dụng trực tiếp như một bộ vi điều khiển hỗ trợ Wifi Để thực hiện điều này, người dùng cần lập trình một chương trình cơ sở mới bằng cách sử dụng SDK được cung cấp.
Chân GPIO trên ESP8266 hỗ trợ cả IO Analog và Digital, cùng với các giao thức như PWM, SPI, I2C, và nhiều hơn nữa Chip ESP8266 được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực IoT, nhờ vào những chức năng đa dạng mà nó cung cấp.
- Kết nối mạng: Ăng-ten Wi-Fi của module cho phép các thiết bị nhúng kết nối với bộ định tuyến và truyền dữ liệu
Xử lý dữ liệu bao gồm việc tiếp nhận và xử lý đầu vào từ cảm biến analog và kỹ thuật số, sau đó thực hiện các tính toán phức tạp hơn thông qua hệ điều hành thời gian thực (RTOS) hoặc các bộ công cụ phát triển phần mềm (SDK) không dựa trên hệ điều hành.
- Kết nối P2P: Tạo giao tiếp trực tiếp giữa các ESP và các thiết bị khác bằng kết nối IoT P2P
- Máy chủ Web: Truy cập các trang được viết bằng HTML hoặc ngôn ngữ phát triển
Màn hình tinh thể lỏng (LCD) là một loại màn hình phẳng sử dụng tinh thể lỏng làm công nghệ chính Với nhiều ứng dụng đa dạng, LCD được sử dụng phổ biến trong điện thoại thông minh, TV, màn hình máy tính và bảng điều khiển thiết bị, phục vụ cả nhu cầu của người tiêu dùng và doanh nghiệp.
Màn hình LCD đã có sự tiến bộ vượt bậc khi được thay thế bởi công nghệ màn hình LED và Plasma, cho phép thiết kế mỏng hơn so với công nghệ ống tia âm cực (CRT) Đặc biệt, màn hình LCD tiêu thụ ít điện năng hơn so với màn hình LED và Plasma, vì chúng hoạt động dựa trên nguyên tắc ngăn ánh sáng thay vì phát ra ánh sáng Trong khi màn hình LED cần ánh sáng từ các bóng đèn LED, màn hình LCD sử dụng các tinh thể lỏng và bóng đèn nền để tạo ra hình ảnh.
Sau khi nghiên cứu thực tế và dựa trên các tiêu chí như độ chính xác, giá thành, tính thông dụng và khả năng sẵn có của các cảm biến, tôi đã quyết định lựa chọn các cảm biến phù hợp để sử dụng trong hệ thống.
2.2.4.1 Cảm biến độ ẩm đất
Hệ thống cơ khí
Sắt V lỗ đa năng hay còn gọi là thép V lỗ đa năng là thanh thép có hình chữ V được đục lỗ dọc thân thanh thép, bạn có thể sử dụng những lỗ này để bắt ốc và lắp ráp tạo thành những chiếc kệ sắt với nhiều kích thước khác nhau, phù hợp và tiện dụng cho người sử dụng
Sắt V lỗ được nhiều người dùng ưa chuộng bởi tính cơ động và khả năng dễ sử dụng Loại sản phẩm này được ứng dụng phổ biến để làm các loại kệ sắt Người dùng thường vận dụng tối ưu để làm thành giá, kệ sử dụng để hàng hóa, các vật dụng sinh hoạt trong gia đình
Tấm mica trong suốt, hay còn gọi là tấm PMMA tại Việt Nam, là một loại nhựa dẻo nóng, có khả năng bắt sáng và chống vỡ, thường được sử dụng để thay thế thủy tinh Với đặc tính trong suốt, nhẹ và độ bền cao, mica là vật liệu nhựa đa năng lý tưởng cho nhiều ứng dụng khác nhau.
Mica là một chất liệu nhựa dẻo trong suốt, cho phép ánh sáng truyền qua, hoạt động như một cửa sổ trong suốt Trong ngành quảng cáo, mica đóng vai trò quan trọng như một vật tư hỗ trợ, giúp cung cấp phụ kiện quảng bá sản phẩm và trang trí không gian hiệu quả.
Ứng dụng của tấm mica trong suốt
Tấm mica trong suốt đang trở thành vật liệu được ưa chuộng nhất hiện nay nhờ vào những tính năng vượt trội của nó Với màu sắc đa dạng và bề mặt phẳng trong suốt, mica trong có độ xuyên sáng cao tới 92%, vượt trội hơn cả kính thông thường Chính vì lý do này, tấm mica trong suốt được sử dụng phổ biến và trở thành vật tư quảng cáo thông dụng.
Tưới phun sương là phương pháp cung cấp nước cho cây trồng dưới dạng mưa nhân tạo thông qua các thiết bị và đầu phun, giúp tiết kiệm nước hiệu quả Phương pháp này không chỉ giảm thiểu lượng nước sử dụng mà còn nâng cao năng suất lao động nhờ tiết kiệm công tưới Hơn nữa, tưới phun mưa đáp ứng tốt nhu cầu tưới tiêu và làm sạch bụi bám trên lá, góp phần thúc đẩy sự sinh trưởng khỏe mạnh của cây trồng.
Hệ thống phun sương gần 3 thành phần chính:
Máy bơm là thiết bị thủy lực, có chức năng nhận và truyền năng lượng cho dòng chất lỏng, giúp nâng cao chất lỏng đến một độ cao nhất định hoặc di chuyển chất lỏng qua hệ thống ống dẫn.
Cấu tạo của máy bơm nước gồm hai phần chính: Động cơ điện và đầu bơm.
+ Vỏ động cơ: Bảo vệ các chi tiết bên trong của động cơ điện
+ Phần tĩnh (Stato): Thành phần cơ bản của một động cơ điện
+ Trục quay (Rôto): Truyền chuyển động qua đầu bơm
+ Quạt: Làm mát động cơ
+ Bạc đạn: Cố định vị trí của Rô to và cho phép Rô to xoay vòng
+ Bảng điện: Truyền điện năng vào trong động cơ
Hình 2.11 Nguyên lý vào ra của động cơ bơm
+ Vỏ bơm: Thân bơm, bảo vệ bộ phận thủy lực của máy bơm
Cánh bơm đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra và định hướng chuyển động của nước bên trong máy bơm, trong khi guồng bơm chuyển đổi năng lượng hoặc chuyển động do cánh bơm tạo ra thành áp năng.
+ Phớt cơ học: Ngăn nước vào trong động cơ
+ Các gioăng tròn: Làm kín giữa các chi tiết của máy bơm
2.3.2.2 Ống dẫn nước Ống dẫn nước là thành phần trong hệ thống tưới tự động dùng để truyền tải nước giữa các thiết bị như: nguồn nước, máy bơm nước, van điện từ, béc tưới cây Nước dành
Hệ thống tưới tiêu thường có ít tạp chất, vì vậy ống dẫn không cần tính năng chống ăn mòn, nhưng cần phải có khả năng chịu áp lực cao từ nguồn nước.
Thành phần cấu tạo Ống dẫn nước có cấu tạo hình trụ tròn nhằm giảm ma sát trong đường ống, giúp tăng vận tốc nước truyền tải
Đường kính ống là yếu tố quyết định lưu lượng nước mà ống có thể truyền tải; ống có đường kính lớn cho phép lưu lượng nước lớn hơn Khi nước chảy trong ống, chiều dài ống cũng ảnh hưởng đến áp lực nước ở đầu ra, với tổn thất áp lực theo chiều dài ống tăng lên khi ống dài hơn Đường kính ống lớn giúp giảm tổn thất này Độ dày ống quyết định khả năng chịu áp lực nước, với ống dày có khả năng chịu áp lực cao hơn Chẳng hạn, ký hiệu PN8 trên ống cho biết ống có thể chịu được áp lực nước 8 bar.
Vật liệu làm ống là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tổn thất chiều dài, đồng thời cũng quyết định độ bền, khả năng chịu nắng, sức chịu lực và tính linh hoạt của ống.
Béc phun sương là thiết bị tưới nước tạo ra các hạt nước nhỏ, phân tán đều trong không khí, giúp tăng độ ẩm cho khu vực Với bán kính phun từ 0.5m đến 1.5m, béc phun sương hoạt động hiệu quả với lưu lượng thấp nhưng yêu cầu áp lực cao.
Béc tưới phun sương hoạt động dựa vào áp lực nước lớn (từ 2 bar trở lên) được đẩy qua các miệng phun nhỏ, tạo ra các chùm sương với độ rộng khác nhau nhờ vào bộ phận điều hướng Cấu tạo của từng loại béc sẽ ảnh hưởng đến kích thước và phạm vi của chùm sương.
Các loại béc phun sương thông dụng
- Béc tưới bốn ngõ đặt giữa các béc tưới dẫn tới giảm số lượng béc tối đa
2.3.3.1 Động cơ giảm tốc Động cơ giảm tốc hay còn được gọi là motor giảm tốc, motor hộp số, động cơ hộp số… Đây là loại động cơ điện có tốc độ thấp Tốc độ của motor giảm tốc đã giản đi rất nhiều so với những động cơ thông thường có cùng số cực và công suất Khi động cơ này quay với tốc độ chậm thì lực mà nó sản sinh ra sẽ lớn mạnh hơn Động cơ giảm tốc được sản xuất với chức năng là kìm hãm và làm giảm đi tốc độ của vòng quay Thực chất nó chính là một cơ cấu truyền động ăn khớp trực tiếp với tỉ số truyền không thay đổi
Ngoài ra thì động cơ này còn được sử dụng để kìm hãm lại vận tốc góc và làm tăng mômen xoắn
Tính toán thiết kế hệ thống
Thiết kế hệ thống cơ khí
3.1.1 Tính toán, lựa chọn cơ cấu kéo rèm
Tính toán, lựa chọn pulley dẫn động, pulley dẫn hướng cáp dẫn động, động cơ giảm tốc thỏa mãn yêu cầu:
- Kéo được rèm che với khối lượng 0.3kg
- Động cơ truyền động đồng trục đến pulley dẫn động tỉ lệ 1:1
3.1.1.1 Tính chọn động cơ giảm tốc: Để kéo rèm với tốc độ 1m/p thì tốc độ quay của pulley dẫn động:
0.012∗ π = 26.5 (v/p) Động cơ truyền động đồng trục đến pulley dẫn động: N2 = N1 = 26.5 (v/p)
Trong đó: N2: Tốc độ quay trục đầu ra của động cơ giảm tốc
N1: Tốc độ quay pulley dẫn động
Momen tải pulley dẫn động: T1 = à ∗ W ∗ D
Trong đú: à = 0.2: Hệ số ma sỏt
W = 0.3kg: Khối lượng rèm che
Momen tải trục đầu ra động cơ giảm tốc: T2 = T1
Trong đó: H = 0.95: Hệ suất truyền động giữa trục động cơ sang pulley dẫn động
Công suất của động cơ: P = T2 ∗N2
9.55 = 1.1 (W) Để đáp ứng với yêu cầu đặt ra ta chọn động cơ giảm tốc LS220
Hình 3.1 Động cơ giảm tốc LS220
- Tốc độ vòng quay 26 vòng/phút
3.1.1.2 Lựa chọn Pulley dẫn động
Hình 3.2 Pulley dẫn dộng GT2
- Đường kính bánh răng: 12mm
3.1.1.3 Lựa chọn Pulley dẫn hướng
- Đường kính bánh răng: 12mm
Hình 3.3 Pulley dẫn hướng GT2
3.1.1.3 Lựa chọn dây đai dẫn động
- Chất liệu: Cao su dẻo, lõi dù
3.1.2 Tính toán, lựa chọn cơ cấu bơm nước
3.1.2.1 Tính chọn động cơ bơm nước
- Lưu lượng bơm yêu cầu Q=5 x10 -5 m3/s
- Chiều cao cột áp bơm Hb=0.3 m
- Khối lượng rèm che W = 0.3kg
Công suất máy bơm: P = Q∗Hb∗𝐷 𝑛
Trong đó: P : Công suất bơm cần thiết (kW)
Q=5 x10 -5 : Lưu lượng bơm yêu cầu (m 3 /s)
Hb=0.3 : Chiều cao cột áp bơm (m)
D n= 1000: Khối lượng riêng của nước (kg/m 3 )
Công suất bơm theo hệ số dư tải (an toàn):
Hình 3.4 Dây đai dẫn động
Công suất động cơ của bơm với hệ số động cơ 0.9:
Pđc = 𝑃 𝑏 0.9 = 0.48 (W ) [3.7] Để đáp ứng với yêu cầu đặt ra ta chọn động cơ bơm nước R385
- Thời gian làm việc liên tục tối đa: 120h
- Hoạt động nhiệt độ môi trường: 5℃ - 40℃
- Áp suất nước tạo ra: 0.3Mpa
3.1.2.2 Lựa chọn ống dẫn nước
- Loại sản phẩm: PU-5×8 mm
- Chất liệu: Nhựa PU chịu nhiệt và ăn mòn
- Đường kính (Trong x Ngoài): 5×8 mm
- Áp suất làm việc:6-10 Bar
- Áp lực đột biến: 20 bar
3.1.2.3 Lựa chọn đầu phun sương
- Chân đế cuối kết nối ống 8mm
- Béc phun sương siêu mịn
- Áp lực phun: 20 - 70 kg/cm2Lưu lượng nước: 20 - 46 ml/min
3.1.3 Thiết kế hệ thống cơ khí
Hình 3.8 Bản vẽ tổng thể hệ thống
Cấu tạo cơ bản mô hình
- Khung dựng bằng Sắt V3x3cm
- Các mặt xung quanh được che bằng mica trong để ngăn cách với các môi trường bên ngoài
- Cụm cơ cấu rèm, cơ cấu bơm nước
- Quạt thông gió, các cảm biến, đèn, mạch điều khiển
Kích thước tổng thể của mô hình
Kích thước các chi tiết chính
Kích thước các thanh sắt V:
Bảng 3.1 Kích thước các thanh sắt V
STT Chức năng Kích thước Số lượng
2 Thanh ngang chiều dài 40 cm 4
3 Thanh ngang chiều rộng 30 cm 4
Kích thước các tấm Mica (Độ dày 3mm):
Bảng 3.2 Kích thước các tấm Mica
STT Chức năng Kích thước Số lượng Đặc điểm
30x30 cm 2 Cắt đi 4 góc hình vuông kích thước 2x2cm
2 Mặt bên (Dài x Cao) 40x30 cm 2 Cắt đi 4 góc hình vuông kích thước 2x2cm, 1 tấm có khoét hình vuông 90x90 cm để lắp quạt
40x30cm 1 Cắt đi 4 góc hình vuông kích thước 2x2cm, đục lỗ thoát nước
3.1.3.2 Bản vẽ khung mô hình
Hình 3.9 Bản vẽ khung mô hình
3.1.3.3 Bản vẽ cơ cấu kéo rèm
Hình 3.10 Bản vẽ cơ cấu kéo rèm
3.1.3.4 Bản vẽ cơ cấu bơm nước
Hình 3.11 Bản vẽ cơ cấu bơm nước
3.1.3.5 Bản vẽ lắp hệ thống
Hình 3.12 Bản vẽ lắp hệ thống
3.1.3.6 Bản vẽ tách hệ thống
Hình 3.13 Bản vẽ tách hệ thống
Thiết kế hệ thống điều khiển
Hình 3.14 Sơ đồ giải pháp cho hệ thống điều khiển
3.2.2 Lựa chọn các thiết bị điện cho hệ thống
Trên thị trường hiện nay, có nhiều bộ vi điều khiển tiên tiến với chất lượng và tốc độ xử lý ngày càng cao Tuy nhiên, để phù hợp với đồ án của nhóm, chúng em đã quyết định chọn cảm biến Arduino Uno R3.
Một vài thông số của Arduino UNO R3
Bảng 3.1 Thông số của Arduino UNO R3
Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)
Tần số hoạt động 16 MHz
Dòng tiêu thụ khoảng 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC
Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM
Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)
Dòng tối đa trên mỗi chân
Dòng ra tối đa (5V) 500 mA
Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader
Trong mô hình đề tài, nhóm lựa chọn sử dụng module Wifi ESP 8266 Nodemcu
Sơ đồ chân của adruino esp 8266
Hình 3.17 Sơ đồ chân của adruino ESP 8266
- WiFi: 2.4 GHz hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n
- Điện áp vào: 5V thông qua cổng USB
- Số chân I/O: 11 (tất cả các chân I/O đều có Interrupt/PWM/I2C/One-wire, trừ chân D0)
- Số chân Analog Input: 1 (điện áp vào tối đa 3.3V)
- Giao tiếp: Cable Micro USB
- Hỗ trợ bảo mật: WPA/WPA2
- Tích hợp giao thức TCP/IP
- Lập trình trên các ngôn ngữ: C/C++, Micropython, NodeMCU - Lua
Cảm biến độ ẩm đất
Cảm biến ẩm kế đất điện trở là lựa chọn lý tưởng để đo chính xác phần trăm độ ẩm của đất từ môi trường, đồng thời dễ dàng kết nối với Arduino.
Hình 3.18 Cảm biến độ ẩm đất
Cảm biến đo độ ẩm hoạt động dựa trên nguyên lý hấp thụ hơi nước, khiến cho tính chất của thành phần cảm nhận trong cảm biến thay đổi, dẫn đến sự biến đổi điện trở của cảm biến Qua đó, cảm biến có thể xác định được độ ẩm chính xác.
Nguyên lý đo độ ẩm điện trở dựa trên việc polymer hoặc sứ hấp thụ độ ẩm, dẫn đến sự thay đổi điện trở suất của chúng Khi được kết nối với một mạch, độ ẩm sẽ ảnh hưởng đến điện trở của vật liệu Từ đó, độ ẩm tương đối được xác định thông qua sự biến đổi của dòng điện.
- Kích thước PCB: 3cm * 1.6cm
- Led đỏ báo nguồn vào, Led xanh báo độ ẩm
Sơ đồ chân của cảm biến độ ẩm đất
- DO: Đầu ra tín hiệu số (0 và 1)
- AO: Đầu ra Analog (Tín hiệu tương tự)
Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm
Cảm biến DHT11 là một giải pháp kinh tế cho việc đo nhiệt độ và độ ẩm, dễ dàng tích hợp với các bộ vi điều khiển như Arduino và Raspberry Pi Với khả năng giao tiếp linh hoạt, DHT11 cho phép người dùng thu thập dữ liệu về độ ẩm và nhiệt độ một cách nhanh chóng và hiệu quả.
Hình 3.19 Module cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT 11
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động cảm biến DHT 11
Cảm biến DHT11 kết hợp cảm biến độ ẩm điện dung và điện trở nhiệt để đo độ ẩm và nhiệt độ Cảm biến độ ẩm sử dụng tụ điện với hai điện cực và chất nền giữ ẩm làm chất điện môi, với giá trị điện dung thay đổi theo mức độ ẩm IC trong cảm biến sẽ đo và xử lý các giá trị điện trở đã thay đổi, chuyển đổi chúng thành dạng kỹ thuật số Để đo nhiệt độ, cảm biến sử dụng điện trở nhiệt có hệ số nhiệt độ âm, giúp giảm giá trị điện trở khi nhiệt độ tăng Cảm biến này thường được chế tạo từ gốm bán dẫn hoặc polymer để đảm bảo độ nhạy cao với sự thay đổi nhiệt độ.
Thông số kĩ thuật của cảm biến DHT 11
- Điện áp làm việc: 3V- 5V DC
- Cường độ định mức: 2.5 mA
- Phạm vi đo độ ẩm: 20% - 90% RH, sai số ±5%RH
- Phạm vi đo nhiệt độ: 0°C - 50°C với sai số ±2°C
- Tần số lấy mẫu: 1 HZ (1 lần/s)
- Độ phân giải: 1ºC đối với đo nhiệt độ, và 1% RH với độ ẩm
- Tín hiệu đầu ra: Tín hiệu kĩ thuật số
Sơ đồ chân kết nối
- Chân VCC: Dùng để cấp nguồn 5V
Lựa chọn cảm biến Photodiodes có ưu điểm phản ứng nhanh với sự thay đổi ánh sáng của môi trường xung quanh
Hình 3.20 Cảm biến ánh sáng
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Cảm biến Photodiode hoạt động dựa trên cấu tạo gồm một LED phát hồng ngoại với phân cực ngược Khi ánh sáng chiếu vào, nội điện trở của LED thay đổi, dẫn đến sự thay đổi điện áp ở chân A0 Sau đó, IC opamp sẽ so sánh điện áp này với điện áp biến trở, tạo ra tín hiệu mức 0 hoặc 1 tại chân D0.
Nguyên lý hoạt động của thiết bị này dựa trên hiệu ứng quang học, khi ánh sáng chiếu vào, các electron được nới lỏng tạo ra các lỗ dẫn điện Độ mạnh của dòng điện tỉ lệ thuận với cường độ ánh sáng: ánh sáng càng mạnh, lỗ hở giữa các electron càng lớn, dẫn đến dòng điện mạnh hơn.
Thông số kĩ thuật của cảm biến photodiode
- Điều chỉnh độ nhạy (màu xanh trong điều chỉnh chiết áp kỹ thuật số FIG)
- Output hình thức: DO đầu ra chuyển mạch kỹ thuật số (0 và 1) và đầu ra analog AO
- Kích thước của cảm biến ánh sáng: 3.2cm x 1.4cm
Sơ đồ chân của cảm biến ánh sáng Photodiode
- AO: Ngõ ra tín hiện Analog
- DO: Ngõ ra tín hiệu Digital
Nhóm lựa chọn module cảm biến phát hiện mưa có thể điều chỉnh độ nhạy, ưu điểm dễ dàng lắp đặt và chi phí thấp
Khi nước tiếp xúc với cảm biến, điện áp trên chân A0 dao động từ 0V đến 5V và được đưa vào bộ so sánh IC LM393, cho phép xuất ra mức điện áp 0 hoặc 1 tại chân D0 Biến trở giúp điều chỉnh độ nhạy của cảm biến, cho phép người dùng quyết định lượng mưa nào sẽ kích hoạt mức 1 Đồng thời, chân A0 cũng cho phép đo lường lưu lượng mưa thông qua giao tiếp với vi điều khiển và các bộ chuyển đổi ADC.
- Led báo nguồn ( Màu xanh)
- Led cảnh báo mưa ( Màu đỏ)
- Hoạt động dựa trên nguyên lý: Nước rơi vào board sẽ tạo ra môi trường dẫn điện
- Có 2 dạng tín hiệu: Analog( AO) và Digital (DO)
- Dạng tín hiệu : TTL, đầu ra 100mA ( Có thể sử dụng trực tiếp Relay, Còi công suất nhỏ…)
- Điều chỉnh độ nhạy bằng biến trở
- Sử dụng LM358 để chuyển AO –> DO
- D0: Đầu ra tín hiệu TTL chuyển đổi
- A0: Đầu ra tín hiệu Analog
Nhóm lưa chọn module cảm biến hồng ngoại phát hiện vật cản V1 có thể điều chỉnh độ nhạy, khả năng phát hiện vật cản với khoảng cách