TỔNG QUAN HỆ THỐNG GIÁM SÁT AO TÔM
Lịch sử nghiên cứu
Ngành nuôi tôm và thủy sản Việt Nam đang có những bước phát triển mạnh mẽ, với việc Chính phủ công nhận con tôm nước lợ là sản phẩm quốc gia và đặt mục tiêu xuất khẩu đạt 10 tỷ USD vào năm 2025 Tuy nhiên, ngành này cũng phải đối mặt với một số sự cố môi trường trong thời gian qua, ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường nước nuôi thủy sản và gây thiệt hại đáng kể.
Môi trường nước ô nhiễm là nguyên nhân chính gây ra dịch bệnh trong ngành nuôi tôm, với hơn 100.000 ha tôm bị ảnh hưởng vào năm 2012, chiếm gần 15% tổng diện tích nuôi Trong các năm 2014 và 2015, khoảng 50.000 ha nuôi tôm nước lợ cũng bị thiệt hại do thời tiết biến đổi, nắng nóng kéo dài làm giảm nguồn nước, tăng nhiệt độ và độ mặn, khiến tôm suy yếu và dễ mắc bệnh Sự phát triển của mầm bệnh gia tăng do các yếu tố đầu vào kém chất lượng như tôm giống và hóa chất xử lý môi trường không đảm bảo.
Nuôi tôm thành công phụ thuộc vào việc kiểm soát chất lượng nước, bao gồm các chỉ tiêu như nồng độ oxy hòa tan, nhiệt độ, độ pH, TAN, NH3, Nitrit, H2S, độ kiềm, độ mặn, nồng độ khoáng chất, nitrat, phốt pho, mật độ vi khuẩn và tảo Nếu bất kỳ chỉ tiêu nào vượt quá ngưỡng cho phép, tôm sẽ bị ảnh hưởng, dẫn đến chậm lớn, giảm sức đề kháng, dễ nhiễm bệnh và có nguy cơ chết Do đó, việc theo dõi và điều chỉnh các chỉ tiêu chất lượng nước là cực kỳ quan trọng để đảm bảo môi trường nuôi tôm ổn định và an toàn.
Thế giới hiện nay đang chuyển mình sang sử dụng năng lượng thiên nhiên thân thiện với môi trường, được khuyến khích bởi các chính sách của chính phủ Các dự án điện năng lượng mặt trời ngày càng trở nên phổ biến và đa dạng, đặc biệt là những mô hình kết hợp với sản xuất nông nghiệp Sự phát triển này đã dẫn đến việc triển khai các hệ thống điện áp mái trên trang trại gia súc, cũng như việc trồng cây xen kẽ với các tấm pin mặt trời và kết hợp điện mặt trời với nuôi trồng thủy sản.
Hình 1.1: Ao nuôi tôm sử dụng năng lượng mặt trời
Mô hình nuôi tôm công nghệ cao kết hợp với điện năng lượng mặt trời đang thu hút sự quan tâm mạnh mẽ từ người dân nhờ vào khả năng tối ưu hóa nguồn điện và mang lại doanh thu cao Sự kết hợp này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả sản xuất thủy sản mà còn góp phần vào việc phát triển bền vững trong ngành nuôi trồng thủy sản.
Nghiên cứu về hệ thống giám sát nuôi tôm ngày càng trở nên quan trọng, vì vậy nhóm chúng tôi đã quyết định thực hiện đề tài “Thiết kế hệ thống giám sát hoạt động ao nuôi tôm sử dụng năng lượng mặt trời” Mục tiêu của dự án là phát hiện kịp thời và cảnh báo về các điều kiện không đảm bảo trong ao nuôi, từ đó giúp người nuôi nâng cao năng suất và giảm thiểu rủi ro.
Các mô hình hệ thống giám sát
1.2.1 Các phương pháp đo nồng độ pH
pH là thước đo nồng độ ion hydronium (H3O+) trong dung dịch nước, được xác định trên thang logarit âm từ 0 đến 14 Dung dịch có pH dưới 7 được xem là axit, với 0 là mức độ axit cao nhất, trong khi dung dịch có pH bằng 7 được coi là trung tính.
- Ảnh hưởng của pH đến ao nuôi tôm (hệ sinh thái ao và sức khỏe tôm):
Khi pH của nước quá cao, mang tính bazo, sẽ gây khó khăn cho sự phát triển của thủy sinh vật đáy và tạo ra biến động pH lớn trong ngày Nguồn nước này không thích hợp cho việc nuôi tôm; do đó, cần điều chỉnh pH xuống mức 7,5-8 để tạo điều kiện tốt nhất cho tôm nuôi.
pH quá thấp, mang tính axit, có tác động tiêu cực đến tảo và vi sinh vật trong nước Nguyên nhân dẫn đến pH thấp có thể do nước bị nhiễm phèn, hiện tượng sụp tảo, và quá trình phân hủy vật chất hữu cơ trong môi trường nước.
Sự phát triển mạnh mẽ của tảo quang hợp dẫn đến dao động pH, cho thấy môi trường bị phú dưỡng Điều này cũng cho thấy thành phần loài tảo thay đổi theo chiều hướng không tích cực, chẳng hạn như ao có tảo lam thường có pH rất cao.
Đối với sức khỏe tôm:
Khi pH vượt ngưỡng có ảnh hưởng bất lợi trên tôm như làm tôm chậm lột, suy giảm miễn dịch, stress.
Mất cân bằng áp suất thẩm thấu
Trong quá trình nuôi tôm, việc duy trì mức pH ổn định là rất quan trọng, đặc biệt trong giai đoạn lột vỏ Nếu pH giảm quá thấp, tôm sẽ gặp khó khăn trong việc lột vỏ, dẫn đến hiện tượng dính chân Biến động pH không chỉ ảnh hưởng đến khả năng tiêu hóa của tôm, mà còn gây còi cọc, làm giảm khả năng tăng trưởng và suy yếu hệ miễn dịch, khiến tôm dễ bị nhiễm bệnh từ môi trường ao nuôi.
Suy giảm khả năng trao đổi khí ở mang, làm tôm ngạt và nổi đầu
Làm chậm hoặc không liên tục quá trình trao đổi chất, ảnh hưởng đến tiêu hóa
Làm biến đổi độc tính của những chất khác trong nước, đặc biệt là các loại khí độc NH3, NO2, H2S,…dễ bùng phát và ảnh hưởng cho tôm
Khi pH trong nước tăng cao, nồng độ khí độc NH3 sẽ gia tăng, trong khi pH giảm thấp sẽ dẫn đến sự bùng phát của khí độc H2S trong ao Cả hai loại khí độc này đều rất nguy hiểm và có tác động tiêu cực đến sự phát triển của tôm nuôi.
1.2.1.1 Chất chỉ thị pH (pH liquid solutions)
Dung dịch chỉ thị pH axit-bazơ là các axit hoặc bazơ hữu cơ yếu, có màu sắc khác nhau ở dạng axit và bazơ Mỗi chỉ số có một phạm vi pH cụ thể, trong đó nó chuyển đổi từ dạng axit sang dạng bazơ Ngoài phạm vi pH này, dung dịch chỉ thị sẽ không có tác dụng, vì màu sắc của chỉ thị sẽ không thay đổi ở các giá trị pH ngoài giới hạn đó.
Các công cụ kiểm tra pH phổ biến bao gồm chỉ thị pH như phenolphthalein (pH 8,2 đến 10,0; chuyển từ không màu sang hồng), bromthymol xanh (pH 6,0 đến 7,6; chuyển từ vàng sang xanh), và giấy chỉ thị litmus (pH 4,5 đến 8,3; chuyển từ đỏ sang xanh dương).
Đo pH bằng chất chỉ thị là một phương pháp phổ biến, trong đó Bogen phổ chỉ số là một hỗn hợp của methyl đỏ, bromthymol xanh và phenolphthalein Hỗn hợp này có khả năng chỉ ra pH trong khoảng từ 4,0 đến 10 với các bước màu sắc rời rạc.
Chất chỉ thị pH là công cụ quan trọng trong các phép chuẩn độ axit-bazơ, nơi sự thay đổi pH diễn ra mạnh mẽ gần điểm tương đương Việc lựa chọn chỉ báo pH cần đảm bảo rằng phạm vi pH của nó phù hợp với sự thay đổi pH trong phản ứng Ngoài ra, các chỉ số pH cũng được sử dụng phổ biến để kiểm tra nhanh độ pH của các mẫu nước như hồ, bể và nước uống, với phương pháp đo này mang lại tính nhanh chóng, chi phí thấp và dễ thực hiện.
Sử dụng các chỉ số pH có một số hạn chế, bao gồm yêu cầu mẫu thử phải trong suốt để dễ dàng quan sát sự thay đổi màu sắc Bên cạnh đó, độ chính xác của các chỉ số pH thường không cao, điều này có thể ảnh hưởng đến kết quả đo.
1.2.1.2 Giấy đo pH (pH paper test trip)
Giấy quỳ tím (Litmus) là công cụ phổ biến nhất để đo pH, thường được sử dụng để xác định tính axit hay bazo của dung dịch Có ba loại giấy quỳ: đỏ, xanh dương và trung tính Giấy quỳ đỏ chuyển sang màu xanh trong dung dịch bazo, trong khi giấy quỳ xanh chuyển sang màu đỏ khi gặp dung dịch axit Giấy quỳ trung tính, thường có màu tím, sẽ chuyển sang đỏ trong môi trường axit và xanh trong môi trường bazo Để xác định độ pH cụ thể của mẫu, bạn nên sử dụng giấy thử pH hoặc dải giấy quỳ chính xác hơn.
Các giấy và dải thử pH chính xác có khả năng đo lường với độ chính xác xuống 0,2 đơn vị pH Hiện nay, có nhiều loại bài kiểm tra pH và dải thử khác nhau, từ những sản phẩm có phạm vi pH rộng và độ nhạy thấp đến những sản phẩm có phạm vi pH hẹp và độ nhạy cao.
Giấy đo pH có dải so sánh mang lại nhiều lợi ích vượt trội, bao gồm tính nhanh chóng, dễ sử dụng và chi phí thấp hơn so với các dụng cụ đo pH Với thiết kế nhỏ gọn, giấy đo pH có thể dễ dàng mang theo, bảo quản và phù hợp với công việc di động Trong môi trường lớp học, các dải so sánh pH có thể được dán vào sổ ghi chép trong phòng thí nghiệm, giúp kiểm tra kết quả thử nghiệm một cách thuận tiện.
Mặc dù dải đo pH và giấy đo pH cung cấp độ chính xác cao hơn so với các chỉ số chất lỏng, nhưng chúng vẫn không thể so sánh với độ chính xác của dụng cụ đo pH Ngoài ra, màu sắc và độ đục của dung dịch cũng ảnh hưởng đến kết quả khi sử dụng giấy đo pH, với các dung dịch không màu mang lại kết quả tốt nhất.
1.2.1.3 Dụng cụ pH (pH meter)
Hình 1.4: Cảm biến đo pH
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Các mô hình ao nuôi tôm sử dụng năng lƣợng mặt trời
Các cảm biến đo Oxi, pH và độ mặn hoạt động trong nước
Không gian: Hệ thống dùng cho hộ gia đình
Thời gian: Nghiên cứu đƣợc thực hiện trong 2 tháng (21/3/2022 – 22/5/2022)
Trong nghiên cứu này, nhóm chúng tôi tập trung vào việc phát triển hệ thống giám sát ao nuôi tôm thông minh, dựa trên lý thuyết và đánh giá qua mô hình mô phỏng Các kết quả đánh giá của hệ thống chủ yếu được xác định thông qua mô hình mô phỏng và các tính toán lý thuyết.
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số môi trường đến sự phát triển thủy sản là rất quan trọng, đặc biệt trong việc xác định quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về ngưỡng các thông số trong ao nuôi tôm Việc hiểu rõ các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ pH, và độ mặn sẽ giúp tối ưu hóa điều kiện nuôi tôm, từ đó nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm thủy sản.
Nghiên cứu về cảm biến pH, nồng độ DO, độ mặn và vi điều khiển là cần thiết để xác định thiết bị phù hợp cho hệ thống giám sát Việc lựa chọn các thiết bị này sẽ đảm bảo hiệu quả trong việc theo dõi và quản lý các yếu tố môi trường quan trọng.
Sử dụng các phần mềm đồ họa như CAD, SolidWorks, Proteus, Altium Designer và Arduino, người dùng có thể thiết kế mạch nguyên lý, mạch in, lập trình chương trình điều khiển, cũng như thực hiện các chức năng cảnh báo và lưu trữ dữ liệu hiệu quả.
Phương pháp thực nghiệm được sử dụng để kiểm tra và đánh giá quy trình hoạt động của hệ thống, bao gồm độ chính xác của các thông số pH, độ mặn và nồng độ DO Đồng thời, nghiên cứu cũng xem xét độ tin cậy của tín hiệu cảnh báo khi các thông số này vượt quá ngưỡng cho phép.
CƠ SỞ THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT AO TÔM
Phương pháp đo độ PH, độ mặn và nồng độ ô xy trong nước
2.1.1 Phương pháp đo nồng độ pH
Trên thị trường hiện nay, dụng cụ đo pH được chia thành hai loại chính: pH cầm tay và pH để bàn pH cầm tay có thiết kế nhỏ gọn, dễ dàng mang theo, thường ở dạng bút hoặc que đo nhanh, trong khi máy đo pH để bàn được cố định tại phòng thí nghiệm và cung cấp độ chính xác cao nhất Phương pháp đo pH bằng máy để bàn dựa trên sự khác biệt điện thế giữa điện cực pH và điện cực tham chiếu, với kết quả hiển thị thường ở dạng điện tử, cho phép đo đến 0,01 đơn vị pH Điều này rất hữu ích cho các nghiên cứu khoa học hoặc các dự án nghiên cứu yêu cầu độ chính xác cao.
Thiết bị đo pH cầm tay là lựa chọn lý tưởng cho các công việc cần di chuyển nhiều hoặc khi cần kiểm tra pH nhanh chóng trong phòng thí nghiệm Ngược lại, máy đo pH để bàn thường mang lại độ chính xác cao hơn và cung cấp nhiều tùy chọn kiểm tra hơn cho người sử dụng.
Hình 2.1: Cảm biến đo pH (7)
- Cấu tạo của cảm biến đo pH:
Đầu dò điện cực pH bao gồm điện cực kết hợp và điện cực thủy tinh nhạy cảm với pH, được bao quanh đồng tâm bởi điện cực tham chiếu chứa chất điện ly tham chiếu.
Các điện cực kết hợp có phần tham chiếu và pH riêng biệt, nhưng chúng sở hữu những thuộc tính giống như các điện cực riêng lẻ Sự khác biệt duy nhất là chúng được kết hợp thành một thiết bị, giúp người dùng dễ dàng hơn trong việc sử dụng Tuy nhiên, nếu hai thành phần của điện cực kết hợp có tuổi thọ khác nhau, thì việc thay thế bằng các điện cực pH và tham chiếu riêng biệt sẽ được khuyến nghị.
Hình 2.2: Cấu tạo đầu dò điện cực pH (7)
Module đo nồng độ pH:
Module Đo Nồng Độ PH là thiết bị quan trọng để kiểm tra chất lượng nước, giúp kiểm soát và phát hiện các thành phần lạ trong nước, đặc biệt trong lĩnh vực nuôi trồng thủy sản Bên cạnh đó, sản phẩm này cũng là một công cụ hỗ trợ hiệu quả trong các phòng thí nghiệm hóa học.
Cảm biến đo độ pH của RFRobot được thiết kế với tính năng đơn giản và tiện dụng, giúp người dùng dễ dàng kết nối Mạch xử lý tín hiệu của cảm biến tích hợp đèn LED hoạt động như đèn báo nguồn, cùng với cổng kết nối BNC để kết nối với cảm biến pH và cổng PH2.0 cho phép kết nối dễ dàng với Arduino qua chân tín hiệu Analog.
Hình 2.3: Module đo nồng độ pH (7)
Phạm vi đo: độ pH trong khoảng từ 0 - 14
Độ chính xác: ± 0.1pH ( 25 ℃ - nhiệt độ lý tưởng )
Cảm biến pH với kết nối cổng BNC
Cổng kết nối PH2.0 ( 3 chân )
2.1.2 Phương pháp đo độ mặn
Sự hấp thụ hơi nước ảnh hưởng đến thành phần cảm nhận trong cảm biến, cụ thể là các chất hóa học như LiCl và P2O5, dẫn đến sự thay đổi điện trở của cảm biến, từ đó cho phép xác định mức độ ẩm.
Từ độ ẩm xác định được độ dẫn diện và quy ra độ mặn của nước
Hình 2.4: Module cảm biến đo độ ẩm (8)
Kích thước PCB: 3cm * 1.6cm
Led đỏ báo nguồn vào, Led xanh báo độ ẩm
DO: Đầu ra tín hiệu số (0 và 1)
AO: Đầu ra Analog (Tín hiệu tương tự)
Sơ đồ nguyên lí của cảm biến đo độ ẩm:
Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lí của cảm biến đo độ ẩm
Bảng chuyển đổi đơn vị đo giữa độ dẫn điện dung dịch và độ mặn:
Bảng 2.1: Bảng chuyển đổi đơn vị đo giữa độ dẫn điện dung dịch và độ mặn của dung dịch (9) Độ dẫn điện (àS/cm) Độ mặn (mg/l)(Nacl)
Hệ thống chuyển đổi điện từ năng lƣợng mặt trời
Hệ thống điện mặt trời chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng qua các tấm pin mặt trời, cung cấp một nguồn năng lượng vô hạn và sạch Năng lượng này không phát thải CO2 và không tốn chi phí khi sử dụng, làm cho nó trở thành một nguồn năng lượng tái tạo đáng tin cậy, mang lại nhiều giá trị cho con người.
Pin mặt trời, hay còn gọi là pin quang điện (Solar panel), bao gồm nhiều tế bào quang điện (Solar cells) là các phần tử bán dẫn Những tế bào này chứa nhiều cảm biến ánh sáng, được gọi là đi ốt quang, có khả năng biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện.
Hình 2.6: Pin năng lượng mặt trời (10)
2.2.1 Cấu tạo của pin năng lƣợng mặt trời:
Các tấm pin năng lượng được cấu tạo từ các tế bào quang điện, là những phần tử bán dẫn chính, được chế tạo từ cát Cát sẽ được xử lý và chuyển đổi thành silicon tinh khiết với độ tinh khiết lên tới 99,999%.
Quá trình sản xuất silicon tinh khiết bắt đầu bằng việc nung nóng cát với cacbon ở nhiệt độ khoảng 2000 độ C, giúp đạt được độ tinh khiết khoảng 97-98% Những thỏi silicon tinh khiết này sau đó được cắt thành những lát mỏng gọi là silicon wafer, đóng vai trò quan trọng như trái tim của tế bào quang điện, giúp hấp thụ năng lượng mặt trời và chuyển đổi thành điện năng.
Hình 2.7: Cấu tạo của pin năng lượng mặt trời (11)
2.2.2 Nguyên lý hoạt động của pin năng lƣợng mặt trời:
- Khi phân tích cấu tạo của lớp silicon nơi tạo ra điện dưới ánh sáng hấp thụ của mặt trời
- Trong lớp bán dẫn silicon của tấm năng lƣợng mặt trời sẽ bao gồm 2 lớp bán dẫn có cấu tạo khách nhau:
Lớp bán dẫn loại N bao gồm các electron tự do lớn hơn mật độ lỗ trống, do đƣợc gọi là hạt dẫn đa số lớp N
Lớp bán dẫn loại P có mật độ lỗ trống lớp hơn lớp electron tự do, do đó gọi là hạt dẫn da số lớp P
Hình 2.8: Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời (10)
Tại khu vực giao nhau giữa hai lớp P và N, hình thành một vùng gọi là vùng chuyển tiếp Trong vùng này, các electron tự do từ lớp N di chuyển và lấp đầy các lỗ trống, tạo ra hiện tượng chuyển giao.
Tại vùng chuyển giao tiếp giáp với lớp bán dẫn N sẽ mang điện tích dương, ngược lại phần chuyển giao phía ( P ) sẽ mang điện tích âm
Tại vùng chuyển giao trong tấm pin mặt trời, ánh sáng mặt trời tạo ra nhiều electron được lấp đầy bởi lỗ trống, chịu tác động từ photon Quá trình này dẫn đến việc các electron lấp đầy bị tách ra, di chuyển về hai phía của tấm pin, tạo ra một phía mang điện tích dương và một phía mang điện tích âm.
Khi kết nối hai cực âm dương, chúng ta tạo ra dòng chuyển đổi electron, với mỗi electron khi di chuyển sẽ tạo ra điện áp 0.5V Để gia tăng điện năng hấp thụ, có thể nối nhiều modul lại với nhau nhằm đạt được công suất lớn hơn.
- Mạch chuyển đổi điện từ năng lƣợng mặt trời:
Hình 2.9: Mạch chuyển đồi điện từ năng lượng mặt trời (12)
Dòng sạc tối đa: 1000mA
Điện áp bảo vệ quá xả pin: 2,5V
Pin bảo vệ quá dòng điện: 3A
Hình 2.10: Sơ đồ mạch của mạch sạc
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG
Thiết kế tổng thể hệ thống
3.1.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
Mô hình sản phẩm đáp ứng những yêu cầu công nghệ sau:
Có màn hình hiển thị thời gian thực, độ mặn và độ pH
Sử dụng cảm biến đo độ mặn và pH
Sử dụng module thời gian thực
Có hệ thống đèn báo khi nồng độ quá ngƣỡng cho phép
- Nhiệm vụ của các khối:
Khối nguồn: sử dụng nguồn 12V qua mạch hạ áp lm2596
Khối điều khiển và xử lý sử dụng Arduino Nano, một thiết bị có khả năng nhận và lập trình để xử lý tín hiệu từ các cảm biến đầu vào Đồng thời, nó cũng có khả năng xuất tín hiệu đến đèn báo và hiển thị thông tin trên màn hình LCD.
Khối cảm biến: sử dụng cảm biến đo độ mặn, độ pH và module thời gian thực, truyền tín hiệu đến vi điều khiển trung tâm
Khối hiển thị: khi có tín hiệu từ vi điều khiển thì hiển thị thông báo trên màn hình LCD
Khối nguồn Khối điều khiển và xử lí
Khối cảm biến Khối chấp hành
Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống
Thiết kế hệ thống bể và sơ đồ mạch in
Sử dụng phần mềm solidwork để thiết kế hệ thống bể
Bể đƣợc làm bằng mica dày 3mm
Hình 3.2: Mặt bên của bể
Hình 3.3: Mặt trước và sau của bể
Hình 3.4: Mặt đáy của bể
Hình 3.5: Bể khi đã hoàn thành.
Thiết kế hệ thống điều khiển
3.3.1 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
- Khối điều khiển và xử lí trung tâm
Hình 3.7: Khối điều khiển và xử lí trung tâm
Khối xử lý trung tâm của hệ thống là Arduino Nano, chịu trách nhiệm tiếp nhận và phân tích tín hiệu từ các cảm biến Sau đó, nó sẽ đưa ra tín hiệu để điều khiển đèn báo và hiển thị kết quả thực hiện trên màn hình LCD.
Khối nguồn sử dụng nguồn 12V và mạch hạ áp lm2596 để chia nguồn cho các thiết bị
Khối cảm biến có nhiệm vụ đo lường các thông số như độ mặn, độ pH và thời gian thực, sau đó truyền tín hiệu đến vi điều khiển trung tâm để xử lý thông tin.
Khối nút nhấn có nhiệm vụ thay đổi chức năng hoạt động của hệ thống
Khối hiển thị có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ khối vi điều khiển trung tâm và hiển thị thông báo trên màn hình LCD
Sử dụng module chuyển đổi I2C giúp việc giao tiếp đƣợc dễ dàng hơn, đồng thời tiết kiệm tài nguyên đầu ra cho vi điều khiển
3.3.2 Tìm hiểu về các linh kiện điện tử trong hệ thống
Bộ vi điều khiển ATmega328P trên Arduino nano cho phép thực hiện các tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lý tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, hoặc tạo thành một trạm đo nhiệt độ và độ ẩm, đo tốc độ động cơ và hiển thị kết quả lên màn hình LCD.
Hình 3.12: Arduino uno Bảng 3.1: Thông số kĩ thuật của arduino nano
Arduino Nano Thông số kỹ thuật
Số chân Digital I/O 22 ộ nhớ EEPROM 1 KB ộ nhớ Flash 32 KB Điện áp ng vào (7-12) Volts
Vi điều khiển ATmega328P Điện áp hoạt động 5V
Kích thước bo mạch 18 x 45 mm
Màn hình LCD 16x2 là thiết bị phổ biến trong ứng dụng vi điều khiển nhờ vào nhiều ưu điểm nổi bật Nó có khả năng hiển thị ký tự đa dạng, hỗ trợ nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, dễ dàng tích hợp vào mạch ứng dụng Bên cạnh đó, LCD 16x2 tiêu tốn rất ít tài nguyên hệ thống và có giá thành phải chăng, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các dự án điện tử.
Chức năng của từng chân LCD 162:
Chân số 1 - VSS : chân nối đất cho LCD đƣợc nối với GND của mạch điều khiển
Chân số 2 - VDD : chân cấp nguồn cho LCD, đƣợc nối với VCC=5V của mạch điều khiển
Chân số 3 - VE : điều chỉnh độ tương phản của LCD
Chân số 4 - RS : chân chọn thanh ghi, đƣợc nối với logic "0" hoặc logic "1":
Chân số 5 - R/W : chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write), đƣợc nối với logic “0” để ghi hoặc nối với logic “1” đọc
Chân số 6 - EN : chân cho phép (Enable) Sau khi các tín hiệu đƣợc đặt lên bus DB0-DB7, các lệnh chỉ đƣợc chấp nhận khi có 1 xung cho phép
Chân số 7 đến 14 - D0 đến D7: 8 đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với MPUChân số 15 - A : nguồn dương cho đèn nền
Chân số 16 - K : nguồn âm cho đèn nền
- Modun chuyển đổi i2c giao tiếp LCD:
Mục đích sử dụng : Chuyển đổi giao tiếp giữa vi điều khiển và LCD
Kích thước: 41.5mm(L)X19mm(W)X15.3MM(H)
Rơle (relay) là một thiết bị chuyển mạch hoạt động bằng điện, sử dụng dòng điện chạy qua cuộn dây để tạo ra từ trường hút lõi sắt non, từ đó thay đổi trạng thái công tắc Rơle có khả năng bật hoặc tắt dòng điện qua cuộn dây, cho phép nó chuyển đổi giữa hai vị trí ON và OFF Trạng thái của rơle phụ thuộc vào việc có dòng điện chạy qua hay không.
Opto 817C cách li, chống nhiễu tốt
Led báo đóng ngắt trên relay
Điện áp điều khiển 5VDC
Đầu ra đóng ngắt : 30VDC/10A, 250VAC/10A o IN1…IN4: tín hiệu đầu vào, hoạt đông mức thấp o NO1…NO4: công tắc thường mở
Hình 3.16: Sơ đồ chân của relay
- Module giao tiếp thời gian thực:
IC thời gian thực DS1307 cung cấp thông tin thời gian hiện tại chính xác, bao gồm giờ, phút, giây, thứ, ngày, tháng và năm, ngay cả khi không có nguồn điện Thiết bị giao tiếp với vi điều khiển qua chuẩn I2C, hoạt động như một slave trên bus I2C DS1307 hỗ trợ định dạng thời gian 24 giờ và 12 giờ với chỉ thị AM/PM Đặc biệt, chip này còn có bộ dò phát hiện mất nguồn, tự động chuyển sang nguồn pin dự phòng khi cần thiết.
Tính năng nổi bật của IC RTC DS1307 :
Lưu trữ và cung cấp các thông tin thời gian thực: ngày, tháng, năm, giờ, phút, giây,…
Khả năng thiết lập ngày đến năm 2100
Tiêu thụ điện năng thấp: dòng tiêu thụ dưới 500mA khi hoạt động bằng pin
Tự động chuyển sang nguồn pin trong trường hợp mất điện
Đồng hồ 24 giờ hoặc 12 giờ với chỉ báo AM/PM
Sử dụng chuẩn giao tiếp I2C
Hình 3.17: Module giao tiếp thời gian thực
- Mạch Giảm Áp DC LM2596 3A:
Mạch giảm áp DC LM2596 3A là một giải pháp nhỏ gọn, có khả năng hạ áp từ 30V xuống 1.5V với hiệu suất cao lên tới 92% Sản phẩm này rất phù hợp cho các ứng dụng chia nguồn, hạ áp và cấp điện cho các thiết bị như camera, motor, và robot.
Hình 3.18: Mạch Giảm Áp DC LM2596 3A
Điện áp đầu vào: Từ 3V đến 30V
Điện áp đầu ra: Điều chỉnh đƣợc trong khoảng 1.5V đến 30V
Dòng đáp ứng tối đa là 3A
Kích thước: 45 (dài) * 20 (rộng) * 14 (cao) mm
- Động cơ giảm tốc mini:
Hình 3.19: Motor giảm tốc mini
Điện áp hoạt động : 3 – 9VDC
Mẫu điện tiêu thụ: 110 – 140mA
Chế tạo, thử nghiệm và đánh giá hệ thống
Thiết kế sơ đồ mạch in:
Hình 3.20: Sơ đồ mạch in
Hình 3.21: Mạch khi đã hoàn thành
- So sánh các thông số giữa kiểu đo truyền thống và qua cảm biến:
Bảng 3.2: Bảng đánh giá độ pH qua giấy thử và cảm biến đo
Lần đo Giấy thử (Δ1) Cảm biến pH (Δ2) Sai số (|Δ1- Δ2|)
Nguyên nhân sai số: do giấy thử có màu sắc tương đối giống nhau (khi pH gần nhau) nên sẽ gây ra sai lệch (không quá 1 màu)
Cách khắc phục: đo nhiều lần để đảm bảo màu trong ngƣỡng gần nhất
Bảng 3.3: Bảng đánh giá độ mặn qua thước đo độ mặn và cảm biến đo
Lần đo Thước đo độ mặn (Δ1) Cảm biến độ mặn(Δ2) Sai số (|Δ1- Δ2|)
Nguyên nhân sai số: tỷ trọng là đại lượng ảnh hưởng bởi nhiệt độ nên sẽ có sai lệch
Cách khắc phục: cần phải kiểm tra nhiệt độ của mẫu, đƣa mẫu về mức tiêu chuẩn để thực hiện đo với độ chính xác cao nhất
Mô hình sản phẩm hoạt động ổn định
Chi phí đầu tƣ hợp lý
Mô hình chắc chắn, đảm bảo về hình dáng lẫn kết cấu
Không chịu đƣợc va đập mạnh
Tính thẩm mỹ còn hạn chế
Các chỉ số đo có tính chính xác chƣa cao
KẾT LUẬN VÀ ĐÈ XUẤT PHÁT TRIỂN
- Hệ thống giám sát và cảnh báo tự động một số thông số môi trường trong các ao nuôi tôm hoạt động ổn định trong quá trình thử nghiệm
Hệ thống hoạt động với các chức năng chính bao gồm chế độ điều khiển bằng tay, chế độ tự động theo thời gian cài đặt và chức năng cảnh báo khi các thông số trong ao nuôi vượt ngưỡng cho phép (7,5 < pH < 8,5; 2 < S < 4), đảm bảo hoạt động đúng theo yêu cầu.
Trong nghiên cứu này, nhóm đã thực hiện việc so sánh kết quả đo của hệ thống với các kỹ thuật đo phổ biến trong nuôi trồng thủy sản Kết quả ban đầu cho thấy hệ thống có khả năng đáp ứng các yêu cầu đo lường trong lĩnh vực này.
Hệ thống hiện tại còn nhiều hạn chế, vì vậy chúng tôi sẽ tiếp tục nghiên cứu và thử nghiệm để phát triển thêm các đầu đo cho các thông số môi trường ao nuôi Chúng tôi cũng sẽ thiết kế chức năng lưu trữ dữ liệu nhằm hỗ trợ giám sát ao nuôi trong thời gian dài và đánh giá sai số của hệ thống so với các thiết bị đo lường tiêu chuẩn.
Nghiên cứu phát triển tích hợp các chức năng như độ kiềm, nồng độ khoáng chất, nồng độ nitrat và nồng độ phốt pho, cùng với việc sử dụng pin năng lượng tự điều chỉnh theo ánh sáng mặt trời.
Hệ thống giám sát và cảnh báo tự động được phát triển để theo dõi môi trường nước của ao nuôi từ xa, thông qua ứng dụng cài đặt trên điện thoại thông minh.
- Cải tiến kỹ thuật giúp sản phẩm có khả năng đo các chỉ số chính xác hơn
- Thiết kế mô hình có tính thẩm mỹ và kỹ thuật cao hơn
- Hoàn thiện sản phẩm hướng tới việc thương mại hóa sản phẩm.
