Thiết kế và thi công hệ thống IOT chăm sóc vườn cây dùng pin năng lượng mặt trời

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG IOT CHĂM SÓC VƯỜN CÂY DÙNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Ngành Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Giảng viên hướng dẫn PGS TS Nguyễn Hùng SVTH Hứa Phước Tài MSSV 1511050240 Lớp 15DTD01 SVTH Nguyễn Ngọc Nhật MSSV 1711050233 Lớp 17DTDA2 SVTH Nguyễn Anh Đức MSSV 1711050267 Lớp 17DTDA2 Tp HCM, ngày 29 tháng 08 năm 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG IOT CHĂM SÓC VƯỜN CÂY DÙNG PIN NĂ.

GIỚI THIỆU

Đặt vấn đề

Hiện nay, việc ứng dụng công nghệ điều khiển trong sản xuất ngày càng trở nên phổ biến và thiết yếu, đặc biệt trong các lĩnh vực như nông nghiệp.

Trong nông nghiệp hiện đại, việc áp dụng công nghệ điều khiển tiên tiến đã nâng cao đáng kể năng suất và chất lượng cây trồng Công nghệ trồng rau trong nhà, kết hợp với các thiết bị điều khiển, đã mang lại kết quả vượt trội, bao gồm năng suất cao và chất lượng sản phẩm sạch, an toàn Đặc biệt, công nghệ này cho phép trồng những loại cây không phải là truyền thống của địa phương, mở ra cơ hội mới cho nông dân.

Trong bối cảnh thực phẩm bẩn đang trở thành vấn đề nhức nhối, rau phun thuốc trừ sâu được thu hoạch và bán ra thị trường khiến người tiêu dùng lo lắng về sức khỏe Nhiều người đã lựa chọn tự trồng rau tại nhà để đảm bảo an toàn thực phẩm và nâng cao an ninh lương thực cho gia đình.

Cuộc sống đô thị với thời gian hạn hẹp và không gian chật chội khiến việc chăm sóc một khu vườn trên mái trở nên khó khăn và nặng nề, khi phải dành thời gian hàng ngày để tưới tắm và chăm sóc.

Có gia đình từ khi trồng vườn trên mái không dám đi chơi xa chỉ vì sợ rau cỏ chết sạch mấy ngày xa nhà

Trong vườn, sự phát sinh và lây lan dịch bệnh chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố bên ngoài, bao gồm độ ẩm không khí cao và mật độ cây trồng dày đặc Giai đoạn này, cây trồng dễ bị vi sinh vật gây bệnh tấn công qua các bộ phận lá mầm.

Giai đoạn cây con đòi hỏi chế độ tưới đặc biệt để cung cấp độ ẩm cần thiết, đồng thời cần kết hợp với hệ thống cung cấp dinh dưỡng phù hợp.

Hệ thống phun thuốc bảo vệ thực vật cần sử dụng hạt nước tưới nhỏ để bảo vệ lá mầm và thân non của cây, tránh tình trạng rách hoặc nát.

Dựa trên những đánh giá đã thu thập, nhóm chúng tôi đã quyết định phát triển một hệ thống quản lý vườn thông minh, tích hợp các tính năng cơ bản nhằm đáp ứng nhu cầu của người sử dụng.

Mục tiêu nghiên cứu

 Nghiên cứu hệ thống IOT chăm sóc vườn cây sử dụng pin năng lượng mặt trời.

Nội dung nghiên cứu

 Xây dựng mô hình hệ thống

Module cảm biến thu thập thông tin về môi trường, bao gồm nhiệt độ, ánh sáng và độ ẩm, giúp điều chỉnh các yếu tố này để phù hợp với điều kiện phát triển tối ưu của cây trồng.

 Điều khiển hệ thống bằng hai phương pháp tự động hoặc bằng tay

 Có thể giám sát và điều khiển từ xa thông qua mạng internet hoặc wifi

Bạn có thể điều khiển trực tiếp thiết bị bằng nút nhấn và theo dõi các thông số nhiệt độ, độ ẩm hiển thị trên màn hình LCD ngay cả khi không có kết nối wifi và internet.

Phương pháp nghiên cứu

 Nghiên cứu thông qua cái tài liệu trên mạng, sách giáo khoa

Nghiên cứu phát triển hệ thống tự động chăm sóc vườn cây bằng cách giám sát và kiểm soát nhiệt độ môi trường cùng độ ẩm đất thông qua các thiết bị cảm biến.

Phạm vi nghiên cứu

 Nghiên cứu các loại cảm biến phục vụ cho đề tài: cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, cảm biến ánh sáng

 Nghiên cứu pin năng lượng mặt trời

 Xây dựng các module thành phần của hệ thống

 Module thông tin đầu vào là các giá trị, thông số từ các cảm biến

 Module thông tin đầu ra điều khiển các thiết bị bật tắt theo chức năng định trước

 Module điều khiển trung tâm của hệ thống là board Nodemcu Esp 32

 Kích thước mô hình: 46cm x 38cm x 24cm.

Kết cấu đồ án

 Chương 2 : Tổng quan đề tài

 Chương 3 : Phương pháp giải quyết

 Chương 4 : Qui trình thiết kế

 Chương 5 : Thi công mô hình

 Chương 6 : Kết luận và hướng phát triển

PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT

Đặc tính cây xanh trong nông nghiệp

Quang hợp ở cây xanh là quá trình mà diệp lục hấp thụ năng lượng ánh sáng mặt trời để sản xuất cacbohiđrat và oxy từ khí carbon dioxide và nước.

Như vậy đặc tính quang hợp của cây trồng phụ thuộc vào các yếu tố chính như: cường độ ánh sáng, nhiệt độ, lượng CO2, và nước.

Các nhân tố ảnh hưởng đến cây trồng

3.2.1 Ảnh hưởng của ánh sáng đến quang hợp Ánh sáng ảnh hưởng đến quang hợp về hai mặt: cường độ sáng và quang phổ sáng

Cường độ ánh sáng: có hai trị số liên quan đến quang hợp đó là điềm bù sáng và điểm bảo hòa ánh sáng

 Điểm bù sáng: là cường độ sáng mà tại đó cường độ quang hợp cân bằng với cường độ hô hấp

 Điểm bảo hòa ánh sáng: là trị số ánh sáng mà từ đó cường độ quang hợp không tăng thêm mặc dù cường độ sáng tiếp tục tăng

Quang phổ sáng ảnh hưởng đến quang hợp, với quá trình này chủ yếu diễn ra ở các miền ánh sáng xanh, tím và đỏ Thành phần ánh sáng thay đổi theo độ sâu trong nước, thời gian trong ngày và vị trí của cây dưới tán.

3.2.2 Ảnh hưởng của nồng độ CO2

Cây quang hợp hiệu quả nhất ở nồng độ CO2 từ 0,008% đến 0,01% Khi nồng độ CO2 tăng, cường độ quang hợp cũng tăng theo tỷ lệ thuận, nhưng sau đó sẽ tăng chậm lại cho đến khi đạt giá trị bão hòa CO2 Nếu nồng độ CO2 vượt quá mức bão hòa, cường độ quang hợp sẽ giảm.

3.2.3 Ảnh hưởng của nước Ảnh hưởng của nước đến sự đóng mở khí khổng, nên ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ CO2 vào lá để tiến hành các phản ứng quang hợp Nước quyết định tốc độ vận chuyển các sản phẩm quang hợp ra khỏi lá Thiếu nước sản phẩm quang hợp sẽ bị tắc nghẽn dẫn đến ức chế quang hợp Khi cây thiếu nước đến 40 – 60% thì quang hợp sẽ giảm hoặc ngưng quang hợp

3.2.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong các phản ứng enzym trong pha tối của quá trình quang hợp Ở một số loại cây, khả năng quang hợp sẽ tăng lên theo nhiệt độ cho đến khi đạt giá trị tối ưu Tuy nhiên, khi vượt qua ngưỡng này, quá trình quang hợp sẽ bắt đầu giảm dần.

Khi nhiệt độ xuống dưới 0°C, nhiều loại cây trồng có nguy cơ chết rét, trong khi nhiệt độ trên 40°C có thể khiến cây khô héo và chết Cây trồng thường quang hợp hiệu quả nhất ở các mức nhiệt từ 12°C đến 24°C, với khoảng nhiệt tối ưu từ 18°C đến 21°C, tùy thuộc vào từng loại cây.

3.2.5 Ảnh hưởng nguyên tố khoáng

Các nguyên tố khoáng đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành enzyme quang hợp và diệp lục của lá cây, giúp điều tiết sự mở và đóng của khí khổng, đồng thời liên quan đến quá trình phân ly nước.

Tăng năng suất cây trồng

Để nâng cao năng suất cây trồng, có nhiều phương pháp như lựa chọn giống mới và cải tạo đất, nhưng cách hiệu quả nhất là tối ưu hóa quá trình quang hợp Việc này bao gồm tăng diện tích lá, cải thiện cường độ quang hợp và nâng cao hệ số kinh tế.

Tăng diện tích lá là áp dụng các biện pháp kĩ thuật như chăm sóc, bón phân, tưới nước hợp lý phù phợp với loài và giống cây trồng

Tăng cường độ quang hợp thông qua việc tuyển chọn và phát triển giống cây mới có cường độ và hiệu suất quang hợp cao, đồng thời áp dụng các kỹ thuật chăm sóc hợp lý.

Tăng hệ số kinh tế là tăng hệ số kinh tế của cây trồng bằng biện pháp chọn giống và bón phân.

Đặc tính cây cà chua

Trong nghiên cứu của nhóm, cây cà chua được chọn làm đối tượng nghiên cứu do sự gần gũi với đời sống người dân Việt Nam và tính dễ trồng của nó Cà chua không chỉ quen thuộc mà còn mang lại giá trị dinh dưỡng cao, phù hợp với nhu cầu tiêu dùng.

Cà chua có hệ rễ chùm phát triển mạnh mẽ, với khả năng ăn sâu từ 1-1,5m và mở rộng từ 1,5-2,5m trong điều kiện thuận lợi Điều này giúp cây cà chua có khả năng chịu hạn tốt nhờ vào sự phát triển mạnh của rễ phụ.

Thân cây có hình tròn, đứng thẳng và mọng nước, được bao phủ bởi nhiều lông Khi cây trưởng thành, gốc thân sẽ dần chuyển hóa thành gỗ Thân cũng mang lá và phát hoa, trong khi ở nách lá có chồi nách.

Lá cà chua có cấu trúc lá kép lông chim lẻ, với mỗi lá gồm 3-4 đôi lá chét và một lá đỉnh ở ngọn Rìa lá chét có răng cưa nông hoặc sâu tùy thuộc vào giống Phiến lá thường được phủ một lớp lông tơ Hoa cà chua mọc thành chùm, có tính lưỡng tính và chủ yếu tự thụ phấn Số lượng hoa trong mỗi chùm biến đổi theo giống và điều kiện thời tiết, thường dao động từ 5 đến 20 hoa.

Trái cà chua là loại quả mọng nước, có hình dạng đa dạng từ tròn, bầu dục đến dài, với vỏ nhẵn hoặc có khía Màu sắc của trái cà chua phụ thuộc vào giống và điều kiện thời tiết, thường là sự kết hợp giữa màu vỏ và màu thịt trái.

Cà chua phát triển tốt nhất ở nhiệt độ từ 21-24 độ C, và nếu nhiệt độ ban đêm thấp hơn ban ngày từ 4-5 độ C, cây sẽ ra nhiều hoa hơn Đây là loại cây ưa sáng, vì vậy không nên gieo hạt ở nơi có bóng râm Cường độ ánh sáng tối thiểu cần thiết để cây tăng trưởng là từ 2.000-3.000 lux Khi ánh sáng yếu, quá trình hô hấp tăng lên trong khi quang hợp bị hạn chế, dẫn đến việc tiêu hao chất dinh dưỡng cao hơn so với lượng vật chất tạo ra, gây cản trở sự sinh trưởng của cây.

Cây có nhu cầu nước khác nhau trong từng giai đoạn sinh trưởng và phát triển Đặc biệt, khi cây ra hoa và đậu trái, nhu cầu nước tăng cao Nếu đất quá khô, hoa và trái non dễ bị rụng, trong khi nếu đất quá ẩm, hệ thống rễ sẽ bị tổn hại.

Cây 14 trở nên nhạy cảm với sâu bệnh, đặc biệt khi gặp mưa nhiều, khiến trái chín chậm và dễ bị nứt Lượng nước tưới cần điều chỉnh theo liều lượng phân bón và mật độ trồng để đảm bảo sự phát triển tốt nhất cho cây.

Cà chua có thể trồng trên nhiều loại đất, nhưng đất lý tưởng nhất là loại nhẹ, giàu mùn, có khả năng giữ ẩm và thoát nước tốt như đất thịt nhẹ, đất thịt pha cát và đất bazan Độ pH thích hợp cho cây cà chua nằm trong khoảng 5,5-7,5, với mức tối ưu từ 6-6,5, và độ ẩm đất lý tưởng là từ 70-80%.

Ứng dụng IoT trong nông nghiệp

IoT, hay Internet Vạn Vật, là một hệ thống kết nối giữa các thiết bị tính toán, máy móc cơ khí, kỹ thuật số và con người, cho phép truyền dữ liệu qua mạng mà không cần sự can thiệp của con người.

Kể từ khi ra mắt cách đây 20 năm, ứng dụng IoT đã trở thành một trong những công nghệ phát triển nhanh nhất trong cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 Nó đã có những tác động tích cực đến nhiều ngành nghề, bao gồm cả nông nghiệp Việc ứng dụng IoT trong nông nghiệp không chỉ tạo ra một môi trường sản xuất năng động và khoa học mà còn giúp giải phóng sức lao động và tăng năng suất.

15 mang lại hiệu quả kinh tế cao, giúp nâng cao tính chuyên nghiệp và cải thiện bộ mặt cho nên nông nghiệp trong tương lai gần

Hình 3.2: Ứng dụng IoT trong nông nghiệp [4]

3.5.2 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống ứng dụng công nghệ IoT

Cấu trúc IoT gồm bốn thành phần cơ bản gồm : Things, Gateways, Internet, Service

Hình 3.3: Cấu trúc cơ bản của hệ thống IoT [4]

Sensors (Temp, Power, Humidity etc.)

Data, security, BPM, BAM, Analytics, OSS $ BSS (IOT Management Services)

WAN(Wired, Wirless) (Gateway Functions)

LAN, low power wire less, RFIO

Ngày nay, trong cuộc sống có vô vàn vật dụng hiện hữu, từ khu canh tác đến trong nhà và trên các thiết bị di động Giải pháp IoT giúp kết nối và quản lý dữ liệu của các thiết bị thông minh trong nông nghiệp một cách hiệu quả, đồng thời cho phép các thiết bị chưa thông minh kết nối qua các trạm kết nối Nhờ đó, các thiết bị và vật dụng có thể thực hiện nhiệm vụ quản lý đối tượng nông nghiệp một cách chính xác và hiệu quả.

Gateways là trạm kết nối quan trọng, đóng vai trò trung gian giúp các thiết bị kết nối an toàn và dễ dàng với điện toán đám mây Chúng có thể là thiết bị vật lý hoặc phần mềm, cho phép giao tiếp giữa điện toán đám mây và các bộ điều khiển, cảm biến, cũng như các thiết bị thông minh.

Internet là một hệ thống toàn cầu gồm nhiều mạng IP liên kết với nhau và hệ thống máy tính Cơ sở hạ tầng mạng bao gồm các thiết bị như định tuyến, trạm kết nối, thiết bị tổng hợp, và thiết bị lặp, giúp kiểm soát lưu lượng dữ liệu Ngoài ra, Internet còn kết nối với mạng viễn thông và cáp, tạo nên một mạng lưới thông tin rộng lớn.

Dịch vụ là những ứng dụng được phát triển bởi các công ty công nghệ hoặc người dùng, nhằm tối ưu hóa việc sử dụng các sản phẩm IoT, từ đó khai thác tối đa giá trị mà những sản phẩm này mang lại.

3.5.3 Yêu cầu của một hệ thống IoT

Các yêu cầu để có thể trở thiết lập một IoT sẽ rất cao và khắt khe với các tiêu chí như sau:

Kết nối trong hệ thống IoT dựa trên việc nhận diện các "Things" như đồ vật, máy móc và thiết bị, yêu cầu mỗi đối tượng phải có tên hoặc địa chỉ IP riêng biệt Điều này cho phép thiết lập kết nối giữa các "Things" thông qua định danh IP của chúng.

Hệ thống IoT hoạt động tự động mà không cần sự can thiệp của con người, do đó, cần tích hợp các tính năng quản lý các "Things" để đảm bảo mạng lưới hoạt động ổn định và hiệu quả.

Khả năng bảo mật trong IoT rất quan trọng do sự kết nối của nhiều "Things", dẫn đến nguy cơ lộ thông tin, xác thực sai và sai lệch dữ liệu Hơn nữa, các "Things" trong hệ thống có thể thuộc nhiều chủ sở hữu khác nhau và chứa thông tin cá nhân, vì vậy cần thiết phải bảo vệ sự riêng tư trong quá trình truyền tải, tập hợp, lưu trữ, khai thác và xử lý dữ liệu.

Dịch vụ thỏa thuận cho phép thu thập, giao tiếp và xử lý tự động dữ liệu giữa các "Things" dựa trên các quy tắc do người vận hành thiết lập hoặc được tùy chỉnh bởi người dùng.

Khả năng cộng tác: Khả năng này cho phép hệ thống IoT có khả năng tương tác qua lại giữa các mạng lưới và Things một cách dễ dàng

Khả năng tự quản của mạng lưới bao gồm các chức năng như tự quản lý, tự cấu hình, tự khắc phục lỗi, tự tối ưu hóa và cơ chế bảo vệ, giúp mạng có khả năng thích ứng với các tên miền ứng dụng, môi trường truyền thông và nhiều loại thiết bị khác nhau.

Các khả năng dựa vào vị trí trong hệ thống IoT cho phép tự động nhận diện và theo dõi vị trí Tuy nhiên, các dịch vụ này cần tuân thủ các quy định pháp luật và yêu cầu về an ninh, nhằm đảm bảo tính hợp pháp và bảo mật thông tin.

Khởi động và sử dụng: Hệ thống IoT bắt buộc các “Things” phải được khởi động và sử dụng một cách dễ dàng và tiện dụng

3.5.4 Đặc trưng của hệ thống IoT

Hệ thống IoT sẽ bao gồm các đặc trưng như sau:

Các thiết bị trong Internet of Things (IoT) thường không đồng nhất do sở hữu phần cứng và hệ thống khác nhau Tuy nhiên, chúng có thể tương tác với nhau thông qua sự liên kết giữa các hệ thống.

Kết nối liên thông trong hệ thống IoT cho phép các thiết bị và vật dụng đa dạng tương tác với nhau thông qua mạng lưới thông tin và cơ sở hạ tầng liên lạc toàn diện.

Hệ thống IoT cung cấp dịch vụ liên quan đến "Things", bao gồm việc bảo vệ sự riêng tư và đảm bảo tính nhất quán giữa thiết bị vật lý và phần mềm.

Các chuẩn dữ liệu, chuẩn kết nối

UART, which stands for Universal Asynchronous Receiver Transmitter, refers to a method of asynchronous serial data transmission This system allows for the efficient transfer of data without the need for a clock signal, making it ideal for various communication applications.

Giao tiếp bất đồng bộ sử dụng 19 đường phát dữ liệu và một đường nhận dữ liệu, không có tín hiệu xung clock Để truyền dữ liệu hiệu quả, cả hai bên truyền và nhận cần tự tạo xung clock với tần số giống nhau, thường được gọi là tốc độ baud, ví dụ như 2400 baud hoặc 4800 baud.

Hình 3.4: Hệ thống truyền dữ liệu bất đồng bộ [3]

Sau đây là các khái niệm quan trọng trong chế độ truyền thông này:

Baudrate là tốc độ truyền dữ liệu, thể hiện số bit được truyền trong một giây Trong giao tiếp không đồng bộ, cả hai bên truyền và nhận cần thống nhất Baudrate để đảm bảo kết nối hiệu quả Các giá trị Baudrate phổ biến thường được sử dụng khi giao tiếp với máy tính bao gồm 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 14400 và 19200.

Khung truyền là yếu tố quan trọng trong việc truyền dữ liệu, yêu cầu các thiết bị truyền nhận phải có tốc độ baud giống nhau và cấu hình khung truyền đồng nhất Nó quy định số bit trong mỗi lần truyền, bao gồm bit bắt đầu (start bit), bit kết thúc (stop bit) và bit kiểm tra tính chẵn lẻ (parity) Số bit trong một gói dữ liệu cũng được xác định bởi khung truyền, cho thấy vai trò thiết yếu của nó trong việc đảm bảo truyền tải dữ liệu thành công.

Start bit là bit đầu tiên trong một frame, có nhiệm vụ thông báo cho bên nhận về việc sắp có gói dữ liệu được truyền Trong giao thức UART, đường truyền luôn ở mức cao (1) cho đến khi chip muốn gửi dữ liệu, lúc này nó sẽ gửi bit start bằng cách kéo xuống mức thấp (0) Do đó, start bit có giá trị điện áp 0V và là thành phần bắt buộc trong khung truyền.

Dữ liệu (data) là thông tin thu được trong quá trình truyền và nhận, với quy định khung truyền trong STM32 là 8bit hoặc 9bit Trong giao thức UART, bit có trọng số thấp nhất (LSB) sẽ được truyền trước, tiếp theo là các bit trung gian, và cuối cùng là bit có trọng số cao nhất (MSB).

Bit Parity là một phương pháp kiểm tra tính chính xác của dữ liệu truyền Có hai loại Parity: Parity chẵn (even parity) và Parity lẽ (odd parity) Parity chẵn yêu cầu tổng số bit 1 trong dữ liệu truyền cộng với bit Parity phải là số chẵn, trong khi Parity lẽ yêu cầu tổng này phải là số lẽ Bit Parity không phải là bắt buộc, do đó có thể loại bỏ khỏi khung truyền.

Stop bits là các bit quan trọng trong giao thức truyền dữ liệu, giúp bộ truyền và nhận xác nhận rằng gói dữ liệu đã được gửi hoàn tất Chúng là thành phần bắt buộc trong khung truyền và có thể có độ dài là 1 bit, 1.5 bit, 2 bit hoặc 0.5 bit, tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể của người dùng trong hệ thống UART.

I2C, viết tắt của "Inter-Integrated Circuit", là giao thức giao tiếp được phát triển bởi Philips Semiconductors Giao thức này cho phép truyền dữ liệu giữa bộ xử lý trung tâm và nhiều IC trên cùng một board mạch chỉ với hai đường truyền tín hiệu.

Giao thức này được sử dụng phổ biến trong giao tiếp giữa vi điều khiển và các thiết bị như mảng cảm biến, thiết bị hiển thị, thiết bị IoT, và EEPROMs nhờ vào tính đơn giản của nó Đây là một loại giao thức giao tiếp nối tiếp đồng bộ, trong đó các bit dữ liệu được truyền từng bit một theo các khoảng thời gian đều đặn, được xác định bởi một tín hiệu đồng hồ tham chiếu.

I2C sử dụng hai đường truyền tín hiệu:

Một đường xung nhịp đồng hồ (SCL – Serial Clock) chỉ do Master phát đi thông thường ở 100kHz và 400kHz, mức cao nhất là 1Mhz và 3.4 Mhz

Một đường dữ liệu (SDA – Serial Data) theo hai hướng

Trong hệ thống bus I2C, nhiều thiết bị có thể được kết nối mà không gây nhầm lẫn, nhờ vào việc mỗi thiết bị sở hữu một địa chỉ duy nhất Mối quan hệ chủ-tớ được duy trì trong suốt quá trình kết nối, cho phép mỗi thiết bị hoạt động linh hoạt Tùy thuộc vào vai trò của thiết bị, chúng có thể hoạt động như thiết bị nhận, truyền dữ liệu, hoặc cả hai.

Hình 3.6: Giao tiếp I2C với nhiều module [3]

Khi kết nối một thiết bị hoặc IC với bus I2C, mỗi thiết bị cần có một địa chỉ để phân biệt và được cấu hình là thiết bị chủ hoặc thiết bị tớ Trong bus I2C, quyền điều khiển thuộc về thiết bị chủ, có nhiệm vụ tạo xung đồng hồ cho toàn bộ hệ thống.

Giao thức I2C cho phép hai thiết bị chủ và tớ giao tiếp hiệu quả, trong đó thiết bị chủ tạo xung đồng hồ và quản lý địa chỉ thiết bị tớ Điểm mạnh của I2C nằm ở hiệu suất cao và tính đơn giản, cho phép một khối điều khiển trung tâm quản lý toàn bộ mạng thiết bị chỉ với hai lối ra điều khiển.

3.6.3 Giao thức MQTT ( Message Queuing Telemetry Transport)

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) là giao thức truyền thông tin hiệu quả, được thiết kế cho các thiết bị IoT với băng thông thấp và độ tin cậy cao Giao thức này hoạt động tốt trong các mạng không ổn định và có độ trễ cao, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng M2M (Machine-to-Machine).

Kiến trúc mức cao của MQTT gồm hai thành phần chính là Broker và Client

Broker đóng vai trò trung tâm, là điểm kết nối tất cả các yêu cầu từ client Nhiệm vụ chính của Broker là nhận tin nhắn theo hàng đợi và chuyển tiếp chúng đến địa chỉ cụ thể.

THIẾT KẾ MÔ HÌNH

Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

Hệ thống gồm 7 khối ghép lại với nhau theo nhiều hướng tạo nên một hệ thống hoạt động ổn định được trình bày trong sơ đồ khối sau

Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống

Khối nguồn là phần cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống, bao gồm khối xử lý, khối điều khiển trực tiếp và hiển thị, khối cảm biến và khối chấp hành.

Khối xử lý: Thu thập dữ liệu từ các thiết bị sau đó xử lý và điều khiển khối chấp hành và khối hiển thị.

Khối Internet: Xây dựng giao diện, lưu trữ dữ liệu, đồng thời cho phép người dùng thao tác, điều khiển gián tiếp hệ thống thông quaWifi.

Khối điều khiển và hiển thị: Cho phép người dùng theo dõi các thông số môi trường, thao tác điều khiển trực tiếp bằng nút nhấn.

Khối cảm biến bao gồm các thiết bị thu thập thông số môi trường, từ đó hỗ trợ việc điều khiển và giám sát khu vườn hiệu quả.

Khối chấp hành bao gồm các thiết bị điều chỉnh các thông số và cơ cấu của khu vườn, nhằm duy trì điều kiện tối ưu cho sự phát triển của cây trồng.

Hình ảnh thực tế của các khối trong sơ đồ hệ thống được kết nối với nhau

Hình 4.2: Sơ đồ khối hệ thống thiết bị thực tế

Khối xử lí

ESP32 là một dòng vi điều khiển năng lượng thấp, hỗ trợ WiFi và Bluetooth chế độ kép, sử dụng bộ vi xử lý Tensilica Xtensa LX6 với cả hai biến thể lõi đơn và lõi kép Thiết bị này tích hợp nhiều thành phần như công tắc antenna, RF balun, bộ khuếch đại công suất, bộ khuếch đại thu nhiễu thấp, bộ lọc và module quản lý năng lượng ESP32 được phát triển bởi Espressif Systems, một công ty có trụ sở tại Thượng Hải, Trung Quốc, và được sản xuất bởi TSMC với công nghệ 40 nm, kế thừa từ vi điều khiển ESP8266.

ESP32 có thể lập trình giống như arduino hoặc vi điều khiển khác, ngoài ra ESP32 còn có thể kết nối wifi hoặc internet

ESP32 có thể được dùng làm module Wifi bên ngoài, sử dụng firmware tập lệnh

AT (Attention command) có thể được tiêu chuẩn hóa bằng cách kết nối với bất kỳ bộ vi điều khiển nào sử dụng giao tiếp UART hoặc trực tiếp với bộ vi điều khiển hỗ trợ Wifi Điều này được thực hiện thông qua việc lập trình một chương trình cơ sở mới bằng SDK được cung cấp Các chân GPIO hỗ trợ cả IO Analog và Digital, bao gồm PWM, SPI, I2C, và nhiều giao thức khác.

 Bộ xữ lí: ESP32-D0WDQ6

 Chip nạp và giao tiếp UART: CP2102

 Chuẩn giao tiếp: UART/GPIO/ADC/DAC/SDIO/PWM/I2C/I2S

 Cấp nguồn: 5VDC MicroUSB hoặc Vin

 GIPO giao tiếp mức 3.3VDC

 Tương thích hoàn toàn với trình biên dịch Arduino

Hình 4.4 : Sơ đồ chân Nodemcu ESP 32

4.2.2 Lý do chọn Nodemcu ESP32

 Kết nối được với mạng Wi-Fi và Internet

 Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ dễ học, tương tự ngôn ngữ C, C++

 Giá thành rẻ nhưng đáp ứng đầy đủ những gì người dùng cần thiết

 Dễ bảo quản, sửa chữa và tin cậy

 Dung lượng đủ để đáp ứng chứa được những chương trình phức tạp

 Giao tiếp được các thiết bị thông minh khác: máy tính, điện thoại, nối mạng

 Việc gắn các cảm biến hay module cho Nodemcu ESP32 dễ dàng bằng cách gắn phía trên board tạo thành tầng dễ dàng và gọn gàng

4.2.3 Phần mềm lập trình Nodemcu ESP32

The software utilized is the Arduino IDE, which stands for Integrated Development Environment This software supports the development process by allowing users to write, compile code, and upload programs to various boards such as Arduino, ESP32, and ESP8266.

Hình 4.5 : Giao diện phầm mềm Arduino IDE

Khối cảm biến

Khối cảm biến đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập các thông số môi trường như nhiệt độ và độ ẩm đất, cung cấp dữ liệu cho khối xử lý trung tâm nhằm điều chỉnh điều kiện phát triển cho cây trồng Nhóm nghiên cứu tập trung vào các thông số này, với nhiều lựa chọn cảm biến trên thị trường, từ LM35, DS18B20, DHT11, DHT22 đến các cảm biến công nghiệp có dải đo và độ chính xác cao.

Cảm biến DHT11 là thiết bị đo nhiệt độ và độ ẩm, sử dụng giao tiếp 1 dây (1-wire) để truyền dữ liệu Với bộ xử lý tín hiệu tích hợp, cảm biến DHT11 cung cấp dữ liệu chính xác mà không cần qua tính toán phức tạp.

 Điện áp hoạt động : 3V - 5V (DC)

 Dải độ ẩm hoạt động : 20% - 90% RH, sai số ±5%RH

 Dải nhiệt độ hoạt động : 0°C ~ 50°C, sai số ±2°C

 Tần số lấy mẫu tối đa: 1 Hz

 Khoảng cách truyển tối đa: 20m

Hình 4.7 : Kết nối DHT11 với Nodemcu ESP 32

Cách thức giao tiếp của cảm biến DHT11 và Arduino:

Cảm biến DHT11 sử dụng giao thức OneWire để kết nối với ESP32 thông qua một dây tín hiệu duy nhất Khi ESP32 giao tiếp với DHT11, nó tạo ra các khe thời gian khác nhau, và dựa vào thời gian cũng như mức điện áp tương ứng, DHT11 sẽ thực hiện các lệnh cần thiết Lựa chọn cảm biến DHT11 mang lại nhiều lợi ích cho việc đo nhiệt độ và độ ẩm.

 Dễ kết nối với khối nguồn

 Chi phí rẻ phù hợp với kinh tế

 Tuổi thọ và độ bền cao

 Đáp ứng được vấn đề thu nhập thông về nhiệt độ ngoài môi trường

 Phù hợp với mục tiêu của đề tài và mô hinh

4.3.2 Cảm biến độ ẩm đất

Cảm biến độ ẩm đất là thiết bị dùng để đo lường độ ẩm trong đất bằng cách cắm hai đầu đo vào đất Thông qua dây nối, cảm biến truyền thông tin về độ ẩm đến module chuyển đổi, giúp người dùng theo dõi và quản lý độ ẩm đất hiệu quả.

Module chuyển đổi có cấu tạo chính gồm một IC so sánh LM393, một biến trở,

Trong mạch điện, 4 điện trở dán 100 ohm và 2 tụ dán được sử dụng để thiết lập một hệ thống cảm biến độ ẩm đất Biến trở đóng vai trò định ngưỡng so sánh với tín hiệu từ cảm biến độ ẩm Hai đầu vào của IC so sánh LM393 bao gồm ngưỡng so sánh và tín hiệu cảm biến Khi độ ẩm đất thấp hơn ngưỡng đã định, ngõ ra của mạch sẽ phản ánh tình trạng này.

IC là mức cao (1), ngược lại là mức thấp (0)

Hình 4.8 : Cảm biến độ ẩm đất [13]

 D0 : đầu ra tín hiệu số ( 0 và 1 )

 AO: Đầu ra Analog (Tín hiệu tương tự)

Hình 4.9 : Kết nối cảm biến độ ẩm đất với Nodemcu ESP32

Cảm biến độ ẩm đất:

Cảm biến độ ẩm đất là thiết bị dùng để đo mức độ ẩm trong đất bằng cách cắm hai đầu cảm biến vào đất Thông qua dây nối, cảm biến kết nối với module chuyển đổi, giúp truyền tải thông tin về độ ẩm đất để được đọc và xử lý.

Cách thức giao tiếp của cảm biến độ ẩm đât và ESP32:

Cảm biến độ ẩm đất hoạt động bằng cách cung cấp giá trị Analog tương ứng với độ ẩm của từng loại đất được đo Giá trị này được chuyển đổi thành số trong khoảng từ 0 đến 1023, tương ứng với độ phân giải 10 bit.

Chân dữ liệu A0 sẽ kết nối với ESP32, từ đó giá trị đo được từ 0 đến 1023 sẽ được ESP32 chuyển đổi thành phần trăm, tương ứng với độ ẩm đất hiện tại.

Mục đích chọn cảm biến độ ẩm đất:

 Đáp ứng được vấn đề thu nhập thông số độ ẩm đất ngoài môi trường

 Bền trong môi trường ẩm ướt và pH cao

 Chi phí rẻ phù hợp với kinh tế

 Dễ kết nối với khối nguồn

 Phù hợp với mục tiêu của đề tài và mô hình

4.3.3 Cảm biến cường độ ánh sáng

Cảm biến cường độ ánh sáng là thiết bị thụ động có khả năng chuyển đổi năng lượng ánh sáng, bao gồm cả ánh sáng nhìn thấy và hồng ngoại, thành tín hiệu điện.

Cảm biến cường độ ánh sáng là thiết bị thông minh có khả năng phát hiện sự biến đổi của môi trường và tự động điều chỉnh ánh sáng phù hợp Thiết bị này sử dụng các đi-ốt quang học để nhận biết mức độ ánh sáng và thực hiện điều chỉnh cần thiết.

Cảm biến cường độ ánh sáng thường được gọi là “Thiết bị quang điện” hoặc

“Cảm biến ảnh” bởi vì năng lượng ánh sáng chuyển đổi (photon) thành điện (electron)

Hình 4.10: Cảm biến cường độ ánh sáng [14]

 Điện áp hoạt động : 3.3V – 5V DC

 Sữ dụng qung trở CDS

Mục đích chọn cảm biến ánh sáng:

 Dễ kết nối với khối nguồn

 Chi phí rẻ phù hợp với kinh tế

 Thiết bị có tính nhạy bén cao với môi trường ánh sáng xung quanh

 Tuổi thọ và độ bền cao

Hình 4.11: Kết nối cảm biến ánh sáng với Nodemcu ESP32

Cách thức giao tiếp của cảm biến ánh sáng và ESP32:

Cảm biến ánh sáng giao tiếp với ESP32 qua giao thức I2C, kết nối chân VO của cảm biến với chân VP của ESP32 Tín hiệu ánh sáng được truyền tải thông qua chân này, cho phép ESP32 nhận diện mức độ ánh sáng xung quanh.

Khi tín hiệu điều khiển gọi vào cảm biến ánh sáng, VP sẽ trả về địa chỉ quy định, thường là 0X23 hoặc 0X5C Địa chỉ này không thay đổi trong suốt quá trình làm việc với ESP32, giúp thiết bị nhận biết chính xác đối tượng mà nó đang giao tiếp.

Khối điều khiển và giám sát

Nút nhấn, hay còn gọi là nút ấn, là một thiết bị quan trọng được sử dụng để điều khiển từ xa việc mở và đóng các thiết bị điện, máy móc, hoặc các quy trình khác trong hệ thống điều khiển.

Nút nhấn thường được lắp đặt trên bảng điều khiển, tủ điện hoặc hộp nút nhấn Khi sử dụng nút nhấn, cần thực hiện thao tác một cách dứt khoát để mở hoặc đóng mạch điện hiệu quả.

Nút nhấn thường được làm từ nhựa hoặc kim loại, với hình dạng được thiết kế phù hợp với ngón tay hoặc bàn tay để dễ sử dụng Thiết kế của nút ấn phụ thuộc vào sở thích cá nhân của người dùng.

Nút nhấn được thiết kế và sản xuất theo tiêu chuẩn cao, có kiểu dáng đẹp, kết cấu chất lượng, chắc chắn, dễ dàng lắp đặt và thay thế

 Hoạt động: Nhấn nhả / Nhấn giữ

 Cấu hình tiếp điểm: Single Pole Single Throw

 Màu núm chỉnh: Đỏ / Xanh lá

 Điện áp định mức: 250V AC

Hình 4.13: Kết nối nút nhấn với Nodemcu ESP32

Mục đích chọn nút nhấn:

 Nhỏ gọn dùng để điều khiển chọn chế độ hoạt động, bật tắt các thiết bị trong mô hình

 Dễ kết nối với khối nguồn

Màn hình LCD, hay còn gọi là màn hình tinh thể lỏng, được sử dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị điện tử Công nghệ màn hình này hoạt động dựa trên việc sử dụng đèn nền để phát ra ánh sáng, thay vì tự phát sáng.

Màn hình LCD được cấu tạo từ nhiều lớp chồng lên nhau, bắt đầu bằng kính lọc phân cực dọc để lọc ánh sáng tự nhiên Tiếp theo là hai lớp kính có điện cực ITO, tạo điều kiện cho việc điều khiển ánh sáng và hình ảnh hiển thị.

4) kẹp chặt lớp tinh thể lỏng ở giữa (3), một lớp kính lọc phân cực nằm ngang (5) nữa và kết thúc bằng gương phản xạ ánh sáng (6) cho người xem

Mục đích chọn màn hình LCD:

 Dùng để hiển thị các thông số nhiệt độ, độ ẩm

 Nhỏ gọn dể sữ dụng

 Hiển thỉ rõ ràng các thông số cần thiết

 Chí phí rẻ và dễ kết nối

Hình 4.15: Cấu tạo mành hình LCD

 Điện áp ra mức cao : > 2.4

 Điện áp ra mức thấp : 0,84lít/giờ

Như vậy bơm 1,5 lít/phút, 1 ngày bơm hoạt động khoảng 15 phút, công suất bơm 3W > 1 ngày bơm hoạt động 15phút tiêu thụ 0.75W

Hình 4.25: Kết nối bơm với module L298N

 Chi phí rẻ phù hợp với kinh tế

 Áp suất vừa đủ đáp ứng lượng nước cây cần

 Phù hợp với ắc quy đã chọn

 Độ bền và tuổi thọ cao

4.6.5 Quạt tản nhiệt Để đáp ứng yêu cầu thay đổi nhiệt độ cho vườn cây trong những điều kiện nhiệt độ không lí tưởng, nhóm sử dụng quạt để làm giảm nhiệt độ cho hệ thống Đây là quạt Coolerguys có kích thước nhỏ gọn với khả năng tản nhiệt cao

Hình 4.26 : Quạt tản nhiệt Coolerguys

 Điện áp hoạt động : 12VDC

 Kích thước : 120mm x 120mm x 25mm

Hình 4.27 : Kết nối quạt với Relay và Nodemcu ESP32

Mục đích chọn quạt Coolerguys:

 Chi phí phù hợp với kinh tế

 Nhỏ gọn phù hợp với mô hình

 Dễ sử dụng và kết nối với khối nguồn

 Khả năng tản nhiệt cao phù hợp với mô hình

 Độ bền và tuổi thọ cao

Khối Internet (Blynk)

Blynk là ứng dụng trên nền tảng iOS và Android, cho phép người dùng điều khiển và giám sát thiết bị qua internet Ứng dụng này không giới hạn vào phần cứng cụ thể nào, mà hỗ trợ nhiều loại phần cứng như Arduino và Raspberry Pi.

Pi, ESP8266 và nhiều module phần cứng phổ biến khác

4.7.1 Các thành phần chính Blynk

Có ba thành phần chính trong nền tảng là Blynk app, Blynk sever, Blynk library

Blynk app cho phép tạo giao diện cho sản phẩm của bạn bằng cách kéo thả các chức năng khác nhau mà nhà cung cấp đã thiết kế sẵn

Blynk Server đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý dữ liệu giữa điện thoại, máy tính bảng và phần cứng Người dùng có thể lựa chọn sử dụng Blynk Cloud do Blynk cung cấp hoặc tự thiết lập máy chủ Blynk riêng cho mình.

Thư viện Blynk hỗ trợ hầu hết các nền tảng phần cứng phổ biến, cho phép người dùng giao tiếp hiệu quả với máy chủ và xử lý tất cả các lệnh gửi đi và nhận về.

Dễ sử dụng: chỉ việc vào store, cài đặt, sau đó đăng ký tài khoản và mất không quá 5 phút để làm quen

Giao diện của Blynk rất đẹp và dễ sử dụng, cho phép người dùng thực hiện thao tác kéo thả để thêm các thành phần cần thiết như nút bấm, đồ thị hay màn hình LCD Tóm lại, bạn chỉ cần kéo thả những gì mình cần để tạo ra ứng dụng một cách nhanh chóng và thuận tiện.

Không cần lập trình Android hay iOS: Việc điều khiển thiết bị từ smartphone có thể trở nên khó khăn nếu không có kiến thức về phát triển ứng dụng Tuy nhiên, với Blynk, bạn có thể dễ dàng bỏ qua bước lập trình ứng dụng, thử nghiệm nhanh chóng và áp dụng dự án của mình vào thực tế.

Thử nghiệm nhanh chóng, có thể điều khiển giám sát ở bất kỳ nơi nào có internet

Sau khi tải ứng dụng Blynk về điện thoại, bạn cần mở ứng dụng để thấy giao diện chính Tiếp theo, bạn có thể tạo một tài khoản mới hoặc đăng nhập bằng tài khoản Facebook của mình.

Hình 4.29 : Giao diện Blynk Đăng nhập tài khoản vừa tạo rồi, thì việc tiếp theo cần làm là tạo một project, đây được hiểu như là một ứng dụng

Sau đó điền tên project vào board phần cứng

Mỗi project, Blynk sẽ gửi cho cho người dùng 1 mã Auth Token qua gmail như để nhập vào trong code của Board mạch điều khiển Nodemcu

Hình 4.32 : Blynk gữi mã Auth Token qua gmail

Chúng ta có thể thêm nhiều chức năng như nút bấm, hẹn giờ và biểu đồ vào dự án của mình bằng cách nhấn vào biểu tượng dấu + ở góc trên bên phải giao diện Lưu ý rằng mỗi chức năng được chọn sẽ tiêu tốn một lượng năng lượng nhất định.

Hình 4.33 : Chọn đối tượng trong Widget Box

Chọn xong đối tượng, tiếp theo nhấp vào để điều chỉnh cấu hình chân, các mức logic các cấu hình này sẽ tác động đến board phần cứng

Hình 4.34 : Chọn cấu hình chân, mức logic

Sau khi cài đặt xong trên điện thoại thì lập trình cho board phần cứng Dùng phần mềm Arduino IDE để lập trình cho NodeMCU ESP8266

Trước khi bắt đầu cần phải mở Arduino IDE và chọn đúng module đang sử dụng, ở đây là NodeMCU

Hình 4.35 : Chọn module sử dụng

55 Để sử dụng blynk thì cần phải tải thư viện của nó thông qua Arduino IDE Chọn Sketch -> Include Library -> Manage Libraries, tìm kiếm blynk và install

Hình 4.36 : Tải thư viện Blynk

Kết quả giao diện sau khi điều chỉnh

Hình 4.37: Giao diện hoàn chỉnh

Khối nguồn

Khối nguồn đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện năng cho toàn bộ hoạt động của hệ thống Khu vườn sử dụng năng lượng từ pin mặt trời để sạc ắc quy, từ đó cung cấp nguồn điện cho toàn bộ mạch Vì không sử dụng nguồn điện lưới, hệ thống pin năng lượng mặt trời và ắc quy cần phải đáp ứng đủ mức tiêu thụ điện của toàn bộ hệ thống.

Trên thị trường hiện nay, có nhiều loại pin năng lượng mặt trời với công suất và giá cả khác nhau, như 5W, 10W, 100W, và 200W Tuy nhiên, trong nghiên cứu này, nhóm chọn sử dụng pin năng lượng mặt trời loại 12V – 10W để phục vụ cho mục đích học tập và tìm hiểu về cách thức hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời.

4.8.1 Pin năng lượng mặt trời

- Tính toán lựa chọn pin mặt trời:

Ta có công suất tiêu thụ trong 1 ngày:

Từ đó ta chọn loại pin: (1,3 x 78,75)/4,6 = 22.26W

Vậy ta chọn tấm pin năng lượng 30Wp

Do yêu cầu mạch sử dụng các mức điện áp 3.3V, 5V, 12V cho hoạt động của toàn bộ hệ thống nên nhóm sử dụng 1 tầm pin năng lượng mặt trời 30W

Hình 4.38 : Pin năng lượng mặt trời 12V-30W [9]

Pin năng lượng mặt trời 30W có kích thước nhỏ gọn, lý tưởng để sạc bình ắc quy 12V/4.5Ah đến 12V/7Ah Với công suất 30W, tấm pin này cho phép ghép nối nhiều tấm lại với nhau để tăng điện áp hoặc công suất khi cần thiết.

 Chuẩn loại pin : Pin Silic đơn tinh thể

 Kích thước : 668mm x 1485mm x 40mm

 Tuổi thọ : 30 năm ( giảm 20% công suất )

Mục đích chọn tấm pin mặt trời như trên:

 Chi phí vừa phải phù hợp với kinh tế

 Tuổi thọ và độ bền cao

 Sử dụng và lắp ráp thuận tiện

 Kết nối với các thiệt bị khác dễ dàng

4.8.2 Ắc quy dự trử năng lượng

Vì năng lượng mặt trời không có sẵn liên tục trong suốt cả ngày, việc sử dụng bộ lưu trữ điện năng là cần thiết để đảm bảo nguồn điện trong những thời điểm không có ánh sáng mặt trời Nhóm đã chọn sử dụng bình ắc quy để thực hiện nhiệm vụ này.

Bảng 4.1 : Bảng dòng tiêu thụ của mô hình

Tên linh kiện Số lượng Dòng tiêu thụ

Bộ sạc Pin năng lượng 1 10 mA Đèn Led dây 1 0.5 A

Thông qua tính toán số liệu các linh kiện sử dụng trong mạch nhóm sử dụng Ắc quy 12V-6Ah để cấp nguồn hoạt động cho mạch

 Công suất : 12V- 6Ah, 335W – 5 phút, 28Wpc – 15 phút

 Dòng điện : Sạc lớn nhất < 1.8A, phóng tối đa 5 giây 90A

 Nhiệt độ : -15℃ < sạc < 40℃,-15℃ < phóng < 50℃,-15℃ < lưu < 40℃

 Phương pháp sạc : chu kỳ 14.4V - 15V-5mV/℃/cell, thường xuyên 13.5

 Kích thước : 90mm x 70mm x 101mm

Mục đích chọn ắc quy 12V-6Ah:

 Phù hợp với tấm pin mặt trời

 Có thể dự trữ và cung cấp đủ điện năng cho mô hình

 Chi phí vừa phải phù hợp với kinh tế

 Tuổi thọ và độ bền cao

 Phù hợp với các thiết bị khác của mô hình

4.8.3 Bộ điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời

Bộ điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời 10A tối ưu hóa quá trình sạc acquy từ pin mặt trời, đảm bảo hiệu suất cao và bảo vệ acquy nhờ quy trình sạc thông minh PWM Thiết bị này tự động ngắt sạc khi acquy đã đầy, giúp kéo dài tuổi thọ của acquy.

Hình 4.40 : Bộ điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời [7]

Các chức năng chính của bộ điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời:

Bảo vệ bình ắc quy là rất quan trọng để đảm bảo tuổi thọ của nó Khi bình ắc quy đạt mức đầy (13.8V – 14V đối với ắc quy 12V), bộ điều khiển sẽ ngăn không cho nguồn điện tiếp tục nạp, tránh tình trạng sôi bình Ngược lại, khi bình gần cạn (khoảng 10.5V đối với ắc quy 12V), bộ điều khiển sẽ tự động ngắt tải để bảo vệ bình khỏi tình trạng "kiệt".

Bảo vệ tấm pin mặt trời là rất quan trọng, vì nguyên lý hoạt động của dòng điện là chảy từ nơi có điện áp cao đến nơi có điện áp thấp Vào ban ngày, khi có ánh nắng, điện áp của tấm pin mặt trời loại 12V có thể đạt đến mức tối đa.

Khi điện áp của pin mặt trời đạt từ 15 đến 20V, dòng điện sẽ chảy từ pin xuống ắc quy Tuy nhiên, vào ban đêm, điện áp của pin thấp hơn ắc quy, dẫn đến dòng điện chảy ngược từ ắc quy lên pin, gây hư hại và giảm hiệu suất của tấm pin Để ngăn chặn hiện tượng này, bộ điều khiển sạc đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ tấm pin và tối ưu hóa hiệu suất Các bộ điều khiển sạc kiểu cũ chỉ thực hiện chức năng đóng cắt khi ắc quy đầy hoặc cạn, trong khi các bộ điều khiển hiện đại sử dụng công nghệ PWM (Pulse – Width – Modulation) để điều chỉnh điện áp sạc cho ắc quy Tuy nhiên, phương pháp PWM có nhược điểm là làm hao phí khoảng 20% lượng điện từ pin mặt trời.

Phương pháp điều rộng xung không hao phí sử dụng bộ vi xử lý và thiết bị đo để xác định điểm công suất cực đại (MPP) Pmax, nhằm tối ưu hóa quá trình sạc cho ắc quy.

 Chỉ sử dụng với pin Năng lượng mặt trời.

 Sử dụng với Ắc Quy Chì 12V/24V OPEN,AGM, GEL, tuyệt đối không sử dụng với các loại pin Lithium và các loại pin khác

 Có 2 cổng USB hổ trợ sạc điện thoại

 Có đèn LED báo hiệu : Sạc, dung lượng, báo tải

 Nhiệt độ làm việc -35°C đến +60°C

 Ngừng xả: 10.7V (mặc định, điều chỉnh được)

 Kết nối lại: 12.6V (mặc định, điều chỉnh được).

Mụcđíchchọn bộ sạc:

 Giúpsạcắcquydễdàng

 Gọngàngvàdễlắpđặt

 Độ bền và tuổi thọ cao.

 Bảo vệ tấm pin mặt trời.

 Giúpđạthiệusuấtcao nhất từ tấm pin mặt trời.

Nguồn chính của mạch là DC 12V, vì vậy để sử dụng cho các thiết bị 5V, cần hạ áp nguồn Nhóm đã sử dụng mạch hạ áp LM2596 để thực hiện việc này.

Hình 4.41 : Module hạ áp LM2596

 Điện áp đầu ra 1.25 V - 35 V (có thể điều chỉnh)

 Có nút nhấn thay đổi hiển thị điện áp ngõ ra – vào

 Dòng ngõ ra tối đa 3A, công suất 15W

 Kích thước : 66mm x 36mm x 14mm

Sơ đồ nguyên lý của Module LM2596 :

Hình 4.42 : Sơ đồ nguyên lý mạch hạ áp LM2596

Khi cấp điện vào chân Vin, dòng điện sẽ đi qua các tụ lọc nhiễu và được đưa vào IC LM2596 IC này điều chỉnh điện áp đầu ra thông qua biến trở kết nối với chân FeedBack, tạo ra điện áp tương ứng dựa trên giá trị của biến trở.

63 điện áp ra chân Out đưa ra ngoài Nguồn 12v của bộ sạc nối với chân In+ của LM2569, chân GND của bộ sạc nối với GND của LM2569

 Hạ áp từ 12v về 5v để cung cấp cho hệ thống vi xử lý và cảm biến

 Ổn định nguồn điện cho vi xử lí

 Tần số làm việc: 180KHz

 Hiệu suất chuyển đổi: lên đến 96%

THI CÔNG MÔ HÌNH