TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Giới thiệu về đề tài
Nông nghiệp đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo lương thực cho mỗi quốc gia, và Việt Nam cũng không nằm ngoài xu thế này Hiện nay, khoảng 66,9% dân số Việt Nam sống ở vùng nông thôn, trong khi lao động nông nghiệp chiếm tới 42% tổng lực lượng lao động của cả nước.
Trong những năm qua, nông nghiệp Việt Nam đã đối mặt với nhiều thách thức ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng sản phẩm, chủ yếu do các yếu tố ngoại cảnh như nhiệt độ, độ ẩm đất và cường độ ánh sáng Vì vậy, việc tìm kiếm giải pháp mới để ổn định và nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm trở thành nhiệm vụ quan trọng hàng đầu Ứng dụng công nghệ trong chăm sóc cây trồng sẽ là một trong những biện pháp hiệu quả để khắc phục những vấn đề này.
Internet vạn vật (IoT) đã trở thành một ứng dụng công nghệ tiêu biểu trong nông nghiệp, mang lại nhiều thành công trong canh tác Đề tài “Hệ thống vườn thông minh có cổng gắn thẻ RFID mở cửa” giúp chúng ta hiểu rõ hơn về tác động của công nghệ đối với sự phát triển của cây trồng Hệ thống này cho phép giám sát và điều khiển các yếu tố ngoại cảnh như nhiệt độ và độ ẩm đất, đảm bảo điều kiện tối ưu cho sự phát triển của cây.
Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu này tập trung vào việc tìm hiểu giao tiếp giữa Arduino Uno R3, ESP8266 và ứng dụng Blynk để gửi dữ liệu lên server Thingspeak Các thông tin từ cảm biến như nhiệt độ, độ ẩm đất, quang trở và thẻ RFID sẽ được thu thập và truyền đến Arduino, khối xử lý trung tâm Tại đây, dữ liệu sẽ được phân tích và hiển thị trên màn hình LCD, ESP8266 và Thingspeak Ngoài ra, hệ thống còn có khả năng điều khiển các thiết bị như quạt, máy bơm, relay và đèn dựa trên tín hiệu từ cảm biến.
Đối tượng nghiên cứu
Màn hình hiển thị LCD16x2
Cảm biến nhiệt độ DS18B20
Cảm biến độ ẩm đất
Mạch RFID NFC 13.56MHZ RC522
Mạch Điều Khiển Động Cơ DC L298
Động cơ DC bơm nước 12VDC
Các linh kiện phụ (nút nhấn, điện trở, led, bóng đèn 220V, quạt tản nhiệt12V, còi buzzer 5V, adapter 12V – 5A)
Phạm vi nghiên cứu
Sản phẩm nghiên cứu có thể ứng dụng cho hộ gia đình, trang bị cảm biến nhiệt độ với khả năng đo trong khoảng -55 đến 125°C và độ chính xác cao.
Cảm biến độ ẩm đất có khả năng đo nhiệt độ trong khoảng -10°C đến +85°C với độ chính xác +/- 0.5°C và giá trị độ ẩm từ 0 đến 100% Thiết bị còn hỗ trợ mở cửa thông qua việc quẹt thẻ RFID, cùng với nhiều chức năng khác sẽ được mô tả chi tiết ở phần dưới.
Dự kiến kết quả
Sản phẩm hoạt động ổn định nhưng tín hiệu cảm biến có thể bị chậm và kết quả chỉ đạt mức tương đối với một số sai số nhất định Do hạn chế về kinh tế, việc sử dụng cảm biến có độ chính xác cao hơn là không khả thi.
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG
Sơ đồ khối của hệ thống
Hình 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống
Arduino Uno là một bo mạch vi điều khiển sử dụng vi điều khiển ATmega328P 8 bit, đi kèm với các thành phần như bộ dao động, bộ điều chỉnh điện áp và giao tiếp nối tiếp để hỗ trợ hoạt động của vi điều khiển.
Arduino Uno R3 có khả năng nhận tín hiệu từ nhiều loại cảm biến như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, quang trở và RFID, cùng với nút nhấn Sau khi thu thập dữ liệu, nó tiến hành phân tích và tính toán để điều khiển các thiết bị liên quan, bao gồm relay và mạch điều khiển động cơ DC L298.
…), đồng thời gửi dữ liệu lên LCD, ngoài ra còn giao tiếp với ESP8266.
Hình 2.3 Sơ đồ chân của Arduino Uno R3
+ Vi điều khiển: ATmega328 - họ AVR 8bit. + Điện áp hoạt động: 5VDC.
+ Tần số hoạt động: 16 MHz.
+ Dòng tiêu thụ: khoảng 30mA.
+ Điện áp đầu vào khuyên dùng: 7 – 12VDC.+ Điện áp đầu vào giới hạn: 6 – 20 VDC.
+ Số chân Digital I/O: 14 ( trong đó 6 chân có khả năng xuất xung PWM).
+ Số chân Analog: 6 (với độ phân giải 10bit).
+ Dòng tối đa trên mỗi chân I/O: lớn nhất 40mA.
+ Dòng ra tối đa (ở 5V): 500mA.
+ Dòng ra tối đa (ở 3.3V): 50mA.
+ Bộ nhớ flash: 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader. + Bộ nhớ EEPROM: 1 KB.
Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý của Arduino Uno R3 trên Proteus
Màn hình LCD có chức năng hiển thị các giá trị đã được vi điều khiển xử lý và tính toán, bao gồm nhiệt độ, độ ẩm đất, cùng với trạng thái cảnh báo Ngoài ra, nó cũng cho phép đóng/mở cửa khi có thẻ chủ hoặc thẻ con quẹt vào đầu đọc RFID.
Hình 2.5 Màn hình LCD 16x2 và sơ đồ chân
+ Điện áp hoạt động: 5VDC
+ LCD 16x2 có 16 chân trong đó 8 chân dữ liệu (D0 – D7) và 3 chân điều khiển (RS, RW, EN).
+ 5 chân còn lại dùng để cấp nguồn và đèn nền cho LCD 16x2.
+ Các chân điều khiển giúp ta dễ dàng cấu hình LCD ở chế độ lệnh hoặc chế độ dữ liệu.
+ Ngoài ra còn có thể sử dụng LCD 16x2 ở chế độ 4bit hoặc 8bit.
Hình 2.6 Ý nghĩa các chân của màn hình LCD 16x2
Module I2C hỗ trợ các loại màn hình LCD như 16x2 và 20x4, sử dụng driver HD44780 và tương thích với hầu hết các vi điều khiển hiện nay Việc sử dụng module I2C giúp giải quyết vấn đề thiếu chân kết nối, cho phép tiết kiệm chân cho vi điều khiển Cụ thể, nếu không dùng I2C, cần đến 6 chân để kết nối với LCD 16x2 (bao gồm RS, EN, D4, D5, D6 và D7), trong khi với I2C, chỉ cần sử dụng 2 chân (SCL cho xung lock và SDA cho gửi/nhận dữ liệu).
Hình 2.8 Sơ đồ chân của module I2C
+ Điện áp hoạt động: 2.5 - 6VDC
+ Địa chỉ mặc định: 0x27 (có thể điều chỉnh bằng ngắn mạch chân A0/A1/A2)
+ Jump chốt để ngắt hoặc cung cấp đèn cho LCD
+ Điều chỉnh độ tương phản màn hình LCD thông qua biến trở xoay.
Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý của module I2C trong Proteus
Cảm biến nhiệt độ DS18B20 được thiết kế chống nước và chống ẩm với vỏ thép bảo vệ chắc chắn, mang lại độ bền cao So với các cảm biến như LM35 và TMP36, DS18B20 có độ chính xác vượt trội hơn Ngoài ra, cảm biến này còn có cơ chế truyền tín hiệu khác biệt, với khả năng cảnh báo khi vượt ngưỡng cho phép và cung cấp nguồn từ chân data.
- Chức năng: dùng để kiểm soát nhiệt độ môi trường cũng như bên trong mô hình vườn.
Hình 2.10 Cảm biến nhiệt độ DS18B20
Hình 2.11 Sơ đồ chân kết nối của cảm biến nhiệt độ DS18B20
+ Phạm vi nhiệt độ: -55 đến 125°C (-67 đến 257°F).
+ Độ chính xác: +/- 0.5°C (khi ở dải đo -10 đến 85°C). + Độ phân giải đầu ra: 9 – 12 bits (có thể lập trình).
+ Địa chỉ 64bit duy nhất có phép ghép kênh.
+ Giao tiếp: phương pháp 1 dây (1-wire).
+ Thời gian phản hồi: 750ms (khi ở độ phân giải 12bit).
Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý của DS18B20 trong Proteus
2.1.3.2 Cảm biến độ ẩm đất
Cấu tạo của thiết bị bao gồm một đầu dò, một module cảm biến và hai dây Dupont dài khoảng 20cm Đầu dò cảm biến được phủ lớp vàng ngâm nhằm bảo vệ Niken khỏi oxy hóa Hai đầu dò này có chức năng cho dòng điện đi qua đất, từ đó cảm biến sẽ đọc điện trở để thu thập các giá trị độ ẩm.
Chức năng của thiết bị là đo hàm lượng thể tích nước trong đất và cung cấp thông tin về mức độ ẩm Bên cạnh đó, khi sử dụng đọc analog, người dùng có thể chỉ cần dùng đầu dò mà không cần module Trong quá trình thiết kế sơ đồ nguyên lý, chỉ cần thực hiện phân áp là có thể đọc được tín hiệu.
Hình 2.13 Cảm biến độ ẩm đất
Hình 2.14 Sơ đồ chân module độ ẩm đất
+ Điện áp hoạt động: 3.3 – 5VDC.
+ Dòng điện làm việc: 15mA.
+ Tín hiệu đầu ra: analog hoặc digital.
+ Analog: tương ứng với điện áp nguồn.
+ Digital: mức cao hoặc mức thấp (High/Low), có thể dùng biến trở để điều chỉnh độ ẩm theo ý muốn thông qua mạch so sánh LM393.+ Kích thước: 3.2 x 1.4cm.
Hình 2.15 Sơ đồ nguyên lý của cảm biến độ ẩm đất trong Proteus
Quang trở, hay còn gọi là điện trở quang hoặc photocell, là một linh kiện điện tử có điện trở thay đổi theo cường độ ánh sáng Khi ánh sáng chiếu vào quang trở, giá trị điện trở của nó sẽ giảm, và khi không có ánh sáng, điện trở sẽ tăng lên.
Quang trở được cấu tạo từ vật liệu bán dẫn, thường là Cadmium sulfide (CdS), có khả năng nhạy cảm với ánh sáng Bề mặt của vật liệu này được phủ một lớp gốm cách điện theo hình ngoằn ngoèo (zig-zag) nhằm đạt được giá trị điện trở mong muốn Hai chân kim loại được gắn ở hai bên vùng phía trên, với điện trở của chúng càng nhỏ để đảm bảo rằng sự thay đổi điện trở của quang trở chủ yếu do tác động của ánh sáng.
- Chức năng: nhận biết trời sáng hay trời tối, dựa vào đó thiết lập điều kiện để tắt/mở đèn cho hệ thống.
Hình 2.16 Cấu tạo của quang trở
Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý của quang trở trong Proteus
Mô-đun RFID RC522 là một thiết bị thụ động tần số cao, thường được sử dụng để đọc các thẻ kết nối không dây như NFC Nó tương thích với nhiều vi điều khiển như Arduino, PIC, và AVR, hỗ trợ các giao thức giao tiếp như SPI, I2C và USART Với giao diện đơn giản và thư viện sẵn có cho Arduino, RC522 không chỉ có khả năng đọc dữ liệu từ thẻ mà còn cho phép ghi thông tin vào thẻ Thiết bị này thường được áp dụng trong các hệ thống chấm công và nhận dạng người hoặc vật thể, sử dụng IC MFRC522 từ NXP.
Khi thẻ chủ hoặc thẻ tớ được quẹt vào module RFID, hệ thống sẽ bắt đầu phân tích và giải mã tín hiệu Sau đó, tín hiệu này được xử lý thêm bởi bộ vi điều khiển, thực hiện nhiệm vụ điều khiển servo để mở hoặc đóng cửa.
Hình 2.19 Sơ đồ chân của module RFID
+ Điện áp sử dụng: 2.5 - 3.3VDC.
+ Tần số hoạt động: 13.56MHz.
+ Tốc độ dữ liệu tối đa: 10Mbps.
Hình 2.20 Sơ đồ nguyên lý của RFID kết nối với Arduino trong Proteus
Module WiFi ESP8266 có chức năng giao tiếp với vi điều khiển qua chuẩn UART, nhận dữ liệu từ vi điều khiển, kết nối mạng WiFi và gửi dữ liệu trực tiếp lên ứng dụng Blynk.
Hình 2.21 Kit ESP8266 NodeMCU Lua CP2102
Hình 2.22 Sơ đồ chân của ESP8266
+ GIPO giao tiếp mức 3.3VDC.
+ Giao tiếp: qua các chuẩn UART, SPI, I2C.
+ 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).
+ WiFi: 2.4 GHz hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n.
+ Lập trình trên các ngôn ngữ: C/C++, Micropython, NodeMCU – Lua.
+ Tích hợp Led báo trạng thái, nút Reset, Flash.
Hình 2.23 Sơ đồ nguyên lý của ESP8266 trong Proteus
Khi kết nối dây, dòng điện 220V sẽ được dẫn vào adapter, nơi dòng điện sẽ được giảm xuống mức phù hợp theo thiết kế của bộ điều hợp Sau đó, adapter 12V sẽ cung cấp nguồn điện ổn định cho các thiết bị trong toàn bộ hệ thống.
Adapter 5A có khả năng thay thế cho các adapter có dòng điện thấp hơn như 2A và 3A, giúp đảm bảo dòng điện sạch và an toàn, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động của các thiết bị.
+ Điện áp đầu vào: AC100-240V, 50 - 60Hz.
+ Điện áp đầu ra: 12 VDC.
+ Dòng điện đầu ra tối đa: 5A.
2.1.5.2 Mạch giảm áp DC LM2596 3A
Mạch giảm áp có chức năng điều chỉnh điện áp đầu vào, giúp giảm điện áp từ 12V xuống 5V Điều này cần thiết vì hệ thống sử dụng các linh kiện với mức điện áp khác nhau, như 5V và 12V Khi nhận điện áp đầu ra 12V từ adapter, mạch giảm áp sẽ cung cấp điện áp 5V cho các thiết bị khác hoạt động ổn định.
Hình 2.25 Module hạ áp DC LM2596 3A
+ Điện áp ngõ ra: có thể điều chỉnh trong khoảng 1.5 – 30V. + Dòng đáp ứng tối đa: 3A.
+ Các tiếp điểm cố định.
Sơ đồ nguyên lý tổng quát
Hình 2.43 Sơ đồ nguyên lý tất cả các khối
Thiết kế mô hình
Hình 2.44 Mạch in hoàn chỉnh
Hình 2.45 Mặt sau mạch in
Hình 2.46 Mặt trước mạch in
Hình 2.47 Sau khi gắn Arduino vào mạch
Hình 2.48 Sau khi gắn Esp8266 vào mạch
Hình 2.49 Sau khi gắn dây bus của module RFID và Servo vào mạch
Hình 2.50 Sau khi gắn dây bus của module I2C vào mạch
Hình 2.51 Sau khi gắn dây bus của relay vào mạch
Hình 2.52 Sau khi gắn dây bus của nút nhấn vào mạch
Hình 2.53 Sau khi gắn dây bus của module L298 vào
Hình 2.54 Sau khi gắn dây bus của cảm biến nhiệt độ DS18B20 vào
Hình 2.55 Sau khi gắn dây bus của cảm biến độ ẩm đất vào mạch
Hình 2.56 Sau khi gắn dây bus của quang trở vào mạch
Hình 2.57 Hàn jack nguồn, domino với ngõ vào, ngõ ra của mạch giảm áp LM2596
Hình 2.58 Gắn dây bus của quạt tản nhiệt và động cơ bơm vào module L298
Hình 2.59 Mặt dưới của mô hình sau khi lắp ráp
Hình 2.60 Mặt trên của mô hình sau khi được gắn đầy đủ các thiết bị
(phích cắm, bóng đèn sợi tóc tròn)
Hình 2.61 Mặt trước của mô hình sau khi được thiết kế
Thiết kế giao diện
2.4.1 Thiết kế giao diện App Blynk
Để bắt đầu, hãy truy cập cửa hàng CH Play hoặc AppStore và tải ứng dụng Blynk về điện thoại của bạn Sau khi cài đặt, tiến hành đăng ký tài khoản bằng cách chọn một trong hai phương thức: đăng nhập qua Facebook hoặc sử dụng địa chỉ Gmail để đăng ký.
- Để tạo một tài khoản mới bằng Gmail và thiết lập các khối hiển thị trên ứng dụng ta thực hiện các bước sau đây:
+ Bước 1: Nhập thông tin tài khoản Gmail của mình Rồi chọn Create New Account để đăng ký.
Hình 2.62 Nhập thông tin vào để đăng ký
+ Bước 2: Sau khi đăng ký thành công, tiếp theo là tạo một Project mới, ta Click vào New Project dấu cộng (+).
Hình 2.63 Tạo một Project mới
+ Bước 3: sau đó đặt tên cho project của mình Cuối cùng Click vào Create Project để hoàn tất việc tạo mới.
Hình 2.64 Đặt tên cho project
Blynk sẽ gửi một mã Token vào địa chỉ Gmail mà bạn đã đăng ký ở bước đầu Mã Token này rất quan trọng vì nó giúp ESP8266 phân biệt và gửi dữ liệu lên nền tảng Blynk một cách chính xác.
Hình 2.65 Mã Token sẽ được gửi về gmail đăng ký
Để thêm các thước đo và đèn LED vào màn hình, bạn hãy chạm vào màn hình để hiển thị giao diện Widget Box Tiếp theo, bấm chọn Gauge hai lần để thêm hai thước đo, và chọn LED ba lần để hiển thị ba bóng đèn trên màn hình.
Hình 2.66 Lấy các thước đo và đèn hiển thị ra
+ Bước 6: Tiếp tục vào giao diện Widget Box lấy 4 khối Button ra.
Hình 2.67 Lấy 4 khối nút nhấn ra màn hình
+ Bước 7: Nhấn vào button đầu tiên đặt tên là chế độ chọn
Virtual Pin là V1 Output là 0/1 chọn mode là Switch chọn hiển thị on/off ứng với chế độ Manual/Auto.
Hình 2.68 Cài đặt cho nút nhấn đầu tiên
Bước 8: Nhấn vào nút thứ hai, đặt tên là "đèn", chọn "Virtual", thiết lập Pin là V2, Output là 0/1, và chọn chế độ "Switch" để hiển thị trạng thái on/off mà không cần chỉnh sửa thêm.
Hình 2.69 Cài đặt cho nút nhấn thứ hai
Bước 9: Nhấn vào nút thứ ba, đặt tên là "quạt", chọn loại "Virtual" Thiết lập Pin là V3, Output là 0/1, và chọn chế độ "Switch" để hiển thị trạng thái on/off, mặc định không cần chỉnh sửa.
Hình 2.70 Cài đặt cho nút nhấn thứ ba
Bước 10: Nhấn vào nút thứ tư và đặt tên là "máy bơm" Tiếp theo, chọn Virtual Pin là V4, thiết lập Output là 0/1, và chọn chế độ là Switch Mặc định hiển thị on/off mà không cần chỉnh sửa thêm.
Hình 2.71 Cài đặt cho nút nhấn thứ tư
+ Bước 11: chọn Led thứ nhất đặt tên là loa, có thể thay đổi màu sắc hiển thị led ở vòng tròn kế bên Input: Virtual Pin chọn V5.
Hình 2.72 Cài đặt trạng thái cho led thứ nhất
+ Bước 12: chọn Led thứ hai đặt tên là thẻ 1, có thể thay đổi màu sắc hiển thị led ở vòng tròn kế bên Input: Virtual Pin chọn V7.
Hình 2.73 Cài đặt trạng thái cho led thứ hai
+ Bước 13: chọn Led thứ ba đặt tên là thẻ 2, có thể thay đổi màu sắc hiển thị led ở vòng tròn kế bên Input: Virtual Pin chọn V6.
Hình 2.74 Cài đặt trạng thái cho led thứ ba
+ Bước 14: chọn gauge thứ nhất đặt tên là nhiệt độ Virtual Pin chọn V9 khoảng nhiệt độ hiển thị 0 – 125 Label: °C.
Hình 2.75 Cài đặt hiển thị nhiệt độ trên Blynk
+ Bước 15: chọn gauge thứ hai đặt tên là độ ẩm Virtual Pin chọn V8 khoảng độ ẩm hiển thị: 0 - 100 Label: %.
Hình 2.76 Cài đặt hiển thị độ ẩm đất trên Blynk
Hình 2.77 Giao diện hoàn chỉnh sau khi cài đặt trên app blynk
2.4.2 Thiết kế giao diện trên Thingspeak
- Bước 1: đầu tiên truy cập vào đường link https://thingspeak.com/ và bấm vào mục Sign in click vào Create one để tạo một tài khoản sử dụng.
Hình 2.78 Truy cập vào Server Thingspeak
- Bước 2: Sau khi click vào Create one thì tiếp tục điền địa chỉ email chọn địa điểm điền đầy đủ họ tên chọn Continue.
Hình 2.79 Tạo tài khoản Thingspeak
Sau khi nhấn đăng ký, hệ thống sẽ gửi một đường link xác thực đến email bạn đã đăng ký Bạn chỉ cần truy cập vào Gmail và nhấn xác minh tài khoản để hoàn tất quá trình.
Hình 2.80 Xác minh tài khoản
- Bước 4: Vào channels chọn my channels Chọn new channel.
Hình 2.81 Tạo kênh để theo dõi trên Thingspeak
- Bước 5: ở mục name đặt là giám sát đặt tên field 1: nhiệt dộ bấm vào dấu tích xanh ở mục field 2 và đặt tên là độ ẩm save channel.
Hình 2.82 Thiết lập thông tin cho các kênh theo dõi trên Thingspeak
Hình 2.83 Giao diện hoàn chỉnh trên thingspeak
GIẢI THUẬT VÀ ĐIỀU KHIỂN
Hoạt động của hệ thống
- Hệ thống hoạt động với 2 chế độ: tự động (Auto) và chỉnh tay (Manual).
Trong chế độ tự động, khi hệ thống được cấp điện, các thiết bị hoạt động và cảm biến độ ẩm đất cùng cảm biến nhiệt độ sẽ gửi tín hiệu đến vi điều khiển Arduino Vi điều khiển tiếp nhận và xử lý tín hiệu, hiển thị trên màn hình LCD và kiểm tra sự thay đổi giá trị Nếu có thay đổi, dữ liệu sẽ được gửi qua Esp8266 để kết nối WiFi và truyền lên server Thingspeak cũng như ứng dụng Blynk Khi cảm biến phát hiện độ ẩm, nhiệt độ và cường độ ánh sáng vượt ngưỡng cài đặt, vi điều khiển sẽ kích hoạt bơm, quạt và đèn Đối với cửa tự động, khi quẹt thẻ RFID, tín hiệu sẽ được gửi đến vi điều khiển để điều khiển servo mở hoặc đóng cửa, đồng thời cho phép thêm hoặc xóa thẻ ra vào qua nút nhấn Tất cả tín hiệu cũng sẽ được gửi đến Esp8266 và hiển thị trên ứng dụng Blynk Nếu quẹt sai thẻ 3 lần trở lên, còi cảnh báo sẽ được kích hoạt.
Khi chuyển từ chế độ tự động sang chế độ chỉnh tay trên ứng dụng Blynk, ESP8266 sẽ gửi tín hiệu đến vi điều khiển Arduino Vi điều khiển nhận tín hiệu và xác định rằng đã chuyển sang chế độ chỉnh tay, cho phép người dùng điều khiển các thiết bị như quạt, máy bơm và đèn thông qua ứng dụng Blynk Các thiết bị khác như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, quang trở, module RFID và loa vẫn hoạt động bình thường.
Lưu đồ giải thuật
3.2.1 Lưu đồ giải thuật trên vi điều khiển Arduino Uno
Khi chương trình khởi động, các phần cứng như LCD và ADC được khởi tạo Nếu hoạt động ở chế độ tự động, sau 2-3 giây, cảm biến nhiệt độ sẽ gửi lệnh lấy giá trị, sau đó nhân kết quả với 10 để làm tròn và hiển thị trên LCD Cảm biến độ ẩm sẽ đọc trung bình 10 lần để giảm sai số, chia kết quả cho 10 và áp dụng công thức tính ADC để xác định độ ẩm Giá trị thu được sẽ bị phủ định do cảm biến độ ẩm đất hoạt động ngược, với giá trị 0 khi ướt và 1 (5V) khi khô Tiếp theo, quang trở sẽ được đọc để phân biệt ánh sáng và thiết lập điều kiện bật/tắt đèn (nếu giá trị quang trở > 900 thì bật đèn) Arduino sẽ nhận giá trị quang trở và phát tín hiệu điều khiển relay để bật đèn Tương tự, nếu nhiệt độ hoặc độ ẩm đất vượt ngưỡng cài đặt, các thiết bị như máy bơm và quạt sẽ được kích hoạt.
Khi độ ẩm đất giảm xuống dưới 60%, máy bơm sẽ tự động cấp nước, trong khi quạt sẽ bật khi nhiệt độ đạt 35 độ C Các thông số như chế độ, đèn, quạt, máy bơm, nhiệt độ và độ ẩm sẽ được vi điều khiển gửi đến module wifi ESP8266 theo các cú pháp cụ thể Nhiệt độ và độ ẩm được hiển thị trên màn hình LCD Hệ thống sẽ kiểm tra thẻ từ qua module RFID; nếu thẻ quẹt là thẻ chủ hoặc thẻ tớ, trạng thái mở sẽ được thiết lập và dữ liệu sẽ được gửi đi Nếu thẻ không hợp lệ, màn hình sẽ hiển thị thông báo sai và nếu sai quá 3 lần, loa sẽ phát cảnh báo trong 10 giây Sau đó, hệ thống sẽ yêu cầu quét thẻ trở lại Khi trạng thái mở được kích hoạt, hệ thống sẽ kiểm tra nút nhấn và nếu trạng thái thêm là 0, cửa sẽ mở trong 5 giây.
Khi cửa mở, nếu biến chạy nhỏ hơn 30, dữ liệu sẽ được hiển thị trên màn hình LCD với thông báo "đúng thẻ" Nếu biến chạy lớn hơn 30, cửa sẽ tự động đóng và các biến trạng thái được đặt lại về 0 Trong trạng thái mở (mở = 1), nếu nút nhấn được kích hoạt (biến trạng thái thêm = 1), màn hình LCD sẽ hiển thị "thêm thẻ" Hệ thống sẽ kiểm tra xem thẻ quẹt vào có phải là thẻ chủ hay không Nếu là thẻ chủ, thông báo "không thể thêm" sẽ xuất hiện Ngược lại, nếu không phải thẻ chủ, mã UID sẽ được đọc và lưu trữ thành 4 thanh ghi 8 bit trong bộ nhớ EEPROM, sau đó gộp lại thành 1 thanh ghi 32 bit hoàn chỉnh, hiển thị "thêm thẻ thành công" trên màn hình.
Khi nhấn nút 2 lần, màn hình LCD sẽ hiển thị thông báo xóa thẻ Hàm xóa thẻ từ sẽ bắt đầu đọc dữ liệu và kiểm tra thẻ quẹt vào có phải là thẻ chủ hoặc thẻ 2 chưa được thêm hay không Nếu là thẻ chủ hoặc thẻ 2 chưa được thêm, màn hình sẽ hiển thị thông báo không thể thêm hoặc xóa thẻ chủ Ngược lại, nếu thẻ 2 đã được thêm vào bộ nhớ EEPROM, hệ thống sẽ trả về 4 giá trị tương ứng với 4 thanh ghi 8 bit, kết hợp lại thành 1 thanh ghi 32 bit với mã UID = 0, cho biết đã xóa thẻ thành công, và màn hình sẽ hiển thị thông báo xóa thẻ thành công Các biến trạng thái sẽ được đặt lại về 0 để bắt đầu chu kỳ mới Trong chế độ chỉnh tay, khi vi điều khiển nhận tín hiệu từ module WiFi ESP8266, nó sẽ chuyển ngay lập tức sang chế độ này mà không ảnh hưởng đến hoạt động của cảm biến và cổng RFID Khi nhận được dữ liệu từ module WiFi ESP8266 với các chuỗi ký tự quy định, nếu thỏa điều kiện, các biến trạng thái cho quạt, máy bơm, và đèn sẽ được thiết lập, cho phép điều khiển bật/tắt thiết bị qua ứng dụng Blynk.
3.2.2 Lưu đồ giải thuật trên Esp8266
Bắt đầu chạy chương trình với tốc độ baud 9600 và khởi tạo Blynk Khi Blynk khởi động, người dùng có thể chuyển chế độ từ tự động sang tự chỉnh bằng cách nhấn nút trên giao diện Nếu biến giá trị 1 = 1, hệ thống chuyển sang chế độ tự chỉnh và ESP8266 sẽ gửi dữ liệu đến vi điều khiển; nếu không, hệ thống vẫn hoạt động ở chế độ tự động Các thiết bị như đèn, quạt, máy bơm cũng hoạt động tương tự với các biến giá trị 2, 3, 4 Trong chế độ tự động, ESP8266 kiểm tra dữ liệu từ vi điều khiển; nếu dữ liệu là dấu chấm (data='.'), nó sẽ kiểm tra thêm điều kiện để tính toán nhiệt độ và gửi lên Blynk tại virtual pin V9 Đối với độ ẩm, nếu thỏa mãn các điều kiện, giá trị sẽ được gửi lên Blynk tại vị trí V8 Tương tự, ESP8266 cũng xử lý các tín hiệu từ thẻ để điều khiển LED và loa trên Blynk, với các ký tự đại diện cho từng thiết bị Nếu các điều kiện được thỏa mãn, dữ liệu sẽ được gửi lên Blynk để phản ánh trạng thái của các thiết bị.
Module wifi gửi dữ liệu lên Blynk, đặt giá trị virtual pin V2 là 0 để tắt đèn Đối với quạt, nếu thỏa mãn hai điều kiện đầu (data = ‘.’ và dl[0] = ‘q’), tiếp tục kiểm tra điều kiện thứ ba là dl[1] = ‘1’ để bật quạt (virtual pin V3 = 1), hoặc điều kiện thứ tư là dl[1] = ‘2’ để tắt quạt (virtual pin V3 = 0) Tương tự, máy bơm cũng xét bốn điều kiện, nếu thỏa mãn hai điều kiện đầu (data = ‘.’ và dl[0] = ‘m’), kiểm tra dl[1] = ‘1’ để bật máy bơm (virtual pin V4 = 1) hoặc dl[1] = ‘2’ để tắt máy bơm (virtual pin V4 = 0) Sau khi thực hiện các công việc này, vòng lặp for sẽ xóa dữ liệu cũ và chuẩn bị cho chu kỳ mới Cuối cùng, sau khi tính toán nhiệt độ và độ ẩm, module wifi sẽ kiểm tra kết nối và gửi nhiệt độ vào Field 1, độ ẩm đất vào Field 2 trên giao diện Thingspeak, dữ liệu được cập nhật khoảng 17 giây một lần.
THỰC NGHIỆM
Tiến trình thực nghiệm
Để bắt đầu, cấp nguồn 12V cho hệ thống và điều chỉnh biến trở của mạch hạ áp xuống còn 5V để cung cấp điện cho vi điều khiển Đồng thời, module điều khiển động cơ L298 vẫn sử dụng nguồn 12V để điều khiển máy bơm và quạt.
- Bước 2: Sau khi cấp nguồn thì các thiết bị trong hệ thống bắt đầu khởi động.
Mở ứng dụng Blynk và đăng nhập vào trang web ThingSpeak để bắt đầu sử dụng tất cả các tính năng của hệ thống mà bạn đã thiết lập trước đó.
- Bước 4: Kiểm tra lại các kết quả vừa thực hiện ở trên ứng dụng blynk cũng như là trên web thingspeak.
Kết quả thực nghiệm
Sau khi cấp điện 220V cho hệ thống qua adapter, điện áp sẽ giảm xuống còn 12V nhờ vào module điều khiển động cơ L298, được sử dụng để điều khiển quạt và động cơ bơm 12V Do đó, cần sử dụng adapter 12V để cung cấp điện Đối với vi điều khiển Arduino và các thiết bị khác trong hệ thống, yêu cầu điện áp hoạt động là 5V, vì vậy cần sử dụng mạch hạ áp để giảm điện áp xuống mức phù hợp.
Hình 4.1 Cấp nguồn cho hệ thống và tải điện áp cao (đèn)
Mở ứng dụng Blynk và đăng nhập vào web Thingspeak để theo dõi hệ thống hoạt động tự động Cảm biến độ ẩm đất được đặt trong cốc nước, đảm bảo độ ẩm trong vườn không giảm quá thấp Đồng thời, cảm biến nhiệt độ bắt đầu ghi nhận giá trị, vi điều khiển thu thập dữ liệu từ cảm biến để hiển thị trên màn hình LCD và gửi tới module wifi esp8266, từ đó truyền lên ứng dụng Blynk và server Thingspeak Kết quả cho thấy nhiệt độ là 31.4°C và độ ẩm đất là 72%.
Hình 4.2 Các thiết bị bắt đầu hoạt động ở chế độ tự động, cảm biến nhiệt độ, độ ẩm bắt đầu đọc giá trị
Để mở cửa, trước tiên, người dùng cần quẹt thẻ từ vào module RFID Hệ thống sẽ đọc Uid của thẻ và kiểm tra xem thẻ đó có phải là thẻ chủ (thẻ 1) hay không Nếu đúng, cửa sẽ mở (servo quay) và màn hình LCD sẽ hiển thị thông báo "đúng thẻ" Đồng thời, vi điều khiển sẽ gửi dữ liệu đến esp8266 để cập nhật trạng thái cửa (mở/đóng) trên ứng dụng Blynk (đèn LED bật/tắt).
Hình 4.3 Mở cửa bằng thẻ chủ (thẻ 1)
Khi quẹt thẻ từ vào module RFID mà thẻ chưa được lưu trong bộ nhớ EEPROM hoặc không phải là thẻ chủ, cửa sẽ không mở và servo sẽ không quay Đồng thời, module gửi tín hiệu đến vi điều khiển để hiển thị thông báo sai thẻ trên màn hình LCD Do cửa không mở, nên không có dữ liệu nào được gửi sang ESP8266 để hiển thị trên ứng dụng Blynk.
Hình 4.4 Cửa vẫn đóng khi quẹt thẻ sai
Khi người dùng quẹt thẻ RFID sai quá 3 lần, loa sẽ tự động được bật lên và màn hình LCD sẽ hiển thị cảnh báo Dữ liệu này cũng được vi điều khiển gửi đến ESP8266 để cập nhật trạng thái loa trên ứng dụng Blynk.
Hình 4.5 Khi quẹt thẻ sai quá 3 lần thì sẽ bật loa cảnh báo trong 10s
Để thêm thẻ từ mở cửa, trước tiên cần sử dụng thẻ chủ (thẻ master – thẻ 1 – thẻ cố định) để mở cửa Trong thời gian cửa đang mở, nhấn nút một lần, màn hình LCD sẽ hiển thị chức năng thêm thẻ.
Hình 4.6 Nhấn vào nút nhấn để thêm thẻ từ
Khi màn hình LCD hiển thị chức năng thêm thẻ, người dùng sẽ quẹt thẻ từ thứ hai (thẻ thành viên) vào module RFID Hệ thống sẽ đọc mã Uid của thẻ và kiểm tra xem thẻ này có phải là thẻ chủ hay không Nếu là thẻ chủ, việc thêm thẻ sẽ không được thực hiện vì thẻ chủ là thẻ cố định Ngược lại, nếu là thẻ thành viên, mã Uid sẽ được tính toán và lưu vào bộ nhớ eeprom, đảm bảo dữ liệu không bị mất khi không có nguồn điện Cuối cùng, màn hình LCD sẽ hiển thị thông báo thành công.
Hình 4.7 Thêm thẻ từ thành công
Khi đã thêm thẻ từ thành công, bạn có thể mở cửa bằng cách quẹt thẻ đó vào module RFID Hệ thống sẽ kiểm tra mã Uid của thẻ để xác định xem đó có phải là thẻ chủ hay thẻ vừa được thêm Nếu nhận diện được mã Uid của thẻ vừa thêm, cửa sẽ mở và màn hình LCD sẽ hiển thị thông báo "đúng thẻ" Đồng thời, vi điều khiển sẽ gửi tín hiệu đến ESP8266 để cập nhật trạng thái mở/đóng của cửa trên ứng dụng Blynk, với đèn LED trên app hiển thị tình trạng hiện tại.
Hình 4.8 Mở cửa với thẻ từ vừa được thêm (thẻ 2)
Ngoài việc thêm thẻ, chúng ta còn có thể xóa thẻ từ Để thực hiện chức năng này, trước tiên, cần sử dụng thẻ 1 hoặc thẻ 2 để mở cửa Trong trường hợp này, ta sẽ sử dụng thẻ 2 (thẻ vừa được thêm trước đó) để mở cửa, sau đó nhấn nút để hoàn tất quá trình xóa thẻ.
2 lần để có thể hiển thị dòng chữ xóa thẻ trên màn hình LCD.
Hình 4.9 Nhấn nút nhấn 2 lần để xóa thẻ vừa được thêm ở trên
Khi màn hình LCD hiển thị chức năng xóa thẻ, người dùng sẽ quẹt thẻ từ thứ 2 (thẻ thành viên) vào module RFID Thiết bị sẽ đọc mã Uid của thẻ và kiểm tra xem thẻ này là thẻ chủ hay thẻ thành viên Nếu là thẻ chủ, việc thêm mới là không khả thi vì thẻ này là cố định Nếu mã thẻ 2 bằng 0, cũng không thể xóa do thẻ chưa được thêm Ngược lại, nếu là thẻ thành viên, mã Uid sẽ được tính toán và lưu vào bộ nhớ EEPROM với mã Uid cho thẻ 2 = 0, tức là xóa mã thẻ đó Cuối cùng, màn hình LCD sẽ hiển thị thông báo thành công.
Hình 4.10 Xóa thẻ từ thành công (thẻ 2)
Để đèn hoạt động ở chế độ tự động, đầu tiên ta cần che quang trở lại (khi trời tối), lúc này giá trị analog đọc được sẽ lớn hơn 900 Khi đó, vi điều khiển sẽ cấp tín hiệu mức cao (5V) cho ngõ vào relay, khiến công tắc đóng và đèn bật lên nhờ relay ở chế độ thường mở (kết nối chân COM và NO) Ngược lại, nếu giá trị analog nhỏ hơn 900, vi điều khiển sẽ gửi tín hiệu mức thấp (0V) cho relay, làm công tắc mở và tắt đèn Mỗi khi đèn sáng hoặc tắt, vi điều khiển sẽ gửi trạng thái này đến esp8266 để hiển thị trên ứng dụng Blynk.
Hình 4.11 Đèn sáng khi trời tối
Để điều khiển quạt tự động, ta cần sử dụng bật lửa để đốt cảm biến nhiệt độ, giúp nhiệt độ tăng lên và vượt ngưỡng đã thiết lập Khi đó, vi điều khiển sẽ kích hoạt ngõ vào IN2 của module điều khiển động cơ L298 ở mức cao, làm cho quạt hoạt động qua ngõ ra Out 1 và Out 2 Đồng thời, vi điều khiển cũng gửi dữ liệu đến ESP8266, cho phép ESP8266 truyền tải thông tin về giá trị nhiệt độ và trạng thái bật/tắt của quạt lên ứng dụng Blynk.
Hình 4.12 Khi nhiệt độ tăng vượt ngưỡng thì quạt sẽ được hoạt động
Để động cơ bơm nước hoạt động tự động, khi cảm biến độ ẩm đất được bỏ ra khỏi cốc nước, vi điều khiển sẽ kích hoạt ngõ vào IN3 của module điều khiển động cơ L298 ở mức cao khi độ ẩm đất thấp hơn 60% Khi đó, ngõ ra Out 3 và Out 4 sẽ tác động lên động cơ bơm, khiến nó hoạt động Đồng thời, vi điều khiển gửi dữ liệu độ ẩm đất và trạng thái bật/tắt của động cơ bơm đến esp8266, sau đó esp8266 sẽ truyền dữ liệu này lên ứng dụng Blynk.
Hình 4.13 Độ ẩm đất giảm xuống quá thấp thì máy bơm được bật lên
Hệ thống hoạt động tự động, với đèn, quạt tản nhiệt và động cơ bơm đã sẵn sàng để hoạt động.
Hình 4.14 Các thiết bị được bật lên khi đủ điều kiện (chế độ tự động)
Để chuyển từ chế độ tự động sang chế độ tự chỉnh, người dùng cần nhấn nút trên giao diện Blynk tại vị trí V1 Khi nút được nhấn, giá trị sẽ thay đổi từ 0 lên 1, lúc này module wifi ESP8266 sẽ gửi tín hiệu đến vi điều khiển Arduino Vi điều khiển sau đó sẽ kiểm tra tín hiệu này để xác nhận rằng hệ thống đã được chuyển sang chế độ tự chỉnh.
Hình 4.15 Chuyển sang chế độ tự chỉnh (manual)
Kết luận thực nghiệm
Kết quả sau khi thực nghiệm đạt với kết quả được dự kiến ban đầu ở chương
1 Hệ thống hoạt động tương đối ổn định ở cả 2 chế độ: tự động (auto) và chỉnh tay(manual) Tuy nhiên, vẫn còn sai lệch không đáng kể của các giá trị cảm biến trả về.Bên cạnh đó, việc giao tiếp giữa các thiết bị với nhau ở tốc độ tương đối không quá nhanh cũng không quá chậm.
