THIẾT kế VÀ THI CÔNG bộ THU THẬP THÔNG TIN TẠI CHỖ, từ XA CHO mô HÌNH NĂNG LƯỢNG mặt TRỜI TÍCH hơp PHÁT điện, nước NÓNG, LỌC nước

 Tạo giao diện điều khiển, giám sát trên Raspberry Pi 3 và lưu Database trênSQLite3... Bao gồm một chương trình với các chức năng như đánh dấu cú pháp, tự động brace m

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ THU THẬP

THÔNG TIN TẠI CHỖ, TỪ XA CHO MÔ HÌNH NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TÍCH HƠP PHÁT

ĐIỆN, NƯỚC NÓNG, LỌC NƯỚC

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Thời đại ngày càng phát triển, con người ngày càng có nhu cầu cao về chất lượngcuộc sống và việc tiết kiệm năng lượng Đề tài lần này sẽ cung cấp một giải pháp vừatạo ra năng lượng vừa đáp ứng các nhu cầu hằng ngày của con người Đó là hệ thốngmáy nước nóng năng lượng mặt trời kết hợp tạo ra điện năng Hệ thống sẽ tạo ra lượngnước nóng thường xuyên và điện năng phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời

Ưu điểm:

- Được sử dụng một nguồn năng lượng miễn phí và có khả năng tái tạo

- Giảm sự phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch, sự độc lập trong sử dụng nănglượng và giúp cải thiện an ninh năng lượng

- Cực kì phù hợp cho những nơi có cường độ ánh sáng mạnh và thời gian chiếusáng dài

- Góp phần bảo vệ môi trường

- Tiết kiệm được chi phí cho người sử dụng

- Thay thế cho các thiết bị có chức năng tương đương

Nội dung đề tài

 Tìm hiểu về hệ thống máy nước nóng năng lượng mặt trời

 Tìm hiểu về cảm biến nhiệt độ, cảm biến đo dòng, cảm biến đo điện áp, cáchđiều khiển van điện từ, máy bơm AC

 Thực hành lập trình về Arduino

 Thực hiện làm mô hình hoàn chỉnh

 Tạo giao diện điều khiển, giám sát trên Raspberry Pi 3 và lưu Database trênSQLite3

CHƯƠNG 2 Ý TƯỞNG CHO ĐỀ TÀI

Sơ đồ khối cho mạch:

Hình 2-1 Sơ đồ khối

Hình 2-2 Sơ đồ mạch

1.1Khối nguồn

- Sử dụng nguồn 220VAC cho máy bơm

- Nguồn 24VDC dùng để điều khiển van

- Nguồn 5V DC dùng cấp cho Adruino và cảm biến (nguồn phải được lọc đểđảm bảo cung cấp ổn định nguồn điện cho arduino vì rất dễ bị nhiễu do dùngchung nguồn với động cơ bơm)

1.2Khối điều khiển

Dùng Arduino Mega 2560 để lập trình điều khiển và nhận tín hiệu từ các ngõvào, ngõ ra digital, analog , truyền thông

1.3Khối thiết bị chấp hành, giám sát

Bao gồm điều khiển van, động cơ và nhận tín hiệu từ các cảm biến nhiệt độ, đodòng điện, điện áp

- Cảm biến áp: chân A0.

1.4Khối truyền thông

Dự án sử dụng LoRa (dùng chân RX, TX trên Arduino nhận và gửi tín hiệu đếnmáy chủ) cho việc truyền thông dự liệu trong phạm vi 3000m, với các ưu điểm như tiếtkiệm năng lượng mà vẫn truyền được đi xa, có tính ổn định cao

1.5Khối lưu data và giám sát trên Internet

Raspberry Pi 3 được sử dụng như một máy chủ trong dự án, có chức năng truyềntín hiệu điều khiển, nhận tín hiệu phản hồi từ arduino, lưu dữ liệu vào Database (phầnmềm được sử dụng để làm Database là SQLite3)

CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU CÁC THÀNH PHẦN

Hình 3-1 Sơ đồ nối cảm biến với chân Arduino

1.6Bộ điều khiển Arduino

1.1.1 Tổng quan về Arduino

Arduino là một bảng mạch vi xử lý được sinh ra tại thị trấn Ivrea (nước Ý), nhằmxây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường bên ngoài được thuậnlợi hơn Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế dựa trên trênnền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit

Hình 3-2 Các dạng Arduino hiện nay

Phần mềm: Môi trường phát triển tích hợp (IDE) của Arduino là một ứng dụng

đa nền tảng được viết bằng Java, và từ IDE này sẽ được sử dụng cho Ngôn ngữ lập trình xử lý (Processing programming language) và project Wiring Nó được thiết kế cho người mới muốn khám phá lĩnh vực phát triển phần mềm Bao gồm một chương trình với các chức năng như đánh dấu cú pháp, tự động brace matching, và tự động canh lề, cũng như compile và upload chương trình lên board trong một lần nhấn chuột Mỗi chương trình hoặc code được gọi là sketch

Các chương trình Arduino được viết bằng C hoặc C++ Arduino IDE hỗ trợ một thư viện phần mềm được gọi là "Wiring" , nhằm giúp các thao tác input/output được dễ dàng hơn Người dùng chỉ cần định nghĩa 2 hàm để tạo ra một chương trình vòng thực thi (cyclic executive) có thể chạy được:

Setup(): hàm này chạy mỗi khi khởi động một chương trình, dùng để thiết lập các cài đặt

Loop(): hàm này được gọi lặp lại cho đến khi tắt nguồn board mạch

Hình 3-3 Giao diện lập trình Arduino IDE

1.1.2 Arduino Mega 2560:

Hình 3-4 Vietduino Mega 2560

Hệ thống giám sát và điều khiển sử dụng con Vietduino Mega 2560 là phiên bảncó chức năng, kích thước, hình dạng và cách sử dụng tương tự với Arduino Mega 2560R3 nhưng được cải tiến để khắc phục 3 nhược điểm chính mà board Arduino thôngthường gặp phải:

Nguồn điện:

- Arduino Mega 2560 R3 sử dụng IC chuyển nguồn tuyến tính LM1117 5VDCcó dòng đầu ra thấp và rất nóng khi cấp điện áp đầu vào cao (khắc phục:Vietduino Mega 2560 sử dụng mạch nguồn xung với dải điện áp đầu vào linhhoạt 4.5~35VDC, dòng đầu ra tối đa lên đến 1.5A, mạch nguồn phát nhiệt thấpvới hiệu suất chuyển đổi cao và khả năng tiết kiệm năng lượng vượt trội.)

- IC chuyển nguồn 3.3VDC của Arduino Mega 2560 R3 có dòng đầu ra tối đa150mA, trong khi ở Vietduino Mega 2560 là 700mA đủ khả năng cấp nguồncho các module Wifi phổ biến hiện nay như ESP8266, ESP32, mà không cầnthêm bất kỳ mạch nguồn phụ trợ nào

IC nạp:

- Arduino Mega 2560 R3 sử dụng vi điều khiển ATmega16U2 giả lập chức năngUSB UART, thường bị mất firmware khi sử dụng lâu hoặc cháy thạch anh dẫnđến không nhận cổng USB trong khi Vietduino Mega 2560 sử dụng IC chứcnăng USB UART chuyên dụng CP2102 cho độ ổn định và độ bền cao, vì là ICchức năng và có thạch anh tích hợp bên trong nên sẽ tránh được các trường hợplỗi của Arduino Mega 2560

Chức năng cách ly nguồn cổng USB khi cấp nguồn ngoài:

- Ở các phiên bản Arduino Mega 2560 sản xuất tại China thì chức năng cách lynguồn cổng USB khi cấp nguồn ngoài từ chân Vin hoặc Jack DC không hoạtđộng trong khi Vietduino Mega 2560 khắc phục hoàn toàn nhược điểm này vớikhả năng cách ly nguồn cổng USB tự động khi cấp nguồn ngoài giúp bảo vệcổng USB máy tính của bạn an toàn hơn

Thông số kĩ thuật:

- Tương thích hoàn toàn so với Arduino Mega 2560 R3

- IC nạp và giao tiếp UART CP2102 tương thích với tất cả các hệ điều hành phổbiến nhưWindows, Mac, Linux,

- Vi điều khiển chính: ATmega2560

- Nguồn nuôi mạch: 5VDC từ cổng Micro USB

- Nguồn ngoài từ giắc DC tròn hoặc chân Vin từ 4.5~35VDC

- Tốc độ thạch anh: 16Mhz

- Dòng đầu ra chân 5VDC khi cấp nguồn từ:

- Cổng DC hoặc Vin: Max 1.5A

- Số chân Digital: 54 (hỗ trợ 15 chân PWM)

- Cổng USB: 500mA

- Số chân Analog: 16

- Dòng ra tối đa trên GPIO: 20mA

- Dòng ra tối đa trên chân cấp nguồn 3.3VDC: 700 mA (Lastest version)

- Dung lượng bộ nhớ Flash: 256 KB, 8 KB used by bootloader

- EEPROM: 4 KB

- SRAM: 8 KB

- Kích thước: 101.52 x 53.3 mm

Hình 3-5 Sơ đồ chân Arduino Mega 2560

1.7Relay

1.1.3 Module 4 Relay Kích H/L (5VDC)

Rơ le (hay rơ le điện) là một công tắc được vận hành bằng điện Rơ le được sửdụng khi cần kiểm soát một mạch điện bằng một tín hiệu công suất thấp (với đầy đủcách điện giữa kiểm soát và mạch điều khiển), hoặc trong trường hợp một số mạchphải được kiểm soát bởi một tín hiệu Rơ le được dùng rộng rãi trong trao đổi điệnthoại và các máy điện toán thời kỳ đầu với vai trò điều hành mạch lôgic Một loại rơlecó thể xử lý công suất cao cần thiết để trực tiếp kiểm soát một động cơ điện hoặc mứctải khác được gọi là một contactor

Module 4 Relay kích H/L (5VDC) sử dụng nguồn 5VDC để nuôi mạch, tín hiệukích có thể tùy chọn kích mức cao (High - 5VDC) hoặc mức thấp (Low - 0VDC) quaJumper trên mỗi relay Thích hợp cho các thiết bị sử dụng mức tín hiệu 5VDC như Viđiều khiển,

Trong dự án lần này Relay được sử dụng để điều khiển ON/OFF các van điện từ24VDC

Thông số kĩ thuật sản phẩm:

- Điện áp nuôi mạch: 5VDC

- Tín hiệu kích: High (5VDC) hoặc Low (0VDC) chọn bằng Jumper

- Dòng tiêu thụ: khoảng 200mA/1Relay

- Relay trên mạch:

 Nguồn nuôi: 5VDC

 Tiếp điểm đóng ngắt max: 250VAC-10A hoặc 30VDC-10A

- Kích thước: 72 (L) * 55 (W) * 19 (H) mm

Hình 3-6 Module 4relay

1.1.4 Relay bán dẫn SSR-40DA SSR40DA 40A

Relay bán dẫn (hay còn gọi là SSR) là thiết bị chuyển mạch điện tử không tiếpxúc hiệu suất cao sử dụng công nghệ và thiết bị tiên tiến của nước ngoài, có thể đóngngắt liên tục không phụ thuộc số lần đóng ngắt

Hình 3-7 Sơ đồ ngõ vào, ra cho relay bán dẫn

Solid State Relay SSR-40 DA Fotek chính hãng được sản xuất bởi chính hãngFotek với chất lượng, độ bền cao và độ ổn định vượt trội so với các loại làm giả, nháitrên thị trường Solid State Relay SSR-40 DA Fotek là loại relay bán dẫn với điện ápđầu vào DC Input 4~32VDC, đầu ra đóng ngắt tải AC mắc nối tiếp 24~380VAC dòngđiện tối đa 40A, sử dụng cho các ứng dụng cần điều khiển tải AC bằng tín hiệu DCyêu cầu tần số đóng ngắt lớn, độ bền cao

Relay bán dẫn SSR-40DA SSR40DA có dòng 40A được sử dụng trong mô hìnhđể điều khiển máy bơm 220VAC

Thông số kĩ thuật:

- Mã sản phẩm: SSR-40 DA

- Điện áp đóng ngắt tải AC mắc nối tiếp: 24 ~ 380VAC

- Điện áp kích: 4~32VDC

- Dòng tải: max

- Kích thước: 45 x 60 x 23mm

Hình 3-8 Hình thực tế của relay bán dẫn

1.8Cảm biến nhiệt độ

1.1.5 Cảm biến nhiệt độ RTD

1.1.1.1 Giới thiệu

Cấu tạo: Cảm biến RTD có thể được chế tạo từ platin, đồng hoặc niken Platin được sử dụng phổ biến nhất vì độ chính xác cao, khả năng lặp lại tốt và tuyến tính trong một phạm vi nhiệt độ rộng và nó thể hiện sự thay đổi điện trở lớn trên mỗi mức độ thay đổi nhiệt độ

Nguyên lí hoạt động: hoạt động dựa trên nguyên tắc điện trở của kim loại tăng lên khi nhiệt độ tăng lên – hiện tượng đó gọi là gọi là nhiệt điện trở suất Do đó, đo

nhiệt độ có thể được suy ra bằng cách đo điện trở của cảm biến RTD.

Hình 3-9 Sơ đồ nguyên lí cảm biến nhiệt độ RTD

Khi nhiệt độ môi trường tăng hoặc giảm, điện trở RAB (điện trở của RTD) sẽtăng hoặc giảm theo nhiệt độ môi trường (nhiệt độ tăng thì điện trở tăng, nhiệt độ giảmthì điện trở giảm) Đo giá trị điện trở đó ta có thể suy ra ngược lại giá trị của nhiệt độ.1.1.1.2 Cảm Biến Nhiệt Độ Thermocouple RTD PT100 Loại B

Cảm biến nhiệt độ thermocouple RTD PT100 loại B là loại được dùng để đonhiệt độ cao với sai số rất nhỏ chỉ từ 0.2 độ C trở xuống, khoảng đo từ -50 đến 500 độ

C Ngoài ra dây cảm biến được làm bằng sợi thủy tinh cho độ bền, độ chịu nhiệt và độcách nhiệt cao, đầu cảm biến được làm bằng thép không gỉ 304 và đổ keo đặc chốngnước, dễ sử dụng, chiều dài không hạn chế, độ chính xác cao

Thông số kỹ thuật cảm biến nhiệt độ Thermocouple RTD PT100 Loại B :

- Cảm biến nhiệt độ thermocouple RTD PT100 loại B 1.5m chụi nhiệt cao

- Dây dẫn bằng sợi thủy tinh dài 1.5m

- Có đầu dò bằng thép không rỉ 304 đổ keo chống nước

- Nhiệt độ hoạt động : từ -50 đến 500 độ C

- Độ sai số < 0.2 độ C.

- 3 lõi dây

Hình 3-10 Cảm biến nhiệt độ Thermocouple RTD PT100

1.1.6 Cảm biến nhiệt độ Thermocouple Loại K

1.1.1.3 Giới thiệu

Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu.

Nguyên lí hoạt động: Dòng điện được tạo ra khi nhiệt độ ở một đầu khác vớinhiệt độ ở đầu còn lại Hiện tượng này được biết đến như là hiệu ứng Seebeck,đây là cơ sở để đo nhiệt độ cặp nhiệt điện Khi nhiệt độ môi trường tăng hoặcgiảm, tác động lên đầu nóng của thermocouple, do hiệu ứng Seebeck nên hiệuđiện thế VAB ở đầu lạnh của thermocouple sẽ tăng hoặc giảm theo nhiệt độ môitrường (nhiệt độ tăng thì hiệu điện thế tăng, nhiệt độ giảm thì hiệu điện thếgiảm) Đo giá trị điện áp VAB ta có thể suy ra ngược lại giá trị của nhiệt độ

Hình 3-11 Nguyên lí hoạt động cảm biến nhiệt độ Thermocouple

1.1.1.4 Cảm biến nhiệt độ Thermocouple Loại K

Có nhiều loại thermocouple, lỗi loại được ký hiệu bằng một chữ cái (K, J, E, T,

N, R, S, B,…) cho tùy mức nhiệt độ và có thể nhận diện được chúng bằng màu dâydẫn của cảm biến Cảm biến nhiệt độ loại K là loại có 2 dây ra, tín hiệu đưa về là dạngđiện áp mV, đối với loại K thì điện áp thay đổi là từ 0-50mV Nhiệt độ tăng thì áp sẽtăng Cảm biến nhiệt độ thermocouple loại K (cặp nhiệt điện loại K) là loạithermocouple được sử dụng phổ biến nhất trong các ngành công nghiệp bởi ưu điểmbền và đo được ở nhiệt độ cao

Thông số sản phẩm:

Loại K Type

Dải nhiệt độ đo : 0-400°C

Đường kính đầu đo: 6mm

chất liệu và chiều dài: thép không gỉ 3M

Hình 3-12 Cảm biến nhiệt độ Thermocouple Loại K

1.9Bộ chuyển tín hiệu cho cảm biến nhiệt độ

1.1.7 Mạch chuyển tín hiệu RTD to Digital MAX31865 PT100/PT1000

Mạch chuyển tín hiệu RTD to Digital MAX31865 PT100/PT1000 được sử dụngđể khuếch đại và chuyển tín hiệu từ các loại cảm biến Platinum RTD nhưPT100/PT1000 sang Digtal chuẩn giao tiếp SPI để có thể dễ dàng giao tiếp với Vi điềukhiển Arduino, mạch có chất lượng linh kiện và gia công tốt, độ bền và độ ổn địnhcao, phù hợp cho các ứng dụng đo nhiệt độ cần độ chính xác cao sử dụngPT100/PT1000

Thông số kĩ thuật:

- IC chính: RTD to Digital MAX31865

- Điện áp sử dụng: 3~5VDC

- Điện áp giao tiếp: 3~5VDC

- Sử dụng cho các loại cảm biến RTD: PT100 / PT1000,

- Chuẩn giao tiếp: SPI

- Kích thước: 28 x 26mm

Hình3-13 Bộ chuyển tín hiệu MAX31865 PT100/PT1000

1.1.8 Mạch khuếch đại tín hiệu Max6675 dùng cho cảm biến cặp nhiệt điện

Mạch khuếch đại tín hiệu Max6675 là một công cụ chuyển đổi tín hiệu điện áp từcặp nhiệt điện (loại K) thành tín hiệu số (ADC) Max6675 cho vi điều hiển bao gồmcác cảm biến bù nhiệt, điều chỉnh, điều khiển kỹ thuật số và giao tiếp SPI

Thông số kĩ thuật:

- Áp hoạt động: 3V đến 5.5V

- Thích hợp với cặp nhiệt điện loại K

- Tích hợp bù nhiệt bên trong

- Độ phân giải 12bit

- Nhiệt độ hoạt động: -20 ~ 85 độ C

- Tầm đo: 0 ~ 700 độ C

- Giao tiếp SPI

Hình 3-14 Bộ chuyển tín hiệu Max6675

1.10 Cảm biến đo dòng điện Hall ACS712 20A

Module cảm biến dòng điện ACS712 20A sử dụng IC ACS712ELC-20B dựatrên hiệu ứng Hall chuyển dòng điện cần đo thành giá trị hiệu điện thế

ACS712 là IC cảm biến dòng tuyến tính dựa trên hiệu ứng Hall Các chânACS712 sẽ xuất ra một tín hiệu analog ở chân Vout biến đổi tuyến tính theo Ip (dòngđiện cần đo) được lấy mẫu thứ cấp DC(hoặc AC) trong phạm vi cho phép Tụ Cf(theo

sơ đồ) dùng để chống nhiễu

Hình 3-15 Sơ đồ mạch cảm biến đo dòng điện Hall ACS712

 Ưu điểm và thông số kĩ thuật:

- Đường tín hiệu Analog có độ nhiễu thấp

- Thời gian tăng của đầu ra để đáp ứng với đầu vào là 5µs

- Nguồn : 5VDC

- Điện trở dây dẫn trong là 1.2mΩ

- Độ nhạy đầu ra từ 63-190mV/A

- ACS 712 20A (x20B):

- Điện áp ra cực kỳ ổn định

- Ip: 20A đến - 20A

- Độ nhạy: 180 - 190 mV/A

Hình 3-16 Cảm biến đo dòng điện Hall ACS712

1.11 Cảm biến đo áp 0-25V DC

Module đo điện áp 0-25V DC thích hợp cho vi điều khiển, mạch sử dụng nguồnarduino, nhỏ gọn, chi phí thấp

Thông sô kĩ thuật:

- Điện áp phạm vi phát hiện: DC 0.02445V

- Dải điện áp đầu vào: 0 - 25 V DC

- Điện áp analog độ phân giải: 0.00489 V

- Giao Diện đầu ra:

- "+" kết nối với 5/3 3 V

- "s" kết nối với AD pins

- "-" kết nối với GND

- DC giao diện đầu vào: màu đỏ cực dương với VCC, cực âm với GND

- Cũng có thể sử dụng I2C LCD1602 để hiển thị điện áp

Hình 3-17 Cảm biến đo áp 0-25V DC

1.12 Động cơ AC

1.1.9 Khái niệm

Động cơ AC (hay động cơ điện xoay chiều) là động cơ điện được dẫn động bằngdòng điện xoay chiều (AC)

1.1.10 Cấu tạo

Động cơ AC sẽ bao gồm hai phần cơ bản, một stator bên ngoài có các cuộn dây được cấp dòng xoay chiều để tạo ra từ trường quay và một rotor bên trong được gắn vào trục đầu ra tạo ra từ trường quay thứ hai Từ trường rotor có thể được tạo ra bởi các nam châm vĩnh cửu, hoặc cuộn dây điện DC hoặc AC

1.1.11 Nguyên lí làm việc của động cơ

Hai loại động cơ AC thường được sử dụng là động cơ cảm ứng điện từ và động

cơ đồng bộ Động cơ cảm ứng điện từ (hoặc động cơ không đồng bộ) thường phụthuộc vào sự khác biệt nhỏ về tốc độ giữa từ trường quay stator và tốc độ trục rotorđược gọi là sự trượt tạo ra dòng điện cảm ứng trong cuộn dây rotor Kết quả là, động

cơ cảm ứng điện từ không thể tạo ra moment xoắn bằng với tốc độ đồng bộ khi hiệntượng cảm ứng (hoặc trượt) không liên quan quan hoặc ngừng tồn tại Ngược lại, động

cơ đồng bộ không phụ thuộc vào cảm ứng điện từ - trượt trong hoạt động và sử dụngnam châm vĩnh cửu, các cực từ lồi hoặc cuộn dây rôto độc lập Động cơ đồng bộ tạo ramô-men xoắn danh định bằng chính xác với tốc độ đồng bộ Hệ thống động cơ đồngbộ nguồn đôi rô-to dây quấn không chổi than có một cuộn dây rôto độc lập được kíchthích không phụ thuộc vào nguyên tắc cảm ứng - trượt của dòng điện Động cơ đồngbộ nguồn đôi rotor dây quấn không chổi than là động cơ đồng bộ có thể hoạt độngbằng chính xác tần số nguồn cấp hay bằng bội số của tần số cung cấp Các loại động

cơ khác bao gồm động cơ dòng điện xoáy, máy móc chuyển mạch cơ học AC và DC,trong đó tốc độ phụ thuộc vào kết nối cuộn dây và điện áp

Hình 3-18 Máy bơm 220V

1.13 Van điện từ 24V

Van Solenoid (Solenoid valve) là loại van được đóng, mở van bằng nam châmđiện khi điện áp 24V vì vậy có cơ chế đóng mở rất nhanh, độ hoạt động ổn định, độbền cao, tốn ít năng lượng và có cấu tạo đơn giản trong vá trình vận hành và bảo trìvan khi hư hỏng

Van điện từ chịu nhiệt TPC DWS-10 có ưu điểm chịu được nhiệt độ từ 0 đến 180độ C nên được sử dụng cho dự án lần này dùng để đóng mở việc lưu thông và điều tiếtdầu trong đường ống

Hình 3-19 Van điện từ

1.14 Mạch thu phát RF UART Lora SX1278 433Mhz 3000m

1.1.12 Khái niệm

Mạch thu phát RF UART Lora SX1278 433Mhz 3000m sử dụng chip SX1278của nhà sản xuất SEMTECH chuẩn giao tiếp LORA (Long Range Radio), chuẩnLORA mang đến hai yếu tố quan trọng là là tiết kiệm năng lượng và khoảng cách phátsiêu xa ( Ultimate long range wireless solution), ngoài ra nó còn có khả năng cấu hìnhbằng phần mềm riêng để tạo thành mạng nên hiện tại được phát triển và sử dụng rấtnhiều trong các nghiên cứu về IoT

Mạch thu phát RF UART Lora SX1278 433Mhz 3000m được tích hợp phầnchuyển đổi giao tiếp SPI của SX1278 sang UART giúp việc giao tiếp và sử dụng rất dễdàng, thuận tiện, chỉ cần kết nối với Software của hãng để cấu hình địa chỉ , tốc độ vàcông suất truyền là có thể sử dụng Băng tần làm việc của LoRa từ 430MHz đến915MHz cho từng khu vực khác nhau

1.1.13 Nguyên lí hoạt động

Lora sử dụng giải thuật điều chế Chirp Spread Spectrum: dữ liệu liệu sẽ đượcbăm ra bằng các xung cao tần để tạo ra tín hiệu có dãi tần số cao hơn tần số của dữ liệugốc sau đó tín hiệu cao tần này tiếp tục được mã hoá theo các chuỗi chirp signal trướckhi truyền ra anten để gửi đi.

1.1.14 Thông số kĩ thuật

Thông số kĩ thuật:

- Model: E32-TTL-100 RF

- IC chính: SX1278 từ SEMTECH

- Điện áp giao tiếp: TTL

- Điện áp hoạt đông: 2.3 - 5.5 VDC

- Giao tiếp UART Data bits 8, Stop bits 1, Parity none, tốc độ từ 1200 - 115200

- Tần số: 410 - 441Mhz

- Khoảng cách truyền tối đa trong điều kiện lý tưởng: 3000m

- Công suất: 20dbm (100mW)

- Tốc độ truyền: 0.3 - 19.2 Kbps ( mặc định 2.4 Kbps)

- 512bytes bộ đệm

- Hỗ trợ 65536 địa chỉ cấu hình

- Kích thước: 21x36mm

Lưu ý: chân M0,M1 nối GND để truyền nhận bình thường hoặt nối với GPIO của viđiều khiển để thay đổi các Mode

Hình 3-20 Mạch thu phát RF UART Lora SX1278

1.1.15 Mạch chuyển USB-UART

Cần mua thêm mạch chuyển USB-UART để kết nối máy tính Mạch chuyển giaotiếp USB UART SX1278 được sử dụng với mạch thu phát RF UART Lora SX1278 đểcó thể giao tiếp giữa mạch và máy tính thông qua cổng USB, giúp cấu hình với

Software hoặc truyền nhận dữ liệu trực tiếp với máy tính( hoặc Raspberry) dễ dàng.Mạch chuyển giao tiếp USB UART Lora SX1278 có thiết kế nhỏ gọn bao gồm

IC chuyển USB UART CP2102 có khả năng nhận Driver trên hầu hết các hệ điều hành, mạch được thiết kế thêm Jumper M0, M1 để thiếp lập các chế độ truyền nhận, cấu hình cho mạch thu phát RF UART Lora SX1278, mạch còn có led hiển thị trạng thái truyền nhận

Hình 3-21 Mạch chuyển USB-UART

Hình 3-22 Giao diện cài đặt thông số cho Lora

Hình 3-23 Các chế độ hoạt động của mạch USB-UART

Ngoài ra cần dùng anten 433Mhz 5dBi SMA giúp khuếch đại khoảng cách vàcông suất thu phát với thông số gain 5dbi, anten có chất lượng tốt, độ bền cao

Hình 3-24 Anten 433Mhz 5dBi SMA

… tất cả được tích hợp bên trong chip có điện năng thấp này Mặc dù không thể thaythế máy tính để bàn nhưng Raspberry vẫn có thể đảm nhiệm các chức năng như lướtWeb, môi trường Destop,chơi game, các tiện ích khác,… Ngoài ra với một điểm đángngạc nhiên khác là với phần cứng có giá thành rẻ nhưng lại rất hoàn hảo cho những hệthống điện tử, những dự án DIY, quản lí ở mức độ vừa phải, thiết lập hệ thống tínhtoán rẻ tiền cho những bài học trải nghiệm lập trình …

1.1.17 Thông số kĩ thuật:

Combo Raspberry Pi 3 cơ bản hiện đang cung cấp cho chúng ta các thông sốphần cứng:

- SoC 700MHz với 512MB RAM

- 1 cổng HDMI cho đầu ra âm thanh / video số

- 1 cổng video RCA cho đầu ra video Analog

- Jack Headphone Stereo 3.5mm cho đầu ra âm thanh Analog

- 02 cổng USB

- 01 đầu đọc thẻ nhớ SD để tải hệ điều hành

- 01 cổng Ethernet LAN

- 01 giao diện GPIO (General Purpose Input/Output)

- Model A cũng gần tương tự như Model B nhưng có sự thay đổi như sau

- 1 cổng USB

- Không có cổng Ethernet vì thế người dùng phải thêm Adapter USB Wi-Fi hoặcEthernet nếu cần kết nối mạng

- 256MB RAM

Các hệ điều hành hiện nay được hỗ trợ trên Raspberry như: Raspbian, Ubuntu Mate,Snappy Core Ubuntu, Windows 10 IoT Core,… nhưng phổ biến nhất vẫn là Raspbian

Hình 3-25 Raspberry Pi 3

1.16 Bộ Thermoelectric (BRICON)

Dự án được hỗ trợ bởi công ty BRICON, công ty được thành lập năm 2008 với tưcách là nhóm chuyên gia về xây dựng cầu và R & D về công nghệ năng lượng tái tạotại Hàn Quốc Thiết bị là một module tạo ra điện bằng chất bán dẫn sử dụng sự chênhlệch nhiệt độ chất lỏng ( hiệu ứng Peltier-Seebeck )

Hình 3-26 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động bộ Thermoelectric

Ưu điểm:

- Giảm chi phí sử dụng điện

- Tận dụng được nguồn năng lượng có sẵn

- Góp phần bảo vệ môi trường

Hình 3-27 Bộ Thermoelectric

Ta có thể lắp nhiều module lại với nhau để tạo ra nguồn điện năng lớn hơn.

Hình 3-28 Các thông tin thực nghiệm tại công ty BRICON

1.17 Máy nước nóng năng lượng mặt trời

1.1.18 Khái niệm

Máy nước nóng năng lượng mặt trời hay bình nước nóng năng lượng mặt trời làmột thiết bị hoạt động phụ thuộc vào nguồn năng lượng ánh sáng mặt trời, với nhiềutính năng ưu việt (thân thiện môi trường, tiết kiệm năng lượng,… ) nên máy nướcnóng năng lượng mặt trời là thiết bị được nhiều hộ gia đình ưu tiên lựa chọn trong sinhhoạt hằng ngày

Các loại máy nước nóng năng lượng mặt trời có mặt hiện nay:

- Máy nước nóng năng lượng mặt trời ống chân không

- Máy nước nóng năng lượng mặt trời dạng ống dầu.

- Máy nước nóng năng lượng mặt trời loại tấm phẳng

Các tiêu chí cần quan tâm khi lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời:

- Vị trí lắp đặt

- Giá bán của sản phẩm

- Dung tích bồn chứa

- Chất liệu bồn bảo ôn

- Lõi bồn bảo ôn

- Lớp cách nhiệt Polyurethane

- Ống thu nhiệt

- Bộ hỗ trợ nhiệt và chống giật

- Chế độ bảo hành

1.1.19 Máy nước nóng năng lượng mặt trời ống chân không

1.1.1.5 Cấu tạo

Hình 3-29 Cấu tạo và sơ đồ lặp đặt bộ máy nươc nóng NLMT

Cấu tạo bình bảo ôn:

- Được làm bằng chất liệu INOX SUS 304 siêu bền, cao cấp

- Cách nhiệt qua chất bảo ôn phức tạp

- Hệ số dẫn nhiệt < 0,017 kW/mk

- Chịu nhiệt đến 160 độ

- Duy trì độ nóng của nước trong thời gian lâu dài.

3-30 Cấu tạo bình bảo ôn

Cấu tạo ống thủy tinh chân không:

- Ống hấp thụ nhiệt có cấu tạo 2 lớp có khả năng hấp thụ nhiệt và chịu vađập, ở giữa là chân không

- Công nghệ giúp tăng hiệu suất hấp thụ lên 96%

Hình 3-31 Cấu tạo ống thủy tinh chân không

Hình 3-32 Bộ máy nươc nóng năng lượng mặt trời

1.1.20 Nguyên lí hoạt động

Khi nước được cấp đầy vào bồn chứa phía trên thì nước sẽ tràn đầy vào các ốngthủy tinh chân không bên dưới Vì các ông chân không này được đặt nằm nghiêng mộtgóc so với mặt phẳng ngang (thường là góc 45 độ) nên các ống chân không này muốnđầy nước bắt buộc bọt khí phải di chuyển lên phía trên ống Vào những thời điểm nhiệtđộ lên cao hay khi có ánh nắng mặt trời chiếu vào mặt ngoài của ống thủy tinh sẽ đượclớp vật liệu hấp thụ nhiệt và làm cho bên trong ống thủy tinh chân không nóng lên, sauđó truyền nhiệt vào nước khiến nước nóng lên và bắt đầu di chuyển lên phía trên bồn(nước nóng thường sẽ nổi lên bề mặt) Nhưng nhược điểm là dễ bám bụi, rong rêu nênphải vệ sinh thường xuyên

Hình 3-33 Nguyên lí hoạt động bộ máy nước nóng NLMT

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

1.18 Thiết kế phần cứng

Hình 4-1 Sơ đồ thiết kế

 Hệ thống được thiết kế nhằm giảm thời gian thông qua việc dùng dầu hỗtrợ làm nóng nước, tăng sự chênh lệch nhiệt độ, nhiệt độ của dầu ( ở đây là dầutruyền nhiệt) lên đến 300 độ C so với nước lạnh thay vì chỉ dùng sự chênh lệchgiữa nước nóng và nước lạnh

 Đường ống dầu được điều tiết bởi hai van:

- Van 1: giúp dầu sẽ đi qua máng để tăng nhiệt độ

- Van 2: giúp dầu truyền nhiệt làm nóng nước trong bồn chưa khi dầu

ở nhiệt độ nhất định

Hình 4-2 Giao diện thiết kế máng dầu

 Lắp đặt bộ nước nóng của Tân Á Đại Thành 130L 12 ống chân không có phi58mm