Thiết kế và thi công hệ thống chăm sóc hồ thủy sinh tự động và được giám sát từ xa

Xã hội ngày càng phát triển, khoa học kỹ thuật ngày càng tiên tiến và sựphát triển không ngừng của kinh tế. Tất cả những điều trên, tác động không nhỏđến nhu cầu về vật chất và tinh thần của con người. Điều đó được chứng minhqua: Ăn uống phải an toàn, ngon miệng; giáo dục có chất lượng phải đạt chuẩncủa khu vực, quốc tế; sức khỏe phải được chăm sóc nhưng điều kiện tốt nhất vàđặc biệt là tinh thần phải được thoải mái, an lành.Hiện nay, sự phát triển của internet, mạng xã hội đã làm thay đổi thói quensinh hoạt, làm việc và giải trí của con người. Thế giới và cả việt nam có rất nhiềungười đã và đang thư giản, giảm căng thẳng bằng cách lên internet xem tin tức,đọc báo, tham gia vào mạng xã hội, nhưng đôi khi lại gây ra các mâu thuẫnkhông cần thiết. Nhưng cũng không ít người chọn sở thích tránh xa công nghệđể hòa mình vào thiên nhiên như trồng rau, nuôi cá cảnh, câu cá, trồng lan, …Nội dung của đề tài là áp dụng những kiến thức điện tử đã học để thiết kếmạch đo các chỉ số môi trường. Mạch gồm các cảm biến nhiệt độ, độ đục củanước, cảm biến mực nước giao tiếp với bộ điều khiển trung tâm là Aduino Mega2560. Aduino Mega 2560 xử dụng các dữ liệu, tín hiệu nhận được để tiến hànhđiều khiển servo, relay đóng tắt các thiết bị. Hệ thống còn cho phép cài đặt thờigian vận hành bằng các nút nhấn có trên mạch điều khiển. Mặt khác, Hệ thốngkhông chỉ hiển thị các dữ liệu thông qua LCD 20x4, mạch còn giám sát dữ liệuqua Web nhờ module ESP8266. Mô hình cũng được thiết kế dạng một hồ thủysinh nhỏ, trên hồ lắp đặt mạch điều kiển và các thiết bị hỗ trợ cho việc chăm sóchồ. Số liệu hiển thị trên trên LCD và Web trực quan, dễ nhìn.

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y

SINH

NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện - Điện tử Mã ngành: 141

I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG CHĂM SÓC HỒ

THỦY SINH TỰ ĐỘNG VÀ ĐƯỢC GIÁM SÁT TỪ XA

II NHIỆM VỤ

Nội dung thực hiện:

- Đọc các tài liệu, đồ án tốt nghiệp, đề tài

- Tìm hiểu cách thức hoạt động của các cảm biến sử dụng

- Tìm hiểu các chuẩn truyền thông như UART, I2C

- Thiết kế giao diện để giám sát: Web giám sát dữ liệu đo được từ cảm biến

- Thiết kế và thi công mô hình hồ thủy sinh

- Tính toán các thông số quy đổi cho các cảm biến

- Viết chương trình điều khiển cho Arduino, ESP8276, nạp code và chạy thử nghiệm sản phẩm, chỉnh sửa và hoàn thiện hệ thống

- Thực hiện viết sách luận văn báo cáo

- Tiến hành báo cáo đề tài tốt nghiệp

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 03/08/2020

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Trần Vi Đô

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y

SINH

NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG CHĂM SÓC HỒ THỦY SINH

TỰ ĐỘNG VÀ ĐƯỢC GIÁM SÁT TỪ XA

(11/03 – 07/04)

Viết code arduino và chạy thử nghiệm một số cảm biến liên quan đến đề tài

Báo cáo tiến độ với GVHD

Tuần 8 (08/04 - 14/04) Viết báo cáo chương 1, 2 và báo cáo tiến

độ với GVHD

Tuần 10, 11, 12, 13

(22/04 - 19/05)

Thiết kế mạch nguyên lý Làm mạch thử nghiệm trên test board Tuần 14

(20/05 - 26/05)

Thiết kế mạch PCB Báo cáo tiến độ với GVHD Tuần 15, 16, 17

(27/05 – 16/06)

Tạo cơ sở dữ liệu Thiết kế website Tuần 18 (17/06 – 22/06) Giao tiếp module wifi với Internet và tiến

hành gửi dữ liệu lên web

Báo cáo tiến độ với GVHD

Tuần 19 ,20

(23/06 – 06/07)

Thi công mô hình Báo cáo tiến độ với GVHD Tuần 21, 22

(07/07 – 20/07)

Tổng hợp code toàn mạch Kiểm tra và chỉnh sửa toàn mạch Tuần 23

(21/07 – 27/07)

Hoàn thành bài báo cáo

Gặp GVHD để báo cáo tiến độ

Đề tài này là do tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó

Người thực hiện đề tài

Vũ Viết Quyết Nguyễn Minh Trí

Lời đầu tiên, chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trong

Bộ môn Điện Tử Công Nghiệp – Y Sinh nói riêng và các thầy cô giáo trong Khoa Điện – Điện Tử nói chung Các thầy cô đã nhiệt tình giúp đỡ chúng em về các kiến thức liên quan tới lĩnh vực nghiên cứu của đề tài trong thời gian thực hiện đề tài, cũng như các kiến thức mà các thầy cô đã truyền đạt cho chúng em trong suốt thời gian học tập tại trường

Xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến giáo viên hướng dẫn TS Trần Vi Đô

đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, cung cấp các kiến thức quan trọng tạo điều kiện thuận lợi trong thời gian thực hiện đề tài

Chúng em gửi lời cảm ơn ba mẹ và người thân đã đồng hành và động viên trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Chúng em cũng gửi lời đồng cảm ơn đến các bạn lớp 16141DT đã chia sẻ trao đổi kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu trong quá trình thực hiện

đề tài

Xin chân thành cảm ơn!

Người thực hiện đề tài

Vũ Viết Quyết Nguyễn Minh Trí

LỜI CAM ĐOAN iv

LỜI CẢM ƠN v

MỤC LỤC vi

LIỆT KÊ HÌNH VẼ viii

TÓM TẮT xi

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 MỤC TIÊU 1

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2

1.4 GIỚI HẠN 2

1.5 BỐ CỤC 2

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 QUY TRÌNH LÀM MỘT HỒ THỦY SINH 4

2.1.1 Giới thiệu hồ thủy sinh 4

2.1.2 Các bước cơ bản làm một hồ thủy sinh 5

2.1.3 Điều kiện cần và đủ để có những hồ thủy sinh đẹp 6

2.1.4 Một số loại cây và động vật thủy sinh nuôi trồng 6

2.1.5 Mô tả quy trình chăm sóc tự động 9

2.1.6 Quy trình hoạt động của hệ thống 9

2.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 10

2.2.1 Cảm biến và hiển thị 10

2.2.2 Vi điều khiển 17

2.2.3 Thiết bị công suất 21

2.2.4 Cơ sở dữ liệu 27

2.2.5 Các giao thức 27

2.2.6 Phần mềm và ngôn ngữ lập trình 31

Chương 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 34

3.1 GIỚI THIỆU 34

3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 34

3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 34

3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch 35

3.2.3 Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch 45

3.3 Lập trình hệ thống 47

Chương 4 THI CÔNG HỆ THỐNG 60

4.1 GIỚI THIỆU 60

4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG 60

4.2.1 Thi công bo mạch 60

4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra bo mạch 62

4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH 63

4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển 64

4.3.2 Thi công mô hình 64

4.4 THIẾT KẾ WEBSITE 66

4.5 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC 70

Chương 5 KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 72

5.1 KẾT QUẢ THỰC TẾ 72

5.2 ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG Hệ thống có thể: 74

Chương 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 75

6.1 KẾT LUẬN 75

6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

PHỤ LỤC 77

Hình 2-1 Hồ thủy sinh 5

Hình 2-2 Mô hình lắp đặt hồ thủy sinh 6

Hình 2-3 Dương sỉ Thors Hammer 7

Hình 2-4 Rong tiểu bảo tháp 7

Hình 2-5 Cá Tỳ Bà Bướm 8

Hình 2-6 Tép đỏ SRC 9

Hình 2-7 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 10

Hình 2-8 Cảm Biến độ đục của nước Water Turbidity Sensor DFRobot 12

Hình 2-9 Máy Đo Độ Đục Tiêu Chuẩn ISO HI98703-2 13

Hình 2-10 Mẫu thử độ đục 13

Hình 2-11 Cảm biến mực nước XKC-Y26-NPN 14

Hình 2-12: Ảnh minh họa LCD20x4 15

Hình 2-13 Sơ đồ giao tiếp I2C 16

Hình 2-14 Kết nối I2C với LCD 16

Hình 2-15 Sơ đồ chân cảu ESP8266 Node MCU 18

Hình 2-16 Board Arduino Mega 2560 R3 20

Hình 2-17 Sơ đồ chân Arduino Mega 2560 R3 21

Hình 2-18 Máy lọc thác ZY-003 21

Hình 2-19 Đèn led kẹp 22

Hình 2-20 Máy bơm MB-AC25CD 23

Hình 2-21 Quạt tản nhiệt nước 23

Hình 2-22 Động cơ Servo 24

Hình 2-23 Module 4 Relay 25

Hình 2-24 Module Dimmer DR20 26

Hình 2-25 Sơ đồ nguyên lý Module Dimmer DR20 26

Hình 2-26 Nút nhấn nhả 12mm 27

Hình 2-27 Cơ sở dữ liệu MySQL hiển thị trên công cụ phpMyAdmin 27

Hình 2-28 Sơ đồ truyền UART 28

Hình 2-29 Kết nối UART 29

Hình 2-30 Wifi kết nối 29

Hình 2-32 Cửa sổ làm việc phần mềm Arduino IDE 31

Hình 2-33 Trang chủ download phần mềm Xampp 32

Hình 3-1 Sơ đồ khối hệ thống 34

Hình 3-2 Sơ đồ chân Arduino Mega 2560 36

Hình 3-3 Sơ đồ chân ESP8266 36

Hình 3-4 Trình quản lý hosting 37

Hình 3-5 Tạo Database mới, bảng mới và tùy chỉnh thông số 37

Hình 3-6 Bảng đăng nhập sau khi tạo 38

Hình 3-7 Bảng data sau khi tạo 38

Hình 3-8 Cửa sổ SQL để thực hiện các lệnh trong Database 39

Hình 3-9 Sơ đồ kết nối của 3 module cảm biến với Arduino Mega 2560 41

Hình 3-10 Sơ đồ nguyên lý của Dimer 41

Hình 3-11 Sơ đồ chân Opto 42

Hình 3-12: Sơ đồ nguyên lý của module 4 Relay có opto cách ly 43

Hình 3-13 Adapter 5VDC – 4A 44

Hình 3-14 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống 45

Hình 3-15 Lưu đồ giải thuật chương trình chính Arduino Mega 2560 47

Hình 3-16 Lưu đồ giải thuật chương trình con nhận dữ liệu từ ESP 48

Hình 3-17 Lưu đồ giải thuật chương trình con cảm biến nhiệt độ, độ đục 49

Hình 3-18 Lưu đồ giải thuật chương trình con gửi dữ liệu ESP 49

Hình 3-19 Lưu đồ giải thuật chương trình con điều khiển cho ăn 50

Hình 3-20 Lưu đồ giải thuật chương trình con điều khiển thay nước 51

Hình 3-21 Lưu đồ giải thuật chương trình con điều khiển bật tắt đèn 52

Hình 3-22 Lưu đồ giải thuật chương trình con điều khiển bật tắt quạt 53

Hình 3-23 Lưu đồ giải thuật chương trình chính ESP8266 54

Hình 3-24 Lưu đồ giải thuật chương trình con kết nối Wifi 54

Hình 3-25 Lưu đồ giải thuật chương trình con cập nhật thời gian 55

Hình 3-26 Lưu đồ giải thuật chương trình con chỉnh thời gian cài đặt 56

Hình 3-27 Lưu đồ giải thuật chương trình con nhận dữ liệu 57

Hình 4-1 Lớp dưới PCB toàn mạch 61

Hình 4-2 Lớp trên PCB sau khi hàn mạch 62

Hình 4-3 Lắp đặt linh kiên sau khi hàn mạch 63

Hình 4-4 Mặt trước, mất sau của hộp điều khiển 63

Hình 4-5 Mặt trước của hộp điều khiển thực tế 64

Hình 4-6 Mặt trước của mô hình thực tế 64

Hình 4-7 Mặt sau của mô hình thực tế 65

Hình 4-8 Mặt trên của mô hình thực tế 65

Hình 4-9 Cửa sổ đăng nhập 66

Hình 4-10 Cửa sổ đăng ký tài khoản mới 67

Hình 4-11 Cửa sổ sau khi đăng nhập với quyền Admin 67

Hình 4-12: Cửa sổ hiển thị dữ liệu với quyền Admin 68

Hình 4-13 Cửa sổ xóa dữ liệu với quyền Admin 68

Hình 4-14 Cửa sổ hiển thị dữ liệu với quyền Admin sau khi xóa dữ liệu 69

Hình 4-15 Cửa sổ sau khi đăng nhập với quyền bình thường 69

Hình 4-16 Cửa sổ hiển thị dữ liệu với quyền bình thường 70

Hình 4-17 Cửa sổ làm việc phần mềm Xampp 71

Hình 4-18 Khởi chạy chương trình Apache và MySQL 71

Hình 5-1 Kết quả sau khi thi công 72

Hình 5-2 Kết quả hiển thị trên LCD trên mô hình 72

Hình 5-3 Kết quả hiển thị trên Website 73

Hình 5-4 Kết quả thực hiện điều chỉnh chế độ và cài đặt thời gian 73

LIỆT KÊ BẢNG Bảng 2.1: So sánh thông số ESP-01, ESP-12E Node MCU, Wemos D1 Mini 18

Bảng 2.2: Chức năng chi tiết từng chân của Board ESP-12E Node MCU: 19

Bảng 3.1: Dòng điện và điện áp làm việc của các linh kiện 44

Bảng 4.1: Danh sách các linh kiện 60

Xã hội ngày càng phát triển, khoa học - kỹ thuật ngày càng tiên tiến và sự phát triển không ngừng của kinh tế Tất cả những điều trên, tác động không nhỏ đến nhu cầu về vật chất và tinh thần của con người Điều đó được chứng minh qua: Ăn uống phải an toàn, ngon miệng; giáo dục có chất lượng phải đạt chuẩn của khu vực, quốc tế; sức khỏe phải được chăm sóc nhưng điều kiện tốt nhất và đặc biệt là tinh thần phải được thoải mái, an lành

Hiện nay, sự phát triển của internet, mạng xã hội đã làm thay đổi thói quen sinh hoạt, làm việc và giải trí của con người Thế giới và cả việt nam có rất nhiều người đã và đang thư giản, giảm căng thẳng bằng cách lên internet xem tin tức, đọc báo, tham gia vào mạng xã hội, nhưng đôi khi lại gây ra các mâu thuẫn không cần thiết Nhưng cũng không ít người chọn sở thích tránh xa công nghệ

để hòa mình vào thiên nhiên như trồng rau, nuôi cá cảnh, câu cá, trồng lan, …

Nội dung của đề tài là áp dụng những kiến thức điện tử đã học để thiết kế mạch đo các chỉ số môi trường Mạch gồm các cảm biến nhiệt độ, độ đục của nước, cảm biến mực nước giao tiếp với bộ điều khiển trung tâm là Aduino Mega

2560 Aduino Mega 2560 xử dụng các dữ liệu, tín hiệu nhận được để tiến hành điều khiển servo, relay đóng tắt các thiết bị Hệ thống còn cho phép cài đặt thời gian vận hành bằng các nút nhấn có trên mạch điều khiển Mặt khác, Hệ thống không chỉ hiển thị các dữ liệu thông qua LCD 20x4, mạch còn giám sát dữ liệu qua Web nhờ module ESP8266 Mô hình cũng được thiết kế dạng một hồ thủy sinh nhỏ, trên hồ lắp đặt mạch điều kiển và các thiết bị hỗ trợ cho việc chăm sóc

hồ Số liệu hiển thị trên trên LCD và Web trực quan, dễ nhìn

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Xã hội ngày càng phát triển, khoa học - kỹ thuật ngày càng tiên tiến và sự phát triển không ngừng của kinh tế Tất cả những điều trên, tác động không nhỏ đến nhu cầu về vật chất và tinh thần của con người Điều đó được chứng minh qua: Ăn uống phải an toàn, ngon miệng; giáo dục có chất lượng phải đạt chuẩn của khu vực, quốc tế; sức khỏe phải được chăm sóc nhưng điều kiện tốt nhất và đặc biệt là tinh thần phải được thoải mái, an lành

Hiện nay, sự phát triển của internet, mạng xã hội đã làm thay đổi thói quen sinh hoạt, làm việc và giải trí của con người Thế giới và cả việt nam có rất nhiều người

đã và đang thư giản, giảm căng thẳng bằng cách lên internet xem tin tức, đọc báo, tham gia vào mạng xã hội, nhưng đôi khi lại gây ra các mâu thuẫn không cần thiết Nhưng cũng không ít người chọn sở thích tránh xa công nghệ để hòa mình vào thiên nhiên như trồng rau, nuôi cá cảnh, câu cá, trồng lan, …

Từ hướng tiên phong đó, cùng với kinh nghiệm và các kiến thức đã tích lũy được, nhóm làm đề tài kiến nghị thực hiện việc thiết kế và thi công một hệ thống liên quan đến sở thích thư giãn của con người Hệ thống có tên là: “Thiết kế và thi công

hệ thống chăm sóc hồ thủy sinh tự động và được giám sát từ xa”, có khả năng thông báo tình trạng hồ thủy sinh đến với người chăm sóc thông qua màn hình LCD và website

1.2 MỤC TIÊU

Thiết kế và thi công hệ thống chăm sóc hồ thủy sinh gồm các mục tiêu cụ thể:

• Tìm hiểu được về sự sinh trưởng của các loại cây cảnh thủy sinh, các loài động vật thủy sinh mong muốn nuôi trồng để từ đó nắm bắt được những điều kiện nhiệt độ, ánh sáng, môi trường nước, … thích hợp với sự phát triển của chúng sau này

• Viết được chương trình giao tiếp giữa module NodeMCU ESP8266 và Arduino Mega 2560

• Thiết kế được hệ thống tự động chăm sóc hồ thủy sinh thông qua việc giám sát các thông số nhiệt độ, độ đục của nước và cho động vật thủy sinh ăn

• Cập nhật được dữ liệu lên database để người dùng có thể giám sát trạng thái nhiệt độ, độ đục môi trường nước trong hồ thông qua mạng Internet

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Trong quá trình thực hiện Đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Thiết kế và thi công hệ thống chăm sóc hồ thủy sinh tự động và được giám sát từ xa”, nhóm chúng em đã tập trung giải quyết và hoàn thành được những nội dung sau:

• NỘI DUNG 1: Kết nối Arduino Mega 2560 với ESP8266

• NỘI DUNG 2: Kết nối Node MCU ESP8266 với Database để cập nhật dữ liệu lên Internet, dùng cho việc hiển thị thông số nhiệt độ, độ đục trên website

• NỘI DUNG 3: Nghiên cứu xây dựng webserver giám sát hệ thống

• NỘI DUNG 4: Thiết kế mô hình hệ thống

• NỘI DUNG 5: Nguyên cứu, lập trình Arduino Mega 2560 thu thập dữ liệu cảm biến và điều khiển các thiết bị hỗ trợ

• NỘI DUNG 6: Thi công phần cứng, chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống

• NỘI DUNG 7: Đánh giá kết quả thực hiện

1.4 GIỚI HẠN

Các giới hạn của đề tài bao gồm:

• Kích thước phần mô hình hồ thủy sinh nhỏ: 25cm x 35cm x 25cm được làm bằng thủy tinh

• Hệ thống dùng điện dân dụng 220VAC không dùng pin

• Một số yếu tố môi trường khác chưa được xử lý như: độ hòa tan của khí cacbon dioxit, độ pH của nước, …

1.5 BỐ CỤC

Đề tài: “Thiết kế và thi công hệ thống chăm sóc hồ thủy sinh tự động và được giám sát từ xa” có bố cục gồm các chương:

• Chương 1: Tổng Quan

• Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

• Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán

• Chương 4: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá

Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Giới thiệu các kiến thức liên quan tới đề tài, giới thiệu các linh kiện, thiết bị sử dụng để thiết kế hệ thống, các loại giao thức sử dụng

Chương 3: Thiết kế Và Tính Toán

Tính toán các thông số điện áp, dòng điện, công suất tiêu thụ các linh kiện để đưa ra sơ đồ nguyên lý

Chương 4: Thiết Kế Hệ Thống

Thiết kế hệ thống phần cứng, lưu đồ giải thuật và chương trình

Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét, Đánh Giá

Đưa ra các kết quả đạt được của hệ thống sau một thời gian hoạt động, các hình ảnh về mô hình hệ thống, đưa ra các nhận xét, đánh giá các số liệu đạt được

Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển

Trình bày các kết luận về hệ thống những gì đã làm được, chưa làm được và hướng cải tiến, phát triển hệ thống

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 QUY TRÌNH LÀM MỘT HỒ THỦY SINH

2.1.1 Giới thiệu hồ thủy sinh

Hồ thủy sinh là hồ độc đáo bằng kính được thiết kế để nuôi trồng các loại cây cây thủy sinh và đông vật thủy sinh Phụ kiện hồ thủy sinh bao gồm hệ thống lọc nước, đèn chiếu sáng, đất nền thủy sinh có dưỡng chất để trồng các loại cây sống trong nước (phân nền thủy sinh - chỗ mua hồ thủy sinh có bán nền hồ thủy sinh),

bố cục hồ thủy sinh thường được trang trí thêm đá, lũa và các loại cá cho sinh động, (màu nền hồ cá thường làm màu đen hoặc để trống) [1]

• Cây thủy sinh là những loại cây sống ngập trong nước hoàn toàn, bao gồm các loại cây, cỏ, rong, rêu, dương sĩ sống ngoài thiên nhiên ở những vùng ngập nước quanh năm Một số loại chỉ có một phần than ngập nước người

ta gọi là cây thủy sinh bán cạn, loại này thường sống những vùng có thủy triều lên xuống Hiện nay những nơi bán hồ thủy sinh thường có bán khoảng 20 loại cây thủy sinh dễ trồng

• Chọn cá cảnh trong hồ thủy sinh cho phù hợp về chủng loại và số lượng, hiện trên thị trường có khoảng gần 100 loại cá cảnh cho hồ thủy sinh, phổ biến là các loại cá cảnh hồ thủy sinh đi theo đàn như neon, tam giác, hồng nhung, hồng kỳ, … cá vệ sinh hồ cá cảnh cho đá, lũa như nô lệ, bút chì, chuột thái, người yêu thích cá cảnh nuôi trong hồ thủy sinh loại lớn có thể nuôi cá dĩa, hỏa tiển, nàng hai trong hồ thủy sinh (xem thêm ở các web thủy sinh và diễn đàn hồ thủy sinh)

Hình 2-1 Hồ thủy sinh

2.1.2 Các bước cơ bản làm một hồ thủy sinh

Để làm hồ thủy sinh bạn chỉ cần nắm các bước cơ bản sau:

• Chọn không gian, chủng loại và kích thước để đặt hồ thủy sinh

• Chuẩn bị hồ kính: Có thể đặt mua hồ cá cảnh thủy sinh hoặc tự làm hồ, yêu cầu sao cho hồ kiếng nuôi cá cảnh có bộ lọc và đèn phù hợp để đảm bảo an toàn, kỹ thuật và thẩm mỹ

• Lọc nước cho hồ thủy sinh thường làm lọc tràn, vì ngoài chức năng lọc nước hồ thủy sinh thì lọc tràn còn có nhiệm vụ lọc những lá cây mục

• Cho nước và cắm cây thủy sinh vào hồ: thường thì cho nước vào khoảng 2/3 hồ rồi cắm cây thủy sinh, dùng cái nhíp (dụng cụ y tế) để cắm cây theo

bố cục mình thích, sau đó thêm đầy nước vào hồ

• Cho máy lọc nước hồ cá cảnh chạy (24/24)

• Mở đèn cho hồ thủy sinh bình quân khoảng 10 giờ mỗi ngày (tốt nhất mở

5 giờ buổi sáng, tắt 2 giờ nghỉ buổi trưa, mở thêm 5 giờ buổi chiều tối), hạn chế mở ban đêm vì có một số loại cây cần được “ngủ”

Hình 2-2 Mô hình lắp đặt hồ thủy sinh

2.1.3 Điều kiện cần và đủ để có những hồ thủy sinh đẹp

Một hồ thủy sinh đẹp và khỏe cần chú ý:

• Độ pH của nước ổn định (pH trung tính: từ 6,5 đến 7,5 là tốt)

• Nhiệt độ nước bình quân khoảng 25 đến 30 độ C

• Bố trí ánh sáng (đèn trắng) phù hợp cho các loại cây

• Thả lượng động vậy thủy sinh phù hợp và cho thức ăn vừa đủ (nên thả thêm cá dọn hồ thủy sinh)

• Nước trong hồ luôn luân chuyển (lọc 24/24)

• Thay nước 1/3 hồ/tuần/tháng đầu tiên và thay 1/3 hồ/mỗi tháng tiếp theo, mục đích nhằm thay đổi độ cứng của nước cho cây và cá khỏe hơn

2.1.4 Một số loại cây và động vật thủy sinh nuôi trồng

a Dương xỉ Thors Hammer

Dương xỉ Thors Hammer là dòng cây thủy sinh được trồng nhiều ở vị trí trung cảnh,

và thường được dùng làm trang trí các gốc lũa, đá rất đẹp Cây thủy sinh dương xỉ Thors Hammer còn thường xuyên xuất hiện trong các bố cục hồ thủy sinh bán cạn, với những tán lá rậm rạp tạo nên một cảnh thiên nhiên sống động.

Hình 2-3 Dương sỉ Thors Hammer Thông số hồ nuôi trồng:

• Ánh sáng: trung bình

• PH: 5.8-7.5

• Nhiệt độ: 22-29 độ C

• Chiều cao khi trưởng thành: 15-20cm

• Thuộc: cây thân lá

b Rong Tiểu Bảo Tháp

Với hình dáng và vẻ đẹp tuyệt vời, Cây Tiểu Bảo Tháp là một cây hậu cảnh phổ biến trong hồ thủy sinh hiện nay

Hình 2-4 Rong tiểu bảo tháp

Hình 2-6 Tép đỏ SRC Thông số hồ nuôi trồng:

• Thông số PH: 6.0-7.0

• Thông số nhiệt độ hồ nuôi: 24-29 độ C

2.1.5 Mô tả quy trình chăm sóc tự động

Quy trình chăm sóc hồ thủy sinh như sau:

• Khi nhiệt độ hồ thủy sinh cao hơn mức sống bình thường của sinh vật trong hồ, thì quạt tản nhiệt sẽ bật để làm giảm nhiệt độ của nước

• Khi mức nước trong hồ thấp hơn mức quy định thì bật bơm, bơm nước vào hồ

• Khi độ đục của nước tăng cao quá mức cho phép thì tiến hành bật bơm xả nước

và bật bơm hút nước để trung hòa độ đục của nước trong hồ về mức cho phép

• Hệ thống sẽ cập nhật thời gian để cho cá ăn 1 lần trong ngày và có thể cho ăn 1 lần bất kì thời gian nào trong tuần thông qua cài đặt bằng các nút nhấn

• Toàn bộ thông số nhiệt độ, độ đục của nước trong hồ sẽ được cập nhật liên tục trên màn hình LCD gắn trên hồ và cập nhật trên website

2.1.6 Quy trình hoạt động của hệ thống

Hệ thống được điều khiển bởi Arduino Mega 2560 đóng vai trò trung tâm xử lý Arduino Mega sẽ nhận các dữ liệu từ các cảm biến và tín hiệu từ ESP8266 gửi về để điều khiển các thiết bị như đèn, quạt, bơm, servo Đồng thời, Arduino Mega sẽ gửi dữ liệu nhiệt độ, độ đục của nước trong hồ qua ESP8266

ESP8266 có vai trò lấy giá trị thời gian thực trên Internet ESP8266 sử dụng các nút nhấn để gửi các tín hiệu điều khiển về Arduino Mega Đồng thời, ESP8266 sẽ đưa các dữ liệu nhận được từ Arduino Mega lên Web server và hiển thị ra màn hình LCD 20x4

Cảm biến nhiệt độ DS18B20 là cảm biến nhiệt bán dẫn, được thiết kế ở dạng dây chống nước với đầu dò thép bảo vệ chắc chắn dài 1 mét, được sử dụng để đo nhiệt độ môi trường chẳng hạn như phát hiện nhiệt độ đất, kiểm soát nhiệt độ hồ nước nóng rất

dễ kết nối và lập trình, cảm biến có chất lượng tốt, độ bền cao (cần nối chân Data của cảm biến lên mức cao VCC qua điện trở kéo 4k7 Ohm hoặc 10k Ohm trước khi kết nối với Vi điều khiển)

Hình 2-7 Cảm biến nhiệt độ DS18B20

• Độ phân giải: 9~12 bit (có thể thiết đặt)

• Thời gian phản hồi nhỏ hơn 750ms

• Thiết kế dạng dây chống nước dài 1 mét với vỏ thép bảo vệ chắc chắn

Sơ đồ chân:

• Dây vàng: chân dữ liệu

• Dây đỏ: chân VCC

• Dây đen: chân GND

Nguyên lý hoạt động: dựa trên mức độ phân cực của các lớp P-N tuyến tính với nhiệt độ môi trường Nhiệt độ càng cao thì điện trở suất giảm và ngược lại

b Cảm biến độ đục của nước

Độ đục gây ra bởi sự hiện diện của chất hòa tan và huyền phù như đất sét, bùn, chất vô cơ, sinh vật phù du, các vi sinh vật khác, axít hữu cơ, chất màu trong chất lỏng

Độ đục cũng ảnh hưởng đến sự tăng trưởng của thực vật ngập nước Khi độ đục tăng, lượng ánh sáng cho thực vật thủy sinh ngập nước (KTNN) giảm Nếu không có đủ ánh sáng, quang hợp sẽ dừng lại, và sẽ không còn sản xuất oxy hòa tan

Cảm biến đo độ đục của nước Water Turbidity Sensor DFRobot được sử dụng để

đo độ đục của nước, hoạt động dựa vào nguyên lý quang học, nó có thể phát hiện các hạt

lơ lửng trong nước cho độ bền và độ chính xác cao, thích hợp cho các ứng dụng cảm biến môi trường nước, đo độ ô nhiễm, thủy sinh,

Đơn vị đo [2]:

• NTU: Đơn vị đo độ đục khuếch tán (Nephelometric Turbidity Units)

• FNU: Đơn vị đo độ đục Formazin khuếch tán (Formazin Nephelometric Units)

• FTU: Đơn vị đo độ đục Formazin (Formazin Turbidity Units)

• FAU: Đơn vị pha loãng Formazin (Formazin Attenuation Units)

• 1 NTU = 1 FNU = 1 FTU = 1 FAU

Hình 2-8 Cảm Biến độ đục của nước Water Turbidity Sensor DFRobot Thông số kỹ thuật:

• Điện áp sử dụng: 5 VDC

• Dòng tiêu thụ: 40mA (MAX)

• Thời gian phản hồi: nhỏ hơn 500ms

• Dải đo độ đục: 0-1000 NTU, 1NTU = 1 mg/L

• Dạng tín hiệu Output: Analog

• Điện áp ngõ ra: từ 0V đến 4.5V (có thể lập trình điện áp ngõ ra dạng High/Low)

• Nhiệt độ hoạt động: 5℃ ~ 90 ℃

Hình 2-9 Máy Đo Độ Đục Tiêu Chuẩn ISO HI98703-2

(Thang đo rộng từ 0.00 đến 1000 NTU)

X: điện áp ngõ ra cảm biến

Nguyên lý hoạt động: cảm biến đo độ đục là các thiết bị có nguồn sáng, thấu kính

và đầu dò nằm cách nguồn sáng 90° phối hợp với nhau để đo độ đục của mẫu Khi mẫu được đặt vào đường đi giữa nguồn sáng và máy dò, một số hạt trong mẫu sẽ phân tán ánh sáng theo cách mà nó tới được đầu dò ở 90° Máy dò xác định lượng tán xạ ánh sáng

và đối chiếu với các tiêu chuẩn trên đường cong hiệu chuẩn Nước càng đục thì ánh sáng tới đầu dò càng ít dẫn đến điện áp đưa ra càng nhỏ

Hình 2-11 Cảm biến mực nước XKC-Y26-NPN Thông số kỹ thuật:

• Điện áp sử dụng: 5~12VDC

• Dòng tiêu thụ: 200mA

• Độ dày thành ống có thể xuyên qua: 0~20mm

• Chất liệu ống có thể cảm biến được: Phi Kim

Sơ đồ dây:

• Màu nâu: VCC (Cấp nguồn từ 5~24VDC)

• Màu vàng: OUTPUT SIGNAL, ngõ ra NPN

• Màu xanh dương: GND

• Màu Đen: chân chọn mức tín hiệu kích ngõ ra lúc Active là mức thấp (nếu nối Mode xuống GND) hoặc mức cao (nếu nối Mode với VCC)

Nguyên lý hoạt động: dựa vào sự thay đổi điện dung giữa vật và cảm biến Khi

cấp điện, bản cực tụ đặt ở đầu cảm biến tạo ra 1 vùng điện trường Khi nước đi vào đầu cảm biến, hằng số điện môi thay đổi vùng đầu cảm biến thay đổi làm điện dung của mạch dao động thay đổi giá trị

Nước càng tiến lại gần thì biên độ dao động mạch càng tăng Khi dao động đến 1 mức xác định thì cảm biến báo mức 1 và ngược lại

Thông số kĩ thuật của LCD 20x4:

• Điện áp: 5V

• Dòng điện tiêu thụ: 350µA - 600µA

• Ngõ giao tiếp: 16 chân

• Module hỗ trợ giao tiếp với vi điều khiển: LCD I2C

❖ Module chuyển đổi I2C cho LCD:

Một giao tiếp I2C gồm có 2 dây: Serial Data (SDA) và Serial Clock (SCL) SDA

là đường truyền dữ liệu 2 hướng, còn SCL là đường truyền xung đồng hồ để đồng bộ và chỉ theo một hướng Như hình vẽ bên dưới, khi một thiết bị ngoại vi kết nối vào đường bus I2C thì chân SDA của nó sẽ nối với dây SDA của bus, chân SCL sẽ nối với dây SCL

Hình 2-13 Sơ đồ giao tiếp I2C

Hình 2-14 Kết nối I2C với LCD

Thông số kĩ thuật:

• Điện áp hoạt động: 2.5 - 6VDC

• Dòng điện tiêu thụ: 100uA

• Hỗ trợ màn hình: LCD1602,1604,2004 (driver HD44780)

• Giao tiếp: I2C

• Địa chỉ mặc định: 0X27 (có thể điều chỉnh bằng ngắn mạch chân A0/A1/A2)

a Vi điều khiển module ESP8266

Để đơn giản cho người sử dụng ở mọi lứa tuổi, ngành nghề, dự án trên thị trường

có rất nhiều Module ESP8266 điển hình như: 01, 02, 03, 07, 12F, … và một số Board mạch phát triển như: NodeMCU, Wemos, … Với giá thành hợp

ESP-lý, có thể đáp ứng nhu cầu các dự án tiên tiến và một điều đặc biệt là các Module và Board mạch trên còn tương thích với Arduino IDE rất tiện lợi cho việc lập trình để phát triển [4]

Bảng 2.1: So sánh thông số ESP-01, ESP-12E Node MCU, Wemos D1 Mini

Tồng quan về Board ESP-12E Node MCU:

• Dòng điện hoạt động: 10mA ~ 170mA

• Dòng điện mỗi chân GPIO: 12mA

• Bộ nhớ Flash: 16MB

• Cấp nguồn: 5VDC MicroUSB hoặc V-in

Hình 2-15 Sơ đồ chân cảu ESP8266 Node MCU

Bảng 2.2: Chức năng chi tiết từng chân của Board ESP-12E Node MCU:

D0 GPIO 16 Không ngắt Không hỗ trợ

PWM hoặc I2C

Chế độ Deep-sleep wakeup

D3 GPIO 0 Kéo mức cao Tốt Khởi động thất bại nếu ở mức

thấp

D4 GPIO 2 Kéo mức cao Tốt Kết nối với đèn Led trên

Board, khởi động thất bại

nếu ở mức thấp

D8 GPIO 15 Kéo mức

thấp

Tốt CS (SPI) Khởi động thất

bại nếu kéo mức cao

Analog

Không

b Vi điều khiển Arduino Mega 2560

Arduino Mega 2560 là sản phẩm tiêu biểu cho dòng mạch Mega là dòng board mạch có nhiều cải tiến so với Arduino Uno (54 chân digital IO và 16 chân analog IO) Điều này cùng với việc trang bị 3 timer và 6 cổng interrupt khiến bo mạch Mega hoàn toàn có thể giải quyết được nhiều bài toán hóc búa, cần điều khiển nhiều loại động

cơ và xử lý song song nhiều luồng dữ liệu số cũng như tương tự [5]

Hình 2-16 Board Arduino Mega 2560 R3

Arduino Mega được thiết kế cho nhiều dự án khó Với 54 chân I/O kĩ thuật số, 16 chân analog, cùng không gian khá rộng để bạn có thể tích hợp các mạch điện tử của dự

án của bạn lên đó

Thông số kỹ thuật:

• Vi điều khiển chính: ATmega2560

• IC nạp và giao tiếp UART: ATmega16U2

• Nguồn nuôi mạch: 5 VDC từ cổng USB hoặc nguồn ngoài cắm từ giắc tròn DC

• Số chân Digital I/O: 54 (trong đó 15 chân có khả năng xuất xung PWM)

• Số chân Analog Input: 16

• Dòng điện DC Current trên mỗi chân I/O: 20mA

• Kích thước: 101.52 x 53.3 mm

Hình 2-17 Sơ đồ chân Arduino Mega 2560 R3 2.2.3 Thiết bị công suất

a Máy lọc thác

Máy lọc thác ZY-003 là bộ sản phẩm chuyên dùng cho hồ thủy sinh mini, hồ cá văn phòng Có tác dụng lọc sạch những bụi bẩn và bã thô trong hồ thủy sinh, tạo môi trường nước sạch cũng như cung cấp Oxy cho cá, tép phát triển khỏe mạnh hơn Đây là máy lọc thác có lọc váng, có van điều chỉnh lưu lượng nước phù hợp vs hồ nên rất tiện lợi

Hình 2-18 Máy lọc thác ZY-003

Thông số kỹ thuật máy lọc thác ZY-003:

• Công suất 3.5W

• Nguồn điện: 220VAC - 240VAC

• Lưu lượng: 280L/H

Cách sử dụng máy lọc thác ZY-003:

• Lắp ống nối của máy lọc thác ZY-003

• Cho vật liệu lọc vào hộp lọc, sau đó đặt vào thành hồ thủy sinh

• Đổ đầy nước vào hộp lọc, đậy nắp hộp lọc

• Cắm điện cho máy hoạt động

b Đèn led hồ cá mini

Đèn led XuanMeiLong là một sản phẩm đèn led siêu sáng mới được đánh giá như

đèn led của hãng sobo chất lượng và mẫu mã tương đương Đèn có máng led dài 35cm chưa tính ống và kẹp, công suất 16w Đèn được kẹp lên thành hồ kính dày tối đa 10mm

Hình 2-19 Đèn led kẹp Thông số kỹ thuật:

• Điện Áp: 220VDC

• Công suất 16W

• Kích thước: 35cm

c Máy bơm hồ cá MB-AC25CD

Máy bơm hồ cá mb-ac25cd là máy bơm chìm trong hồ cá, hồ thủy sinh, phù hợp với hồ có dung tích vừa và nhỏ

Hình 2-20 Máy bơm MB-AC25CD Thông số kỹ thuật:

Hình 2-21 Quạt tản nhiệt nước

Hình 2-22 Động cơ Servo

Thông số kỹ thuật:

• Điện áp cung cấp: 4.8 ~ 6.6VDC

• Dòng tiêu thụ của Servo: 10 – 1200 mA

• Lực kéo: 1.8kg/cm cho 4.8V, 2.2kg/cm cho 6.6V

Sơ đồ nối dây:

• Dây vàng: dây tín hiệu nối vào chân PWM

• Dây đỏ: dây nguồn dương nối Vcc

• Dây nâu: dây GND nối GND

Hình 2-23 Module 4 Relay Thông số kỹ thuật:

• Kích thước: 7.5cm x 5.5cm x 2cm

• Mỗi Relay tiêu thụ dòng khoảng 80mA

• Có Opto cách ly để bảo vệ mạch điều khiển

• Relay hiệu suất cao: 250VAC/10A; 30VDC/10A

g Module dimer

Mạch Dimmer DR20 2000W AC220V có ứng dụng rất rộng rãi để điều đỉnh chiết

áp, tốc độ, ánh sáng, nhiệt độ Chẳng hạn như: Máy nước nóng, đèn mờ, tốc độ động

cơ,

Hình 2-24 Module Dimmer DR20 Thông số kỹ thuât:

• Điện áp đầu vào: 220VAC

• Điện áp đầu ra: 50~220VAC

• Công suất tối đa: 2000W

• Kích thước: 60 x 40 x 45mm

• Công suất khuyên dùng: chỉ sử dụng công suất 1200W trở xuống để đảm bảo

độ bền của mạch

Hình 2-25 Sơ đồ nguyên lý Module Dimmer DR20

Nguyên lý hoạt đông: Tụ C2 và R2 dùng để bảo vệ Triac Các biến trở P1, P2 dùng

để điều chỉnh điện áp đặt lên 1 đầu của diac DB3 Nửa bán kì dương của nguồn điện, diac DB3 sẽ phân cực thuận và sẽ kích vào chân G của triac để triac hoạt động Trong khi đó, tụ C1 sẽ được nạp điện Nửa bán kì âm của nguồn điện, diac DB3 sẽ được phân cực nghịch, nhưng tụ C1 sẽ xả điện và làm cho diac phân cực thuận trở lại Chân G của triac sẽ vẫn được kích dù ở bán kì âm của nguồn điện Giúp duy trì hoạt động của tải liên tục

h Nút nhấn nhả 12mm

Hình 2-26 Nút nhấn nhả 12mm 2.2.4 Cơ sở dữ liệu

Database hay còn gọi là dữ liệu nền tảng hay cơ sở dữ liệu Một cơ sở dữ liệu là một tập hợp tổ chức các dữ liệu Đây là bộ sưu tập các lược đồ (Schema), bảng (Tables), truy vấn (Query), báo cáo (Report), và các đối tượng khác [6]

Hình 2-27 Cơ sở dữ liệu MySQL hiển thị trên công cụ phpMyAdmin

2.2.5 Các giao thức

a Chuẩn giao tiếp UART

UART (Universal Asynchronous Receive/Transmit) là chuẩn giao tiếp truyền nhận

dữ liệu không đồng bộ Đây là chuẩn giao tiếp phổ biến và dễ sử dụng, thường dùng trong giao tiếp giữa vđk với nhau hoặc với các thiết bị khác [7]

Nếu như giao tiếp SPI và I2C có 1 dây truyền dữ liệu và 1 dây được sử dụng để truyền xung clock (SCL) để đồng bộ trong giao tiếp Với UART thì không có dây SCL, vấn đề được giải quyết khi mà việc truyền UART được dùng giữa 2 vi xử lý với nhau, đồng nghĩa với việc mỗi vi xử lý có thể tự tạo ra xung clock cho chính nó xử dụng

Để bắt đầu cho việc truyền dữ liệu bằng UART, một START bit được gửi đi, sau

đó là các bit dữ liệu và kết thúc quá trình truyền là STOP bit

Hình 2-28 Sơ đồ truyền UART Các thông số cơ bản trong truyền nhận UART:

• Baund rate (tốc độ baund): Khoảng thời gian dành cho 1 bit được truyền Phải

được cài đặt giống nhau ở gửi và nhận

• Frame (khung truyền): Khung truyền quy định về số bit trong mỗi lần truyền

• Start bit: là bit đầu tiên được truyền trong 1 Frame Báo hiệu cho thiết bị nhận

có một gói dữ liệu sắp đc truyền đến Bit bắt buộc

• Data: dữ liệu cần truyền Bit có trọng số nhỏ nhất LSB được truyền trước sau

đó đến bit MSB

• Parity bit: kiểm tra dữ liệu truyền có đúng không

• Stop bit: là 1 hoặc các bit báo cho thiết bị rằng các bit đã được gửi xong Thiết

bị nhận sẽ tiến hành kiểm tra khung truyền nhằm đảm bảo tính đúng đắn của dữ liệu Bit bắt buộc

Hình 2-29 Kết nối UART

b Truyền thông wifi

Wi-Fi viết tắt từ Wireless Fidelity hay mạng 802.11 là hệ thống mạng không dây

sử dụng sóng vô tuyến, giống như điện thoại di động, truyền hình và radio [8]

Các sóng vô tuyến sử dụng cho WiFi gần giống với các sóng vô tuyến sử dụng cho thiết bị cầm tay, điện thoại di động và các thiết bị khác Nó có thể chuyển và nhận sóng

vô tuyến, chuyển đổi các mã nhị phân 1 và 0 sang sóng vô tuyến và ngược lại Tuy nhiên, sóng WiFi có một số khác biệt so với các sóng vô tuyến khác ở chỗ: Chúng truyền và phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz hoặc 5 GHz

Hình 2-30 Wifi kết nối