QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Tên đề tài
“Xây dựng hệ thống phục vụ tưới tiêu tự động và điều khiển từ xa”
Lý do chọn đề tài
Rau là thực phẩm thiết yếu trong bữa ăn hàng ngày, cung cấp nhiều vitamin, khoáng chất và chất xơ, đồng thời có tính dược lý cao Việc kiểm soát chất lượng và vệ sinh an toàn thực phẩm rau luôn được quan tâm để đảm bảo dinh dưỡng và ngăn ngừa ngộ độc thực phẩm Sản xuất rau tại Việt Nam không chỉ tạo ra nhiều việc làm mà còn mang lại thu nhập cao cho người nông dân Nhu cầu tiêu thụ rau ngày càng tăng đã thúc đẩy sản xuất rau về cả số lượng và chất lượng, cùng với các mô hình trồng rau sạch ngày càng phổ biến.
Mô hình trồng rau sạch treo tường là giải pháp lý tưởng cho những không gian hạn chế, giúp tối ưu hóa diện tích trồng rau Bằng cách sử dụng các khoảng trống trên tường, bạn có thể tận dụng tối đa không gian để trồng rau sạch ngay tại nhà.
Nguyên liệu: có thể chọn các lon sữa hoặc lon nước không dùng tới, tận dụng để trồng rau xanh.
Để trồng rau trong nhà, bạn chỉ cần đổ đất sạch vào túi chuyên dụng và gieo hạt giống theo hướng dẫn trên bao bì Ngoài ra, nên bổ sung phân hữu cơ với tỉ lệ từ 10 - 30% để đạt hiệu quả tốt nhất trong việc trồng rau.
Mô hình này đề xuất xây dựng bệ đựng nước dưới hàng rau, giúp nước chảy xuống bệ khi tưới mà không tràn ra nhà hoặc sân Thông thường, mô hình này được áp dụng ở lan can, sân thượng hoặc khu vực sân trước nhà.
Dưới đây là một số hình ảnh về mô hình trồng rau từ chai nhựa, lon sữa :
Hình 1.1 Tận dụng vỏ lon sữa trồng rau
Hình 1.2 Trồng rau treo tường từ vỏ chai
- Mô hình trồng rau sạch trong nhà lưới :
Diện tích đất trồng trong nhà bạn rộng hơn chút hoặc bạn có khu vườn nhỏ, bạn có thể áp dụng mô hình trồng rau sạch trong nhà lưới
Nhà lưới kín là một cấu trúc được bao phủ bằng lưới từ mái, xung quanh và có cửa ra ngoài, nhằm mục đích che chắn và ngăn ngừa côn trùng.
Lưới được sản xuất từ chất liệu trong nước với kỹ thuật dệt đơn giản, không có khả năng chống chịu nhiệt độ, tia tử ngoại hay mưa gió Mô hình này có tuổi thọ khoảng 6 - 8 tháng tùy thuộc vào độ bền của lưới, và chủ nhà cần thay lưới nếu muốn tiếp tục trồng Tuy nhiên, lưới mang lại lợi ích lớn trong việc che chắn và giảm thiểu côn trùng xâm nhập, từ đó hạn chế tối đa việc sử dụng thuốc trừ sâu hóa học.
Nhà lưới là giải pháp hiệu quả để che chắn ánh nắng và mưa, giúp cây trồng phát triển tốt trong mùa mưa Với thiết kế thông thoáng, nhà lưới cho phép nông dân trồng rau quanh năm, bất kể thời tiết nắng hay mưa.
- Mô hình trồng rau mầm:
Hình 1.4 Trồng rau mầm trong nhà
Rau mầm là loại rau dễ trồng, sinh trưởng nhanh và thu hoạch trong thời gian ngắn Chúng không tốn nhiều công chăm sóc, rất phù hợp cho không gian hẹp như phòng khách, sân thượng hoặc những mảnh nhỏ trong sân Bạn có thể trồng rau mầm từ hạt củ cải, cần ô, rau muống, hay cải xanh Khi rau nhú xanh, bạn có thể thu hoạch và thưởng thức vị hơi cay nồng, ăn nhiều không bị chán và mang lại cảm giác ấm bụng.
- Mô hình trồng rau bằng thùng xốp:
Hình 1.5 Trồng rau bằng thùng xốp
Nếu bạn có một không gian vừa phải trong nhà, có thể tận dụng khoảng sân trước hoặc sân thượng để trồng rau bằng chai nhựa và thùng xốp Mô hình trồng rau bằng thùng xốp rất nhẹ, dễ di chuyển và giữ nhiệt tốt, mang lại hiệu quả cao Quy trình trồng rau cũng rất đơn giản: chỉ cần đục lỗ thoát nước trên thùng xốp, lót cỏ, đổ đất và gieo hạt, tương tự như các phương pháp trồng khác.
Mô hình này cho phép di chuyển thùng xốp dễ dàng đến nơi có ánh nắng và đưa vào chỗ có mái che khi trời mưa, giúp việc trồng rau trở nên thuận lợi hơn.
Mô hình trồng rau trên mặt phẳng thẳng đứng kết hợp với nhà lưới giúp giảm thiểu thời gian và nhân lực chăm sóc, đồng thời hạn chế tình trạng giập lá rau do tưới nước và sâu bệnh Hệ thống này không chỉ chống sâu bệnh và giảm sử dụng thuốc trừ sâu hóa học mà còn tiết kiệm diện tích trồng trọt Đặc biệt, khả năng điều khiển tự động và từ xa của hệ thống giúp tiết kiệm công sức và nhân công trong quá trình chăm sóc cây trồng.
Mục tiêu của đề tài
Hệ thống tưới tiêu tự động và điều khiển từ xa được xây dựng bằng cách ứng dụng các thiết bị cảm biến, bộ vi điều khiển và thiết bị kết nối không dây Mô hình này không chỉ tiết kiệm nước và diện tích mà còn góp phần bảo vệ môi trường trong việc trồng rau tự động.
Đối tượng, phạm vi nghiên cứu, cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: các loại rau xanh
Nghiên cứu này tập trung vào kỹ thuật trồng rau sạch, với việc áp dụng hệ thống trồng rau cải như cải xanh, cải ngọt và xà lách.
Thời vụ trồng: Có thể trồng được quanh năm, nhưng thích hợp nhất trồng vụ Đông
Xuân Nếu có điều kiện nên trồng rau trong nhà lưới hoặc có mái che để tránh nắng và mưa to.
Rau cải có khả năng sinh trưởng trên nhiều loại đất, nhưng để trồng cải xanh, cải ngọt và xà lách an toàn, cần chọn đất và chuẩn bị đất trồng phù hợp.
- Chọn đất thịt nhẹ, đất phù sa ven sông, giàu chất dinh dưỡng, có độ pH từ 5,6 - 6,8; đất giữ được độ ẩm, thoát nước tốt.
- Phải làm đất tơi xốp, phơi ải 5 - 7 ngày để tiêu diệt hoặc làm giảm sự gây hại của sâu bệnh.
- Lên luống thoát nước tốt, trước khi trồng cần xử lý đất bằng vôi bột để tiêu diệt mầm mống sâu bệnh.
+ Đối với những đất khô cằn nên chỉ lên luống từ 5 - 10cm;
+ Đối với những vùng trũng hay bị ngập nước lên luống từ 15 - 30cm.
Giống và xử lý hạt giống:
Hiện nay, thị trường rau xanh đa dạng với nhiều giống cải xanh, cải ngọt và xà lách Để đảm bảo chất lượng, người tiêu dùng nên chọn mua các giống rau cải có nguồn gốc rõ ràng từ các cửa hàng và đại lý kinh doanh hợp pháp.
Trước khi gieo trồng, bà con nên ngâm hạt giống trong nước ấm (2 sôi, 3 lạnh) từ 2 đến 4 giờ Sau đó, vớt hạt ra, để ráo nước và ủ trong khăn ẩm khoảng 10 đến 12 giờ để hạt nứt nanh và nảy mầm trước khi gieo.
Gieo và chuẩn bị cây con:
- Có thể gieo hạt giống vào trong các khay lớn hoặc tận dụng mảnh đất bên ruộng trồng rau để gieo ươm cây con.
Sau khi gieo hạt, cần rải một lớp đất mỏng lên trên để phủ kín hạt giống Đồng thời, phủ thêm một lớp rơm mỏng nhằm chống mưa và giữ ẩm trong mùa nắng.
Sau 15-17 ngày gieo hạt cho rau cải xanh và cải ngọt, hoặc 20-25 ngày cho xà lách, cần nhổ cây con để trồng Đối với những ruộng gieo trực tiếp lên luống, nên tiến hành tỉa thưa để cây rau phát triển tốt hơn.
- Trước khi nhổ cây con 2 - 3 ngày, nên tưới phân urê hoặc DAP loãng để cho rau bến rễ và phải để đất khô 1 ngày trước khi nhổ đi trồng.
- Cây con phải sinh trưởng, phát triển tốt, không bị sâu, bệnh gây hại.
- Lượng phân bón khuyến cáo cho 500 m 2 : Phân chuồng hoai mục: 400-500 kg; Phân vi sinh
20 - 25kg; Ure: 6 - 8kg; Kali: 5 - 6kg; Lân 10 - 15kg Ngoài ra, giai đoạn cây con có thể bổ sung phân bón lá để rau phát triển nhanh.
- Cách bón: Nên bón lót toàn bộ lượng phân trên Bón phân lót theo hàng, bón ở độ sâu thích hợp, được vùi lấp kỹ.
- Cải xanh, cải ngọt: Lượng hạt giống gieo cho 1 sào (500m 2 ) là 20 - 40g Khoảng cách trồng: + Đối với cải xanh: 10 x 10-12 cm;
+ Đối với cải ngọt: 15 x 20 cm.
- Cải xà lách: Lượng hạt giống gieo cho 1 sào (500m 2 ) là 20 - 30g Khoảng cách trồng:
Để duy trì độ ẩm cho đất trong vườn ươm sau khi gieo, cần tưới nước thường xuyên Nếu đất khô nhanh, nên tưới hai lần một ngày vào buổi sáng sớm và chiều mát.
- Đối với những ngày nắng nóng thì ta có thể dùng lưới để che nắng cho cây mới trồng, để hạn chế việc chết heo cây.
- Nhổ cỏ: Phải làm thường xuyên vì ruộng ẩm, đất tốt, cỏ mọc nhanh, nhổ cỏ lúc còn nhỏ.
- Tỉa cây: Khi mật độ mọc quá dày thì tiến hành tỉa bớt cây để cho cây thoáng tạo điều kiện cho cây phát triển tốt.
Thu hoạch: Sau khi trồng 25 – 35 ngày thì ta tiến hành thu hoạch.
- Cần thu hoạch đúng lúc để đảm bảo năng suất, chất lượng và thẩm mỹ hình thái và màu sắc rau.
- Sau khi thu hoạch xong tiến hành rửa rau và cho vào bao bì trước khi vận chuyển đến nơi tiêu thụ.
Phương pháp nghiên cứu: phương pháp nghiên cứu tài liệu, phương pháp thực nghiệm.
PHẦN CỨNG
Aduino Uno R3
Hình 2.1 Arduino Uno R3(Nguồn: http://arduino.vn/bai-viet/42-arduino-uno-r3-la-gi)
Một vài thông số của Arduino UNO R3
Vi điều khiển ATmega328 (họ 8bit) Điện áp hoạt động 5V – DC (chỉ được cấp qua cổng USB)
Tần số hoạt động 16 MHz
Dòng tiêu thụ 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V – DC Điện áp vào giới hạn 6-20V – DC
Số chân Digital I/O 14 (6 chân PWM)
Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA
Dòng ra tối đa (5V) 500 mA
Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader
Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8, ATmega168,
ATmega328 là vi điều khiển có khả năng thực hiện các tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lý tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, và hoạt động như một trạm đo nhiệt độ - độ ẩm với khả năng hiển thị thông tin trên màn hình LCD.
Arduino UNO có thể nhận nguồn 5V qua cổng USB hoặc nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng từ 7-12V DC, giới hạn từ 6-20V Sử dụng pin vuông 9V là lựa chọn hợp lý khi không có nguồn từ cổng USB Lưu ý, nếu cấp nguồn vượt quá giới hạn, Arduino UNO có thể bị hỏng.
GND (Ground) là cực âm của nguồn điện cung cấp cho Arduino UNO Khi sử dụng các thiết bị với nguồn điện riêng biệt, cần phải nối các chân GND này lại với nhau để đảm bảo hoạt động ổn định.
5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.
3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.
Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.
IOREF là chân đo điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO, và nó luôn ổn định ở mức 5V Tuy nhiên, bạn không nên sử dụng chân này để cấp nguồn 5V, vì chức năng chính của nó không phải là cung cấp điện.
RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.
Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng:
32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh bạn lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ
Flash của vi điều khiển thường có vài KB được sử dụng cho bootloader, nhưng bạn hiếm khi cần quá 20KB bộ nhớ này.
SRAM (Static Random Access Memory) có dung lượng 2KB, nơi lưu trữ giá trị các biến được khai báo trong lập trình Số lượng biến càng nhiều thì yêu cầu bộ nhớ RAM càng lớn Tuy nhiên, bộ nhớ RAM thường không phải là mối bận tâm lớn trong quá trình lập trình Cần lưu ý rằng, khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất.
EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) với dung lượng 1KB hoạt động như một ổ cứng mini, cho phép bạn lưu trữ và truy xuất dữ liệu mà không lo mất mát khi mất điện, khác với dữ liệu trên SRAM.
Arduino UNO có 14 chân digital cho phép đọc và xuất tín hiệu với hai mức điện áp là 0V và 5V Mỗi chân có dòng vào/ra tối đa là 40mA Các chân này được trang bị điện trở pull-up từ tích hợp trong vi điều khiển ATmega328, nhưng mặc định không được kết nối.
Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:
Chân Serial 0 (RX) và 1 (TX) trên Arduino Uno được sử dụng để gửi và nhận dữ liệu TTL Serial, cho phép giao tiếp với các thiết bị khác Kết nối Bluetooth thường được coi là một hình thức kết nối Serial không dây Nếu không cần giao tiếp Serial, nên tránh sử dụng hai chân này để tiết kiệm tài nguyên.
Chân PWM (3, 5, 6, 9, 10, và 11) cho phép xuất xung PWM với độ phân giải 8bit, tương ứng với giá trị từ 0 đến 255, điều chỉnh điện áp ra từ 0V đến 5V bằng hàm analogWrite() Điều này giúp bạn linh hoạt hơn trong việc điều chỉnh điện áp so với các chân khác chỉ có mức cố định 0V và 5V.
Chân giao tiếp SPI bao gồm 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO) và 13 (SCK) Ngoài các chức năng thông thường, bốn chân này còn có khả năng truyền phát dữ liệu qua giao thức SPI với các thiết bị khác.
LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) Khi bấm nút
Reset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu Nó được nối với chân số 13 Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng.
Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) với độ phân giải tín hiệu 10 bit, cho phép đọc giá trị điện áp từ 0V đến 5V Bằng cách sử dụng chân AREF, người dùng có thể cung cấp điện áp tham chiếu, ví dụ, nếu cấp 2.5V vào chân này, các chân analog sẽ đo điện áp trong khoảng từ 0V đến 2.5V với độ phân giải 10 bit Ngoài ra, Arduino UNO còn tích hợp 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) để hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác.
Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino sử dụng ngôn ngữ lập trình riêng, được phát triển từ ngôn ngữ Wiring dành cho phần cứng nói Wiring là một biến thể của C/C++, và mặc dù một số người gọi nó là Wiring, nhiều người khác lại gọi là C hay C/C++ Để lập trình, gửi lệnh và nhận tín hiệu từ mạch Arduino, người dùng có thể sử dụng môi trường lập trình Arduino IDE do nhóm phát triển cung cấp.
(IntergratedDevelopment Environment) như hình dưới đây.
Hình 2.2 Arduino IDE(Nguồn: http://arduino.vn/bai-viet/42-arduino-uno-r3-la-gi)
DHT11 (cảm biến nhiệt độ, độ ẩm)
(Nguồn: http://mcu.banlinhkien.vn/threads/dht11-cam-bien-do-am.122/)
DHT11 có cấu tạo 4 chân như hình Nó sử dụng giao tiếp số theo chuẩn 1 dây
Thông số kỹ thuật: Đo độ ẩm: 20%-95%
Sai số nhiệt độ: ±2ºC
Hình 2.4 Sơ đồ chân DHT11
(Nguồn: http://mcu.banlinhkien.vn/threads/dht11-cam-bien-do-am.122/)
- Nguyên lý hoạt động: Để có thể giao tiếp với DHT11 theo chuẩn 1 chân vi xử lý thực hiện theo 2 bước:
Gửi tín hiệu muốn đo (Start) tới DHT11, sau đó DHT11 xác nhận lại.
Cảm biến độ ẩm đất
Hình 2.5 Cảm biến độ ẩm đất
(Nguồn: http://banlinhkien.vn/goods-1848-cam-bien-do-do-am-trong-dat.html)
Thông số kỹ thuật: Điện áp sử dụng: 3.3-5V
- Đầu ra: AOUT, DOUT, VCC, GND
Sử dụng: IC LM393 mắc theo dạng so sánh
Module khi chưa phát hiện ở mức 1, khi phát hiện độ ẩm cho ra mức 0.
- Biến trở cài đặt ngưỡng cài đặt.
- Phát hiện độ ẩm trong đất
Khi sử dụng, cắm đầu dò của module vào cát, hoặc đất Nếu có độ ẩm vượt qua mức cài đặt thì đèn sẽ sáng lên.
Cảm biến quang trở
Hình 2.6 Cảm biến quang trở
(Nguồn: http://tae.vn/cam-bien-anh-sang-quang-tro)
Cảm biến ánh sáng quang là thiết bị nhạy cảm với cường độ ánh sáng môi trường, thường được sử dụng để phát hiện độ sáng xung quanh Khi cường độ ánh sáng vượt quá ngưỡng quy định, ngõ ra của module D0 sẽ ở mức logic thấp.
Các thành phần phụ như điện trở và tụ điện đã được lắp đặt đầy đủ cho mạch Chỉ cần cấp nguồn và kết nối dây điều khiển vào rơ le, bạn có thể dễ dàng tắt hoặc mở bóng đèn cũng như các thiết bị điện khác dựa trên cường độ ánh sáng chiếu vào cảm biến.
- Sử dụng điện áp chuẩn 5V tương thích với nền tảng Arduino.
- Ngõ ra A0 là ngõ Analog dùng để đo giá trị một giá trị cường độ ánh sáng chính xác hơn.
- Tích hợp sẵn bộ so sánh opamp LM393.
- Trên mạch có 1 biến trở 10K ohm dùng để điều chỉnh độ nhạy sáng.
Cảm biến lưu lượng
Hình 2.7 Cảm biến lưu lượng
(Nguồn: http://phuclanshop.com/cam-bien-luu-luong-s201-dung-cam-bien-hall)
Cảm biến lưu lượng S201 là một thiết bị đo lường lượng chất lỏng chảy qua, sử dụng cánh quạt để đếm lưu lượng và cảm biến từ Hall để phát hiện các xung khi có sự thay đổi trạng thái Để đảm bảo an toàn và độ bền, cảm biến Hall được hàn kín trong ống.
- Cảm biến lưu lượng có 3 dây:
Dây đỏ: cấp nguồn 5V-24VDC
Dây vàng: Ngả ra của cảm biến Hall
Bằng cách đếm xung từ ngả ra của cảm biến, Bạn có thể dễ dàng tính được lưu lượng nước Mỗi xung tương ứng khoảng 2.25 ml.
Cảm biến này không đạt độ chính xác tuyệt đối, vì tốc độ xung có thể sai lệch do tốc độ dòng chảy, áp suất chất lỏng và định hướng cảm biến Do đó, cần hiệu chỉnh sai lệch khoảng 10% Tuy nhiên, đây vẫn là lựa chọn tốt nhất cho việc đo lưu lượng cơ bản.
Các tín hiệu xung ra được biểu diễn dưới dạng xung vuông đơn giản, do đó việc nhập và chuyển đổi chúng thành lít mỗi phút rất dễ dàng thông qua công thức sau đây.
Tần số xung (Hz) / 7,5 = tốc độ dòng chảy (L / phút)
- Nên đặt cảm biến ở trên cùng dòng chảy
- Không cho dòng chảy có chất hóa học, ăn mòn
- Không chịu va đập khi sử dụng
- Đặt cảm biến thẳng đứng không lệch quá 5 Độ
- Nhiệt độ nước chảy qua dưới 120 Độ C
Relay( Rơ-le)
Relay thông thường có 6 chân, trong đó 3 chân được sử dụng để kích hoạt, và 3 chân còn lại được kết nối với các thiết bị điện có công suất cao.
+: cấp hiệu điện thế kích tối ưu vào chân này.
S: chân tín hiệu, tùy vào loại Module Relay mà nó sẽ làm nhiệm vụ kích relay
Nếu bạn đang dùng Module Relay kích ở mức cao và chân S bạn cấp điện thế dương vào thì Module Relay của bạn sẽ được kích, ngược lại thì không.
Tương tự với Module Relay kích ở mức thấp.
3 chân còn lại nối với đồ dùng điện công suất cao:
Khi kết nối thiết bị điện, bạn nên cắm chân nối vào chân lửa (nóng) nếu sử dụng nguồn điện xoay chiều, hoặc cắm vào cực dương nếu sử dụng nguồn điện một chiều.
ON hoặc NO: chân này bạn sẽ nối với chân lửa (nóng) nếu dùng điện xoay chiều và cực dương của nguồn nếu dòng điện một chiều.
OFF hoặc NC: chân này bạn sẽ nối chân lạnh (trung hòa) nếu dùng điện xoay chiều và cực âm của nguồn nếu dùng điện một chiều.
Module Sim900A
(Nguồn: http://www.ktphuhung.com/2015/04/module-sim900a-360-ngancai.html)
Module SIM 900A có nhiều ưu điểm vượt trội, bao gồm việc tích hợp sẵn tụ và diode, giúp giảm thiểu số lượng linh kiện cần thiết So với module cũ, module mới chỉ thay đổi ở chân TX và RX Để kết nối, cần đảm bảo đúng cách nối chân VCC, GND, và TX, RX.
Module SIM900A kết hợp với Arduino cho phép nhắn tin, gọi điện và điều khiển qua tin nhắn SMS Thiết bị này có khe cắm thẻ SIM, ăng-ten và tụ điện, với tụ điện được thiết kế cho dòng điện thấp Điện áp hoạt động của module SIM900A nằm trong khoảng từ 4,2 đến 4,8V.
Module Bluetooth HC05
(Nguồn: http://mcu.banlinhkien.vn/threads/module-bluetooth-hc05.412/ ) Điện áp hoạt động: 3.3V.
-Module có 2 chế độ làm việc (có thể lựa chọn chế độ làm việc bằng cách thay đổi trạng thái chân 34 KEY):
Đáp ứng theo lệnh: khi làm việc ở chế độ này, các bạn có thể gửi các lệnh AT để giao tiếp với module.
-Module HC05 có thể nhận 1 trong 3 chức năng: Master, Slave, Loopback (có thể lựa chọn các chức năng bằng lệnh AT).
Giao tiếp với module sử dụng giao thức nối tiếp không đồng bộ thông qua hai đường RX và TX, cho phép kết nối dễ dàng với máy tính qua chuẩn RS232 hoặc các loại vi điều khiển khác.
Bằng cách thay đổi trạng thái chân 34 (KEY), bạn có thể cấu hình chế độ hoạt động cho module:
-Để module làm việc ở chế độ kết nối tự động: KEY phải ở trạng thái Floating (trạng thái không kết nối).
Để module hoạt động ở chế độ đáp ứng theo lệnh, cần thiết lập KEY = '0' để kết nối xuống đất, sau đó cấp nguồn cho module và chuyển KEY = '1' để kết nối lên VCC Lúc này, người dùng có thể sử dụng các lệnh AT để giao tiếp với module.
Động cơ có hộp giảm tốc
Hình 2.101 Động cơ có hộp giảm tốc
(Nguồn: http://www.ktphuhung.com/2015/05/ong-co-co-hop-giam-toc-40-ngancai.html)
Sử dụng: Sản phẩm khoa học điện tử, Robot, xe 4WD đồ chơi, đồ chơi máy bay, đồ chơi, v v… Động cơ hộp số trục kép thẳng
Tỉ số truyền: 1:48 Điện áp hoạt động động cơ: 3 -> 6V
Tại 6V: dòng nhỏ hơn 200mA, tốc độ: 200 ± 10% rpm
Tại 3V: dòng nhỏ hơn 150mA, tốc độ 90 ± 10% rpm
(Nguồn: http://vankhinen.vn/van-dien-tu-nuoc-220v-id107.html )
- Dựa vào đặc tính đóng mở tự động, van điện từ được ứng dụng rộng rãi trong môi trường điều khiển tự động
- Có thể kêt hợp van điện từ với công tắc cảm ứng để làm hệ thống tự động khi có chuyển động của người
- Có thể ứng dụng van điện từ với công tắc hẹn giờ để làm hệ thống tự động tưới tiêu theo định kỳ
THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG
Thiết kế
Hệ thống “phục vụ tưới tiêu tự động và điều khiển từ xa” được xây dựng dựa trên việc khảo sát thực tế và kiến thức hiện có, kết hợp các phần cứng như Module sim900A, Module Relay, Module Bluetooth, động cơ có hộp giảm tốc, cảm biến nhiệt độ và độ ẩm không khí, cảm biến độ ẩm đất, van điện từ, cảm biến quang, cảm biến lưu lượng và Arduino Uno R3 Hệ thống có khả năng tự động đọc và xử lý dữ liệu về nhiệt độ và độ ẩm trong môi trường, từ đó gửi lệnh điều khiển thiết bị ngoại vi qua Module Relay Người quản lý có thể điều khiển từ xa bằng cách gửi và nhận tin nhắn theo cú pháp đã định sẵn, cho phép theo dõi trạng thái và điều khiển bơm nước hoặc kéo màn Để đảm bảo hiệu quả, cảm biến độ ẩm đất sẽ ngăn chặn việc tưới khi nước trong bình đã hết, đồng thời cảm biến lưu lượng sẽ thông báo về tình trạng nước dự trữ Hệ thống cũng hỗ trợ điều khiển qua Smartphone thông qua Module Bluetooth, tạo ra một giải pháp tưới tiêu thông minh và hiệu quả.
Arduino Uno R3 có khả năng kết nối với nhiều thành phần như Module sim900A, Module Relay, Module Bluetooth, động cơ có hộp giảm tốc, cảm biến nhiệt độ và độ ẩm không khí, hai cảm biến độ ẩm đất, cảm biến quang trở, cảm biến lưu lượng và van điện từ.
Arduino Uno R3 sẽ thu thập dữ liệu về nhiệt độ và độ ẩm từ cảm biến DHT11, đồng thời sử dụng cảm biến độ ẩm đất, cảm biến quang trở và cảm biến lưu lượng để xử lý thông tin.
Sử dụng Module Relay để tự động điều khiển các thiết bị ngoại vi là một giải pháp hiệu quả Trong việc điều khiển kéo màn, sự kết hợp giữa Arduino, cảm biến quang trở, Module Relay và động cơ có hộp giảm tốc mang lại khả năng tự động hóa thông minh và linh hoạt.
Việc điều khiển bơm nước hiệu quả được thực hiện thông qua sự kết hợp giữa Arduino, cảm biến DHT11, cảm biến độ ẩm đất, module Relay, máy bơm nước mini và cảm biến lưu lượng.
+ Đối với việc cung cấp nước dự trữ thì có sự kết hợp của 2 cảm biến lưu lượng, Arduino, Relay, van điện từ
Hệ thống sử dụng module sim900A để điều khiển thông báo trạng thái và điều khiển từ xa Khi bình dự trữ nước cạn, hệ thống sẽ gửi tin nhắn SMS đến người quản lý để thông báo cung cấp nước, sau đó sẽ dừng hoạt động hoàn toàn.
+ Sử dụng Smartphone để điều khiển hệ thống cần có sự kết hợp giữa ModuleBluetooth và Arduino, Smartphone.
Sơ đồ mạch phần cứng
- Cảm biến độ ẩm đất
Hình 3.1 Sơ đồ nối dây cảm biến độ ẩm đất
Hình 3.2 Sơ đồ nối dây cảm biến quang trở
Hình 3.3 Sơ đồ nối dây cảm biến lưu lượng
Hình 3.4 Sơ đồ nối dây cảm biến DHT11
Hình 3.5 Sơ đồ nối dây Module sim900A
Sơ đồ khối hệ thống
- Cảm biến đo độ ẩm đất: cảm biến độ ẩm đất
- Cảm biến mực nước: cảm biến độ ẩm đất
- Cảm biến nhiệt độ không khí: cảm biến DHT11
- Cảm biến đo cường độ ánh sáng: cảm biến quang trở (Cảm biến ánh sáng)
- Máy bơm 1: bơm nước tưới cây
- Van điện từ: bơm nước để cung cấp cho thùng chứa nước
- Relay: Được Arduino kích để điều khiển các thiết bị ngoại vi
- Module sim900A: gửi và nhận tin nhắn thực hiện các lệnh điều khiển theo yêu cầu
- Ứng dụng trên Android: có thể điều khiển không cần phải nhắn tin nhưng chỉ áp dụng ở phạm vi ngắn do sử dụng bluetooth
Cảm biến đo độ ẩm đất
Cảm biến nhiệt độ không khí
Cảm biến đo cường độ ánh sáng
Module kết nối không dây
SMS Ứng dụng trên Android
Hình 3.6 Sơ đồ khối hệ thống
Sơ đồ giải thuật xử lý phần mềm
- t1: tín hiệu từ cảm biến độ ẩm đất 1 đặt trong túi đất
- t2: tín hiệu từ cảm biến độ ẩm đất 2 đặt trong thùng nước
- giatri : tín hiệu từ cảm biến quang trở
- n1: Ngưỡng xét điều kiện cho t1
- n2: Ngưỡng xét điều kiện cho t2
- n3: Ngưỡng xét điều kiện cho giatri
- X: Ngưỡng mà người dùng thay đổi cho n1
-Y: Ngưỡng mà người dùng thay đổi cho giatri
- l_hour: lưu lượng dòng chảy qua cảm biến lưu lượng
- : thực hiện công việc kế tiếp
Đầu vào nhận tín hiệu từ cảm biến độ ẩm đất 1 (t1) trong túi đất và cảm biến độ ẩm đất 2 (t2) trong thùng nước Xem xét trường hợp cụ thể.
Khi t1 nhỏ hơn ngưỡng quy định n1 (đất đã đủ nước), hệ thống sẽ hiển thị thông báo “đã đủ lượng nước”, tự động tắt máy bơm nếu đang hoạt động và đóng van điện từ nếu đang mở.
t1 lớn hơn ngưỡng quy định n1(đất quá khô) thì hiện ra màn hình ”quá khô” Xét trường hợp:
+ t2 lớn hơn ngưỡng quy định n2 (thùng chứa còn nước) thì đóng van điện từ nếu đang mở và bật máy bơm
Khi t2 nhỏ hơn ngưỡng quy định n2 (thùng chứa hết nước), van điện từ sẽ được mở để nước chảy qua cảm biến lưu lượng, cho biết lưu lượng dòng chảy của nước (l_hour) Nếu l_hour khác 0, van điện từ sẽ tiếp tục mở để cung cấp nước cho thùng chứa và quay lại kiểm tra t2 Ngược lại, nếu l_hour = 0 (không có nước chảy qua cảm biến), hệ thống sẽ hiển thị thông báo “Hết nước dự trữ hệ thống dừng hoạt động”, đóng van điện từ nếu đang mở và tắt máy bơm nếu đang bật.
Khi màn hình hiển thị thông báo “Hết nước dự trữ, hệ thống dừng hoạt động”, hãy đóng van điện từ nếu nó đang mở và tắt máy bơm nếu nó đang bật.
+Hiện ra màn hình” đã đủ lượng nước” + Đóng máy bơm nếu đang bật
+ Đóng van điện từ nếu đang mở t1 > n1
+ Đóng van điện từ nếu đang mở
Hiện ra màn hình ”quá khô”
- Đầu vào nhận tín hiệu từ cảm biến quang trở (giatri) Xét trường hợp:
Nếu giatri nhỏ hơn ngưỡng quy định (n3) tức là quá nắng có thể làm héo cây, thì hiện ra màn hình “Trời nắng quá” và kéo màn che lại
Nếu giá trị vượt quá ngưỡng quy định (n3), điều này cho thấy trời mát không gây ảnh hưởng đến cây Khi đó, màn hình sẽ hiển thị thông báo “Trời mát” và hệ thống sẽ tự động đóng màn che đầu vào.
+ Hiện ra màn hình “trời mát”
+ Hiện ra màn hình “Trời nắng quá”
Giatri < n3Nhận tín hiệu giatri
Điều khiển từ xa bằng tin nhắn
- Đầu vào nhận nội dung tin nhắn từ điện thoại (p) Xét trường hợp:
Nếu nội dung tin nhắn là STATUS (p=”STATUS”) thì gửi tình trạng của hệ thống về điện thoại
Nếu nội dung tin nhắn là WATERING (p=” WATERING”) Xét trường hợp:
Khi t1 nhỏ hơn ngưỡng quy định n1 (đất đã đủ nước), hệ thống sẽ gửi tin nhắn đến người quản lý thông báo rằng "cây đã đủ lượng nước, không cần tưới", đồng thời tự động tắt máy bơm và đóng van điện từ.
t1 lớn hơn ngưỡng quy định n1(đất quá khô) Xét trường hợp:
+ t2 lớn hơn ngưỡng quy định n2 (thùng chứa còn nước) thì đóng van điện từ và bật máy bơm
Khi t2 nhỏ hơn ngưỡng quy định n2 (thùng chứa hết nước), van điện từ sẽ được mở để nước chảy qua cảm biến lưu lượng Cảm biến này sẽ đo lưu lượng dòng chảy của nước (l_hour) Nếu l_hour bằng 0, có nghĩa là không có nước chảy qua cảm biến (hết nước trong bình dự trữ), hệ thống sẽ gửi tin nhắn đến người quản lý thông báo "Hết nước dự trữ hệ thống dừng hoạt động", đồng thời đóng van điện từ và tắt máy bơm Ngược lại, nếu l_hour khác 0, van điện từ sẽ được mở để cung cấp nước cho thùng chứa.
Nếu nội dung tin nhắn là CHANGE1 X (p="CHANGE1 X"), với X là ngưỡng độ ẩm đất mà người dùng muốn thay đổi, thì ngưỡng ban đầu n1 sẽ được cập nhật thành X (n1=X) Ví dụ, nếu n1 ban đầu là 10 và người dùng gửi tin nhắn, ngưỡng mới sẽ được thiết lập theo giá trị X mà họ đã chỉ định.
Nếu nội dung tin nhắn là CHANGE2 Y (p=”CHANGE2 Y”), trong đó Y là ngưỡng cường độ ánh sáng mà người dùng muốn thay đổi so với ngưỡng ban đầu, giá trị sẽ được cập nhật thành Y (giatri=Y) Ví dụ, nếu giá trị ban đầu là giatri0, sau khi gửi tin nhắn, giá trị mới sẽ được điều chỉnh theo yêu cầu của người dùng.
Nếu tin nhắn không đúng theo cú pháp thì gửi tin nhắn về người quản lý “Sai cú pháp”
Sau khi nhận tin nhắn và thực hiện các lệnh điều khiển, hệ thống sẽ trở về trạng thái sẵn sàng để tiếp tục nhận tin nhắn từ người quản lý Đầu vào giatri=Y n1=X.
Tắt máy bơm p=”STOP” p=”CHANGE2 Y” p=”CHANGE1 X” Gửi tin nhắn:” cây đã đủ nước không cần tưới”
+Tắt máy bơm +Đóng van điện từ t1 > n1 A p=”WATERING”
Nội dung tin nhắn (p) p=”STATUS” Gửi tình trạng của hệ thống về điện thoại
A t2 > n2 Mở van điện từ l_hour=0 Đóng van điện từ
Gửi tin nhắn: “ Đang tưới” Gửi tin nhắn: “ hết nước hệ thống dừng hoạt động” + Đóng van điện từ + Tắt máy bơm
Hình 3.9 Sơ đồ giải thuật điều khiển từ xa bằng tin nhắn
Bảng danh sách các cú pháp điểu khiển bằng tin nhắn (SMS)
STATUS Gửi về trạng thái của hệ thống cho người quản lý
Ví dụ : CHANGE1 200 Đổi ngưỡng quy định độ ẩm đất ban đầu thành 200
Ví dụ : CHANGE2 300 Đổi ngưỡng quy định cường độ sáng ban đầu thành 300
KẾT QUẢ
Tổng quan hệ thống tưới tiêu
Hình 4.1 Tổng quan hệ thống tưới tiêu
Thùng Mica
Mô phỏng nhà lưới bằng thùng Mica vì nó cứng cáp hơn, dễ di chuyển
Phần dựng mái che có kích thước 60x50x20 cm
Phần mô phỏng nhà lưới kích thước 60x50x50 cm
Phần đế : cố định dễ dàng cho việc di chuyển
Nguồn
Hình 4.4 Cấp nguồn cho hệ thống
- Hệ thống hoạt động bằng nguồn 5V
- Adapter 12V,2A biến đổi điện 220V thành 12V
- Điện qua mạch nguồn (Module LM2596) biến đổi thành 5V nuôi hệ thống
- Điều khiển bơm chạy bằng nguồn 220V
Công tắc
Hình 4.6 Công tắc đóng/mở hệ thống
Bô vi điều khiển
Hình 4.7 Bộ vi điều khiển Arduino
Module sim900A
Relay điều khiển máy bơm và van điện từ
Hình 4.9 Relay điều khiển máy bơm và van điện từ
Máy bơm
Hình 4.10 Máy bơm cung cấp nước cho các túi đất
Hệ thống bơm
Hình 4.11 Hệ thống cung cấp nước cho các túi đất
Máy bơm nước hoạt động bằng cách dẫn nước vào các ống, cho phép nước thấm qua các túi, cung cấp đủ nước cho cây mà không làm hư hại lá Lượng nước thừa sẽ chảy xuống máng và quay trở lại thùng chứa, giúp tiết kiệm nước hiệu quả.
Van điện từ
Van điện từ đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nước dự trữ cho thùng chứa Khi nước trong thùng cạn, nước cần được đưa xuống và phải chảy qua cảm biến lưu lượng, giúp nhận biết tình trạng nước trong bình dự trữ còn hay đã hết.
4.11 Hệ thống cung cấp nước dự trữ
Hình 4.13 Hệ thống cung cấp nước dự trữ cho thùng chứa
Relay dùng để điều khiển hệ thống màn che
Hình 4.14 Relay điều khiển hệ thống màn che
Hệ thống màn che
Hình 4.15 Động cơ để kéo màn
Hình 4.16 Cảm biến quang trở
Cảm biến quang trở giúp hệ thống cảm nhận được cường độ ánh sáng để kéo màn đảm bảo cho cây sự sinh trưởng và phát triển tốt.
Hình 4.17 Công tắc hành trình để dừng kéo màn
Hình 4.18 Màn khi đã được kéo
Điều khiển hệ thống bằng tin nhắn SMS
Hình 4.19 Xem trạng thái hệ thống bằng SMS
Hình 4.20 Điều khiển tưới bằng SMS
Hình 4.21 Thay đổi ngưỡng bằng tin nhắn SMS
Điều khiển hệ thống bằng Smartphone
Hình 4.22 Giao diện trên Smartphone
6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
1 Những kết quả đã đạt được
- Xây dựng thành công hệ thống trồng cây tự động trên mặt phẳng đứng
Tự bơm nước tưới cây nếu đất trong túi trồng quá khô
Tự kéo màn khi cường độ nắng vượt quá ngưỡng quy định
Tự động mở van điện từ khi nước trong thùng chứa đã hết
Người dùng có thể điều khiển hệ thống từ xa bằng tin nhắn
Trạng thái của hệ thống
Điều khiển dừng tưới cây
Thay đổi ngưỡng quy định giá trị của cảm biến độ ẩm đất trong túi đất
Thay đổi ngưỡng quy định giá trị cường độ ánh sáng của cảm biến quang trở
Người dùng có điều khiển hệ thống bằng Smartphone thông qua Bluetooth
2 Những kết quả chưa đạt được
- Chưa có hệ thống bón phân
- Chưa thực hiện CSDL để lưu trữ và phân tích
- Chưa thực hiện được hệ thống phun sương
- Hoàn chỉnh hệ thống và phát triển hơn với các chức năng :
Lưu trữ và phân tích CSDL