Đồ án: tốt nghiệp đề tài thiết kế lắp đặt hệ thống điều khiển giám sát

Đồ án tốt nghiệp về thiết kế và lắp đặt hệ thống điều khiển giám sát bể cá tự động. Tài liệu hướng dẫn chi tiết kỹ thuật và ứng dụng thực tế.

• Tác giả: Bùi Đức Thành
• Người hướng dẫn: TS. Trần Hùng Cường
• Trường học: Trường Đại Học Hồng Đức
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện - Điện Tử
• Đề tài: Thiết Kế Lắp Đặt Hệ Thống Điều Khiển Giám Sát Cho Mô Hình Bể Cá Thông Minh
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thanh Hóa

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Đồ án Tốt nghiệp Thiết kế Lắp đặt Hệ thống Điều khiển

Đồ án tốt nghiệp là bước cuối cùng trong quá trình đào tạo kỹ sư, nơi sinh viên áp dụng toàn bộ kiến thức lý thuyết vào thực tiễn. Đề tài thiết kế lắp đặt hệ thống điều khiển giám sát cho bể cá thông minh được thực hiện tại Trường Đại học Hồng Đức, khoa Kỹ Thuật Công Nghệ, bộ môn Kỹ Thuật Điện - Điện Tử. Đây là một dự án kỹ thuật hiện đại, kết hợp các công nghệ IoT, cảm biến thông minh và điều khiển tự động. Mục tiêu chính là thiết kế và xây dựng hệ thống quản lý bể cá tự động, giúp tối ưu hóa điều kiện nuôi cá và giảm công sức của con người. Dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Hùng Cường, sinh viên Bùi Đức Thành đã hoàn thành công trình nghiên cứu với các kết quả đáng kỳ vọng trong lĩnh vực automation và kỹ thuật điều khiển.

1.1. Đối tượng và Phạm vi thực hiện

Phạm vi thực hiện bao gồm thiết kế mô hình bể cá thông minh với các chức năng: điều khiển nhiệt độ nước, hệ thống lọc tuần hoàn, cấp nước tự động, và cho cá ăn tự động. Hệ thống được kết nối với ứng dụng Blynk để điều khiển và giám sát từ xa qua điện thoại thông minh. Đối tượng sử dụng là những người yêu thích nuôi cá cảnh hoặc nuôi cá công nghiệp nhỏ lẻ.

1.2. Tính mới và Đóng góp của Đề tài

Công trình này mang tính đổi mới cao trong việc áp dụng công nghệ IoT vào lĩnh vực nuôi cá. Đóng góp chính là tự động hóa quy trình chăm sóc bể cá, giảm chi phí nhân công, tối ưu hóa điều kiện sống cho cá, và cho phép giám sát từ xa thông qua ứng dụng di động Blynk.

II. Các Linh kiện và Công nghệ Chính được sử dụng

Hệ thống thiết kế lắp đặt sử dụng nhiều linh kiện hiện đại và công nghệ tiên tiến. Cảm biến DS18B20 đo nhiệt độ nước với độ chính xác cao, module cảm biến XH-W1209 kiểm soát nhiệt độ, sò nóng lạnh TEC1-12706 điều chỉnh nhiệt độ nước. Hệ thống còn tích hợp relay SRD12VDC để điều khiển các thiết bị điện, bộ cho cá ăn tự động với độ chính xác thời gian, và hệ thống lọc tuần hoàn đảm bảo chất lượng nước. Ứng dụng Blynk là nền tảng kết nối IoT cho phép người dùng điều khiển từ xa và giám sát dữ liệu thực thời qua internet. Bộ nguồn tổ ong cung cấp năng lượng ổn định cho toàn bộ hệ thống.

2.1. Cảm biến và Thiết bị Đo lường

Cảm biến DS18B20 là thiết bị đo nhiệt độ kỹ thuật số có độ chính xác ±0.5°C, phù hợp cho hệ thống điều khiển tự động. Module XH-W1209 cung cấp hiển thị LCD và điều khiển tự động nhiệt độ. Các cảm biến này là thành phần cốt lõi trong mô hình bể cá thông minh.

2.2. Hệ thống Điều khiển và Kết nối IoT

Ứng dụng Blynk cho phép kết nối IoT an toàn, hỗ trợ điều khiển từ xa các relay và thiết bị. Microcontroller (như Arduino hoặc tương tự) xử lý dữ liệu từ cảm biến và gửi đến server Blynk. Giao diện người dùng thân thiện giúp dễ dàng giám sát và điều chỉnh các thông số hệ thống.

III. Nguyên lý Hoạt động và Phân tích Kỹ thuật

Hệ thống điều khiển bể cá thông minh hoạt động dựa trên nguyên lý vòng lặp điều khiển tự động. Các cảm biến liên tục đo đạc thông số như nhiệt độ nước, chất lượng nước, và mức nước. Dữ liệu được gửi đến microcontroller để so sánh với giá trị đặt sẵn (setpoint). Nếu nhiệt độ vượt quá mức cho phép, hệ thống kích hoạt sò TEC để làm mát hoặc thiết bị làm nóng để tăng nhiệt độ. Hệ thống lọc tuần hoàn hoạt động liên tục để duy trì chất lượng nước. Bộ cho cá ăn tự động hoạt động theo lịch trình định sẵn, giảm bớt công sức chăm sóc bể cá. Tất cả dữ liệu được đồng bộ hóa với ứng dụng Blynk để người dùng có thể giám sát và điều khiển từ bất kỳ nơi nào.

3.1. Vòng lặp Điều khiển Tự động

Vòng lặp PID (Proportional-Integral-Derivative) được sử dụng để điều chỉnh nhiệt độ chính xác. Cảm biến đo giá trị hiện tại, bộ điều khiển tính sai số và điều chỉnh hành động điều khiển. Quá trình này lặp lại liên tục để đạt trạng thái ổn định và tối ưu cho hệ thống.

3.2. Kết nối Mạng và Giao tiếp Dữ liệu

Hệ thống IoT sử dụng WiFi module để kết nối internet. Dữ liệu thực thời được gửi đến server Blynk qua giao thức MQTT hoặc RESTful API. Ứng dụng di động hiển thị dữ liệu và cho phép người dùng gửi lệnh điều khiển về hệ thống.

IV. Thiết kế Lắp đặt và Kết quả Thực nghiệm

Thiết kế mô hình bể cá được xây dựng trên nền tảng khung thép chắc chắn với bể chứa nước dung tích 50-100 lít. Sơ đồ khối hệ thống được lập kế hoạch chi tiết với các module chức năng rõ ràng. Các thiết bị được lắp đặt theo tiêu chuẩn kỹ thuật với khoảng cách an toàn từ nước. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển được vẽ chi tiết theo chuẩn kỹ thuật điện. Quá trình thực nghiệm kiểm tra hiệu năng của từng module, tích hợp toàn bộ hệ thống, và vận hành kịch bản thực tế. Kết quả cho thấy hệ thống hoạt động ổn định, độ chính xác điều khiển cao, và ứng dụng Blynk hoạt động trơn tru.

4.1. Quy trình Xây dựng và Lắp đặt

Bước 1: Xây dựng khung cấu trúc bể cá. Bước 2: Lắp đặt hệ thống lọc nước và ống tuần hoàn. Bước 3: Cài đặt cảm biến vào các vị trí chiến lược. Bước 4: Kết nối các relay và thiết bị điều khiển. Bước 5: Lập trình microcontroller và cấu hình Blynk. Bước 6: Kiểm tra độ kín nước và tính an toàn điện.

4.2. Kết quả và Hiệu quả của Hệ thống

Hệ thống hoạt động ổn định với sai số nhiệt độ chỉ ±1°C. Chất lượng nước được duy trì tốt nhờ hệ thống lọc liên tục. Ứng dụng Blynk cho phép điều khiển từ xa hiệu quả. Tiêu thụ điện năng được tối ưu thông qua điều khiển thông minh. Hệ thống giảm chi phí nhân công 70% và cải thiện sức khỏe cá đáng kể.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu đạt được sau khi thực hiện đề tài, các nội dung nghiên cứu và thực hiện, các giới hạn thông số và bố cục trình bày đồ án. Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Cơ sở lý thuyết là chương giới thiệu phần cứng, lựa chọn linh kiện thiết bị được sử dụng và giới thiệu khái quát về chức năng, thông số kĩ thuật của các linh kiện đó, chuẩn giao tiếp sử dụng. Từ đó, tạo cơ sở để tiến hành thi công hệ thống thực tiễn.

Chương 3: Phân Tích Và Lựa Chọn Công Nghệ. Chương này trình bày sơ đồ khối của hệ thống, giải thích các khối, quy trình hoạt động và tính toán các thông số cần thiết của hệ thống. Trình bày và giải thích sơ đồ nguyên lí. Tiếp theo là trình bày nội dung tiến hành thi công hệ thống, viết chương trình.

Chương 4: Thi Công Thực Nghiệm Hệ Thống. Ở chương này ta trình bày kết quả đã đạt được, nhận xét đánh giá về hệ thống, hình ảnh thực tế và hoạt động của thiết bị. Trình bày kết quả và đánh giá Sinh viên: Bùi Đức Thành 3 Mã SV: 1662030025 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.Trần Hùng Cường nhận xét kết quả hoạt động của nó. Chương 5: Kết Luận và Hướng Phát Triển.

Trong chương cuối này, ta trình bày những kết luận rút ra được sau quá trình tìm hiểu và thực hiện đề tài, kết luận về khả năng hoạt động của thiết bị trong thực tế. Qua đó đưa ra những kiến nghị và đề xuất hướng phát triển của đề tài. Sinh viên: Bùi Đức Thành 4 Mã SV: 1662030025 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.Trần Hùng Cường CHƯƠNG 2. Kỹ thuật nuôi cá 2.

Tình hình trong và ngoài nước Hình 2. Mô hình hệ thống nuôi cá công nghiệp Hiện nay, trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu hoàn chỉnh về hệ thống điều khiển giám sát nguồn nước và cho ăn cho các mô hình nuôi cá công nghiệp và đã được ứng dụng thành công trong thực tế, điển hình ở các nước phát triển như: Nhật Bản, Hoa Kỳ, Isarel… đã và đang mang lại hiệu quả thiết thực với ý nghĩa thực tiễn trong việc nuôi trồng thủy sản, mang lại hiệu quả kinh tế cao. Tuy nhiên ở Việt Nam, việc sử dụng phổ biến rộng rãi các công nghệ nuôi cá công nghiệp còn nhiều hạn chế. Các nguyên nhân có thể kể đến như: Thói quen, chưa có các mô hình mẫu để học hỏi, giá thành đầu tư tốn kém… Các hệ thống hiện tại chủ yêu là sử dụng công nghệ của nước ngoài.

Các hệ thống xây dựng được chưa được nghiên cứu và báo cáo hoàn chỉnh từ quy trình và công nghệ chế tạo khiến nhiều người khó có thể tiếp cận để học hỏi đưa vào thực tế. Nước nuôi cá Sinh viên: Bùi Đức Thành 5 Mã SV: 1662030025 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.Trần Hùng Cường Vấn đề nguồn nước để nuôi cá chính là yếu tố quan trọng hàng đầu người nuôi cần lưu ý. Tùy thuộc vào giống cá được nuôi mà sử dụng loại nước thích hợp. Nước nuôi cá có thể là nước ngọt, nước lợ, nước mặn.

Nhưng đa số thì người nuôi thường chọn nuôi cá nước ngọt hơn. Vì cá nước ngọt thường dễ nuôi, và nguồn nước cũng dễ tìm hơn. Vì vậy, các nội dung tiếp theo sẽ áp dụng cho các loại cá sử dụng nguồn nước ngọt là chủ yếu. Hầu hết nước dùng cho bể cá hiện nay đều dùng nước sinh hoạt là nước máy.

Do vậy, cần xử lý chất Clo rồi mới dùng để nuôi cá. Nên để nước máy trong các thau, chậu, bồn không có nắp đậy trên 24 giờ, để cho nước máy tự bốc hơi clo. Để hiệu quả cao và nhanh chóng hơn thì có thể đặt các dụng cụ chứa nước này ở nơi thoáng có nhiều ánh nắng và bật thêm máy xủi oxi. Ngoài ra, cũng có thể sử dụng dung dịch khử clo trong nước máy bán tại các cửa hàng bán cá giống.

Nhỏ khoảng 5 giọt cho 20 lít nước, sau 5 phút là có thể dùng để nuôi cá. Tuy nhiên nên hạn lạm dụng, chỉ áp dụng lúc cần nước gấp, hoặc không có thời gian trữ nước đã khử clo. Nếu dùng nước giếng nuôi cá cần chú ý nước giếng thường có PH thấp cỡ 4.5, cũng như hàm lượng oxi ít, thậm chí 1 số vùng có nước giếng bị nhiễm phèn nặng thì cần phải xử lý kỹ hơn. Để xử lý nước giếng nuôi cá, phải chứa nước giếng trong các bể chứa, kết hợp xủi oxi thật mạnh để tăng hàm lượng oxi và tăng pH.

Có thể cho thêm san hô vụn vào hộp lọc để tăng độ pH. Cách xử lý nước giếng bị nhiễm phèn: Ngoài việc xử lý như trên cần bỏ than hoạt tính vào bồn chứa nước. Trung bình số lượng than chiếm 1/3 thể tích bồn chứa nước. Nuôi cá bằng nước mưa: Nước mưa mát sẽ kích thích cá bơi lội trong mùa hè, tuy nhiên nước mưa có độ pH thấp nên cần xử lý như nước giếng và thêm các yếu tố khác.

Tuy nhiên vì nước mưa làm cho hồ cá nhanh có tảo rêu nên bạn hạn chế sử dụng. Cách thay nước bể cá Không nên hút nước cũ 100% và thay nước mới, ta nên hút nước cũ từ 30 – 50% và chêm nước mới vào từ từ nhẹ nhàng để cá có thể thích nghi, hạn chế tình trạng cá bị sock nước do chênh lệch pH và nhiệt độ… Hạn chế di chuyển cá sang hồ khác, nếu muốn di chuyển thì nên cân bằng pH Sinh viên: Bùi Đức Thành 6 Mã SV: 1662030025 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.Trần Hùng Cường và nhiệt độ cho phù hợp để cá không bị sock cũng như stress do thay đổi môi trường sống. Dùng ống nhựa hoặc ống bơm nước nhựa bằng tay có bán ở các cửa tiệm cá và dùng ống bơm tay này hút thức ăn dư thừa, cặn bã dưới đáy hồ, sau đó cho nước mới vào. Ngoài ra, để hạn chế việc thay nước cá thì có thể sử dụng máy lọc nước để nước cá luôn được trong và hạn chế mất đi đặc tính nước mà cá đã quen sống.

Việc lọc nước nếu bật liên tục thì sẽ lãng phí dư thừa. Vì chỉ cần mỗi ngày lọc từ 2-8h là đủ để duy trì nước trong hồ luôn trong. Thức ăn cho cá Nên cho cá ăn vừa đủ không nên để thức ăn dư thừa tránh làm thừa nhiều thức ăn gây ảnh hưởng đến chất lượng nước bể cá. Cá có tập tính thấy mồi là đớp, nên nhiều người tưởng cá còn đói nên cho ăn nhiều sẽ làm cá bị đầy bụng mà chết.

Vì thế cho ăn 2 lần/ngày (Sáng và chiều). Nếu lỡ để cá đói vài ngày cá không chết, nhưng cho ăn no quá cá lại rất dễ chết. Ngoài thức ăn khô, tùy loại cá mà ta nên bổ sung thêm thức ăn tươi như cá con, cá trâm, cá chép mồi… tùy thuộc vào giống cá đang nuôi. Thức ăn tổng hợp là một trong những loại thức ăn mà người nuôi cá hay sử dụng.

Bởi tính tiện dụng và dễ bảo quản lâu dài hơn các loại thức ăn tươi. Có 2 loại là thức ăn dạng bột và thức ăn dạng hạt. Đây là loại thức ăn thích hợp để sử dụng cho hệ thống nuôi cá tự động. Ánh sáng Ánh sáng là yếu tố cần thiết cho mỗi bể cá.

Ánh sáng vừa giúp trang trí cho bể cá thêm lung linh nổi bật vừa giúp cho những loại cá phát triển các sắc tố cho chúng. Cần đặt hồ cá nơi tháng mát, tránh ánh sáng trực tiếp, nếu để hồ cá nơi tối tăm, không thoáng khí lâu ngày dễ làm cá phát bệnh. Tùy tình huống có thể sử dụng đèn công suất nhỏ cho hồ cá với liều lượng khoảng vài giờ trên/ngày (Bật ban ngày dưới 8 tiếng, và tắt ban đêm cho cá nghỉ ngơi). Nếu bể cá đặt ngoài trời cần tạo bóng mát, hạn chế tác động từ nắng, mưa.

Sinh viên: Bùi Đức Thành 7 Mã SV: 1662030025 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.Trần Hùng Cường 2. Nhiệt độ nước Nhiệt độ môi trường nước là một trong những yếu tố rất quan trọng khi nuôi cá. Nhiệt độ thích hợp cho cá cảnh thường từ 26 - 30 độ C tùy thuộc vào giống cá được nuôi. Nếu chênh lệch vài độ thì cá sống vẫn tốt.

Nếu ở khu vực Miền Nam thì không cần quá quan tâm đến vấn đề nhiệt độ, nếu ở khu vực Miền Bắc và các tỉnh lân cận có khí hậu lạnh thì cần quan tâm đến việc sử dụng nhiệt kế để đo nhiệt độ nước kết hợp với cách sử dụng cây sưởi nhiệt độ hồ cá cho phù hợp. Nước nóng hơn bình thường thì cần xử lý hạ nhiệt. Ngược lại, nước lạnh hơn bình thường thì cần xử lý gia nhiệt để cá không bị sốc nhiệt. Việc này sẽ dễ dàng hơn nếu sử dụng các thiết bị điện tử.

Oxi cho cá Bất kể loài vật nào dù sống trên cạn hay dưới nước hoặc trên không đều cần oxi để tồn tại. Cá có thể ngoi lên mặt nước để lấy oxi. Nhưng nhiều loại cá thường nhát khi được nuôi, vì thế chúng rất hạn chế ngoi lên. Thay vào đó, chúng lấy oxi bằng cách lọc oxi có sẵn trong nước qua mang.

Với những người nuôi cá thì cách giải quyết của họ là trang bị cho bể cá những bình thổi oxi. Việc bơm oxi cho cá thì mỗi ngày bơm khoảng vài giờ là đủ cho cá. Không cần bật liên tục 24/24h mỗi ngày. Giới thiệu về ứng dụng kết nối thông minh (Blynk) Blynk là một ứng dụng chạy trên nền tảng iOS và Android để điều khiển và giám sát thiết bị thông qua internet.

Blynk không bị ràng buộc với những phần cứng cụ thể nào cả, thay vào đó, nó hỗ trợ phần cứng cho bạn lựa chọn như Arduino, Raspberry Pi, ESP8266 và nhiều module phần cứng phổ biến khác. Những lý do nên sử dụng Blynk:  Dễ sử dụng: việc cài đặt ứng dụng và đăng ký tài khoản trên điện thoại rất đơn giản cho cả IOS và Android  Chức năng phong phú: Blynk hỗ trợ rất nhiều chức năng với giao diện đẹp và thân thiện, bạn chỉ việc kéo thả đối tượng và sử dụng nó.  Không phải lập trình ứng dụng: nếu bạn không có kiến thức về lập trình app cho Android cũng như IOS thì Blynk là một ứng dụng tuyệt vời để giúp bạn khám phá thế giới IOTs. Sinh viên: Bùi Đức Thành 8 Mã SV: 1662030025 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.Trần Hùng Cường  Điều khiển, giám sát thiết bị ở bất kì đâu thông qua internet với khả năng đồng bộ hóa trạng thái và thiết bị.