Đồ án: tốt nghiệp thiết kế và thi công mô hình giám sát trồng hoa lan sử

Tài liệu nghiên cứu Đồ án tốt nghiệp thiết kế và thi công mô hình giám sát trồng với phương pháp khoa học, ứng dụng thực tiễn hiệu quả

• Tác giả: Lê Quang Thái
• Người hướng dẫn: Th.S Võ Đức Dũng
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử - Truyền Thông
• Đề tài: Thiết Kế Và Thi Công Hệ Thống Giám Sát Trồng Hoa Lan Sử Dụng Nguồn Năng Lượng Mặt Trời
• Loại tài liệu: Graduation Project
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Đồ án Tốt nghiệp Thiết kế và Thi công Mô hình

Đồ án tốt nghiệp là bước cuối cùng trong hành trình đào tạo của các sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông. Đây là cơ hội để sinh viên áp dụng các kiến thức đã học vào thực tiễn, giải quyết những vấn đề thực tế trong lĩnh vực kỹ thuật. Thiết kế và thi công mô hình không chỉ đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về lý thuyết mà còn yêu cầu kỹ năng thực hành cao, khả năng quản lý dự án và tư duy sáng tạo. Mô hình giám sát trồng hoa lan sử dụng năng lượng mặt trời là một ví dụ điển hình về ứng dụng công nghệ hiện đại trong nông nghiệp. Đây là nền tảng cho sự phát triển của các hệ thống tự động hóa nông nghiệp tại Việt Nam, giúp nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm nông nghiệp.

1.1. Mục tiêu của Đồ án Tốt nghiệp

Mục tiêu chính của đồ án là thiết kế và thi công một hệ thống hoàn chỉnh giúp giám sát các thông số môi trường cho trồng hoa lan. Hệ thống bao gồm khối xử lý trung tâm, khối cảm biến để đo độ ẩm, nhiệt độ, ánh sáng, và khối thực thi để điều khiển tưới nước tự động. Sử dụng năng lượng mặt trời như nguồn cung cấp năng lượng chính giúp giảm chi phí vận hành và bảo vệ môi trường.

1.2. Ý nghĩa thực tiễn của Đồ án

Ý nghĩa thực tiễn của đồ án nằm ở khả năng giám sát từ xa qua internet bất cứ lúc nào, từ bất kỳ đâu. Nông dân có thể theo dõi tình trạng của cây trồng thông qua ứng dụng điện thoại và nhận được cảnh báo khi các thông số vượt quá ngưỡng an toàn. Đây là bước tiến quan trọng trong chuyển đổi số nông nghiệp tại Việt Nam.

II. Cơ sở Lý thuyết và Các Thành phần Hệ thống

Cơ sở lý thuyết cho hệ thống bao gồm hiểu biết sâu sắc về các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến sinh trưởng của hoa lan. Hoa lan yêu cầu độ ẩm không khí ổn định, nhiệt độ thích hợp, và ánh sáng vừa phải. Các thành phần chính của hệ thống bao gồm vi điều khiển Arduino Mega 2560 làm bộ xử lý chính, module NodeMCU ESP 8266 để kết nối WiFi, và các cảm biến như DHT11, cảm biến ánh sáng, cảm biến đất, cảm biến mưa. Module L298 được sử dụng để điều khiển động cơ bơm nước, trong khi module LM2596 giảm áp từ pin mặt trời. LCD 20x4 hiển thị các thông số theo thời gian thực.

2.1. Các Cảm biến sử dụng trong Hệ thống

Cảm biến DHT11 đo độ ẩm và nhiệt độ với độ chính xác cao. Cảm biến ánh sáng giúp xác định cường độ ánh sáng để điều chỉnh ánh sáng nhân tạo nếu cần. Cảm biến độ ẩm đất kiểm soát mức nước trong chậu để tự động tưới nước khi cần thiết. Cảm biến mưa phát hiện mưa để tránh tưới nước thừa. Tất cả các cảm biến được kết nối với Arduino Mega 2560 thông qua các chân GPIO và I2C.

2.2. Hệ thống Năng lượng Mặt trời

Hệ thống pin năng lượng mặt trời được thiết kế để cung cấp nguồn năng lượng sạch và bền vững. Tấm pin mặt trời chuyển đổi ánh sáng thành điện năng DC, được lưu trữ trong ắc quy để sử dụng vào ban đêm hoặc những ngày mây. Module LM2596 giảm áp từ pin xuống các mức 5V, 9V, 12V phù hợp với các thiết bị khác nhau trong hệ thống.

III. Quy trình Thiết kế và Thi công Mô hình

Quy trình thiết kế bắt đầu từ phân tích yêu cầu và lập sơ đồ khối hệ thống. Sau đó, thiết kế chi tiết các mạch điện cho từng khối chức năng: khối xử lý trung tâm, khối cảm biến, khối thực thi, khối thời gian thực, và khối hiển thị. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch được vẽ chi tiết trước khi tiến hành thi công. Giai đoạn thi công bao gồm thi công bo mạch in PCB, lắp ráp các linh kiện lên bo mạch, kiểm tra hoạt động, và đóng gói mô hình thành một sản phẩm hoàn chỉnh. Lập trình hệ thống và phát triển ứng dụng điều khiển trên điện thoại được thực hiện song song với thi công phần cứng.

3.1. Thiết kế Sơ đồ Khối và Mạch Điện

Sơ đồ khối hệ thống giúp hình dung rõ ràng cách các thành phần kết nối với nhau. Khối xử lý trung tâm là Arduino Mega 2560, nhận tín hiệu từ tất cả các cảm biến và gửi lệnh điều khiển đến các bộ thực thi. Khối NodeMCU ESP 8266 được sử dụng cho kết nối WiFi và giao tiếp với ứng dụng điện thoại. Sơ đồ nguyên lý được vẽ chi tiết với tất cả các kết nối dây và giá trị linh kiện cụ thể.

3.2. Lắp ráp Kiểm tra và Đóng gói Mô hình

Giai đoạn lắp ráp bao gồm 焊接các linh kiện lên bo mạch in PCB, cài đặt phần mềm lên vi điều khiển, và kiểm tra từng chức năng riêng lẻ. Kiểm tra hoàn chỉnh đảm bảo tất cả các cảm biến hoạt động bình thường và hệ thống điều khiển phản ứng đúng. Đóng gói mô hình bao gồm lắp ráp các bộ phận vào khung mô hình, kết nối các ống nước, và cài đặt chậu lan.

IV. Kết quả Đạt được và Hướng Phát triển

Kết quả chính của đồ án là một hệ thống hoàn chỉnh có khả năng giám sát liên tục các thông số môi trường cho trồng hoa lan. Hệ thống chạy thử đã cho thấy độ chính xác cao trong đo lường các thông số và điều khiển tưới nước tự động hiệu quả. Ứng dụng điều khiển trên điện thoại cho phép nông dân theo dõi tình trạng cây trồng từ xa và nhận được thông báo cảnh báo khi cần thiết. Sử dụng năng lượng mặt trời đã chứng tỏ là giải pháp bền vững cho nông nghiệp hiện đại. Hướng phát triển tiếp theo bao gồm mở rộng hệ thống cho các loại cây khác, tích hợp trí tuệ nhân tạo để dự báo nhu cầu chăm sóc, và phát triển ứng dụng web quản lý nhiều mô hình cùng lúc.

4.1. Thành tích và Đánh giá của Đồ án

Đồ án tốt nghiệp này đã đạt được các mục tiêu đề ra với kết quả tốt từ giảng viên hướng dẫn và giảng viên phản biện. Hệ thống hoạt động ổn định trong các điều kiện thực tế và cho thấy độ tin cậy cao. Mô hình được hoàn thành đúng tiến độ và đạt chất lượng yêu cầu. Tài liệu nghiên cứu được trình bày chi tiết và dễ hiểu cho những ai muốn tìm hiểu sâu về hệ thống giám sát nông nghiệp.

4.2. Hướng Phát triển Tương lai

Hướng phát triển tiếp theo bao gồm tích hợp cảm biến thêm để đo nồng độ CO2, độ pH của nước, và dinh dưỡng trong đất. Sử dụng máy học để tự động điều chỉnh các thông số dựa trên dữ liệu lịch sử là một hướng đi quan trọng. Mở rộng quy mô để giám sát nhiều chậu lan cùng lúc và tích hợp hệ thống quản lý cho các trang trại lớn là mục tiêu dài hạn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng Quan. Chương này trình bày vấn đề dẫn nhập, lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn và bố cục đồ án.  Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Trong chương này trình bày về lý thuyết của có liên quan đến các vấn đề và các linh kiện sẽ dùng để thực hiện đề tài.

 Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế Hệ Thống. Thiết kế sơ đồ khối của hệ thống, tính toán thông số các khối, sơ đồ nguyên lý của toàn khối, sơ đồ nguyên lý của toàn mạch, tính toán các thông số của toàn mạch. 2  Chương 4: Thiết Kế Hệ Thống. Ở chương này trình bày quá trình thực hiện thiết kế và hoàn thành hệ thống từ thiết kế mạch in, lắp ráp các linh kiện, kiểm tra mạch, lắp ráp lên mô hình.

Viết lưu đồ giải thuật và lập trình cho hệ thống.  Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét, Đánh Giá. Trình bày những kết quả đã thực hiện được so với mục tiêu đã đề ra ban đầu, từ đó đưa ra những nhận xét, đánh giá toàn bộ hệ thống.  Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển.

Chương này trình bày những kết luận về hệ thống những phần đã làm được và chưa làm được, từ đó khắc phục những yếu điểm và rút ra kết luận để phát triển hệ thống hơn nữa. 3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Các ảnh hưởng của môi trường đến quá trình sinh trưởng của hoa lan 2.1 Nhiệt độ Đối với những loài lan nhiệt đới, ôn đới chúng có đặc điểm sinh trưởng khá giống nhau, nhưng chúng đòi hỏi nhiệt độ sinh trưởng khác nhau vào mùa đông. Lan nhiệt đới cần phải bảo đảm nhiệt độ từ 16 – 18 độ C vào ban ngày và ban đêm là 14 độ C. Còn với giống lan ôn đới thì nhiệt độ ban ngày là 13 – 15 độ C, ban đêm là từ 10 đến 11 độ C.2 Độ ẩm không khí Đa phần các loại lan đều có thể sống trong môi trường nhiệt đới với độ ẩm không khí đạt từ 70 – 90%, còn lan á nhiệt đới khoảng 60 – 80%.

Do đó trong quá trình trồng lan ta để độ ẩm khoảng 70% sẽ đảm bảo cho cây sinh trưởng tốt và thuận lợi nhất.3 Ánh sáng Với các giống lan ưa nắng chúng ta cũng không nên cung cấp quá nhiều ánh sáng, chỉ cần một lượng ánh sáng vừa đủ. Vào những ngày nắng gay gắt ta cần mái che để tránh ánh nắng chiếu trực tiếp vào cây làm cho cây bị vàng và cháy lá.4 Nước Lan khá dễ bị ngập úng mặc dù là loài ưa ẩm. Trong giai đoạn mọc rễ, chồi và sinh trưởng cây sẽ cần khá nhiều nước, chúng ta cần phải đảm bảo đủ nước để cây phát triển khỏe mạnh. Trong những ngày mưa cần hạn chế việc tưới nước, điều tiết lượng nước phù hợp để tránh tình trạng ngập úng, thối rễ cây.2 Giới thiệu về pin năng lượng mặt trời Pin năng lượng Mặt trời hay pin mặt trời hay pin quang điện (Solar panel) bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) - là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện.

Sự chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện này thực hiện theo hiệu ứng quang điện. Các pin năng lượng Mặt trời có nhiều ứng dụng trong thực tế, đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện lưới khó vươn tới như núi cao, ngoài đảo xa, hoặc phục vụ các hoạt động 4 trên không gian; Cụ thể như các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm tay từ xa, thiết bị bơm nước. Các tấm pin năng lượng Mặt trời được thiết kế như những module thành phần, được ghép lại với nhau tạo thành các tấm năng lượng Mặt trời có diện tích lớn, thường được đặt trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể có thể đó ánh sáng nhiều nhất, và kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện. Các tấm pin Mặt Trời lớn ngày nay được lắp thêm bộ phận tự động điều khiển để có thể xoay theo hướng ánh sáng, giống như loài hoa hướng dương hướng về ánh sáng Mặt Trời.

Pin năng lượng mặt trời công suất 22W có kích thước nhỏ gọn. Phù hợp để sạc cho bình ắc quy 12V/5Ah– loại bình ắc quy rất phổ biến hiện nay. Công suất mỗi tấm pin là 22W và có thể ghép nối các tấm lại với nhau để tăng điện áp hoặc công suất lên trong những trường hợp cần thiết. Pin mặt trời có nhiều ưu điểm như: Độ tin cậy và độ bền của hệ thống pin mặt trời rất cao, một hệ thống điển hình có thể hoạt động tới 35 năm mà hầu như không cần bảo dưỡng.

Với một hệ thống pin mặt trời, bạn chỉ cần đầu tư một lần duy nhất và tiền điện hằng tháng của bạn sẽ giảm đi rất nhiều. Pin mặt trời mang lại hiệu quả kinh tế, gọn nhẹ, lắp ở mọi nơi có ánh sáng mặt trời, tuyệt đối an toàn khi sử dụng và hoàn toàn thân thiện với môi trường. Các hệ thống pin năng lượng mặt trời có khả năng hòa lưới điện hoặc hoạt động độc lập, và có thể cung cấp điện cho nhiều ứng dụng: từ các hệ thống cấp điện cho các tòa nhà, căn hộ, tới các hệ thống cấp điện cho các hệ thống chiếu sáng công cộng, hay cho các đài tiếp âm viễn thông từ xa… 2.3 Tổng quan về module ARDUINO MEGA 2560  Giới thiệu sơ lược về module ARDUINO MEGA 2560 Arduino Mega 2560 là sản phẩm tiêu biểu cho dòng mạch Mega là dòng bo mạch có nhiều cải tiến so với các board mạch đời cũ (54 chân digital I/O và 16 chân analog I/O). Bộ nhớ flash của Mega được tăng lên gấp 4 lần so với những phiên bản cũ.

Điều này khiến cho bo mạch Mega 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.  Thông số kỹ thuật Thông số Giá trị - Cấu hình 5 Vi điều khiển chính ATmega2560 IC nạp và giao tiếp UART ATmega16U2 Nguồn nuôi mạch 5VDC từ cổng USB hoặc nguồn ngoài cắm từ giắc tròn DC (khuyên dùng 7-9VDC để đảm bảo mạch hoạt động tốt. Nếu bạn cắm 12V thì IC. ổn áp rất dễ chết và gây hư hỏng mạch) Số chân Digital 54 (có 15 chân PWM).

Số chân Analog 16 Giao tiếp UART 4 bộ UART Giao tiếp SPI 1 bộ (chân 50 đến 53) dùng với thư viện SPI của Arduino. Giao tiếp I2C 1 bộ Ngắt ngoài 6 chân Bộ nhớ Flash 256 KB, 8KB sử dụng cho Bootloader. SRAM 8 KB EEPROM 4 KB Xung clock 16 MHz Bảng 2. Các thông số cấu hình của Arduino Mega 2560  Nguồn cấp cho Arduino Arduino Mega 2560 có thể được cấp nguồn bằng cổng USB hoặc nguồn ngoài và việc chọn nguồn cấp diễn ra hoàn toàn tự động.

Tức là ta có thể cấp cả 2 nguồn vào cùng lúc, nếu nguồn ngoài không có hoặc quá bé thì nguồn Arduino sẽ lấy nguồn từ cổng USB và ngược lại. Nguồn ngoài có thể lấy từ adapter AC-DC thông qua jack cắm 3.5mm hoặc từ pin bằng cách nối cực dương của pin vào chân Vin và cực âm vào chân GND. Dù cho ta dùng nguồn nào thì điện áp cấp phải nằm trong khoảng 7 đến 12V theo khuyến cáo nhà sản xuất. Nếu ta cấp nguồn dưới 7V thì chân 5V sẽ không cho ra đủ điện áp 5V, mạch sẽ 6 thiếu ổn định.

Còn nếu cấp nguồn lớn hơn 12V vào thì IC ổn áp có thể nóng lên, làm hỏng cả board mạch. Chân cấp nguồn gồm những chân sau: - GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino. Khi ta dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau. - 5V: cấp điện áp 5V đầu ra, dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.3V đầu ra, dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.

- Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino, ta nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND. - IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển được đo ở chân này. Mặc dù vậy ta không được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn mà chỉ là tham chiếu điện áp hoạt động của vi xử lý.  Các ngõ vào/ra (I/O pins) của Arduino Mega 2560 Arduino Mega 2560 có tất cả 54 chân digital, mỗi chân đều có thể là ngõ vào hoặc ngõ ra tùy theo cách ta lập trình.

Chúng cho ra 2 mức điện áp là 0V hoặc 5V với dòng ra là 20 mA ở điều kiện hoạt động bình thường, tối đa là 40 mA. Nếu vượt qua ngưỡng 40 mA thì board sẽ bị hư hỏng. Bên cạnh đó trên mỗi chân digital có một điện trở nội kéo lên với giá trị từ 20 – 50 kΩ.  USB Jack (Type B): kết nối để truyền dữ liệu, debug cho chương trình giữa Arduino với máy tính.

Ngoài ra cũng cấp nguồn cho Arduino hoạt động thông qua cổng này.  Reset Button: nút nhấn đưa board mạch về chế đệ hoạt động ban đầu. Jack Power: cấp nguồn cho Arduino hoạt động.1 Sơ đồ nguyên lý của board Arduino Mega 2560 R3 Hình 2.2 Sơ đồ chân của Arduino 8  Một số chức năng của các chân - Serial: 0 (RX) và 1 (TX); Serial 1: 19 (RX) và 18 (TX); Serial 2: 17 (RX) và 16 (TX); Serial 3: 15(RX) và 14(TX). Được sử dụng để nhận dữ liệu nối tiếp TTL (RX) và truyền (TX).

Những chân này dùng để kích hoạt ngắt khi chân có mức điện áp thấp, cao, xung cạnh lên, xung cạnh xuống hoặc có sự thay đổi điện áp. - PWM: gồm 15 chân là các chân 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 44, 45, 46 cho phép ta xuất ra xung PWM với độ phân giải 8 bit. Ngoài các chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác. Hỗ trợ giao tiếp I2C bằng thư viện Wire.

- LED: một Led tích hợp trên board mạch đã được kết nối sẵn vào chân 13. Khi điện áp trên chân này ở mức cao thì Led sẽ sáng và ngược lại Led sẽ tắt. - AREF: đây là chân mà ta đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog. Tức là nếu cấp điện áp 2.5V vào chân này thì ta có thể dùng các chân analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V đến 2.5V với độ phân giải là 10 bit.