Đồ án hcmute thiết kế và thi công hệ thống giám sát nhiệt độ độ ẩm cường độ gió cường độ sáng dùng nguồn pin và sạc bằng năng lượng mặt trời

Đồ án nghiên cứu hcmute thiết kế và thi công hệ thống giám sát nhiệt độ độ ẩm cường độ gió cường độ sáng dùng nguồn, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài

• Tác giả: Lê Trọng Hoàng
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Đình Phú
• 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 Nhiệt Độ, Độ Ẩm, Cường Độ Gió, Cường Độ Sáng Qua SMS Dùng Nguồn Pin Và Sạc Bằng Năng Lượng Mặt Trời
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.2. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
• 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 1.4. GIỚI HẠN
• 1.5. BỐ CỤC ĐỒ ÁN
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG
• 2.1.1. Tổng quan về module SIM800L
• 2.1.2. Tập lệnh AT điều khiển cuộc gọi
• 2.1.3. Tập lệnh AT điều khiển tin nhắn
• 2.1.4. Tổng quan về module Arduino Mega 2560

Tóm tắt

I. Giám sát nhiệt độ độ ẩm và cường độ ánh sáng

Đồ án tập trung vào giám sát nhiệt độ, độ ẩm và cường độ ánh sáng, sử dụng các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm (ví dụ: DHT11), cảm biến cường độ ánh sáng (ví dụ: BH1750). Hệ thống thu thập dữ liệu từ các cảm biến này và truyền dữ liệu về trung tâm xử lý. Việc lựa chọn các cảm biến này dựa trên độ chính xác, chi phí và khả năng tích hợp vào hệ thống. Hệ thống giám sát môi trường này nhằm mục đích theo dõi các điều kiện môi trường quan trọng, cung cấp dữ liệu thời gian thực cho người dùng. Giám sát môi trường thời gian thực giúp người dùng có thể nhanh chóng nhận biết những thay đổi bất thường và kịp thời đưa ra các biện pháp xử lý.

1.1 Thu thập dữ liệu

Hệ thống sử dụng cảm biến nhiệt độ, độ ẩm và cường độ ánh sáng để thu thập dữ liệu môi trường. Các cảm biến được kết nối với bộ điều khiển trung tâm, thường là một vi điều khiển như Arduino Mega 2560. Dữ liệu được đọc từ các cảm biến với tần suất nhất định, tùy thuộc vào yêu cầu giám sát. Tần suất đọc dữ liệu được tối ưu để đảm bảo cả độ chính xác và tiết kiệm năng lượng. Thu thập dữ liệu là giai đoạn quan trọng, quyết định độ chính xác và tin cậy của toàn bộ hệ thống. Các cảm biến IoT hiện đại cho phép thu thập dữ liệu một cách chính xác và hiệu quả. Internet of Things (IoT) đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải và xử lý dữ liệu giám sát.

1.2 Xử lý và truyền dữ liệu

Dữ liệu thu thập được từ các cảm biến được xử lý bởi bộ điều khiển trung tâm. Bộ điều khiển thực hiện các phép tính cần thiết, ví dụ như tính toán giá trị trung bình, phát hiện các giá trị bất thường. Sau khi xử lý, dữ liệu được định dạng và truyền đi. Hệ thống sử dụng module SIM800L để truyền dữ liệu qua mạng di động, thông qua tin nhắn SMS. Thu thập dữ liệu được gửi đến người dùng qua SMS, cho phép điều khiển từ xa. Phần mềm giám sát được thiết kế để hiển thị dữ liệu trực quan và dễ hiểu. Việc lựa chọn phương thức truyền dữ liệu dựa trên yêu cầu về tốc độ, độ tin cậy và chi phí. Hệ thống có thể được tích hợp với các nền tảng Internet of Things (IoT) để mở rộng chức năng và khả năng.

II. Sử dụng năng lượng mặt trời

Hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời làm nguồn cung cấp chính. Việc này giúp giảm chi phí vận hành và tăng tính bền vững của hệ thống. Hệ thống sử dụng pin năng lượng mặt trời và panel năng lượng mặt trời để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng. Pin năng lượng mặt trời được lựa chọn dựa trên công suất, kích thước và hiệu suất. Việc thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời cần tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo cung cấp đủ năng lượng cho hệ thống hoạt động liên tục. Năng lượng tái tạo từ mặt trời giúp hệ thống hoạt động độc lập và thân thiện với môi trường. Giải pháp giám sát này có thể được áp dụng rộng rãi ở những vùng không có điện lưới.

2.1 Thiết kế hệ thống năng lượng

Thiết kế hệ thống năng lượng cần cân nhắc các yếu tố như công suất tiêu thụ của hệ thống, thời gian chiếu sáng mặt trời, hiệu suất của pin năng lượng mặt trời. Panel năng lượng mặt trời cần được lựa chọn phù hợp với nhu cầu năng lượng của hệ thống và điều kiện môi trường. Hệ thống cần có pin năng lượng mặt trời dự trữ để đảm bảo cung cấp năng lượng khi không có ánh sáng mặt trời. Việc quản lý năng lượng là rất quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả và tiết kiệm năng lượng. Tiết kiệm năng lượng là một trong những ưu điểm nổi bật của hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời. Thiết kế hệ thống cần tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng, giảm thiểu sự tiêu hao không cần thiết. Năng lượng tái tạo là hướng đi bền vững cho các hệ thống giám sát môi trường.

2.2 Quản lý năng lượng

Hệ thống cần có cơ chế quản lý năng lượng hiệu quả để đảm bảo hoạt động liên tục. Việc này bao gồm cả việc sạc pin năng lượng mặt trời và sử dụng năng lượng một cách hợp lý. Hệ thống có thể được thiết kế để tự động điều chỉnh tần suất thu thập dữ liệu để tiết kiệm năng lượng. Thiết bị điện tử được lựa chọn cần có tiêu thụ năng lượng thấp. Giám sát năng lượng giúp người dùng theo dõi lượng năng lượng tiêu thụ và hiệu quả của hệ thống. Mẫu hình dự báo có thể được tích hợp để dự đoán lượng năng lượng cần thiết. Giám sát năng lượng đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất và tính bền vững của hệ thống.

III. Ứng dụng và triển khai

Hệ thống giám sát này có nhiều ứng dụng trong thực tiễn. Ứng dụng giám sát trong nông nghiệp, nhà kính, các lĩnh vực cần theo dõi điều kiện môi trường. Hệ thống giám sát nhà kính giúp tối ưu hóa điều kiện sinh trưởng của cây trồng. Hệ thống giám sát nông nghiệp thông minh giúp tăng năng suất và hiệu quả sản xuất. Giám sát môi trường bền vững giúp bảo vệ môi trường và phát triển bền vững. Hệ thống tự động hóa này có thể được tích hợp vào các hệ thống lớn hơn. Triển khai hệ thống cần được thực hiện một cách cẩn thận, đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả.

3.1 Ứng dụng trong nông nghiệp

Hệ thống có thể được ứng dụng trong nông nghiệp để giám sát điều kiện môi trường trong nhà kính, giúp tối ưu hóa điều kiện sinh trưởng của cây trồng. Ứng dụng nông nghiệp thông minh giúp tăng năng suất và giảm chi phí sản xuất. Hệ thống giám sát nhiệt độ, độ ẩm và cường độ ánh sáng giúp người nông dân ra quyết định chính xác. Hệ thống giám sát không dây cho phép người nông dân giám sát từ xa, tiết kiệm thời gian và công sức. Giám sát môi trường giúp bảo vệ cây trồng khỏi các điều kiện bất lợi. Ứng dụng giám sát này góp phần vào việc phát triển nông nghiệp bền vững. Dữ liệu thu thập được có thể được sử dụng để phân tích và cải thiện quá trình sản xuất.

3.2 Triển khai và bảo trì

Triển khai hệ thống bao gồm việc lắp đặt, cấu hình và kiểm tra hoạt động của hệ thống. Việc này cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả. Lập đặt hệ thống giám sát cần tuân thủ các quy trình kỹ thuật. Bảo trì hệ thống định kỳ giúp đảm bảo hoạt động liên tục và kéo dài tuổi thọ của hệ thống. Bảo trì hệ thống giám sát bao gồm việc kiểm tra các thiết bị, thay thế linh kiện hỏng hóc. Hệ thống cảnh báo giúp người dùng phát hiện và xử lý sự cố kịp thời. Giải pháp giám sát cần được thiết kế dễ dàng bảo trì và sửa chữa. Hệ thống giám sát tự động hóa giúp giảm thiểu sự can thiệp của con người trong quá trình vận hành.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghệ thông tin và kỹ thuật điều khiển tự động ngày càng phát triển, nhu cầu quan trắc môi trường từ xa không dây trở nên cần thiết trong nhiều lĩnh vực thực tiễn như nông nghiệp, thời tiết, chăn nuôi, trồng trọt và quản trị nhà thông minh. Tại các khu vực xa xôi hoặc ngoài trời, việc duy trì đường dây cấp nguồn liên tục và hạ tầng mạng Internet cố định gặp nhiều trở ngại. Do đó, việc nghiên cứu một hệ thống giám sát môi trường tự động, tiêu thụ năng lượng thấp, hoạt động dựa trên nguồn năng lượng tái tạo độc lập và truyền nhận dữ liệu qua mạng viễn thông di động là một giải pháp khả thi nhằm hạ giá thành sản phẩm và nâng cao hiệu quả vận hành.

Đề tài "Thiết kế và thi công hệ thống giám sát nhiệt độ, độ ẩm, cường độ gió, cường độ sáng qua SMS dùng nguồn pin và sạc bằng năng lượng mặt trời" được sinh viên Lê Trọng Hoàng (MSSV: 14141112, Lớp 14141DT3B, chuyên ngành Điện tử công nghiệp, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh) thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Đình Phú, hoàn thành vào tháng 01/2019.

Mục tiêu chính của đề tài là ứng dụng kiến thức kỹ thuật điện tử - vi điều khiển để xây dựng một thiết bị đo đạc, giám sát 4 thông số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, cường độ sáng, cường độ gió), hiển thị dữ liệu trực tiếp tại chỗ qua màn hình LCD và gửi thông số từ xa qua tin nhắn SMS khi nhận được yêu cầu từ điện thoại di động của người dùng.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài gồm 7 nội dung được đánh số theo văn bản giao nhiệm vụ:

1. Tìm hiểu về module SIM800L, encoder, cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11, cảm biến cường độ sáng BH1750.
2. Tìm hiểu về pin năng lượng mặt trời và cách nạp cho pin từ pin năng lượng mặt trời.
3. Thiết kế và tính toán thiết kế mạch phần cứng.
4. Thi công phần cứng, thử nghiệm và hiệu chỉnh phần cứng.
5. Đánh giá kết quả thực hiện của mô hình.
6. Viết báo cáo thực hiện.
7. Bảo vệ luận văn.

Phạm vi và giới hạn của đề tài:

• Khối xử lý trung tâm: Sử dụng bo mạch vi điều khiển Arduino Mega 2560 (vi điều khiển ATmega2560).
• Hệ thống cảm biến: Đo nhiệt độ và độ ẩm qua module DHT11, đo độ rọi ánh sáng qua module quang BH1750, đo tốc độ/cường độ gió qua module Encoder quang 100 xung.
• Nguồn năng lượng: Tấm pin năng lượng mặt trời công suất 10W kết hợp khối pin Lithium-ion dự trữ năng lượng thông qua mạch sạc 3S và mạch giảm áp DC-DC LM2596.
• Phương thức giám sát: Hiển thị trực tiếp qua màn hình LCD 20x4 và giám sát từ xa gián tiếp qua tin nhắn SMS thông qua module SIM800L.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Đề tài áp dụng các nguyên lý kỹ thuật điện tử số, lý thuyết truyền thông viễn thông GSM/GPRS, nguyên lý chuyển đổi quang - điện và xử lý tín hiệu cảm biến thông qua các chuẩn giao tiếp công nghiệp.

Thành phần / Linh kiện	Thông số kỹ thuật chính	Nguyên lý và chuẩn giao tiếp
Arduino Mega 2560	Chip ATmega2560, thạch anh 16 MHz, nguồn cấp 5V (khuyên dùng 7–12VDC), 54 chân Digital I/O (15 PWM), 16 chân Analog, Flash 256 KB (8 KB Bootloader), SRAM 8 KB, EEPROM 4 KB.	Xử lý trung tâm, điều khiển luồng chương trình, tích hợp 4 bộ UART, ngắt ngoài, chuẩn giao tiếp SPI và I2C.
Module SIM800L	Nguồn 3.2V–4.4V, dòng chờ 10 mA, dòng hoạt động 100 mA–1A, 4 băng tần (GSM850, EGSM900, DSC1800, PCS1900 MHz), khe microSIM.	Giao tiếp nối tiếp UART qua tập lệnh AT (AT+CMGF, AT+CMGS, AT+CMGR, AT+CMGDA, AT+CNMI) để điều khiển SMS.
Cảm biến DHT11	Nguồn 3.5V–5.5V, đo nhiệt độ 0°C–50°C (sai số ±2°C), đo độ ẩm 20%–90% RH (sai số ±5% RH), tần số lấy mẫu 1 Hz.	Giao tiếp 1-Wire truyền khung 40 bit (5 byte: phần nguyên/thập phân độ ẩm, phần nguyên/thập phân nhiệt độ, byte checksum).
Cảm biến BH1750	Nguồn 3V–5V, dải đo 1–65535 lux, tích hợp bộ chuyển đổi ADC 16-bit nội, đáp ứng quang phổ tương đương mắt người.	Giao tiếp bus I2C (SCL, SDA) với chế độ đo phân giải cao liên tục (1 lux / 120ms), phân giải cao cấp 2 (0.5 lux / 120ms), phân giải thấp (4 lux / 16ms).
Module Encoder quang	Đường kính ngoài 22 mm, điện áp 5V, độ phân giải 100 xung/vòng.	Hoạt động dựa trên đĩa xẻ rãnh quay ngắt chùm tia hồng ngoại, xuất xung số đưa về chân ngắt của vi điều khiển để tính vận tốc gió.
Màn hình LCD 20x4	Chip điều khiển HD44780, kích thước 20 ký tự x 4 dòng, điện áp hoạt động 5V, ký tự trắng nền xanh.	Giao tiếp 4-bit hoặc 8-bit, điều khiển qua các chân RS, R/W, E, thanh ghi lệnh IR và thanh ghi dữ liệu DR.
Tấm pin quang điện	Công suất 10W.	Nguyên lý tiếp giáp bán dẫn p-n (Silic tinh khiết pha tạp phốt-pho tạo bán dẫn n và pha tạp bo tạo bán dẫn p), tạo cặp electron - lỗ trống khi chiếu sáng.
Pin Li-ion & Nguồn	Cực dương LiCoO2, cực âm Graphene, màng ngăn PE/PP, dung dịch LiPF6; điện áp sạc 3.7V–4.2V; mạch sạc 3S; mạch hạ áp LM2596 (vào 4.5–50V, ra 3–30V, max 3A, hiệu suất 92%).	Tích trữ năng lượng bằng quá trình di chuyển ion Li+, biến đổi hạ áp DC-DC tạo nguồn 5V ổn định cho vi điều khiển và cảm biến.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai theo quy trình kỹ thuật thực nghiệm:

• Phương pháp tính toán và thiết kế mạch: Xác định yêu cầu điện áp, tính toán phân phối công suất tải và dòng tiêu thụ cho từng khối chức năng.
• Phương pháp thiết kế chế tạo: Vẽ sơ đồ nguyên lý mạch điện (schematic), thiết kế mạch in PCB hai lớp và lắp ráp hàn gắn linh kiện thực tế.
• Phương pháp lập trình nhúng: Sử dụng ngôn ngữ C/C++ trên môi trường Arduino IDE để xây dựng mã nguồn xử lý ngắt, giải mã giao thức 1-Wire, đọc bus I2C, phân tích tập lệnh AT của module GSM và điều khiển hiển thị LCD.
• Phương pháp đo đạc, thực nghiệm: Tiến hành cấp nguồn, kích hoạt gửi tin nhắn SMS, thay đổi điều kiện sáng/gió thực tế để kiểm tra khả năng phản hồi và độ chính xác của hệ thống.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế hoàn chỉnh theo kiến trúc tích hợp phần cứng và phần mềm điều khiển nhúng, bao gồm các khối chức năng liên kết chặt chẽ:

     [ DHT11 ]   [ BH1750 ]  [ Encoder ]  [ SIM800L ]      [ LCD 20x4 ]
     (1-Wire)      (I2C)      (Ngắt INT)    (UART)        (Parallel 4-bit)

1. Khối nguồn năng lượng: Tấm pin mặt trời 10W hấp thụ quang năng chuyển thành điện năng nạp vào bộ pin Li-ion thông qua mạch sạc 3S có chức năng bảo vệ quá nạp/quá xả. Điện áp từ khối pin được đưa qua module hạ áp LM2596 để ổn định điện áp 5V cấp cho toàn bộ mạch điều khiển và các module ngoại vi.
2. Khối xử lý trung tâm và thu thập dữ liệu:
   • Bo mạch Arduino Mega 2560 đọc cảm biến DHT11 qua 1 chân Digital theo chuẩn 1-Wire: Vi điều khiển kéo chân dữ liệu xuống mức thấp hơn 18 ms để phát xung Start, sau đó chờ phản hồi 80 µs mức thấp và 80 µs mức cao từ cảm biến rồi đọc 40 bit dữ liệu (xác định bit 0 qua độ rộng xung 26–28 µs, bit 1 qua độ rộng 70 µs) và đối chiếu tổng kiểm tra (Byte 5 = Byte 1 + Byte 2 + Byte 3 + Byte 4).
   • Đọc cảm biến cường độ sáng BH1750 qua giao tiếp I2C ở chế độ liên tục để nhận trực tiếp giá trị độ rọi (lux).
   • Đo cường độ gió thông qua ngắt ngoài kết nối với Encoder 100 xung, đếm số xung phát sinh trong một đơn vị thời gian để quy đổi thành tốc độ gió.
3. Khối truyền thông và hiển thị:
   • Module SIM800L kết nối với cổng UART của Arduino Mega 2560. Hệ thống thiết lập chế độ Text qua lệnh AT+CMGF=1 và cấu hình nhận thông báo tin nhắn trực tiếp qua AT+CNMI=2,2.
   • Màn hình LCD 20x4 kết nối với vi điều khiển để hiển thị liên tục 4 dòng dữ liệu: nhiệt độ, độ ẩm, cường độ sáng và tốc độ gió.
4. Giải thuật phần mềm hệ thống:
   • Chương trình chính khởi tạo các cổng vào/ra, màn hình LCD, module SIM800L và kích hoạt ngắt đếm xung encoder.
   • Vi điều khiển liên tục lấy mẫu dữ liệu từ cảm biến, cập nhật thông số lên màn hình LCD và lắng nghe tín hiệu UART từ SIM800L.
   • Khi có tin nhắn SMS gửi đến chứa nội dung Gui, chương trình con kiểm tra tin nhắn sẽ phân tích cú pháp, trích xuất số điện thoại người gửi, tổng hợp chuỗi dữ liệu chứa các giá trị đo được và thực hiện lệnh AT+CMGS="Số_Điện_Thoại" để gửi tin nhắn phản hồi. Sau khi gửi xong, hệ thống thực hiện lệnh AT+CMGDA="DEL ALL" để dọn sạch bộ nhớ hộp thư SMS.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày bối cảnh công nghệ IoT và điều khiển tự động ứng dụng trong giám sát thông minh từ xa. Tác giả nêu rõ tính cấp thiết của việc xây dựng hệ thống đo đạc tích hợp đa thông số có giá thành hợp lý, vận hành qua sóng di động SMS và sử dụng pin sạc năng lượng mặt trời. Chương này xác định mục tiêu đề tài, giới hạn phạm vi nghiên cứu (dùng Arduino Mega 2560, cảm biến DHT11, BH1750, encoder quang, module SIM800L, LCD 20x4) và liệt kê 7 nội dung thực hiện cùng kế hoạch 13 tuần.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp chi tiết cơ sở lý thuyết và thông số kỹ thuật của các linh kiện phần cứng cùng giao thức truyền thông:

• Khảo sát module SIM800L, sơ đồ chân kết nối, dải điện áp và tập lệnh AT điều khiển cuộc gọi/tin nhắn.
• Phân tích cấu trúc vi điều khiển ATmega2560 trên bo Arduino Mega 2560 (bộ nhớ Flash 256 KB, SRAM 8 KB, EEPROM 4 KB, 54 chân I/O, 4 bộ UART, ngắt ngoài, môi trường Arduino IDE).
• Khảo sát nguyên lý cảm biến DHT11 (đo nhiệt độ 0–50°C, độ ẩm 20–90% RH) và quy trình bắt tay, đọc dữ liệu 5 byte qua chuẩn giao tiếp 1-Wire.
• Phân tích cảm biến BH1750 (dải đo 1–65535 lux, giao tiếp I2C, ADC 16-bit, bảng mã lệnh điều khiển các chế độ phân giải).
• Khảo sát màn hình LCD 20x4, IC điều khiển HD44780, chức năng chân RS, R/W, E, bảng mã lệnh và hoạt động của hai thanh ghi IR, DR.
• Trình bày cấu tạo tấm pin quang điện Silic, lớp tiếp giáp bán dẫn p-n, cấu trúc pin Li-ion (cực dương LiCoO2, cực âm than chì, dung dịch LiPF6) cùng quy trình nạp/xả.
• Khảo sát nguyên lý Encoder quang học 100 xung, mạch hạ áp DC-DC LM2596 và mạch sạc pin 3S.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 trình bày việc tính toán thiết kế toàn bộ hệ thống phần cứng:

• Xây dựng sơ đồ khối tổng quát gồm khối nguồn, khối vi điều khiển trung tâm, khối cảm biến, khối hiển thị và khối truyền thông SMS.
• Tính toán thiết kế sơ đồ nguyên lý từng khối: mạch nguồn sạc pin từ năng lượng mặt trời, mạch kết nối SIM800L với Arduino qua cổng Serial UART, mạch ghép nối DHT11 (1-Wire), mạch ghép nối BH1750 (I2C), mạch kết nối tín hiệu encoder với chân ngắt vi điều khiển và mạch giao tiếp điều khiển màn hình LCD 20x4.
• Tổng hợp sơ đồ nguyên lý toàn mạch và lập danh mục linh kiện phục vụ thi công.

Chương 4: Thiết kế hệ thống (Thi công và lập trình hệ thống)

Chương 4 mô tả quy trình hiện thực hóa sản phẩm:

• Thiết kế mạch in PCB 2 lớp trên phần mềm chuyên dụng, hiển thị mô hình 3D lớp trên và lớp dưới.
• Tiến hành gia công mạch in, lắp ráp, hàn gắn linh kiện và kiểm tra thông mạch.
• Đóng gói mô hình cơ khí hộp thiết bị, bố trí mặt hiển thị LCD và gắn các cảm biến.
• Xây dựng thuật toán và lập trình phần mềm trên Arduino IDE: lưu đồ chương trình chính, lưu đồ chương trình con kiểm tra tin nhắn SMS, lưu đồ chương trình con tính vận tốc gió từ xung encoder và lưu đồ hiển thị dữ liệu LCD.

Chương 5: Kết quả, nhận xét, đánh giá

Chương 5 công bố kết quả sau khi thi công và thử nghiệm:

• Hình ảnh sản phẩm phần cứng thực tế sau khi hoàn thiện và đóng gói.
• Kết quả thu thập dữ liệu từ các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và tốc độ gió.
• Thử nghiệm gửi tin nhắn truy vấn từ điện thoại với cú pháp Gui, kiểm tra tính chính xác của dữ liệu phản hồi từ module SIM800L.
• Thử nghiệm che cảm biến quang học BH1750 và tác động lên cánh gió của encoder để đánh giá độ nhạy của hệ thống.
• Đưa ra bảng số liệu thực nghiệm và các nhận xét đánh giá về độ ổn định của mạch phần cứng và chương trình điều khiển.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết các nhiệm vụ đã hoàn thành của đồ án (thiết kế bo mạch hoạt động tốt, đọc chính xác 4 thông số môi trường, truyền tin SMS ổn định, tự cấp nguồn bằng năng lượng mặt trời) và nêu các nội dung cần mở rộng, phát triển trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm

Hệ thống đã được chế tạo hoàn chỉnh dưới dạng mô hình phần cứng hoạt động độc lập và thử nghiệm thực tế với các kết quả cụ thể:

• Mạch nguồn kết hợp tấm pin mặt trời 10W, mạch sạc 3S, pin Li-ion và IC LM2596 cung cấp nguồn 5VDC ổn định cho Arduino Mega 2560 và các module ngoại vi.
• Màn hình LCD 20x4 hiển thị rõ ràng, liên tục các giá trị đo đạc từ cảm biến: nhiệt độ (°C), độ ẩm (% RH), cường độ sáng (lux) và cường độ gió (m/s hoặc vòng quay).
• Module SIM800L phản hồi tin nhắn SMS nhanh chóng và chính xác khi nhận được tin nhắn yêu cầu với nội dung Gui từ số điện thoại người dùng.
• Thử nghiệm thực tế khi che cảm biến quang BH1750 cho thấy giá trị độ rọi lux giảm rõ rệt theo mức độ che phủ; thử nghiệm chắn gió/quay cánh gió encoder ghi nhận sự thay đổi xung tương ứng với vận tốc gió.

Đóng góp kỹ thuật

• Tích hợp thành công giải pháp giám sát 4 thông số môi trường trên một nền tảng vi điều khiển ATmega2560 duy nhất.
• Ứng dụng năng lượng mặt trời kết hợp pin lưu trữ Li-ion giúp thiết bị có khả năng hoạt động độc lập tại các địa điểm không có lưới điện.
• Tận dụng hạ tầng mạng di động GSM qua SMS, cho phép giám sát từ xa không phụ thuộc vào kết nối Internet/Wi-Fi cục bộ, giúp tiết kiệm chi phí đầu tư thiết bị.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

• Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11 có dải đo và độ chính xác ở mức cơ bản (sai số ±2°C và ±5% RH), tần số lấy mẫu 1 Hz.
• Phương thức giám sát qua tin nhắn SMS phát sinh chi phí cước viễn thông cho mỗi lần gửi truy vấn và nhận phản hồi dữ liệu.
• Cơ cấu đo cường độ gió sử dụng encoder quang học cơ khí cần cánh quạt quay, chịu ảnh hưởng của ma sát cơ học và điều kiện thời tiết ngoài trời.

Hướng nghiên cứu tiếp

• Nâng cấp cảm biến nhiệt độ - độ ẩm lên các dòng công nghiệp có độ chính xác cao hơn và dải đo rộng hơn (như SHT hoặc DHT22).
• Mở rộng truyền dữ liệu qua kết nối GPRS/3G/4G của module SIM để đẩy thông số lên máy chủ web hoặc nền tảng IoT (Web Server/Cloud), cho phép theo dõi biểu đồ thời gian thực trên giao diện ứng dụng di động hoặc website thay vì chỉ dùng SMS.
• Tích hợp thêm các relay đóng cắt tự động để điều khiển thiết bị ngoại vi (bật tắt máy bơm, quạt thông gió, đèn chiếu sáng) trong các mô hình nhà kính hoặc nông nghiệp thông minh.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là nguồn tư liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Điện tử Công nghiệp, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Kỹ thuật Máy tính và Công nghệ IoT.

Các phần có giá trị kỹ thuật cao đáng tham khảo trong tài liệu:

• Chương 2: Hướng dẫn chi tiết nguyên lý bắt tay và giải thuật truyền nhận dữ liệu theo chuẩn 1-Wire của DHT11 (đo độ rộng xung để nhận diện bit 0 và bit 1), bảng tập lệnh AT của module SIM800L và kiến trúc thanh ghi điều khiển LCD HD44780.
• Chương 3 & 4: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn DC-DC, mạch sạc pin Li-ion 3S dùng năng lượng mặt trời và lưu đồ thuật toán xử lý ngắt đếm xung encoder kết hợp chu trình phân tích tin nhắn SMS.

Câu hỏi thường gặp

1. Cú pháp tin nhắn SMS người dùng cần gửi để nhận dữ liệu cảm biến là gì?

Người dùng sử dụng điện thoại di động gửi tin nhắn có nội dung Gui đến số thuê bao lắp trên module SIM800L của hệ thống. Vi điều khiển sẽ đọc tin nhắn qua lệnh AT+CMGR, nhận diện từ khóa Gui, sau đó đóng gói dữ liệu đo được từ các cảm biến và gửi tin nhắn SMS phản hồi lại chính số điện thoại vừa yêu cầu bằng lệnh AT+CMGS.

2. Khối cảm biến của hệ thống gồm những loại linh kiện nào và kết nối qua chuẩn giao tiếp gì?

Hệ thống tích hợp 3 khối cảm biến chính kết nối với Arduino Mega 2560:

• Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11: giao tiếp qua chuẩn số 1-Wire (truyền nhận qua 1 chân Data duy nhất).
• Cảm biến cường độ sáng BH1750: giao tiếp qua bus I2C (gồm hai chân SCL và SDA).
• Module Encoder quang 100 xung: đo cường độ gió, xuất tín hiệu xung số kết nối trực tiếp vào chân ngắt ngoài (External Interrupt) của vi điều khiển ATmega2560.

3. Hệ thống giải quyết bài toán cấp nguồn độc lập như thế nào?

Hệ thống sử dụng một tấm pin năng lượng mặt trời công suất 10W để tạo ra điện năng từ ánh sáng mặt trời, nạp cho khối pin Li-ion dự trữ thông qua mạch quản lý sạc 3S. Nguồn điện từ pin sau đó được đưa qua module giảm áp DC-DC LM2596 (hiệu suất 92%) để hạ áp và ổn định mức 5VDC cung cấp cho bo mạch Arduino Mega 2560, module SIM800L, màn hình LCD 20x4 và các cảm biến.

4. Dữ liệu từ cảm biến DHT11 được vi điều khiển giải mã và kiểm tra tính toàn vẹn ra sao?

DHT11 truyền về 40 bit dữ liệu (tương ứng 5 byte). Byte 1 là phần nguyên độ ẩm, Byte 2 là phần thập phân độ ẩm, Byte 3 là phần nguyên nhiệt độ, Byte 4 là phần thập phân nhiệt độ, và Byte 5 là byte tổng kiểm tra (Checksum). Vi điều khiển kiểm tra tính chính xác bằng công thức: Byte 5 = Byte 1 + Byte 2 + Byte 3 + Byte 4. Nếu đẳng thức đúng, giá trị nhiệt độ và độ ẩm được chấp nhận; nếu sai, kết quả đo bị loại bỏ.

5. Cảm biến cường độ sáng BH1750 có những đặc tính kỹ thuật gì nổi bật?

BH1750 là cảm biến quang có dải đo từ 1 đến 65535 lux, tích hợp sẵn bộ chuyển đổi ADC 16-bit nội và photodiode có đáp ứng quang phổ xấp xỉ mắt người. Cảm biến trả về trực tiếp giá trị cường độ sáng qua giao diện I2C mà không cần vi điều khiển phải qua các bước tính toán chuyển đổi điện áp phức tạp, hỗ trợ các chế độ đo phân giải cao (1 lux, 120ms), cực cao (0.5 lux, 120ms) và phân giải thấp (4 lux, 16ms).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Lê Trọng Hoàng đã thiết kế và thi công thành công hệ thống giám sát 4 thông số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, gió) hoạt động độc lập bằng nguồn pin sạc năng lượng mặt trời. Hệ thống đáp ứng tốt các yêu cầu kỹ thuật đề ra khi hiển thị trực quan thông số tại chỗ qua LCD 20x4 và cung cấp khả năng truy vấn từ xa qua tin nhắn SMS thông qua module SIM800L. Kết quả nghiên cứu cung cấp một mô hình phần cứng hoàn chỉnh, đóng vai trò làm tài liệu tham khảo kỹ thuật cho các đề tài ứng dụng nhúng và quan trắc môi trường tiếp theo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng Quan. Chương này trình bày tổng quan, 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. Giới thiệu các linh kiện, thiết bị sử dụng thiết kế hệ thống.

 Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế Hệ Thống. Tính toán thiết kế, đưa ra sơ đồ nguyên lí của hệ thống.  Chương 4: Thiết Kế Hệ Thống. Thiết kế hệ thống, lưu đồ, đưa ra giải thuật và chương trình.

 Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét, Đánh Giá. Đưa ra kết quả đạt được sau một thời gian nghiên cứu, một số hình ảnh của hệ thống, đưa ra những nhận xét, đánh giá toàn bộ hệ thống.  Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển. Trình bày những kết luận về hệ thống những phần làm rồi và chưa làm, đồng thời nếu ra hướng phát triển cho hệ thống.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2.1 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 2.1 Tổng quan về module SIM800L  Giới thiệu sơ lược về module SIM800L Module SIM800L có khả năng nhắn tin SMS, nghe, gọi, GPRS, … như một điện thoại nhưng có kích thước nhỏ nhất trong các loại module SIM (25 mm x 22 mm). Điều khiển module sử dụng bộ tập lệnh AT dễ dàng, chân kết nối dùng rào đực thông dụng (male hearder) chuẩn 100 mil.  Thông số kỹ thuật - Nguồn cấp: 3.2V, có thể sử dụng với nguồn dòng thấp từ 500 mAh trở lên (như cổng USB, nguồn từ board Arduino).

- Khe cắm sim: MICROSIM. - Dòng khi ở chế độ chờ: 10 mA. - Dòng khi hoạt động: 100 mA đến 1 A. - Hỗ trợ 4 băng tần: GSM850MHz, EGSM900MHz, DSC1800MHz, PCS1900MHz.1 Sơ đồ chân module SIM800L.

 Chức năng các chân của module SIM800L BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT - Chân NET: lắp anten, có thể dùng anten đi kèm hoặc anten mở rộng. - Chân VCC: chân nguồn dương 4. - Chân GND: chân nguồn âm 0V.

- Chân RST: chân reset sử dụng khi khởi động lại module sim. - Chân TXD: chân truyền UART TX. - Chân RXD: chân nhận UART RX. - Chân DTR: chân UART DTR.

- Chân RING: báo có cuộc gọi đến - Chân SPKP, SPKN: ngõ ra âm thanh, kết nối với loa để phát âm thanh. - Chân MICP, MICN: ngõ vào âm thanh, gắn thêm mirco để thu âm thanh.  Tập lệnh AT điều khiển cuộc gọi Bảng 2.1 Tập lệnh AT điều khiển cuộc gọi Lệnh Mô tả AT+CLIP=1<CR><LF> Hiển thị thông tin cuộc gọi đến. ATD[số_điện_thoại];<CR><LF> Lệnh thực hiện cuộc gọi.

ATH<CR><LF> Lệnh thực hiện kết thúc cuộc gọi hoặc cúp máy khi có cuộc gọi đến. ATA<CR><LF> Lệnh thực hiện chấp nhận khi có cuộc gọi đến.  Tập lệnh AT điểu khiển tin nhắn Bảng 2.2 Tập lệnh AT điều khiển tin nhắn Lệnh Mô tả BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT AT+CMGF=1<CR><LF> Lệnh đưa SMS về chế độ Text, phải có lệnh này mới gửi tin nhắn dạng Text.

AT+CMGS=“Số_Điện_Thoại”<CR><LF> Đợi đến khi có kí tự ‘>’ được gửi về thì đánh nội dung tin nhắn. Lệnh gửi tin nhắn. AT+CMGR=x<CR><LF> x là địa chỉ tin nhắn cần đọc. Đọc một tin nhắn vừa gửi đến, lệnh được trả về nội dung tin nhắn, thông tin người gửi, thời gian gửi.

AT+CMGDA=“DEL ALL”<CR><LF> Xóa toàn bộ tin nhắn trong các hộp thư. AT+CNMI=2,2<CR><LF> Hiển thị nội dung tin nhắn ngay khi có tin nhắn đến.  Sau mỗi tập lệnh AT thường thấy <CR><LF> thực chất nó là hai mã điều khiển <CR>tương ứng 0x0D (hexa), <LF> tương ứng 0x0A (hexa).2 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 Arduino Uno (54 chân digital I/O và 16 chân anolog I/O). Đặc biệt bộ nhớ Flash của Mega được tăng lên 1 cách đáng kể, gấp 4 lần so với những phiển bản cũ của Uno R3.

Điều này cùng với việc trang bị 3 timer và 6 cổng interrupt khiến cho 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. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Ngoài việc phát triển được ưu tiên, việc kế thừa cũng được đặc biệt lưu ý. Trên mạch Mega các chân digital vẫn từ 0-13, analog từ 0-5 và các chân nguồn tương tự thiết kế của Uno.

Do vậy chúng ta dễ dàng phát triển nghiên cứu theo kiểu gắp ghép module từ Arduino Uno bê sang Arduino Mega. Ngoài ra, ở phiên bản này, các nhà thiết kế đã mạnh dạn thay đổi thiết kế. Để có được nhiều vùng nhớ và nhiều chân I/O hơn, một con chip khác đã thay thế cho Atmega1280. Theo dòng phát triển của vi điều khiển nhúng, những dự án lớn cần nhiều dung lượng Flash hơn.

Do vậy, Arduino Mega ra đời với sứ mệnh giải những bài toán như thế.2 Arduino Mega 2560  Thông số kỹ thuật - Vi điều khiển chính: Atmega2560. - Điện áp hoạt động: 5VDC. - Điện áp vào giới hạn: 6 – 20 VDC. - Điện áp khuyên dùng: 7 – 12 VDC.

- Dòng ra tối đa (3. - Dòng ra tối đa trên mỗi chân I/O: 20 mA. - Số chân digital: 54 (15 PWM). - Số chân analog: 16.

- Giao tiếp UART: 4 bộ UART. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT - Giao tiếp SPI: 1 bộ (chân 50 đến 53) dùng với thư viện SPI. - Giao tiếp I2C: 1 bộ.

- Ngắt ngoài: 6 chân. - Bộ nhớ Flash: 256 KB, 8 KB sử dụng cho Bootloader. - Thạch anh: 16 MHz. - Chân LED được tích hợp sẵn: chân 13.

 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 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. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT - 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 tổng cộng 54 chân digital, mỗi chân đều có thể là ngõ vào hoặc ngõ ra tùy theo ta lập trình. Chúng chỉ cho ra 2 mức điện áp là 0V hoặc 5V với dòng vào ra là 20 mA ở điều kiện hoạt động được khuyến khích theo nhà sản xuất, tối đa là 40mA. Nếu vượt qua ngưỡng 40mA này thì board mạch sẽ hư hỏng.

Ngoài ra trên mỗi chân digital còn có một điện trở nội kéo lên với giá trị từ 20-50 kΩ, mặc định điện trở này sẽ không được kết nối với chân digital. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 9 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.3 Sơ đồ chân Arduino Mega 2560  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.  Một số chức năng chuyên biệt của các chân BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 10 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT - 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. Arduino Mega 2560 còn có 16 chân ngõ vào analog cung cấp độ phân giải tín hiệu 10 bit để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V đến 5V.  Bộ nhớ Arduino Mega 2560 được trang bị chip Atmega2560 đã tích hợp sẵn 256 KB dung lượng bộ nhớ Flash, 8 KB bộ nhớ SRAM và 4 KB bộ nhớ EEPROM. Trong 256 KB bộ nhớ Flash thì 8 KB dành cho bootloader, tức là ta chỉ có 248 KB để dành cho việc lưu chương trình.