Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Nuôi cá cảnh là một thú tiêu khiển phổ biến, mang lại giá trị thư giãn tinh thần, nâng cao tính thẩm mỹ cho không gian sống và đáp ứng nhu cầu phong thủy của người chơi. Tuy nhiên, việc duy trì một bể cá cảnh ổn định đòi hỏi sự chăm sóc liên tục và đúng kỹ thuật. Rào cản lớn nhất đối với người nuôi là quỹ thời gian hạn hẹp, dẫn đến việc không thể thực hiện đều đặn các thao tác thiết yếu như cho ăn đúng liều lượng, kiểm soát thời gian lọc nước, sục khí oxy, chiếu sáng và duy trì nhiệt độ thích hợp. Việc cho cá ăn quá mức có thể làm ô nhiễm nguồn nước và khiến cá chết do sình bụng, trong khi sự biến thiên nhiệt độ môi trường đột ngột dễ gây sốc nhiệt cho các loài thủy sinh.

Để khắc phục những khó khăn trên, đề tài "Thiết bị hỗ trợ nuôi cá tự động" được thực hiện nhằm ứng dụng công nghệ vi điều khiển và mạng Internet vào quy trình chăm sóc cá cảnh, tự động hóa các thao tác thủ công và cho phép người dùng giám sát, điều khiển thiết bị từ xa qua giao diện web.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài bao gồm:

  1. Nghiên cứu nguyên lý hoạt động, cấu trúc phần cứng và phương thức kết nối mạng của module vi điều khiển ESP32S.
  2. Thiết lập cơ chế truyền nhận dữ liệu hai chiều giữa module ESP32S và máy chủ cơ sở dữ liệu qua giao thức HTTP/Internet.
  3. Thiết kế, thi công các mạch ngoại vi kết nối với ESP32S: mạch đo nhiệt độ nước, mạch kiểm tra lượng thức ăn, mạch điều khiển động cơ cho cá ăn, mạch đóng ngắt máy bơm oxy, đèn chiếu sáng, máy lọc nước, hệ thống gia nhiệt và làm lạnh nước.
  4. Xây dựng website hoàn chỉnh tích hợp cơ sở dữ liệu MySQL, cho phép hiển thị thông tin cảm biến, cấu hình chế độ hoạt động, quản lý tài khoản người dùng và phân quyền thiết bị.
  5. Chế tạo mô hình thực tế, lắp ráp hoàn thiện và tiến hành thử nghiệm, cân chỉnh hoạt động của hệ thống.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân chia thành 10 nội dung cụ thể:

  • Nội dung 1: Tìm hiểu giải pháp thiết kế hệ thống nuôi cá tự động.
  • Nội dung 2: Thiết kế, thi công mạch điều khiển sử dụng ESP32S và các thiết bị ngoại vi.
  • Nội dung 3: Viết chương trình điều khiển cho vi điều khiển ESP32S.
  • Nội dung 4: Thiết kế, thi công mô hình bể cá thực nghiệm.
  • Nội dung 5: Thiết kế website hiển thị thông tin và điều khiển thiết bị.
  • Nội dung 6: Lắp đặt thiết bị vào mô hình bể cá và kết nối với website.
  • Nội dung 7: Chạy thử nghiệm hệ thống.
  • Nội dung 8: Cân chỉnh toàn bộ hệ thống.
  • Nội dung 9: Viết sách luận văn tốt nghiệp.
  • Nội dung 10: Báo cáo kết quả đề tài trước hội đồng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống phần cứng nhúng dựa trên ESP32S, các cảm biến môi trường nước, cơ cấu chấp hành cơ điện và nền tảng máy chủ web điều khiển từ xa.
  • Phạm vi không gian và giới hạn kỹ thuật: Mô hình bể cá kích thước 60 x 30 x 40 cm (dài x rộng x cao); dải nhiệt độ nước kiểm soát trong khoảng từ 25°C đến 33°C; hệ thống yêu cầu kết nối mạng Wi-Fi và Internet; cơ chế quản trị giới hạn 1 tài khoản điều khiển cho mỗi thiết bị phần cứng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài dựa trên sự kết hợp giữa kỹ thuật nuôi cá cảnh nước ngọt và công nghệ kỹ thuật điện tử - Internet vạn vật (IoT):

  • Kỹ thuật nuôi cá cảnh: Yêu cầu xử lý nguồn nước máy để khử clo (để bốc hơi tự nhiên trên 24 giờ hoặc dùng dung dịch chuyên dụng), xử lý nước giếng nhiễm phèn bằng than hoạt tính và sục khí tăng pH; quy trình thay nước định kỳ từ 30% – 50% thể tích; chế độ cho ăn tiêu chuẩn 2 lần/ngày (sáng và chiều); thời gian lọc nước duy trì 2 – 8 giờ/ngày; nhiệt độ lý tưởng cho cá cảnh nước ngọt dao động từ 26°C – 29°C.
  • Kiến trúc mạng và truyền thông: Mô hình giao thức TCP/IP 4 tầng (Liên kết, Giao vận, Ứng dụng); phương thức truyền dữ liệu qua giao thức HTTP; cơ chế quản lý máy chủ lưu trữ (Web hosting) từ nhà cung cấp 000webhost.
  • Công nghệ phát triển ứng dụng web: Ngôn ngữ đánh dấu HTML5, định dạng CSS3 với quy tắc @media hỗ trợ giao diện đáp ứng (responsive layout), ngôn ngữ lập trình JavaScript xử lý giao diện tương tác và hộp thoại cảnh báo alert(), ngôn ngữ kịch bản phía máy chủ PHP xử lý logic và truy vấn cơ sở dữ liệu MySQL.
Nhóm linh kiện / Thiết bị Mã hiệu / Tên linh kiện Thông số kỹ thuật và vai trò trong hệ thống
Vi điều khiển trung tâm ESP32S (LuaNode32) CPU Xtensa Dual-Core LX6 32-bit (160–240 MHz), 520 KB SRAM, Wi-Fi 802.11 b/g/n, Bluetooth BLE, 34 chân GPIO. Thu thập tín hiệu cảm biến và truyền dữ liệu lên Web Server qua Wi-Fi.
Cảm biến nhiệt độ DS18B20 (Chống nước) Giao tiếp 1-Wire, độ phân giải 9–12 bit, dải đo từ -55°C đến +125°C, sai số ±0.5°C, điện áp 3.0V–5.5V. Đo trực tiếp nhiệt độ môi trường nước.
Khối thời gian thực Module DS1307 + AT24C32 Giao tiếp chuẩn I2C, tích hợp pin dự phòng lưu trữ thời gian thực và bộ nhớ EEPROM 32 Kbit. Cung cấp mốc thời gian độc lập khi mất mạng Internet.
Cảm biến vật cản Module hồng ngoại LM393 Điện áp 3.3V–6.0V, khoảng cách phát hiện vật cản 2–30 cm, góc hoạt động 35°. Dùng để phát hiện mức thức ăn còn hay hết trong phễu chứa.
Mạch điều khiển công suất IC L298N (Mạch cầu H) Tích hợp 2 mạch cầu H, điện áp điều khiển 5V–12V, dòng cực đại 2A/cầu. Lái động cơ bước của máy cho ăn tự động.
Động cơ chấp hành Động cơ bước 28BYJ48-12V Điện áp 12VDC, tỷ số truyền biến thiên 1/64, tần số 100 Hz, trở kháng cuộn dây 200Ω. Dẫn động trục xoắn đùn hạt thức ăn cho cá.
Thiết bị làm lạnh Sò nóng lạnh TEC1-12706 Kích thước 40 x 40 x 3.8 mm, điện áp cực đại 12VDC, dòng tối đa 6A. Kết hợp tản nhiệt nhôm và quạt gió để hạ nhiệt độ nước khi quá nhiệt.
Thiết bị gia nhiệt Cây sưởi bể cá 220VAC Chiều dài 30 cm, nguồn điện 220VAC, phù hợp bể cá thể tích dưới 100 lít. Kích hoạt tăng nhiệt độ khi nước lạnh dưới ngưỡng.
Đóng cắt công suất AC/DC Relay SRD-12VDC & BJT TIP41C Relay chịu tải cực đại 10A, transistor BJT NPN TIP41C (dòng 6A, 65W) dùng làm tầng đệm kích mở cuộn hút relay cho bơm oxy, máy lọc và đèn.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

  • Phương pháp phân tích và thiết kế phần cứng: Thiết kế sơ đồ nguyên lý từng khối chức năng và vẽ mạch in (PCB) trên phần mềm Proteus; tiến hành in mạch ủi, ăn mòn hóa chất, khoan lỗ và hàn lắp linh kiện.
  • Phương pháp thiết kế cơ khí: Chế tạo cơ cấu trục xoắn đùn thức ăn dạng vít me gắn động cơ bước và gia công vỏ hộp bảo vệ mạch điều khiển.
  • Phương pháp lập trình nhúng: Lập trình mã nguồn điều khiển vi điều khiển ESP32S bằng ngôn ngữ C++ trên môi trường Arduino IDE và quản lý phiên bản với Git GUI.
  • Phương pháp thực nghiệm: Chạy thử nghiệm hệ thống trong các điều kiện có mạng Wi-Fi và giả lập sự cố mất kết nối mạng để đo đạc độ ổn định, kiểm thử các mức định lượng thức ăn và khả năng duy trì nhiệt độ.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa gồm 5 khối phần cứng chính xoay quanh khối xử lý trung tâm:

  1. Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động:

    • Khối nguồn: Nhận điện lưới 220VAC, sử dụng bộ nguồn xung hạ áp để cung cấp các đường nguồn 12VDC (cấp cho relay, động cơ bước, sò nóng lạnh TEC1-12706) và 5VDC (cấp cho ESP32S, DS1307, DS18B20 và cảm biến hồng ngoại).
    • Khối cảm biến: Gồm cảm biến nhiệt độ DS18B20 (sử dụng trở kéo lên 4.7 kΩ nối chân dữ liệu lên nguồn 5V) và cảm biến hồng ngoại LM393 đưa tín hiệu số trực tiếp về chân GPIO của ESP32S.
    • Khối thời gian thực: Module DS1307 kết nối với ESP32S qua 2 đường truyền chuẩn I2C (SCL và SDA), đảm bảo hệ thống duy trì lịch trình bật/tắt thiết bị ngay cả khi ngắt kết nối Wi-Fi.
    • Khối điều khiển ngoại vi: Sử dụng module cầu H L298N để điều khiển động cơ bước 28BYJ48-12V; sử dụng các tầng đệm transistor TIP41C điều khiển kích các rơle SRD-12VDC nhằm đóng ngắt an toàn nguồn 220VAC cho máy sưởi, máy lọc nước, máy bơm oxy và đèn chiếu sáng LED.
    • Khối xử lý trung tâm & kết nối Internet: Vi điều khiển ESP32S chịu trách nhiệm đọc dữ liệu định kỳ, xử lý thuật toán so sánh ngưỡng nhiệt độ, điều khiển các khối ngoại vi và giao tiếp với Web Server qua kết nối Wi-Fi.
  2. Thiết kế cơ khí và mô hình vật lý:

    • Mô hình bể cá: Kích thước kính chuẩn 60 x 30 x 40 cm.
    • Hộp điều khiển trung tâm: Thiết kế hộp bảo vệ chứa bo mạch PCB, bố trí các cổng kết nối ngoại vi, công tắc nguồn và jack cắm chuyên dụng.
    • Cơ cấu máy cho cá ăn: Thiết kế phễu chứa thức ăn khô dạng hạt, bên dưới gắn trục xoắn ốc kết nối với trục động cơ bước 28BYJ48. Khi động cơ quay, trục xoắn đùn một lượng hạt thức ăn nhất định rơi xuống bể. Cặp LED thu - phát của cảm biến hồng ngoại được bố trí ngang thành phễu để giám sát mức thức ăn còn lại.
    • Bộ làm lạnh nước: Ghép nối mặt lạnh của sò TEC1-12706 vào khối dẫn nhiệt tiếp xúc với dòng nước, mặt nóng được áp chặt vào khối nhôm tản nhiệt có quạt gió công suất lớn giải nhiệt liên tục.
  3. Thiết kế phần mềm và cơ sở dữ liệu:

    • Cơ sở dữ liệu MySQL trên máy chủ 000webhost gồm 4 bảng dữ liệu chức năng:
      • Bảng thongtinbeca: Lưu trữ các thông số đo đạc gồm nhiệt độ nước, trạng thái thức ăn (còn/hết) và mốc thời gian ghi nhận (timestamp).
      • Bảng dieukhien1: Lưu trữ trạng thái bật/tắt của đèn LED, máy lọc, máy sục oxy, máy làm nóng, máy làm lạnh, chế độ vận hành (Auto/Manual) và cấu hình 4 mức lượng thức ăn cho cá.
      • Bảng mathietbi: Lưu trữ mã định danh của thiết bị phần cứng để xác thực và liên kết với tài khoản người dùng.
      • Bảng thongtintaikhoan: Lưu trữ thông tin tài khoản quản trị (tên đăng nhập, mật khẩu, email khôi phục).
    • Giao diện người dùng trên nền web: Xây dựng các trang chức năng gồm Trang đăng nhập/đăng ký/khôi phục mật khẩu, Trang điều khiển thiết bị thời gian thực, Trang thống kê nhiệt độ và Trang theo dõi lịch sử vận hành, lịch sử sự cố kết nối.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 giới thiệu bối cảnh thực tiễn của phong trào nuôi cá cảnh, phân tích những trở ngại về mặt thời gian và kỹ thuật chăm sóc của người nuôi dẫn đến tỷ lệ cá chết cao. Từ đó, tác giả xác định mục tiêu nghiên cứu, liệt kê 10 nội dung nhiệm vụ kỹ thuật cần giải quyết và xác định các giới hạn phạm vi của đề tài (bể kích thước 60x30x40 cm, dải nhiệt độ 25°C – 33°C, sử dụng vi điều khiển ESP32S và quản lý phân quyền 1 tài khoản/thiết bị).

Chương 2: Cơ sở lý thuyết và kỹ thuật nuôi cá cảnh

Chương 2 trình bày hai mảng kiến thức nền tảng:

  • Kỹ thuật nuôi cá cảnh: Yêu cầu chất lượng nước ngọt, phương pháp khử clo trong nước máy, xử lý nước giếng khoan và nước mưa; kỹ thuật thay nước 30%–50%; chế độ dinh dưỡng với thức ăn tổng hợp dạng hạt; nhu cầu chiếu sáng dưới 8 giờ/ngày vào ban ngày; dải nhiệt độ tối ưu 26°C–29°C và kỹ thuật sục khí oxy định kỳ.
  • Nền tảng công nghệ và phần cứng: Tổng quan kiến trúc mạng TCP/IP, giao thức HTTP, hosting 000webhost; các ngôn ngữ lập trình HTML5, CSS3, JavaScript, PHP và cơ sở dữ liệu MySQL; cấu tạo và thông số kỹ thuật chi tiết của vi điều khiển ESP32S, cảm biến DS18B20, DS1307, LM393, L298N, động cơ bước 28BYJ48-12V, sò nóng lạnh TEC1-12706, relay SRD12VDC, transistor TIP41C, máy sưởi, máy lọc và máy bơm oxy.

Chương 3: Tính toán và thiết kế hệ thống

Chương 3 tập trung thuyết minh sơ đồ khối hệ thống gồm 5 khối chức năng. Tác giả trình bày các tính toán thiết kế chi tiết:

  • Phân tích sơ đồ chân và phối ghép điện áp giữa ESP32S với module cảm biến DS18B20 (sử dụng trở kéo lên 4.7 kΩ), module RTC DS1307 (chuẩn I2C).
  • Thiết kế mạch công suất lái động cơ bước qua module L298N.
  • Thiết kế mạch đệm điều khiển relay sử dụng transistor BJT TIP41C kết hợp diode dập xung bảo vệ cuộn dây.
  • Xây dựng sơ đồ nguyên lý toàn mạch hoàn chỉnh thể hiện sự liên kết giữa khối vi xử lý, khối nguồn hạ áp và các khối chấp hành ngoại vi.

Chương 4: Thi công hệ thống và xây dựng phần mềm

Chương 4 mô tả toàn bộ quy trình chế tạo phần cứng và phát triển phần mềm:

  • Thi công mạch in: Thiết kế layout mạch in PCB trên Proteus, quy trình ủi nhiệt, ăn mòn hóa chất, khoan lỗ và hàn linh kiện.
  • Chế tạo cơ khí: Gia công vỏ hộp đựng mạch điều khiển bằng mica có trổ lỗ jack cắm; chế tạo cụm máy cho ăn tự động sử dụng trục xoắn ốc kết hợp cảm biến hồng ngoại; thi công cụm làm lạnh nước sử dụng sò Peltier TEC1-12706 gắn khối tản nhiệt và quạt làm mát.
  • Lập trình nhúng trên ESP32S: Xây dựng lưu đồ giải thuật chính của hệ thống, lập trình đọc cảm biến, gửi/nhận dữ liệu HTTP qua Arduino IDE.
  • Phát triển web và cơ sở dữ liệu: Khởi tạo hosting trên 000webhost, tạo 4 bảng dữ liệu MySQL (thongtinbeca, dieukhien1, mathietbi, thongtintaikhoan), lập trình các tệp PHP trung gian kết nối cơ sở dữ liệu và thiết kế các giao diện người dùng (đăng nhập, điều khiển thiết bị, biểu đồ nhiệt độ, lịch sử dữ liệu).

Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá

Chương 5 công bố các kết quả thực nghiệm thu được từ mô hình thực tế:

  • Thống kê dữ liệu hoạt động ở chế độ thủ công (Manual) và tự động (Auto) cho các thiết bị đèn LED, máy lọc, máy bơm oxy.
  • Kiểm tra độ chính xác của cơ cấu cho ăn qua 4 mức định lượng thức ăn cài đặt trên web.
  • Đo đạc hiệu năng điều chỉnh nhiệt độ nước: ghi nhận sự thay đổi nhiệt độ khi kích hoạt cây sưởi 220VAC (làm nóng) và sò lạnh TEC1-12706 (làm mát).
  • Thử nghiệm độ ổn định của hệ thống khi xảy ra sự cố mất kết nối Wi-Fi, ghi nhận khả năng tự vận hành nhờ module thời gian thực DS1307.
  • Đánh giá các ưu điểm và hạn chế tồn tại của hệ thống sau quá trình chạy thử dài ngày.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết toàn bộ mức độ hoàn thành nhiệm vụ theo mục tiêu đề ra, khẳng định khả năng ứng dụng thực tiễn của thiết bị trong việc chăm sóc cá cảnh từ xa. Đồng thời, tác giả đề xuất các hướng nâng cấp phần cứng và phần mềm cho các nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

  1. Các kết quả thực nghiệm định lượng chính:
  • Về điều khiển nhiệt độ: Hệ thống đo đạc chính xác nhiệt độ môi trường nước thông qua cảm biến DS18B20 với sai số trong ngưỡng ±0.5°C; tự động kích hoạt máy sưởi khi nhiệt độ giảm dưới 25°C và kích hoạt sò lạnh TEC1-12706 khi nhiệt độ vượt quá 33°C, duy trì nước bể cá trong giới hạn cho phép.
  • Về cơ cấu cho ăn tự động: Động cơ bước 28BYJ48 kết hợp trục xoắn ốc thực thi chính xác 4 mức định lượng thức ăn theo cấu hình cài đặt từ website; cảm biến hồng ngoại LM393 nhận diện chính xác trạng thái còn/hết thức ăn trong phễu và gửi cảnh báo về máy chủ.
  • Về tính năng tự động hóa theo thời gian: Hệ thống duy trì lịch trình bật/tắt máy sục khí oxy và máy lọc nước theo khung giờ cài đặt (bơm oxy vài giờ/ngày, lọc nước 2 – 8 giờ/ngày), hạn chế lãng phí điện năng và bảo đảm môi trường sống ổn định cho cá.
  • Về độ tin cậy khi mất mạng: Khi mất kết nối Wi-Fi, module thời gian thực DS1307 đóng vai trò duy trì đồng hồ hệ thống, giúp các lệnh điều khiển tự động theo giờ vẫn hoạt động chính xác mà không bị gián đoạn.
Thông số / Chức năng Chế độ Thủ công (Manual) Chế độ Tự động (Auto) Kết quả kiểm thử thực tế
Điều khiển đèn LED Bật/tắt trực tiếp từ giao diện Web Bật ban ngày (< 8h), tắt ban đêm Đáp ứng tín hiệu điều khiển dưới 2 giây qua Internet
Máy bơm khí Oxy Bật/tắt tùy ý từ xa qua Web Chạy định kỳ theo lịch trình giờ Vận hành đúng lịch trình, duy trì oxy hòa tan ổn định
Máy lọc nước Đóng/ngắt thủ công qua Web Bật từ 2 – 8 giờ mỗi ngày Nước bể luôn trong, giảm tần suất thay nước thủ công
Kiểm soát nhiệt độ Bật/tắt thiết bị sưởi/lạnh qua Web Tự động gia nhiệt (<25°C), làm lạnh (>33°C) Giữ nhiệt độ ổn định trong dải an toàn 25°C – 33°C
Định lượng thức ăn Kích hoạt nút cho ăn tức thời Hẹn giờ cho ăn 2 lần/ngày (sáng, chiều) Cơ cấu trục xoắn chia đúng 4 mức lượng hạt thức ăn
Giám sát mức thức ăn Cập nhật trạng thái lên bảng điều khiển Báo động cạn thức ăn qua Web Cảm biến hồng ngoại phát hiện chính xác vật cản
  1. Đóng góp của đề tài:
  • Xây dựng thành công giải pháp phần cứng tích hợp hoàn chỉnh giữa vi điều khiển ESP32S và các module ngoại vi chuyên dụng trong môi trường thủy sinh với chi phí chế tạo thấp.
  • Thiết kế cơ cấu cơ khí trục xoắn đùn hạt thức ăn điều khiển bằng động cơ bước, giải quyết triệt để tình trạng kẹt thức ăn và định lượng sai lệch thường gặp ở các máy cho ăn dạng xoay hộp thông thường.
  • Thiết lập hệ thống cơ sở dữ liệu và giao diện web thân thiện, cho phép phân quyền người dùng, lưu trữ lịch sử trạng thái thiết bị và quản lý bể cá từ xa qua mạng toàn cầu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

  • Hệ thống chỉ mới đo đạc và kiểm soát được thông số nhiệt độ, chưa tích hợp các cảm biến đo lường chất lượng nước chuyên sâu như cảm biến đo độ pH, cảm biến độ đục (đo độ trong của nước) và cảm biến đo nồng độ oxy hòa tan (DO).
  • Hiệu suất làm mát của sò nóng lạnh Peltier TEC1-12706 còn thấp, chỉ phù hợp với các bể cá cảnh thể tích nhỏ (dưới 100 lít); khi ứng dụng cho các bể có dung tích lớn, tốc độ hạ nhiệt độ nước còn chậm và tiêu hao nhiều điện năng.
  • Chưa trang bị camera giám sát hình ảnh trực tiếp để người dùng có thể quan sát trực quan trạng thái bơi lội của cá và môi trường bên trong bể qua website.
  • Cơ chế quản lý tài khoản hiện tại mới chỉ hỗ trợ 1 tài khoản điều khiển cho 1 thiết bị phần cứng, chưa linh hoạt cho mô hình nhiều người cùng quản lý hoặc một người quản lý nhiều bể cá cùng lúc.
  • Nền tảng web server vận hành trên dịch vụ hosting miễn phí (000webhost), đôi khi gặp độ trễ đường truyền hoặc giới hạn băng thông truy cập.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo:

  • Tích hợp thêm các cảm biến đo độ pH, cảm biến đo độ đục của nước và hệ thống cảnh báo tự động thay nước khi nước bị ô nhiễm.
  • Nghiên cứu giải pháp làm lạnh nước hiệu suất cao hơn (sử dụng máy nén lạnh công suất nhỏ hoặc tăng cường cụm sò lạnh ghép tầng) cho các bể cá có kích thước lớn.
  • Lắp đặt camera IP truyền luồng hình ảnh trực tiếp (live stream) tích hợp vào giao diện điều khiển website.
  • Phát triển ứng dụng di động chuyên biệt (Mobile App) trên nền tảng Android và iOS để tối ưu hóa trải nghiệm điều khiển và nhận thông báo đẩy.
  • Mở rộng kiến trúc cơ sở dữ liệu để hỗ trợ quản lý tập trung nhiều bể cá trên cùng một tài khoản người dùng.

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, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Cơ điện tử và Công nghệ Thông tin đang thực hiện các đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp về hệ thống nhúng, thiết bị IoT và tự động hóa nông nghiệp/thủy sinh.
  • Các nhà phát triển hệ thống IoT tham khảo sơ đồ nguyên lý mạch ghép nối ngoại vi của vi điều khiển ESP32S (chuẩn 1-Wire của DS18B20, chuẩn I2C của DS1307, mạch cầu H L298N lái động cơ bước và mạch cách ly relay điều khiển tải AC).
  • Lập trình viên hệ thống tham khảo giải pháp xây dựng cầu nối truyền nhận dữ liệu giữa thiết bị phần cứng với máy chủ cơ sở dữ liệu MySQL thông qua các tệp kịch bản PHP và thiết kế giao diện web quản trị thích ứng (responsive).

Câu hỏi thường gặp

  1. Vi điều khiển trung tâm ESP32S đóng vai trò gì và có những đặc tính kỹ thuật nào nổi bật? ESP32S đóng vai trò là khối xử lý trung tâm của toàn bộ hệ thống. Vi điều khiển này được trang bị CPU Xtensa Dual-Core LX6 32-bit (xung nhịp 160–240 MHz), bộ nhớ RAM 520 KB SRAM, tích hợp sẵn kết nối không dây Wi-Fi 802.11 b/g/n và Bluetooth BLE cùng 34 chân GPIO. Module chịu trách nhiệm thu thập tín hiệu từ cảm biến DS18B20 và cảm biến hồng ngoại, nhận tín hiệu thời gian từ DS1307, xuất tín hiệu điều khiển cơ cấu chấp hành và truyền dữ liệu lên Web Server qua mạng Wi-Fi.

  2. Hệ thống xử lý như thế nào để duy trì hoạt động khi xảy ra sự cố mất kết nối mạng Internet? Hệ thống được tích hợp module thời gian thực DS1307 kèm pin nuôi nguồn dự phòng hoạt động độc lập qua giao tiếp I2C. Khi mất kết nối Wi-Fi, vi điều khiển ESP32S sẽ tự động chuyển sang đọc dữ liệu thời gian thực từ DS1307 để tiếp tục thực thi chính xác các lịch trình tự động đã được lập trình sẵn trong bộ nhớ (bật/tắt đèn LED, máy sục oxy, máy lọc nước và cho cá ăn đúng giờ) mà không bị phụ thuộc vào máy chủ web.

  3. Cơ cấu máy cho cá ăn tự động được thiết kế theo nguyên lý nào và có bao nhiêu mức định lượng? Máy cho cá ăn sử dụng cơ cấu trục xoắn ốc (vít đùn) đặt dưới đáy phễu chứa thức ăn, được dẫn động trực tiếp bởi động cơ bước 28BYJ48-12V thông qua mạch điều khiển L298N. Người dùng có thể cấu hình 4 mức lượng thức ăn khác nhau trên website; tương ứng với mỗi mức, vi điều khiển sẽ điều khiển động cơ bước quay một số vòng xác định để đùn chính xác khối lượng hạt thức ăn cần thiết rơi xuống bể. Ngoài ra, cảm biến hồng ngoại LM393 gắn ngang phễu sẽ phát hiện khi mức thức ăn cạn để cảnh báo cho người dùng.

  4. Dải nhiệt độ nước được hệ thống kiểm soát trong khoảng bao nhiêu và cơ chế điều khiển diễn ra như thế nào? Hệ thống kiểm soát nhiệt độ nước bể cá trong dải an toàn từ 25°C đến 33°C bằng cảm biến DS18B20 chống nước (sai số ±0.5°C). Khi nhiệt độ nước đo được giảm xuống dưới 25°C, vi điều khiển kích hoạt relay bật cây sưởi 220VAC để gia nhiệt; khi nhiệt độ nước vượt quá 33°C, hệ thống sẽ kích hoạt relay đóng nguồn 12V cho sò nóng lạnh TEC1-12706 và quạt tản nhiệt để hạ nhiệt độ nước.

  5. Cơ sở dữ liệu MySQL của hệ thống được tổ chức gồm những bảng nào và lưu trữ thông tin gì? Cơ sở dữ liệu MySQL lưu trữ trên web hosting gồm 4 bảng chính: bảng thongtinbeca (lưu trữ giá trị nhiệt độ nước, trạng thái còn/hết thức ăn và mốc thời gian timestamp), bảng dieukhien1 (lưu trữ trạng thái bật/tắt của đèn, lọc, oxy, thiết bị sưởi/lạnh, chế độ Auto/Manual và cấu hình 4 mức cho ăn), bảng mathietbi (quản lý mã định danh phần cứng của thiết bị để xác thực) và bảng thongtintaikhoan (quản lý thông tin đăng nhập, mật khẩu và email tài khoản người dùng).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết bị hỗ trợ nuôi cá tự động" đã thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình chăm sóc bể cá cảnh thông minh ứng dụng vi điều khiển ESP32S và công nghệ IoT. Hệ thống giải quyết hiệu quả các yêu cầu sinh học cốt lõi của cá cảnh thông qua việc kiểm soát ổn định dải nhiệt độ 25°C – 33°C, tự động hóa chu kỳ cho ăn định lượng bằng cơ cấu trục xoắn, điều tiết máy lọc và máy sục khí oxy theo thời gian thực kết hợp giám sát từ xa qua website. Toàn bộ giải pháp từ mạch in phần cứng, kết cấu cơ khí đến phần mềm máy chủ và cơ sở dữ liệu MySQL đều hoạt động ổn định và đáp ứng tốt các mục tiêu kỹ thuật đề ra.