Đồ án thiết kế hệ thống giám sát môi trường nước hồ cá cảnh qua ESP32 - ĐH SPKT TP.HCM

Đồ án thiết kế và thi công hệ thống giám sát môi trường nước hồ nuôi cá cảnh sử dụng vi điều khiển ESP32 và ứng dụng Blynk tại ĐH SPKT TP.HCM.

• Tác giả: Đỗ Ngọc An
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Ngô Lâm
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử, viễn thông
• Đề tài: Thiết kế và thi công hệ thống giám sát môi trường nước trong hồ nuôi cá cảnh
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống giám sát môi trường nước hồ cá cảnh ESP32

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Đỗ Ngọc An và Chu Đan Trường, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM trình bày thiết kế và thi công hệ thống giám sát môi trường nước trong hồ nuôi cá cảnh. Hệ thống sử dụng vi điều khiển ESP32 làm lõi xử lý trung tâm. Đây là một ứng dụng thực tiễn của công nghệ IoT trong lĩnh vực nuôi trồng thủy sản quy mô nhỏ. Hồ nuôi cá cảnh đòi hỏi các thông số môi trường nước được kiểm soát chặt chẽ và liên tục. Nhiệt độ, độ pH và độ đục là ba thông số cốt lõi ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe cá. Nếu các thông số này vượt ngưỡng an toàn, cá cảnh có thể bị sốc hoặc chết hàng loạt. Hệ thống được giảng viên hướng dẫn ThS. Nguyễn Ngô Lâm định hướng và hoàn thành vào tháng 01 năm 2025. Mục tiêu chính là xây dựng một giải pháp giám sát tự động, cảnh báo kịp thời qua ứng dụng di động Blynk và tin nhắn SMS. Đây là bước tiến quan trọng trong việc áp dụng công nghệ nhúng vào thực tế đời sống.

1.1. Bối cảnh và mục tiêu của đề tài nghiên cứu

Nuôi cá cảnh ngày càng phổ biến tại Việt Nam. Tuy nhiên, việc theo dõi chất lượng nước theo phương thức thủ công tốn nhiều thời gian và dễ sai sót. Đề tài ra đời nhằm giải quyết vấn đề này. Mục tiêu cụ thể là xây dựng hệ thống đo lường tự động các thông số nước theo thời gian thực, truyền dữ liệu lên đám mây và cảnh báo người dùng khi có sự cố. Kết quả cuối cùng là một sản phẩm hoàn chỉnh có thể triển khai thực tế.

1.2. Phạm vi và giới hạn của hệ thống giám sát

Hệ thống tập trung giám sát ba thông số chính: nhiệt độ nước, độ pH và độ đục. Ba thông số này được xác định là quan trọng nhất đối với hồ cá cảnh quy mô gia đình. Module SIM800A được tích hợp để gửi cảnh báo SMS khi thông số vượt ngưỡng. Ứng dụng Blynk trên điện thoại cung cấp giao diện hiển thị trực quan. Hệ thống hoạt động liên tục, không cần sự can thiệp thủ công trong quá trình vận hành thông thường.

II. Phân tích vấn đề chất lượng nước trong hồ nuôi cá cảnh

Chất lượng nước là yếu tố sống còn trong nuôi cá cảnh. Nhiều người nuôi cá thường gặp tình trạng cá chết đột ngột mà không rõ nguyên nhân. Nguyên nhân phổ biến nhất là sự thay đổi đột ngột của các thông số hóa lý trong nước. Nhiệt độ nước quá cao hoặc quá thấp đều gây stress cho cá. Độ pH mất cân bằng ảnh hưởng đến quá trình hô hấp và trao đổi chất. Độ đục tăng cao báo hiệu nước bị ô nhiễm hoặc tảo phát triển quá mức. Hầu hết người nuôi cá nghiệp dư không có thiết bị đo chuyên dụng. Họ chỉ phát hiện vấn đề khi cá đã có dấu hiệu bệnh rõ ràng. Lúc đó, việc xử lý thường muộn và tốn kém. Giải pháp giám sát tự động liên tục giúp phát hiện sớm các bất thường. Cảnh báo kịp thời cho phép can thiệp trước khi thiệt hại xảy ra. Đây chính là khoảng trống mà đề tài hướng đến lấp đầy.

2.1. Tác động của nhiệt độ và độ pH đến sinh trưởng cá cảnh

Nhiệt độ lý tưởng cho hầu hết cá cảnh nhiệt đới dao động từ 24°C đến 28°C. Vượt ra ngoài ngưỡng này, cá bắt đầu biểu hiện stress. Cảm biến DS18B20 chống nước có thể đo nhiệt độ tối đa 125°C với độ phân giải 9 đến 12 bit, đủ độ chính xác cho ứng dụng này. Độ pH an toàn thường nằm trong khoảng 6.5 đến 7.5. Sai lệch pH gây rối loạn thẩm thấu và phá hủy màng nhầy bảo vệ của cá. Cảm biến pH DFRobot được chọn vì độ chính xác cao và phù hợp môi trường nước.

2.2. Vai trò của độ đục và nhu cầu giám sát liên tục

Độ đục phản ánh lượng hạt lơ lửng trong nước, bao gồm chất hữu cơ, tảo và vi khuẩn. Nước đục làm giảm lượng oxy hòa tan và cản trở quá trình quang hợp của thực vật thủy sinh. Cảm biến đo độ đục DFRobot cung cấp tín hiệu analog cho phép đo chính xác và liên tục. Giám sát liên tục 24/7 là yêu cầu thiết yếu vì các thông số nước có thể thay đổi nhanh chóng theo thời gian trong ngày. Hệ thống tự động hóa loại bỏ hoàn toàn sự phụ thuộc vào quan sát thủ công.

III. Giải pháp thiết kế hệ thống giám sát nước dùng ESP32 và IoT

Hệ thống được thiết kế theo kiến trúc gồm bốn khối chính: khối cảm biến nhiệt độ, khối cảm biến độ đục, khối cảm biến pH và khối giao tiếp SMS. Vi điều khiển ESP32 đóng vai trò trung tâm điều phối toàn bộ hệ thống. ESP32 có ưu điểm vượt trội nhờ tích hợp WiFi và Bluetooth, khả năng xử lý mạnh mẽ với hai nhân 240MHz và nhiều chân ADC cho tín hiệu analog. Cảm biến DS18B20 giao tiếp qua chuẩn One-Wire, chỉ cần một chân dữ liệu duy nhất. Cảm biến pH và độ đục của DFRobot xuất tín hiệu analog, được đọc qua các chân ADC của ESP32. Module SIM800A xử lý việc gửi SMS cảnh báo qua mạng 3G/4G. Ứng dụng Blynk được cài đặt trên điện thoại thông minh để hiển thị dữ liệu theo thời gian thực. Mạch in PCB được thiết kế riêng để gắn kết linh kiện gọn gàng và thẩm mỹ. Toàn bộ hệ thống hoạt động ổn định và đã được kiểm nghiệm thực tế.

3.1. Phần cứng ESP32 và các module cảm biến tích hợp

ESP32 là lựa chọn tối ưu cho dự án IoT nhờ giá thành hợp lý và tính năng phong phú. Vi điều khiển này hỗ trợ nhiều giao thức giao tiếp bao gồm UART, SPI, I2C và One-Wire. Cảm biến DS18B20 hoạt động ở điện áp 3–5V, dòng tiêu thụ chỉ 1.5mA, phù hợp cho ứng dụng ngâm nước dài hạn. Các cảm biến DFRobot được kết nối qua chân ADC của ESP32. Toàn bộ sơ đồ mạch được thiết kế trên PCB chuyên dụng để đảm bảo độ tin cậy và tính thẩm mỹ cho sản phẩm hoàn chỉnh.

3.2. Phần mềm Blynk và cơ chế cảnh báo SMS tự động

Giao diện Blynk cho phép người dùng xem các thông số môi trường nước theo thời gian thực trên điện thoại thông minh. Dữ liệu từ ESP32 được gửi lên máy chủ Blynk qua kết nối WiFi. Khi thông số vượt ngưỡng cài đặt, hệ thống kích hoạt module SIM800A gửi SMS cảnh báo ngay lập tức. Module SIM800A hỗ trợ sóng 3G/4G phù hợp với hạ tầng viễn thông hiện tại của Việt Nam sau khi mạng 2G bị tắt. Cơ chế kép này đảm bảo người dùng luôn nhận được cảnh báo dù có hay không có kết nối Internet.

IV. Kết quả và ứng dụng thực tiễn của hệ thống giám sát ESP32

Đề tài đã hoàn thành mục tiêu đề ra: xây dựng thành công hệ thống giám sát môi trường nước hồ cá cảnh hoạt động ổn định. Hệ thống đo chính xác ba thông số nhiệt độ, pH và độ đục theo thời gian thực. Dữ liệu được hiển thị trực quan trên ứng dụng Blynk và cảnh báo qua SMS kịp thời. Sai số cảm biến pH ghi nhận từ 1 đến 1.5 đơn vị, chấp nhận được trong điều kiện thực tế. Mạch PCB được thi công gọn gàng, đảm bảo tính bền vững và thẩm mỹ. Đây là minh chứng rõ ràng cho khả năng ứng dụng ESP32 và IoT vào các bài toán thực tiễn đời sống. Hệ thống có thể mở rộng thêm cảm biến oxy hòa tan hoặc tích hợp máy bơm tự động trong các phiên bản tiếp theo. Tiềm năng thương mại hóa là khả thi vì chi phí linh kiện thấp và dễ lắp đặt. Đây là nền tảng tốt để phát triển thành sản phẩm IoT thương mại trong lĩnh vực nông nghiệp thủy sản thông minh.

4.1. Đánh giá hiệu năng và độ chính xác của hệ thống đo lường

Cảm biến DS18B20 hoạt động ổn định trong môi trường nước với độ chính xác cao nhờ giao thức One-Wire và tín hiệu số. Cảm biến DFRobot đo độ đục qua tín hiệu analog cho kết quả liên tục và nhạy bén. Quá trình kiểm nghiệm thực tế cho thấy hệ thống phản hồi nhanh khi thông số thay đổi. Độ trễ giữa thay đổi thực tế và hiển thị trên Blynk ở mức chấp nhận được. Hệ thống SMS hoạt động đáng tin cậy trên nền tảng mạng 3G/4G hiện tại của Việt Nam.

4.2. Hướng phát triển và khả năng mở rộng của hệ thống IoT

Hệ thống hiện tại là nền tảng vững chắc để tích hợp thêm nhiều tính năng. Có thể bổ sung cảm biến đo oxy hòa tan và amoniac để giám sát toàn diện hơn. Tích hợp máy bơm và hệ thống lọc tự động sẽ nâng cấp hệ thống từ giám sát thụ động sang điều khiển chủ động. Dữ liệu lịch sử có thể được phân tích bằng trí tuệ nhân tạo để dự báo xu hướng chất lượng nước. Mô hình này có thể nhân rộng sang các ứng dụng nuôi trồng thủy sản quy mô lớn hơn trong tương lai.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Nuôi cá cảnh là một thú vui phổ biến trên thế giới cũng như tại Việt Nam, mang lại giá trị thẩm mỹ, giá trị thư giãn tinh thần và ý nghĩa phong thủy theo quan niệm văn hóa Á Đông. Tuy nhiên, việc duy trì một hồ cá cảnh phát triển khỏe mạnh đòi hỏi người nuôi phải dành nhiều thời gian và công sức để theo dõi các chỉ số môi trường nước (nhiệt độ, độ đục, độ pH), cấp dưỡng khí oxy, làm mát, thay nước định kỳ và cho cá ăn đúng giờ. Những biến động bất thường của môi trường nước có thể gây căng thẳng (stress), suy giảm sức đề kháng, phát sinh dịch bệnh hoặc gây chết cá, đặc biệt đối với các giống cá cảnh quý hiếm có giá trị kinh tế cao.

Đối với những người bận rộn, việc kiểm soát thủ công thường xuyên gặp khó khăn, thiếu tính liên tục và không kịp thời xử lý sự cố. Nhằm giải quyết vấn đề thực tiễn trên, đề tài "Thiết kế và thi công hệ thống giám sát môi trường nước trong hồ nuôi cá cảnh" được thực hiện nhằm ứng dụng công nghệ Internet of Things (IoT) và kỹ thuật nhúng vào quy trình quản lý hồ cá tự động, hỗ trợ người nuôi theo dõi và can thiệp từ xa.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án bao gồm:

1. Thiết kế và chế tạo hệ thống đa chức năng ứng dụng công nghệ IoT có khả năng thu thập liên tục các thông số môi trường nước trong hồ nuôi cá cảnh.
2. Đo đạc và hiển thị trực quan các thông số môi trường gồm nhiệt độ, độ đục và độ pH lên màn hình tinh thể lỏng (LCD) tại chỗ và bảng điều khiển trên ứng dụng di động Blynk IoT.
3. Điều khiển các thiết bị ngoại vi phụ trợ (máy bơm nước, máy sủi khí oxy, sò lạnh tản nhiệt, cơ cấu cho ăn tự động) bằng nút bấm cơ học trên mô hình hoặc thông qua giao diện điều khiển từ xa trên ứng dụng di động.
4. Xây dựng cơ chế cảnh báo tự động qua ứng dụng di động và tin nhắn viễn thông SMS khi các chỉ số vượt ngưỡng an toàn hoặc khi xảy ra sự cố gián đoạn kết nối Internet/WiFi.

Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định:

1. Khảo sát các thông số môi trường nước ảnh hưởng đến cá cảnh và nghiên cứu đặc tính kỹ thuật của các linh kiện điện tử, cảm biến và thiết bị tải.
2. Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ DS18B20, cảm biến độ đục, cảm biến độ pH, module GSM/GPRS SIM800A, module thời gian thực RTC DS3231, module relay 4 kênh, động cơ servo MG90S và nền tảng Blynk IoT.
3. Thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý toàn mạch, vẽ mạch in (PCB) bằng phần mềm Proteus và lập trình giải thuật điều khiển trên môi trường Arduino IDE.
4. Thi công phần cứng, tích hợp hệ thống vào mô hình hồ cá thực nghiệm, kết nối mạng và kiểm thử chức năng vận hành của toàn bộ thiết bị.
5. Kiểm tra, đo đạc độ chính xác của cảm biến, đánh giá độ ổn định của hệ thống và đề xuất các giải pháp hiệu chỉnh.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu phần cứng: Vi điều khiển ESP32 NodeMCU LuaNode32 (38 chân); cảm biến nhiệt độ DS18B20 đầu dò chống nước; cảm biến đo độ đục DFRobot Gravity; cảm biến đo độ pH DFRobot; module SIM800A; module RTC DS3231; module relay 4 kênh 5V; động cơ servo MG90S; màn hình LCD 20x4 kết hợp module I2C; mạch giảm áp XL4015 5V-5A; nguồn tổ ong 12V-20A; máy bơm chìm mini USB; máy sủi khí oxy USB; thiết bị làm mát bằng sò nóng lạnh 12V 12706 kèm quạt tản nhiệt.
• Đối tượng nghiên cứu phần mềm: Môi trường lập trình Arduino IDE, phần mềm thiết kế mạch Proteus, ứng dụng di động Blynk IoT kết nối qua máy chủ đám mây Blynk Server.
• Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống được thiết kế, chế tạo và thử nghiệm ở quy mô mô hình hộ gia đình. Giới hạn điều khiển bao gồm 3 cảm biến môi trường nước, 4 thiết bị tải chấp hành cùng cơ cấu gạt thức ăn tự động.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài dựa trên các kiến thức về sinh thái môi trường nước nuôi thủy sản cảnh, kiến trúc hệ thống nhúng điều khiển và nền tảng IoT:

• Yếu tố môi trường nước: Tác giả tổng hợp điều kiện sống tiêu chuẩn của các loài cá cảnh phổ biến (như Cá Chép Vàng sống ở nhiệt độ 20 – 24°C, độ pH 6.3 – 7.5, nồng độ oxy hòa tan 5 – 6 mg/l; Cá Chép Nhật - Koi sống ở nhiệt độ 20 – 27°C, độ pH 7 – 8). Môi trường đòi hỏi phải duy trì nhiệt độ ổn định, đủ dưỡng khí oxy, hạn chế cặn bẩn lơ lửng và giữ độ pH ở mức trung tính thích hợp.
• Chuẩn giao tiếp phần cứng:
  • Chuẩn UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter): Giao tiếp nối tiếp không đồng bộ song công giữa vi điều khiển ESP32 và module SIM800A qua các chân truyền nhận TXD/RXD với cấu trúc khung truyền gồm Start bit, 5-9 Data bits, Parity bit và Stop bit.
  • Chuẩn I2C (Inter-Integrated Circuit): Giao tiếp bus đồng bộ 2 dây (SDA truyền dữ liệu, SCL xung nhịp) kết nối ESP32 với module thời gian thực RTC DS3231 và module điều khiển màn hình LCD 20x4, hoạt động theo cơ chế Master-Slave với khung truyền 8 bit.
  • Chuẩn One Wire: Giao tiếp nối tiếp bán song công trên một dây dẫn tín hiệu dữ liệu duy nhất kết hợp điện trở kéo lên (pull-up resistor), sử dụng các khe thời gian vi giây (microsecond) chính xác để thực hiện các chu kỳ Write 0, Write 1, Read và Restart giữa Master (ESP32) và Slave (cảm biến DS18B20).
• Nền tảng Blynk IoT: Hoạt động dựa trên kiến trúc 3 thành phần gồm Blynk App (giao diện đồ họa người dùng tùy biến qua các widget), Blynk Server (máy chủ đám mây trung gian xử lý, lưu trữ dữ liệu và định tuyến bản tin) và Blynk Library (thư viện phần mềm tích hợp trên vi điều khiển ESP32 xử lý lệnh truyền thông qua kết nối mạng WiFi/Internet).

Phương pháp nghiên cứu thực hiện bao gồm:

• Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Thu thập tài liệu kỹ thuật, nghiên cứu datasheet của nhà sản xuất về sơ đồ chân, đặc tính điện áp, dòng tiêu thụ và giao thức truyền thông của vi điều khiển ESP32 cùng các linh kiện ngoại vi.
• Phương pháp thiết kế kỹ thuật và mô phỏng: Thiết kế sơ đồ nguyên lý và layout mạch in 1 lớp trên phần mềm Proteus; tính toán phụ tải dòng điện và điện áp để lựa chọn linh kiện cấp nguồn phù hợp.
• Phương pháp thực nghiệm - kiểm thử: Chế tạo mạch in PCB, hàn lắp linh kiện, bố trí phần cứng vào khung mô hình hồ cá, nạp mã nguồn điều khiển từ Arduino IDE, tiến hành đo kiểm các mẫu nước thực tế và hiệu chuẩn sai số cảm biến.

Nguồn dữ liệu sử dụng:

• Dữ liệu thông số kỹ thuật chuẩn từ tài liệu của nhà sản xuất vi điều khiển Espressif Systems, nhà sản xuất cảm biến DFRobot và Dallas Semiconductor.
• Dữ liệu thực nghiệm thu thập trực tiếp từ các phép đo nhiệt độ, độ đục, độ pH và quá trình kích hoạt thiết bị tải trên mô hình hồ nuôi cá thực tế.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc khối phân tầng, tích hợp giữa mạch phần cứng nhúng và phần mềm điều khiển di động. Trung tâm điều khiển là vi điều khiển ESP32 NodeMCU LuaNode32 tiếp nhận dữ liệu từ các khối cảm biến, tính toán xử lý, xuất thông tin ra màn hình LCD 20x4, điều khiển khối chấp hành qua relay và trao đổi dữ liệu với ứng dụng Blynk qua mạng WiFi.

Tên khối chức năng	Linh kiện sử dụng	Chuẩn giao tiếp / Tín hiệu	Điện áp & Dòng hoạt động	Chức năng kỹ thuật
Xử lý trung tâm	ESP32 NodeMCU (38 chân)	WiFi, Bluetooth, One Wire, I2C, UART, ADC	5V DC (qua cổng microUSB hoặc chân VIN)	Thu thập tín hiệu, xử lý thuật toán, định thời, truyền dữ liệu IoT
Đo nhiệt độ	Cảm biến DS18B20 chống nước	One Wire (1 chân dữ liệu số)	3.0V – 5.5V DC; 1.5 mA	Dải đo đến 125°C (khuyến nghị đo an toàn ≤ 100°C), ngâm trực tiếp trong nước
Đo độ đục	Cảm biến DFRobot Gravity	Analog / Digital	3.3V – 5.0V DC	Đo độ vẩn đục của nước, dải đo từ 0 đến 1000 NTU
Đo độ pH	Cảm biến DFRobot pH	Analog	3.3V – 5.5V DC (chuẩn 5V DC)	Xác định tính axit/kiềm của nước, dải đo 0 – 14 pH
Thời gian thực	Module RTC DS3231	I2C (SDA, SCL)	3.3V – 5.5V DC; 3 mA	Lưu giữ thời gian thực chính xác, tích hợp cảm biến nhiệt độ bù sai số
Hiển thị tại chỗ	Màn hình LCD 20x4 + Module I2C	I2C (SDA, SCL)	5V DC	Hiển thị 4 dòng: Dòng 1 (Nhiệt độ), Dòng 2 (Độ đục), Dòng 3 (Độ pH), Dòng 4 (Thời gian thực)
Cảnh báo viễn thông	Module SIM800A (hỗ trợ 3G/4G)	UART (TXD, RXD)	5V – 18V DC; dòng đỉnh 1.5A	Gửi tin nhắn SMS cảnh báo đến số điện thoại khi mất mạng hoặc chỉ số vượt ngưỡng
Điều khiển tải	Module Relay 4 kênh kích H/L	Tín hiệu logic số từ GPIO	5V DC; 200 mA/relay; tiếp điểm chịu tải 250VAC-10A / 30VDC-10A	Đóng/ngắt nguồn cho máy bơm nước, máy sủi oxy, sò lạnh làm mát
Cơ cấu cho ăn	Động cơ Servo MG90S	Điều khiển xung PWM	4.8V – 6.0V DC; lực kéo 1.8 – 2.2 kg/cm	Xoay góc mở thanh chắn khay thức ăn theo lịch định sẵn
Thiết bị tải ngoại vi	Bơm mini USB, Sủi oxy, Sò lạnh 12V 12706	Điều khiển qua tiếp điểm Relay NO-COM	Bơm/Sủi: 5V DC (bơm 1.6 l/phút, sủi 5W); Sò lạnh: 12V DC (72W)	Bơm xả/thay nước, khuếch tán oxy hòa tan, hạ nhiệt độ nước hồ
Khối cấp nguồn	Nguồn tổ ong 12V-20A & Mạch giảm áp XL4015	Hạ áp điều chỉnh bước xung DC-DC	Đầu vào 12V DC, đầu ra 5V DC - 5A (công suất tối đa 75W)	Cung cấp nguồn 12V cho sò lạnh và module SIM; cấp nguồn 5V cho ESP32, relay, servo và các cảm biến

Quy trình vận hành và thuật toán cảnh báo được triển khai như sau:

1. Thu thập dữ liệu: Định kỳ, vi điều khiển ESP32 đọc giá trị nhiệt độ từ DS18B20 qua giao tiếp One Wire; đọc điện áp Analog từ cảm biến độ đục và cảm biến pH qua bộ chuyển đổi ADC trên các chân GPIO tương ứng.
2. Hiển thị và đồng bộ: Giá trị đo được xuất trực tiếp lên LCD 20x4 theo từng dòng chỉ định, đồng thời đóng gói thành các luồng dữ liệu (DataStream) gửi lên máy chủ Blynk Cloud thông qua mạng WiFi để hiển thị trên các widget đồ họa dạng thang đo (Gauge) trên ứng dụng di động.
3. Cơ chế cảnh báo ngưỡng kép:
   • Ngưỡng nhiệt độ an toàn: $25^\circ\text{C} \le \text{Nhiệt độ} \le 34.5^\circ\text{C}$.
   • Ngưỡng độ đục an toàn: $100\text{ NTU} \le \text{Độ đục} \le 250\text{ NTU}$.
   • Ngưỡng độ pH an toàn: $5.0 \le \text{pH} \le 7.0$.
   • Khi có bất kỳ thông số nào vượt ra ngoài khoảng an toàn quy định hoặc mực nước hồ không đảm bảo, hệ thống lập tức đẩy thông báo khẩn cấp (Push Notification) lên ứng dụng Blynk, đồng thời vi điều khiển gửi tập lệnh AT qua giao tiếp UART đến Module SIM800A để phát tin nhắn SMS trực tiếp tới số điện thoại người dùng đã cài đặt.
4. Cơ chế điều khiển tải và cho ăn:
   • Các tải máy bơm, máy sủi khí, sò lạnh kết nối với các tiếp điểm thường mở (NO) của Module relay 4 kênh. Khi có lệnh kích hoạt từ nút bấm cơ trên mặt mô hình hoặc nút nhấn ảo trên App Blynk, relay đóng mạch kín cấp điện cho thiết bị.
   • Chức năng cho ăn tự động hỗ trợ 2 phương thức: nạp mã định giờ cố định trên vi điều khiển đối chiếu thời gian từ module RTC DS3231 hoặc cài đặt bộ định thời linh hoạt (Timer Widget) trên giao diện Blynk để kích hoạt servo MG90S quay góc mở nắp khay thức ăn.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày lý do chọn đề tài xuất phát từ nhu cầu thực tiễn trong việc tự động hóa chăm sóc cá cảnh nhằm tiết kiệm thời gian, công sức và giảm thiểu rủi ro cho cá khi môi trường nước thay đổi. Tác giả xác định rõ mục tiêu tổng thể là xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển hồ cá tích hợp IoT thông qua ứng dụng Blynk. Chương này phân định 5 nhiệm vụ nghiên cứu từ khảo sát lý thuyết, thiết kế phần cứng, lập trình phần mềm đến thực nghiệm mô hình. Đối tượng nghiên cứu được xác định bao gồm vi điều khiển ESP32, các cảm biến nước, module SIM800A, module RTC, relay, thiết bị tải và nền tảng Blynk; phạm vi ứng dụng giới hạn ở quy mô hộ gia đình. Tác giả cũng chỉ ra điểm mạnh của hệ thống là khả năng giám sát đa thông số từ xa, nhưng đồng thời thừa nhận điểm yếu là sự phụ thuộc vào nguồn điện liên tục và kết nối mạng Internet.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp nền tảng kiến thức toàn diện về kỹ thuật nuôi cá cảnh, các thông số môi trường nước then chốt (nhiệt độ, ánh sáng, hệ thống lọc, nồng độ oxy, độ pH, độ đục) và bảng điều kiện sống của một số giống cá như Cá Chép Vàng và Cá Chép Nhật (Koi). Tiếp đó, tác giả phân tích chi tiết thông số kỹ thuật và sơ đồ chân của các thành phần phần cứng: vi điều khiển ESP32 NodeMCU 38 chân, cảm biến nhiệt độ DS18B20 chống nước (giao tiếp 1-Wire, dải đo đến 125°C), cảm biến độ đục DFRobot (0 – 1000 NTU), cảm biến độ pH DFRobot (0 – 14 pH), module GSM/GPRS SIM800A (nguồn 5-18V, giao tiếp UART), module RTC DS3231 (giao tiếp I2C), module relay 4 kênh 5V kích H/L, động cơ servo MG90S, máy bơm mini USB (lưu lượng 1.6 lít/phút), máy sủi oxy 5W, sò nóng lạnh 12V 12706 (72W), mạch hạ áp XL4015 5V-5A và nguồn tổ ong 12V-20A. Phần cuối chương trình bày nguyên lý hoạt động của các chuẩn truyền thông UART, I2C, One Wire và kiến trúc 3 thành phần của nền tảng Blynk IoT (App, Server, Library).

Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống

Chương 3 trình bày các yêu cầu kỹ thuật và thông số vận hành của hệ thống với dải điện áp đầu vào 5 – 12V DC, dòng điện tối đa 10A, điện áp ra điều khiển 5 – 12V DC. Tác giả xây dựng sơ đồ khối toàn hệ thống gồm 11 khối chức năng và mô tả chi tiết sơ đồ nguyên lý từng khối: khối cảm biến nhiệt độ kết nối chân dữ liệu One Wire; khối đo độ đục và đo pH kết nối các chân Analog ADC của ESP32; khối giao tiếp SIM800A nối qua cổng UART; khối hiển thị LCD 20x4 và khối thời gian thực RTC DS3231 nối chung trên đường bus I2C (SDA, SCL); khối nút nhấn và khối điều khiển relay/servo nối tới các chân GPIO điều khiển. Chương này cũng phân tích chi tiết các lưu đồ giải thuật: lưu đồ chương trình chính của bộ xử lý trung tâm, lưu đồ giải thuật ứng dụng điều khiển Blynk, lưu đồ giải thuật chương trình cảnh báo ngưỡng (nhiệt độ 25 – 34.5°C, độ đục 100 – 250 NTU, pH 5 – 7) và lưu đồ chương trình con điều khiển cơ cấu cho cá ăn tự động.

Chương 4: Kết quả - nhận xét – đánh giá

Chương 4 công bố kết quả thực hiện sau quá trình gia công và chế tạo mô hình thực tế. Tác giả hoàn thành thiết kế và thi công bo mạch in PCB một lớp, bố trí gắn kết các module gọn gàng và lắp ráp hoàn chỉnh vào mô hình khung hồ cá. Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định: màn hình LCD 20x4 và ứng dụng Blynk hiển thị chính xác các thông số nhiệt độ, độ đục và độ pH theo thời gian thực; các nút bấm vật lý và nút nhấn ảo trên Blynk điều khiển bật/tắt relay chính xác cho các tải bơm xả nước, sủi oxy và sò lạnh; module RTC và servo MG90S thực hiện đóng mở nắp cho cá ăn đúng giờ hẹn. Khi xảy ra hiện tượng thông số môi trường vượt ngưỡng thiết lập hoặc mất kết nối WiFi, module SIM800A gửi tin nhắn cảnh báo SMS về điện thoại thành công. Tác giả cũng đánh giá thực nghiệm cảm biến pH ghi nhận độ sai số nằm trong khoảng từ 1.0 đến 1.5.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương 5 tổng kết lại toàn bộ quá trình nghiên cứu, khẳng định đề tài đã hoàn thành đúng mục tiêu thiết kế và thi công hệ thống giám sát môi trường nước hồ cá cảnh vận hành qua ứng dụng di động. Tác giả đúc kết các ưu điểm về tính tiện ích, khả năng tự động hóa và phương thức cảnh báo dự phòng hai kênh (Internet và mạng viễn thông di động). Đồng thời, chương này đề ra các định hướng phát triển tiếp theo bao gồm: tối ưu hóa đường mạch phần cứng, nâng cao độ chính xác và tuổi thọ cảm biến trong môi trường nước, nghiên cứu giải pháp tích hợp nguồn điện dự phòng khi mất điện lưới và khả năng mở rộng thuật toán để ứng dụng vào các mô hình nuôi trồng thủy sản quy mô trang trại lớn.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm chính của đề tài:

• Chế tạo thành công mô hình phần cứng hoàn chỉnh tích hợp bo mạch PCB, khối hạ áp XL4015 5V-5A, nguồn tổ ong 12V-20A và vi điều khiển trung tâm ESP32 điều khiển các cảm biến và thiết bị ngoại vi.
• Đo đạc và truyền tải liên tục các thông số môi trường nước (nhiệt độ, độ đục, độ pH) hiển thị song song trên màn hình LCD 20x4 (4 dòng thông tin) và ứng dụng di động Blynk IoT.
• Kiểm soát vận hành chính xác 4 thiết bị phụ trợ (máy bơm nước mini lưu lượng 1.6 lít/phút, máy sủi oxy công suất 5W, sò nóng lạnh 12V-72W, động cơ servo MG90S) thông qua hai phương thức: nút bấm cơ học trên mạch và nút điều khiển ảo trên ứng dụng Blynk.
• Vận hành cơ chế cho cá ăn tự động kép: kết hợp giữa lập trình thời gian cố định với module RTC DS3231 và tính năng đặt lịch linh hoạt qua widget trên ứng dụng di động.
• Kích hoạt thành công hệ thống cảnh báo dự phòng qua mạng di động: Module SIM800A gửi tin nhắn SMS cảnh báo tức thời khi các giá trị vượt ngưỡng an toàn (nhiệt độ ngoài 25 – 34.5°C, độ đục ngoài 100 – 250 NTU, độ pH ngoài 5 – 7) hoặc khi hệ thống mất kết nối WiFi/Internet.

Các giải pháp và kiến nghị đề xuất:

• Đề xuất kiến trúc giám sát tích hợp hai lớp truyền thông: sử dụng mạng Internet/WiFi làm kênh truyền thông chính cho ứng dụng Blynk và mạng viễn thông di động GSM/GPRS (Module SIM800A) làm kênh cảnh báo dự phòng khi mất mạng Internet.
• Đề xuất cơ chế điều khiển phần cứng song song: cho phép người dùng thao tác trực tiếp qua phím bấm vật lý khi ở cạnh hồ cá hoặc điều khiển từ xa qua giao diện số khi vắng nhà.

Đóng góp của đồ án:

• Hiện thực hóa một mô hình hệ thống nhúng IoT hoàn chỉnh có chi phí chế tạo phù hợp cho người nuôi cá cảnh ở quy mô gia đình, kết nối đồng bộ giữa phần cứng đo đạc, cơ cấu chấp hành và giao diện phần mềm di động.
• Cung cấp tài liệu thiết kế chi tiết về sơ đồ kết nối đa cảm biến và phối hợp nhiều chuẩn truyền thông nối tiếp (UART, I2C, One Wire) trên nền tảng vi điều khiển ESP32.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được tác giả chỉ ra trong đồ án:

• Hệ thống có sự phụ thuộc lớn vào nguồn điện lưới liên tục và kết nối mạng Internet. Khi xảy ra sự cố mất điện đột ngột, toàn bộ máy bơm, sủi oxy và sò lạnh đều dừng hoạt động; khi mất WiFi, việc giám sát và điều khiển trên ứng dụng Blynk bị gián đoạn.
• Cảm biến và các thiết bị tự động làm việc trong môi trường nước liên tục dễ bị ăn mòn, bám bẩn hoặc phát sinh sai lệch chỉ số theo thời gian, đòi hỏi quy trình bảo trì, vệ sinh và hiệu chuẩn thường xuyên.
• Cảm biến đo độ pH qua thực nghiệm đo kiểm cho thấy sai số còn khá lớn (độ lệch từ 1.0 đến 1.5).
• Thiết bị máy sủi oxy mini USB có lưu lượng khí thấp và độ bền không cao; sò lạnh tản nhiệt chỉ phù hợp làm mát thể tích nước nhỏ, chưa tối ưu cho các bể cá kích thước lớn.
• Thiết kế mạch và bố trí linh kiện chưa đạt mức tối ưu hóa cao do giới hạn về mặt kinh nghiệm và thời gian nghiên cứu.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

• Tối ưu hóa kích thước mạch in PCB, nâng cao tính thẩm mỹ và độ kín nước cho vỏ hộp bảo vệ hệ thống.
• Nghiên cứu tích hợp bộ lưu điện dự phòng (pin sạc hoặc ắc quy) nhằm duy trì hoạt động cho hệ thống sủi oxy và vi điều khiển khi xảy ra sự cố mất điện lưới.
• Thay thế các đầu dò cảm biến chuyên dụng có khả năng chống ăn mòn cao hơn và giảm thiểu sai số đo độ pH.
• Mở rộng quy mô nghiên cứu và nâng cấp công suất thiết bị tải nhằm áp dụng hệ thống vào các mô hình nuôi trồng thủy hải sản quy mô công nghiệp.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo thực tiễn hữu ích đối với:

• Sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Máy tính, Tự động hóa và Công nghệ Thông tin đang thực hiện đồ án môn học, khóa luận tốt nghiệp hoặc nghiên cứu ứng dụng hệ thống nhúng và IoT.
• Người nghiên cứu và phát triển các ứng dụng dựa trên vi điều khiển ESP32 giao tiếp với nền tảng Blynk IoT và các cảm biến môi trường nước.
• Người nuôi cá cảnh có nhu cầu tự xây dựng hoặc lắp đặt một hệ thống giám sát và tự động hóa hồ cá quy mô gia đình với chi phí hợp lý.

Các phần nội dung có giá trị tham khảo nổi bật:

• Sơ đồ mạch nguyên lý và lưu đồ giải thuật phối hợp nhiều chuẩn giao tiếp (UART với SIM800A, I2C với LCD và RTC DS3231, One Wire với DS18B20, ngõ vào tương tự ADC với cảm biến pH và độ đục).
• Phương pháp phối hợp nguồn điện đa mức áp: sử dụng nguồn tổ ong 12V-20A kết hợp mạch giảm áp XL4015 5V-5A để cấp tải công suất lớn (sò lạnh 72W, module SIM phát xung dòng cao 1.5A) song song với các mạch vi điều khiển.
• Giải pháp thiết lập hệ thống cảnh báo dự phòng qua tin nhắn SMS kết hợp thông báo ứng dụng di động.

Câu hỏi thường gặp

Hệ thống xử lý như thế nào khi hồ cá xảy ra sự cố mất kết nối mạng Internet hoặc WiFi?
Khi mất kết nối WiFi/Internet, ứng dụng Blynk trên điện thoại sẽ chuyển sang trạng thái ngoại tuyến (offline) và không thể giám sát từ xa. Tuy nhiên, vi điều khiển ESP32 vẫn tiếp tục đọc thông số từ các cảm biến và hiển thị tại chỗ lên màn hình LCD 20x4. Đồng thời, nếu các thông số vượt ngưỡng an toàn hoặc mất mạng, vi điều khiển sẽ chuyển sang kích hoạt Module SIM800A để gửi tin nhắn cảnh báo SMS trực tiếp về số điện thoại của người nuôi. Người dùng tại chỗ vẫn có thể điều khiển trực tiếp các thiết bị tải thông qua hệ thống nút bấm cơ học trên mô hình.

Các ngưỡng thông số môi trường nước nào được cài đặt trong hệ thống để kích hoạt cảnh báo?
Hệ thống được lập trình để phát tín hiệu cảnh báo (qua tin nhắn SMS và thông báo trên App Blynk) khi các thông số vượt ra ngoài khoảng an toàn sau:

• Nhiệt độ nước: Thấp hơn 25°C hoặc cao hơn 34.5°C.
• Độ vẩn đục của nước: Nhỏ hơn 100 NTU hoặc lớn hơn 250 NTU.
• Độ pH của nước: Nhỏ hơn 5.0 hoặc lớn hơn 7.0.
• Cảnh báo khi cảm biến phát hiện mực nước trong hồ không đảm bảo an toàn.

Chức năng cho cá ăn tự động được thực hiện dựa trên cơ cấu phần cứng và giải thuật điều khiển nào?
Cơ cấu cho cá ăn sử dụng một động cơ servo MG90S đóng vai trò thanh chắn khay thức ăn. Khi kích hoạt, servo nhận xung điều khiển PWM để xoay góc mở cho thức ăn rơi xuống hồ. Hệ thống hỗ trợ 2 phương thức điều khiển: nạp mã cố định trong vi điều khiển đồng bộ giờ thực từ module RTC DS3231, hoặc người dùng cài đặt lịch hẹn giờ đóng mở linh hoạt trên giao diện widget hẹn giờ của ứng dụng Blynk IoT.

Hệ thống sử dụng giải pháp cấp nguồn như thế nào để đảm bảo hoạt động cho các linh kiện có mức điện áp khác nhau?
Hệ thống sử dụng một bộ nguồn tổ ong 12V – 20A làm nguồn đầu vào chính. Điện áp 12V DC được cấp trực tiếp cho thiết bị làm mát (sò nóng lạnh 12V 12706 công suất 72W) và module SIM800A (dải cấp 5 – 18V). Đồng thời, hệ thống sử dụng mạch hạ áp DC-DC XL4015 để chuyển đổi điện áp từ 12V xuống 5V với dòng định mức tối đa 5A, cung cấp nguồn ổn định cho vi điều khiển ESP32, màn hình LCD, module relay 4 kênh, động cơ servo và các cảm biến đo đạc.

Những chuẩn truyền thông nối tiếp nào được tích hợp đồng thời trên vi điều khiển ESP32 trong đồ án này?
Vi điều khiển ESP32 được cấu hình sử dụng đồng thời 3 chuẩn truyền thông nối tiếp phần cứng:

• Chuẩn One Wire: Sử dụng 1 chân dữ liệu số nối với cảm biến nhiệt độ DS18B20 có điện trở kéo lên.
• Chuẩn I2C: Sử dụng 2 dây SDA và SCL để kết nối song song với module thời gian thực RTC DS3231 và màn hình hiển thị LCD 20x4.
• Chuẩn UART: Sử dụng 2 chân truyền nhận TXD và RXD để giao tiếp với module viễn thông SIM800A.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế và thi công hệ thống giám sát môi trường nước trong hồ nuôi cá cảnh" đã hoàn thành trọn vẹn việc nghiên cứu, thiết kế phần cứng và lập trình điều khiển hệ thống nhúng IoT trên cơ sở vi điều khiển ESP32 và ứng dụng di động Blynk. Hệ thống thu thập và hiển thị chính xác các thông số môi trường cốt lõi gồm nhiệt độ, độ đục và độ pH, đồng thời tự động hóa các thao tác chăm sóc như sủi oxy, làm mát nước, thay nước và cho cá ăn. Sự kết hợp giữa kênh điều khiển qua Internet và kênh cảnh báo dự phòng qua tin nhắn SMS giúp nâng cao độ an toàn và tính tin cậy cho hồ nuôi cá cảnh gia đình. Mặc dù còn những điểm cần cải tiến về sai số cảm biến độ pH và phương án dự phòng mất điện, mô hình đã khẳng định tính thực tiễn cao và mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực thủy sản cảnh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan: trình bày bối cảnh, lý do nghiên cứu đề tài, xác định mục tiêu, nhiệm vụ, đối tượng, cách thức nghiên cứu trong đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết: trình bày các thông tin chi tiết liên quan đến lý thuyết của phần cứng và phần mềm. 4 Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống: mô tả yêu cầu hệ thống, trình bày chức năng, sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý toàn mạch, khai quát về hoạt động hệ thống, giới thiệu từng khối và vẽ lưu đồ giải thuật cho các chương trình trong hệ thống. Chương 4: Kết quả - nhận xét – đánh giá: trình bày các kết quả sau khi hoàn tất từ mạch in, mô hình đến kết quả chạy mạch thực tế.

Từ đó nhận xét và đánh giá kết quả hoạt động thực tế của mạch để đưa ra hạn chế và tối ưu hoá cho hệ thống hơn. Chương 5: Kết luận và hướng phát triển: dựa trên kết quả cuối cùng để kết luận về toàn bộ hệ thống từ khâu thiết kế, thi công và thực nghiệm để đưa ra các hướng phát triển trong tương lai. 5 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. TỔNG QUAN VỀ NUÔI CÁ CẢNH Nuôi cá cảnh hiện nay không còn quá xa lạ nó là một thú vui phổ biến của nhiều người trên toàn thế giới, không chỉ mang lại vẻ đẹp về thẩm mỹ mà còn mang lại sự thư giãn, sự may mắn, tài lộc và thịnh vượng cho người nuôi theo văn hoá Á Đông.

Ngày nay, việc nuôi cá cảnh không chỉ được nuôi trong nhà ở mà còn xuất hiện ở các nhà hàng, khách sạn, khu trung tâm mua sắm, văn phòng,. để tăng thêm sự thẩm mỹ và sinh động cho không gian. Lợi ích của việc nuôi cá cảnh:  Giá trị thẩm mỹ: những chú cá với màu sắc đẹp đẽ, độc lạ sẽ thu hút người xem và tạo cảnh quan đẹp mắt cho không gian.  Giá trị tinh thần: quan sát sự chuyển động của cá giúp người xem thích thú, giảm bớt căng thẳng và cải thiện tâm trạng.

 Giá trị kinh tế: nuôi các loại cá cảnh có giá trị cao mang lại kinh tế cho người nuôi, buôn bán.  Giá trị phong thuỷ: theo văn hoá Á Đông, nuôi cá cảnh thu hút tài lộc và may mắn đến với gia chủ. TỔNG QUAN VỀ CÁC YẾU TỐ TRONG NUÔI CÁ CẢNH Kích thước hồ: là một yếu tố quan trọng, một hồ cá đủ rộng không chỉ giúp cá có không gian thoải mái để bơi lội mà còn tạo điều kiện tốt cho sự phát triển tự nhiên của chúng. Ngược lại, nếu hồ quá nhỏ, cá có thể bị căng thẳng do không gian sống chật chội, từ đó dễ dẫn đến các vấn đề về sức khỏe, thậm chí làm tăng nguy cơ nhiễm bệnh.

Vì vậy, khi thiết kế hồ nuôi cá, việc cân nhắc kích thước phù hợp không chỉ là để thẩm mỹ mà còn là yếu tố cần thiết để đảm bảo sự phát triển khỏe mạnh và lâu dài của cá. Nhiệt độ nước: là một yếu tố quan trọng trong sự sống còn của cá, sự thay đổi nhiệt độ quá nhanh không tốt cho cá. Những biến động đột ngột về nhiệt độ có thể khiến cá bị stress, dễ dẫn đến tình trạng suy yếu và nhiễm bệnh. Vì vậy, việc kiểm tra nhiệt độ nước thường xuyên là rất cần thiết.

6 Ánh sáng: ánh sáng giúp cá tổng hợp vitamin D, từ đó phát triển khỏe mạnh hơn. Tuy nhiên, ánh sáng mặt trời quá nhiều lại có thể gây rắc rối, chẳng hạn như làm tảo phát triển nhanh hoặc khiến nhiệt độ nước tăng cao, gây ảnh hưởng đến sức khỏe của cá. Để cân bằng, có thể cân nhắc sử dụng ánh sáng nhân tạo, đảm bảo cá nhận đủ lượng ánh sáng cần thiết mà không làm thay đổi môi trường sống của chúng. Hệ thống lọc: lọc nước giúp loại bỏ chất thải, cặn bã và các chất gây hại trong hồ, duy trì chất lượng nước ổn định, giảm tảo và vi khuẩn có hại.

Hệ thống cung cấp oxy: là hệ thống sục khí để khuếch tán oxy vào nước, giúp tạo dòng nước, giảm sự tích tụ của chất độc hại như ammonia (NH3) và nitrite (NO2). Hệ thống làm mát: mặt lạnh của sò lạnh tiếp xúc với nước trong hồ để giảm nhiệt độ còn mặt nóng của sò gắn tản nhiệt và quạt để giải phóng nhiệt ra ngoài. Thay nước định kỳ: thay nước định kỳ mỗi tuần, giúp loại bỏ chất thải tích tụ và ngăn chặn tình trạng ô nhiễm nước, vi khuẩn có hại trong nước. TỔNG QUAN VỀ MÔI TRƯỜNG SỐNG CỦA VÀI LOẠI CÁ Môi trường sống của cá là vô cùng quan trọng trong việc sinh sống và phát triển của cá.

Mỗi loại cá đều có điều kiện môi trường sống khác nhau nên có loài nuôi dễ và có loài nuôi khó. Đồng thời, các yếu tố thời tiết như nắng nóng, mưa ẩm ướt, bệnh tật cũng ảnh hưởng không kém đến tỉ lệ sống của cá. Do đó, việc kiểm soát chất lượng môi trường sống cho cá rất quan trọng. Dưới đây, nhóm liệt kê một số loài cá có ý nghĩa phong thuỷ và được nuôi phổ biến ở Việt Nam: Bảng 2.1: Điều kiện môi trường sống của từng loại cá Loại cá Nhiệt độ Độ pH Độ mặn Hàm lượng oxy Cá Chép Vàng 20 – 240C 6.3% 5 – 6mg/l Cá Chép Nhật (Cá Koi) 20 – 270C 7–8 0.

GIỚI THIỆU VỀ PHẦN CỨNG TRONG HỆ THỐNG 2. Vi điều khiển ESP32 NodeMCU LuaNode32 38 CHÂN ESP32 là một dòng vi điều khiển đang được sử dụng rất phổ biến với thiết kế cho các ứng dụng IoT công suất thấp. Công suất xử lý cao với khả năng Wi-Fi / Bluetooth tích hợp và chế độ vận hành Deep Sleep khiến nó trở nên lý tưởng cho hầu hết các thiết bị IoT di động. Ngoài ra, vì Arduino IDE đã chính thức phát hành trình quản lý bo mạch cho ESP32, nên việc lập trình các thiết bị này trở nên rất dễ dàng.

Ngoài ra, ESP32 có nhiều tính năng bao gồm SPI, I2C, I2S, UART, ETH, RMT, PWM, ADC, DAC, Bộ hẹn giờ, Bluetooth, Wi-Fi RTC. Vì vậy với những tính năng này ESP32 có thể thực hiện được nhiều việc. ESP32 NodeMCU LuaNode32 được xây dựng trên nền tảng module ESP32, mang đến khả năng kết nối tiên tiến với các tính năng như WiFi, BLE, thiết kế phần cứng và firmware tương tự như NodeMCU ESP8266 có thể dễ dàng sử dụng và cung cấp đầy đủ các chân kết nối. ESP32 NodeMCU là lựa chọn phổ biến cho các dự án ứng dụng trong các lĩnh vực như IoT, điều khiển thiết bị từ xa, thu thập dữ liệu qua mạng và phát triển các hệ thống sử dụng WiFi và BLE.

Sơ đồ chân của ESP32 được mô tả như sau: Hình 2.1: Sơ đồ chân của vi điều khiển ESP32 NodeMCU 8 Bảng 2. Sơ đồ chân của vi điều khiển ESP32 GPIO Chức năng 0 ADC11, TOUCH1 1 TX0 2 ADC12, TOUCH2 3 RX0 4 ADC10, TOUCH0 5 VSPI_SS 6 FLASH CK 7 FLASH D0 8 FLASH D1 9 FLASH D2, RX1 10 FLASH D3, TX1 12 ADC15, TOUCH5 13 ADC14, TOUCH4 14 ADC16, TOUCH6 15 ADC13, TOUCH3 16 RX2 17 TX2 18 VSPI SCK 19 VSPI MISO 21 I2C SDA 22 I2C SCL 23 VSPI MOSI 25 ADC18, DAC1 26 ADC19, DAC2 27 ADC17, TOUCH7 9 32 ADC4, TOUCH9 33 ADC5, TOUCH8 34 ADC6 35 ADC7 36 ADC0 39 ADC3 2. Cảm biến nhiệt độ DS18B20 Việc giám sát nhiệt độ của nước trong hồ liên tục là vô cùng quan trọng, vì phải có một thiết bị ngâm trong nước liên tục cho nên nhóm đã chọn cảm biến nhiệt độ DS18B20 có đầu dò chống nước. Cảm biến nhiệt độ DS18B20 với thiết kế chống nước là lựa chọn phù hợp để đo nhiệt độ ở trong hồ mà không bị hỏng hóc.

Cảm biến này có khả năng đo nhiệt độ lên đến 125°C. Tuy nhiên, do dây dẫn được làm bằng nhựa PVC, nhiệt độ đo an toàn được khuyến nghị là từ 100°C trở xuống để đảm bảo tuổi thọ và độ bền. Một ưu điểm nổi bật của DS18B20 là tín hiệu đầu ra ở dạng số, giúp tránh hiện tượng suy hao tín hiệu trên dây dẫn. Cảm biến này hỗ trợ độ phân giải từ 9 đến 12 bit và sử dụng giao thức truyền dữ liệu 1-Wire, cho phép chỉ cần một chân vi điều khiển để đọc dữ liệu.

Điện áp hoạt động linh hoạt từ 3.2: Cảm biến nhiệt độ DS18B20 có đầu dò chống nước 10 Bảng 2. Thông số của cảm biến nhiệt độ DS18B20 Thông số Mô tả Điện áp 3-5V Dòng điện 1.5 mA Chuẩn giao tiếp OneWire Sơ đồ nối chân của cảm biến nhiệt độ DS18B20 Hình 2.3: Sơ đồ nối chân cảm biến nhiệt độ DS18B20 Bảng 2.4: Chức năng các chân của cảm biến nhiệt độ DS18B20 Tên chân Chức năng VCC (Dây đỏ) Kết nối nguồn vào DATA (Dây vàng) Truyền dữ liệu dạng số GND (Dây đen) Nối đất 2. Cảm biến đo độ đục Cảm biến độ đục được sử dụng để đo độ đục trong nước, giúp đánh giá chất lượng nước một cách chính xác. Khi độ đục vượt qua ngưỡng đã định, tín hiệu đầu ra của module sẽ thay đổi từ mức cao xuống thấp, và vi điều khiển sẽ theo dõi sự biến đổi này.

Nhờ vào khả năng này, hệ thống có thể xác định liệu độ đục của nước có vượt quá tiêu chuẩn cho phép hay không, từ đó đưa ra cảnh báo hoặc kích hoạt các thiết bị liên kết. 11 Cảm biến này có thể xuất tín hiệu ra dưới dạng Analog hoặc Digital, tùy thuộc vào chế độ mà người dùng chọn. Chế độ ngõ ra Digital còn có thêm một biến trở, cho phép người dùng điều chỉnh mức độ cảm biến theo nhu cầu. Cảm biến đo độ đục DFRobot Gravity Thông số kỹ thuật: - Nguồn cấp: 3.

- Dải đo độ đục: 0 – 1000 NTU Hình 2. Sơ đồ chân của cảm biến độ đục Bảng 2. Thông số chân cảm biến độ đục Tên chân Chức năng VCC Kết nối nguồn vào DATA Xuất tín hiệu đo được từ cảm biến GND Nối đất 2. Cảm biến đo độ pH Cảm biến đo độ pH cho Arduino được thiết kế chuyên dụng để đo độ pH của dung dịch và phản ánh độ axit hoặc độ kiềm, giúp việc đo pH trở nên dễ dàng và 12 tiện lợi.

Cảm biến pH DFRobot hỗ trợ nguồn điện áp rộng 3,3~5,5V, tương thích với bo mạch điều khiển chính 5V và 3,3V. Cảm biến đo độ đục Thông số kỹ thuật: - Nguồn cấp: 5V DC. - Dải đo độ pH: 0 – 14 pH Bảng 2. Thông số chân của Module I2C Tên chân Mô tả GND Nối đất VCC Nối nguồn DATA Xuất dữ liệu từ cảm biến 2.