CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG THEO THỜI GIAN THỰC 1. Mô tả vấn đề Thế giới đang đối mặt với nhiều vấn đề liên quan đến tài nguyên và môi trường. Trong lĩnh vực nông nghiệp, nguồn nước là thứ tối quan trọng. Trong bối cảnh nguồn nước đang dần khan hiếm trên nhiều khu vực, khí hậu biến đổi thất thường, không thể kiểm soát, một sản phẩm công nghệ tiết kiệm nước là thực sự cần thiết.
Bộ tưới nước tự động là một sản phẩm quan trọng đối với các nhà vườn. Không chỉ giúp những người làm nông quản lý hiệu quả nguồn nước nhờ việc cung cấp chính xác lượng nước theo nhu cầu của từng loại cây trồng, bộ tưới nước tự động còn giúp tăng năng suất cây trồng thông qua việc cung cấp, duy trì độ ẩm lý tưởng cho đất. Nhờ vậy, những người nông dân sẽ tiết kiệm được nhiều thời gian, giảm đi công sức lao động, áp lực công việc và cho phép họ tập trung vào các công việc khác. Ngoài ra, hệ thống tưới cây tự động còn giúp chúng ta giải quyết được nhiều vấn đề khác có thể kể đến như: - Quản lý thông minh: nhiều hệ thống được tích hợp những công nghệ hiện đại, kết hợp với các thiết bị thông minh, cho phép người dùng giám sát và điều chỉnh từ xa, giúp quản lý cây trồng hiệu quả hơn.
- Bảo vệ môi trường: hệ thống góp phần giảm thiểu ô nhiễm nhờ việc sử dụng nước hiệu quả không chỉ bảo vệ nguồn nước mà còn giảm bớt các tác động tiêu cực đến đất và các hệ sinh thái xung quanh. Hỗ trợ phương pháp canh tác bền vững, bảo vệ tài nguyên thiên nhiên cho các thế hệ tương lai. - Giảm chi phí sản xuất: bằng cách tưới tự động, giảm đi sự phụ thuộc vào lao động thủ công, người nông dân sẽ tiết kiệm được chi phí sản xuất, nâng cao lợi nhuận. Ý nghĩa và ứng dụng trong thực tế Hệ thống tưới cây tự động là một cách để đảm bảo cây trồng nhận được lượng nước cần thiết, ngay cả khi không có người giám sát.
Có nhiều loại hệ thống tưới cây tự động khác nhau, có thể chọn loại phù hợp nhất với nhu cầu của mình. Một số hệ thống tưới cây tự động phổ biến bao gồm: - Hệ thống tưới nước nhỏ giọt: hệ thống này sử dụng mạng lưới các ống và đầu nhỏ giọt để tưới trực tiếp vào gốc cây. Hệ thống tưới nhỏ giọt rất hiệu quả và tiết kiệm nước. Hệ thống tưới nước nhỏ giọt - Hệ thống tưới phun mưa: Hệ thống này sử dụng các đầu phun để phun nước lên cây.
Hệ thống tưới phun mưa là một lựa chọn tốt cho các khu vực rộng lớn. Hệ thống tưới phun mưa. - Hệ thống tưới nước tự động bằng bộ hẹn giờ: Hệ thống này kết nối với vòi nước và có thể được lập trình để tưới cây vào các thời điểm cụ thể. Hệ thống tưới tự động bằng bộ hẹn giờ là một lựa chọn đơn giản và dễ sử dụng.
Hệ thống tưới nước tự động bằng bộ hẹn giờ. Khi chọn hệ thống tưới cây tự động theo thời gian thực, điều quan trọng là phải 10 xem xét các yếu tố sau: - Kích thước khu vực trồng cây: cần một hệ thống đủ lớn để tưới toàn bộ khu vực - Loại cây trồng: Mỗi loại cây cần điều kiện về nhiệt độ và độ ẩm khác nhau. 11 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG THEO THỜI GIAN THỰC 2. Yêu cầu đề tài Các yêu cầu về sản phẩm cần đạt được: - Hệ thống phải có khả năng đo được độ ẩm.
- Hệ thống phải có khả năng xử lý được tín hiệu nhận được từ cảm biến. - Hệ thống phải có khả năng tưới cây tự động theo thời gian thực khi nhận được tín hiệu từ cảm biến. - Hệ thống phải có khả năng hoạt động ổn định và liên tục nhiều ngày. Sơ đồ khối hệ thống Hình 2.
Sơ đồ khối hệ thống. Lựa chọn thiết bị cho hệ thống 2. Khối điều khiển Có rất nhiều loại vi điều khiển thông dụng, một trong những vi điều khiển điển hình và dễ tiếp cận nhất là Arduino, những mô hình phổ biến nhất của Arduino bao gồm: Arduino Uno, Arduino Nano và Arduino Mega. Dưới đây là bảng so sánh các thông số và chi tiết của ba loại Arduino phổ biến này.
12 Đặc điểm Arduino Uno Arduino Mega Arduino Nano Kích thước 68.3 mm 45 mm x 18 mm Vi xử lý ATmega328P ATmega2560 ATmega328P Số chân I/O 14 chân Digital, 6 54 chân Digital, 16 14 chân Digital, 8 chân Analog chân Analog chân Analog Kết nối USB Có Có Có Bộ nhớ SRAM 2 KB 8 KB 2 KB Bộ nhớ EEPROM 1 KB 4 KB 1 KB Ứng dụng phổ biến Dự án cơ bản, điều Dự án phức tạp, điều Dự án nhỏ gọn, khiển đơn giản khiển nhiều thiết bị thiết bị di động Giá cả >65.000 VNĐ Ưu điểm -Là mô hình phổ Phù hợp cho các ứng Kích thước nhỏ, dễ biến nhất, lý tưởng dụng yêu cầu điều dàng sử dụng trong cho người mới bắt khiển nhiều thiết bị các không gian hạn đầu. cùng lúc (như robot, chế. - Dễ sử dụng, có hệ thống tự động cộng đồng lớn và hóa). nhiều tài liệu hướng dẫn.
Nhược điểm Giới hạn về số chân Kích thước lớn hơn, Số lượng chân I/O I/O và bộ nhớ cho không phù hợp cho hạn chế, không phù các dự án phức tạp. các dự án nhỏ gọn. hợp cho các ứng dụng yêu cầu nhiều chân kết nối. ** Kết luận: Việc chọn mô hình Arduino phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của dự án.
Ở đây, Arduino Uno R3 được lựa chọn vì nó phù hợp với mô hình điều khiển nhỏ gọn, không quá phức tạp và giá cả hợp lý. Arduino Mega quá đắt đỏ còn Arduino Nano thì phù hợp với các thiết bị mang tính di động hơn. Hình ảnh Arduino Uno R3. Vài thông số kỹ thuật của Arduino Uno R3: Vi điều khiển ATmega328 họ 8 bit Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB) Tần số hoạt động 16 MHz Dòng tiêu thụ Khoảng 30 mA Điện áp vào khuyên dùng 7 – 12 VDC Điện áp vào giới hạn 6 – 20 VDC Số chân Digital I/O 14( 6 chân hardware PWM) Số chân Analog 6 Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30mA Dòng ra tối đa (5V) 500mA SRAM 2KB EEPROM 1KB + Vi xử lý Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8, ATmega168, ATmega328.
Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều 14 khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,… Hình 2. Hình ảnh vi điều khiển trên Arduino Uno R3. + Bộ nhớ: Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng: 32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ Flash của vi điều khiển. Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ được dùng cho bootloader.
2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến đã khai báo khi lập trình sẽ lưu ở đây. Khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớ RAM. Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất. 1KB cho EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read- Only Memory: là một chip nhớ không bay hơi thường dùng trong các máy tính và các thiết bị di động để lưu trữ một lượng dữ liệu thấp và cần thiết thay đổi nội dung được) nơi có thể đọc và ghi dữ liệu.
+ Các cổng vào, ra: 15 Hình 2. Hình ảnh các chân của Arduino Uno R3. Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu. Chúng chỉ có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA.
Ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328 (mặc định thì các điện trở này không được kết nối). Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau: 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive – RX) dữ liệu TTL Serial. Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2 chân này. Kết nối bluetooth thường thấy chính là kết nối Serial không dây.
Nếu không cần giao tiếp Serial, bạn không nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 2 8-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite(). Nói một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnh được điện áp ra ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác. Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). 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.
16 LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L). Khi bấm nút Reset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu. Nó được nối với chân số 13. Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng.
Arduino có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V. Với chân AREF trên board, người lập trình có thể để 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 → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit. Khối thực thi +) Màn hình LCD Màn hình LCD (Liquid Crystal Display) là một loại màn hình hiển thị sử dụng công nghệ hiển thị dựa trên tinh thể lỏng.
Nó được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử như máy tính, điện thoại di động, máy tính bảng, máy chơi game, đồng hồ thông minh và nhiều thiết bị khác. Màn hình LCD 16x2 được lựa chọn vì các ưu điểm như: giá thành rẻ, dễ mua sắm, phù hợp với những dự án nhỏ gọn, lắp ráp dễ dàng, dễ lập trình và điều khiển vì có nhiều thư viện hỗ trợ, có độ tương phản khá tốt giúp người dùng dễ đọc, khả năng hiển thị đa dạng và tiêu thụ điện năng cực thấp, phù hợp cho các ứng dụng cần tiết kiệm nguồn năng lượng. Màn hình LCD 16x2 được kết nối với vi điều khiển hoặc vi mạch thông qua giao diện song song.