thiết kế và thi công hệ thống bể cá tự động và giám sát từ xa

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH</b>

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT </b>

<b> </b>

<b>   </b>

<b> </b>

<b> </b>

<b> KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP</b>

<b>NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG</b>

<b> </b>

S K L 0 1 2 3 7 7

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

i

<b>NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP </b>

Họ và tên sinh viên: Trần Bảo Sơn MSSV: 19161159Phạm Bình An MSSV: 19161075 Ngành: Cơng nghệ kỹ thuật Điện tử - Viễn thông

Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Thanh Hải

Ngày nhận đề tài: 15/9/2023 Ngày nộp đề tài: 5/1/2024

1. Tên đề tài: Thiết kế và thi công hệ thống bể cá tự động và giám sát từ xa. 2. Các số liệu, tài liệu ban đầu:

<i>- Vũ Viết Quyết, Nguyễn Minh Trí, “Thiết kế và thi cơng hệ thống chăm sóc hồ </i>

<i>thủy sinh tự động và được giám sát từ xa”, Đồ án tốt nghiệp, trường ĐHSPKT, </i>

<i>- Đào Xuân Sang , Ngô Đức Phú, “Nghiên cứu, tìm hiểu và thi công tủ trồng </i>

<i>rau cho căn hộ”, Đồ án tốt nghiệp, trường ĐHSPKT, Tp.HCM, 2019, HK1. </i>

3. Nội dụng thực hiện đề tài:

- Tìm hiểu tài liệu, đọc, tóm tắt và đưa ra các hướng đề tài. - Thiết kế sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý.

- Thiết kế và tính tốn kết nối ESP32 với các module Relay 4 kênh, module RTC DS1307, module LCD I2C, cảm biến PH, cảm biến đục.

- Thiết kế hệ thống phần cứng, thi công mạch, lắp ráp mô hình sản phẩm. - Viết chương trình điều khiển cho mơ hình hệ thống.

<b><small>TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH </small></b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

ii - Thiết kế giao diện Web và App trên điện thoại.

- Chạy thử nghiệm, kiểm tra mơ hình. - Viết báo cáo.

- Bảo vệ đồ án.

4. Sản phẩm: Hệ thống bể cá tự động và giám sát từ xa. Có chức năng hẹn giờ để cho cá ăn, đọc giá trị cảm biến, quan sát bể cá bằng hình ảnh từ camera gửi đến gmail, bật tắt các thiết bị: đèn, máy lọc nước, máy sủi oxi, cho cá ăn hiển thị trên màn hình LCD. Đồng thời theo dõi thông tin các giá trị cảm biến, trạng thái hoạt động của các thiết bị trên App điện thoại qua đó điều khiển các thiết bị tùy chỉnh theo mong muốn người dùng.

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

iii

<b>LỜI CAM ĐOAN </b>

Đề tài này được sự hướng dẫn của Thầy Nguyễn Thanh Hải. Nhóm chúng em tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và khơng sao chép từ tài đã có trước đó.

Người thực hiện đề tài

<b>Phạm Bình An Trần Bảo Sơn </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

iv

<b>LỜI CẢM ƠN </b>

Lời đầu tiên nhóm em xin phép gửi lời cảm ơn đến Thầy Nguyễn Thanh Hải đã hướng dẫn tận tình, góp ý và giúp đỡ, cũng như truyền đạt những kinh nghiệm và nhận xét để nhóm chúng em có thể hồn thành tốt mục tiêu đề tài.

Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy Cô giáo trong Khoa Điện – Điện Tử đã truyền đạt những kiến thức các môn cơ sở ngành và các môn chuyên ngành tạo cho chúng em có nền kiến thức vững chắc trong suốt q trình học tập.

Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã ln tận tình giúp đỡ và động viên chúng em trong suốt q trình học tập và hồn thành đồ án tốt nghiệp.

Một lần nữa chúng em xin cảm ơn quý Thầy Cô đã giúp đỡ và chia sẻ kinh nghiệm trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp. Do kiến thức trong q trình học cịn hạn chế nên trong đồ án này chúng em còn nhiều thiếu sót về nội dung và hình thức. Nhóm chúng em mong quý Thầy Cô thông cảm và tận tình đóng góp ý kiến và những lời nhận xét quý báu để chúng em có thể tiến hành phát triển đề tài về sau sao cho tồn diện nhất.

Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn !

Người thực hiện đề tài

<b>Phạm Bình An Trần Bảo Sơn </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

v

<b>TÓM TẮT </b>

Sự phát triển về công nghệ, kĩ thuật và nền kinh tế ngoài nước và cũng như trong nước đang ngày càng vượt trội và phát triển. Nhu cầu về vật chất và tinh thần của con người ngày càng tăng cao và điều đó ảnh hưởng nhiều đến những yếu tố khác nhau. Để giải tỏa và giảm những vấn đề đó thì cần có những thú vui, giải trí và thư giãn tốt thì cần có những hoạt động như: thể thao, nuôi chim, nuôi cá,… nhằm tạo sự thoải mái cho người chơi cảm thấy thoải mái và giảm căng thẳng.

Trong đó ni cá là một thú vui thiết thực tạo cho người nuôi được thư giãn sau những ngày mệt mỏi để phục vụ cho việc đó thì hệ thống tự động và giám sát từ xa giúp người dùng có thể thực hiện khi vắng nhà, giúp cho q trình ni dễ dàng hơn.

<b>Vì vậy, nhóm lựa chọn và thực hiện đề tài “Thiết kế và thi công hệ thống bể </b>

<b>cá tự động và giám sát từ xa” nhằm ứng dụng và đáp ứng cho người dùng để giải </b>

quyết những vần đề cần khi ra ngồi, đồng thời mang lại lợi ích kinh tế và cho xã hội. Hệ thống sử dụng vi điều khiển ESP32 làm xử lí trung tâm để điều khiển các thiết bị: cảm biến pH, cảm biến đục, module Relay 4 kênh, màn hình LCD 20x4, module RTC DS1307, ESP32-Cam. Để thuận lợi cho việc giám sát và điều khiển từ xa, đề tài đã thực hiện các chức năng hẹn giờ cho cá ăn trực tiếp trên hệ thống bằng nút nhấn và quan sát hình ảnh từ camera thông qua gmail, giám sát các giá trị cảm biến trên App Blynk và điều khiển bật tắt thiết bị được cập nhật liên tục.

Kết quả thực nghiệm trên bể cá hoạt động với các chức năng ổn định như mục tiêu ban đầu đáp ứng nhu cầu người dùng.

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

vi

<b>ABSTRACT </b>

The development of technology, engineering and the economy both domestically and internationally is increasingly outstanding and growing. People's material and spiritual needs are increasing day by day and that affects many different factors. To relieve and reduce those problems, it is necessary to have good fun, entertainment and relaxation, it is necessary to have activities such as sports, bird raising, fish raising,... to create comfort for players to feel co mfortable. comfort and reduce stress.

In which fish farming is a practical hobby that allows farmers to relax after tiring days, the automatic system and remote monitoring help users do it when they are away from home. makes the farming process easier.

Therefore, the group selected and implemented the topic "Design and construction of an automatic fish tank system and remote monitoring" to apply and satisfy users to solve the problems they need when going out and at the same time. brings economic and social benefits.

The system uses the ESP32 microcontroller as the central processing unit to control devices: pH sensor, turbidity sensor, 4-channel Relay module, 20x4 LCD screen, RTC module DS1307, ESP32-Cam. To facilitate remote monitoring and control, the project implemented the functions of timing fish feeding directly on the system with the push of a button and observing images from the camera via gmail, monitoring the values. Sensors on the Blynk App and device on/off control are continuously updated.

Experimental results on the aquarium operate with stable functions as the initial goal to meet user needs.

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

vii

<b>MỤC LỤC </b>

<b>NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ...i</b>

<b>LỜI CAM ĐOAN ... iii</b>

<b>Chương 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT ...4</b>

2.1. Các mơ hình hệ thống chăm sóc và giám sát ...4

2.1.1. Mơ hình chăm sóc hồ thủy sinh tự động và giám sát từ xa ...4

2.1.2. Thiết bị hỗ trợ nuôi cá tự động ...4

2.2. Các hệ thống điều khiển và giám sát ...5

2.2.1. Hệ thống quản lý nhà yến sử dụng cơng nghệ IoT...5

2.2.2. Mơ hình trồng nấm rơm...5

2.3. Giới thiệu phần cứng ...5

2.3.1. Cảm biến độ đục của nước ( Water turbcidity sensor ) ...5

2.3.2. Cảm biến độ pH ...6

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

2.3.7. Máy lọc nước ( ZY-003 )...8

2.3.8. Máy bơm oxi ( VS - 2800 ) ...8

2.3.9. Module 4 relay ...8

2.3.10. Đèn led, động cơ giảm tốc, mạch điều khiển động cơ...8

2.4. Cơ sở dữ liệu Blynk và các ứng dụng ...9

2.5. Phần mềm lập trình Arduino IDE ... 10

<b>Chương 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ... 11</b>

3.1. Giới thiệu... 11

3.2. Tính tốn và thiết kế phần cứng ... 11

3.2.1. Thiết kế sơ đồ khối của hệ thống... 11

3.2.2. Tính tồn và thiết kế sơ đồ mạch... 12

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

ix

4.3.2. Thiết kế giao diện điều khiển trên điện tho ại... 42

4.3.3. Lập trình gmail ứng dụng ... 45

<b>Chương 5: KẾT QUẢ – NHẬN XÉT- ĐÁNH GIÁ ... 49</b>

5.1. Kết quả thực hiện mơ hình ... 49

5.1.1. Mơ hình phần cứng của hệ thống ... 49

5.1.2. Giao diện điều khiển của hệ thống ... 51

5.2. Nhận xét và đánh giá ... 61

5.3. Tài liệu hướng dẫn sử dụng ... 63

5.4. Dự toán chi phí thi cơng ... 64

<b>Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ... 68</b>

6.1. Kết luận ... 68

6.2. Hướng phát triển... 68

<b>TÀI LIỆU THAM KHẢO ... 69</b>

<b>PHỤ LỤC ... 70</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

Hình 3.2. Sơ đồ chân kết nối khối xử lí trung tâm. ... 14

Hình 3.3. Sơ đồ kết nối giữa ESP32 và LCD 20x4. ... 15

Hình 3.4. Sơ đồ kết khối thời gian thực (DS1307) và ESP32. ... 15

Hình 3.5. Sơ đồ kết nối các cảm biến độ đục và pH với ESP32. ... 16

Hình 3.6. Sơ đồ kết nối khối công suất với ESP32. ... 17

Hình 3.7. Sơ đồ kết nối khối nút nhấn với ESP32... 19

Hình 3.8. Sơ đồ nối chân khối Esp32 với Esp32-Cam. ... 19

Hình 3.9. Module chuyển nguồn XY850. ... 21

Hình 3.10. Sơ đồ nguyên lý khối nguồn. ... 23

Hình 3.11. Sơ đồ kết nối của khối nguồn. ... 23

Hình 3.12. Sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển... 25

Hình 3.13. Sơ đồ ngun lí tồn hệ thống. ... 25

Hình 3.14. Lưu đồ giải thuật chương trình chính. ... 26

Hình 3.15. Lưu đồ giải thuật cài đặt thời gian cho cá ăn... 27

Hình 3.16. Lưu đồ bật động cơ cho cá ăn... 27

Hình 3.17. Lưu đồ giải thuật cài đặt thời gian thực. ... 28

Hình 3.18. Lưu đồ giải thuật bật máy lọc nước, Oxi và đèn Led. ... 29

Hình 3.19. Lưu đồ giải thuật kết nối Esp32-Cam với gmail. ... 30

Hình 3.20. Lưu đồ giải thuật đọc giá trị cảm biến... 31

Hình 3.21. Lưu đồ giải thuật kết nối với ứng dụng và WEB Blynk. ... 32

Hình 4.1. Sơ đồ mạch PCB của mạch điều khiển. ... 34

Hình 4.2. Sơ đồ mạch PCB của mạch nguồn. ... 34

Hình 4.3. Mặt trước boarh mạch điều khiển. ... 35

Hình 4.4. Mặt trước boarh mạch nguồn... 36

Hình 4.5. Mơ hình hộp điều khiển... 37

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

xi

Hình 4.6. Mơ hình hộp camera. ... 37

Hình 4.7. Mơ hình hộp cho cá ăn. ... 38

Hình 4.8. Đăng nhập/Đăng ký Blynk... 38

Hình 4.9. Tạo Project mới. ... 39

Hình 4.10. Điền thơng tin vào Project mới. ... 39

Hình 4.16. Giao diện điều khiển và hiển thị trên Web Blynk... 42

Hình 4.17. Giao diện đăng nhập trên điện thoại. ... 43

Hình 4.18. Giao diện đã đăng nhập trên điện thoại... 43

Hình 4.19. Bảng Widget Box... 44

Hình 4.20. Giao diện khi thiết... 44

Hình 4.21. Giao diện điều khiển App Blynk... 44

Hình 4.22. Giao diện gmail. ... 45

Hình 4.23. Thiết lập tài khoản gmail. ... 45

Hình 4.24. Xác minh 2 bước. ... 46

Hình 4.25. Thiết lập mật khẩu ứng dụng. ... 46

Hình 4.26. Tạo mật khẩu ứng dụng... 47

Hình 4.27. Mật khẩu ứng dụng. ... 47

<b>Hình 5.1. Mặt trước tủ điều khiển. ... 49</b>

Hình 5.2. Bo mạch chính và nguồn gắn trong tủ điều khiển... 50

Hình 5.3. Camera gắn với tủ điều khiển. ... 50

Hình 5.4. Các thiết bị được gắn với hồ cá. ... 51

Hình 5.5. Hiển thị lời chào. ... 52

Hình 5.6. Hiển thị lời giới thiệu... 52

Hình 5.7. Màn hình hiển thị chính và nút cho cá ăn. ... 53

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

Hình 5.16. Giao điện hiển thị điều khiển trong App Blynk. ... 58

Hình 5.17. Giao diện hiển thị bảng điều khiển trong Web Blynk. ... 59

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

xiii

<b>DANH MỤC BẢNG </b>

Bảng 3.1: Các linh kiện sử dụng... 20

Bảng 4.1: Danh sách linh kiện sử dụng ... 33

Bảng 5.1: Số liệu thực nghiệm các thiết bị... 62

Bảng 5.2: Số liệu thời gian gửi hình ảnh qua Mail ... 62

Bảng 5.3: Dữ liệu về đục và độ pH ... 63

Bảng 5.4: Chi phí các linh kiện, phụ kiện, vật liệu có trong mơ hình ... 65

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

xiv

<b>DANH TỪ VIẾT TẮT </b>

pH Pondus Hydrogen

App Application

Wifi Wireless Fidelity

LCD Liquid Crystal Display

IoT Internet of Things

NTU Nephelometric Turbidity Unit

RTC Real Time Clock

SCL Serial Slock Line

SDA Derial Data Line

I2C Inter-Integrated Circuit

<b>UART Universal Asynchronous Receiver-Transmitter </b>

<b>PWM Pulse Width Modulation </b>

SPI Serial Peripheral Interface

GPIO general-purpose input/output API Application Programming Interface

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

<b>Cuối cùng, đề tài “Thiết kế và thi công hệ thống bể cá tự động và giám sát </b>

<b>từ xa” được thực hiện dựa trên ý tưởng của đề tài năm 2018, Châu Nguyễn Hoang </b>

<b>Ân - Nguyễn Luật Hoài Phong với đề tài: “Thiết bị hỗ trợ nuôi cá tự động” [1], sử </b>

dụng các chức năng đo nhiệt độ làm nóng lạnh nước, cho cá ăn, cập nhật thông tin cho cá ăn lên web. Đề tài ĐATN tiếp theo là của Vũ Viết Quyết - Nguyễn Minh Trí,

<b>năm 2020, “Thiết kế và thi cơng hệ thống chăm sóc hồ thủy sinh tự động và được </b>

<b>giám sát từ xa” [2], có các chức năng như giám sát độ pH và độ đục của nước trong </b>

bể cá, giám sát các thông số trên thông qua trang Web và App bằng Wifi. Tuy nhiên đề tài vẫn còn những hạn chế như nguồn điện trực tiếp không thể dùng được khi mất điện, khơng thể giám sát chi tiết hình ảnh hoạt động của bể cá như thế nào, và cũng chưa có hệ thống cho cá ăn tự động.

Dựa trên những ý tưởng và hạn chế trên chúng em có hướng phát triển cho đề tài của mình như sau: phát triển thêm modul thời gian thực và kết hợp hệ thống cho cá ăn tự động và có thể thiết lập về thời gian cho cá ăn cũng như liều lượng của mỗi lần cho cá ăn tự động thêm vào đó là hệ thống camera để chụp ảnh và gửi ảnh thông qua Gmail của người dùng để người dùng giám sát các thiết bị của bể cá có hoạt động bình thường hay khơng từ đó có các hướng xử lý kịp thời cho bể cá.

<b>1.2. Mục tiêu để tài </b>

Mục tiêu thực hiện trong đề tài “Thiết kế và thi công hệ thống bể cá tự động và giám

<b>sát từ xa” gồm: </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

2 - Thiết kế hệ thống chăm sóc cá cảnh tự động: Đo độ đục, độ pH của nước và thời gian cho ăn quan sát qua màn hình LCD để thực hiện việc lọc nước, bơm oxi và bật đèn bằng thao tác trên nút nhấn của hệ thống bể cá. Người dùng có thể quan sát qua điện thoại hoặc Web được cập nhật thường xun, nhận thơng báo hình ảnh được chụp từ Esp32-Cam gửi về Gmail để thuận tiện quan sát khi ở xa.

- Thiết kê mơ hình thực tế: bể cá bằng kính, bộ điều khiển thiết bị

- Mơ hình thực tế có kích thước 200x200x130 mm.

<b>1.4. Nội dung nghiên cứu </b>

Trong khi thực hiện đồ án tốt nghiệp về “Thiết kế và thi công hệ thống bể cá tự động và giám sát từ xa”, nhóm đã tập trung giải quyết và hoàn thiện các nội dung chính như sau:

<b>- Nội dung 1: Kết nối Module ESP – WROM - 32, màn hình LCD, các cảm </b>

biến đo độ đục, độ pH.

<b>- Nội dung 2: Kết nối Modul ESP – WROM - 32, ESP32-CAM với Internet để </b>

cập nhật dữ liệu dùng để điều khiển cho cá ăn và hiển thị lên màn hình LCD.

<b>- Nội dung 3: Nghiên cứu xây dựng một trang Webserver giao tiếp và điều </b>

khiển với mơ hình thơng qua Wifi.

<b>- Nội dung 4: Tiến hành kiểm tra độ ổn định và chính xác của các cảm biến và </b>

hệ thống.

<b>- Nội dung 5: Kiểm tra kết nối cảm biến và module lại với vi điều khiển để </b>

truyền dữ liệu đầu vào.

<b>- Nội dung 6: Thiết kế sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lí của hệ thống. </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

3

<b>- Nội dung 7: Thiết kế mơ hình hồn chỉnh. </b>

<b>- Nội dung 8: Thi công phần cứng và chạy thử nghiệm. - Nội dung 9: Viết báo cáo . </b>

<b>- Nội dung 10: Bảo vệ luận văn. </b>

<b>1.5. Bố cục </b>

Đề tài “Thiết kế và thi công hệ thống bể cá tự động và giám sát từ xa” gồm có 6 chương:

<b>Chương 1: Tổng quan </b>

Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung

<b>nghiên cứu, các giới hạn đề tài và bố cục đề tài. </b>

<b>Chương 2: Cơ sở lí thuyết </b>

Giới thiệu các kiến thức, sử dụng các để tài khác để nghiên cứu và tham khảo phần cứng liên quan tới đề tài, giới thiệu các linh kiện, chức năng và thông số kĩ thuật, cách thức giao tiếp sử dụng.

<b>Chương 3: Tính tốn và thiết kế </b>

Thiết kế sơ đồ khối, tính tốn các khối, tính tốn điện áp, dịng điện, cơng suất cho các linh kiện, đưa ra sơ đồ nguyên lí và giải thích hoạt động, thiết kế lưu đồ giải thuật.

<b>Chương 4: Thi công hệ thống </b>

Thiết kế và thi công phần cứng, viết chương trình và thiết kế phần mềm

<b>Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá</b>

Chương này trình bày kết quả hồn thành, đưa hình ảnh của mơ hình và đánh giá nhận xét

<b>Chương 6: Kết luận và hướng phát triển </b>

Trình bày mức độ hoàn thành, kết luận về khả năng hoạt động của hệ thống, đưa ra hướng phát triễn của hệ thống.

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

4

<b>Chương 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT </b>

<b>2.1. Các mơ hình hệ thống chăm sóc và giám sát </b>

<b>2.1.1. Mơ hình chăm sóc hồ thủy sinh tự động và giám sát từ xa </b>

Hiện nay nuôi cá cảnh là loại mơ hình giải trí phổ biến, để có một hồ cá sạch đẹp thì cần những yếu tố như: các loại cây trồng thủy sinh, hệ thống máy lọc nước, máy bơm oxi, đèn chiếu sáng, thức ăn, nguồn nước, nền trồng cây thủy sinh, đá sỏi,… Người nuôi phải trang bị những kiến thức kĩ năng nuôi cá để tránh rủi ro. Đề tài

<b>“Thiết kế và thi công hệ thống chăm sóc hồ thủy sinh tự động và được giám sát từ xa” được thực hiện nhằm phục vụ người sử dụng có được thời gian làm việc, giám </b>

sát hiệu quả khung cảnh bể cá.

Mơ hình sử dụng sử dụng vi điều khiển Arduino Mega2560 làm bộ xử lý trung tâm. Sử dụng các dữ liệu nhận được để điều khiển các thiết bị sevor, relay đóng ngắt, quan sát các giá trị cảm biến độ đục, cảm biến nhiệt độ của nước và cảm biến mực nước thông qua Web nhờ Module ESP826. Có thể cài đặt thời gian bật tắt bằng các bút nhấn trên hệ thống điều khiển, các thông tin dử liệu được hiển thị trên màn hình LCD 20x4. Giúp người dùng dễ dàng quản lí và thực hiện. Vào đó, đề tài cịn có nhược điềm là chưa có tính ổn định cao, người dùng chưa thể thêm một số thiết bị cần thiết. [2]

<b>2.1.2. Thiết bị hỗ trợ nuôi cá tự động </b>

Xã hội hiện nay có nhiều cuộc vui chơi giải trí, thú vui nuôi cá được trải rộng khắp nơi trong nước lẫn ngoài nước khá phổ biến. Để có những điều kiện cần thì có

<b>những kinh nghiệm và thời gian, nhằm thực hiện công việc đó thì đề tài “Thiết bị hỗ </b>

<b>trợ nươi cá tự động” gióp phần làm cho người dùng có thêm thời gian làm việc và </b>

hoạt động khi vắng nhà, đảm bảo lượng thức ăn cho cá và hệ thống các thiết bị được hoạt động tốt.

Thiết bị sử dụng Esp32 làm bộ xử lí trung tâm, có thể kế nối với với website dùng để giám sát và thu thập dữ liệu để điều khiển các thiết bị: máy lọc, máy oxi, đèn led, có thể thao tác bằng phương pháp bán tự động với nút nhấn trên hệ thống qua màn hình LCD và điều chỉnh tự động bằng website tùy thuộc vào người sử dụng.

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

5 Thiết bị có nhược điểm các thiết bị có tính ổn định chưa cao, thời gian phản hồi còn chậm, khoảng cách truyền còn hạn chế. [1]

<b>2.2. Các hệ thống điều khiển và giám sát </b>

<b>2.2.1. Hệ thống quản lý nhà yến sử dụng cơng nghệ IoT </b>

Để có một mơi trường làm việc thoải mái trong thời đại công nghệ hiện nay, nhận thấy việc chăm sóc và theo dõi hoạt động của các thú nuôi chưa được thuận tiện

<b>đề tài “Thiết kế, thi công hệ thống quản lý nhà yến sử dụng công nghệ IoT” ra </b>

đời để cả thiện những yếu tố công việc thời gian của mọi người, việc áp dụng thiết bị có thể cho các lĩnh vực chăn ni khác.

Đề tài sử dụng Arduino Mega2560 làm vi điều khiển xử lý trung tâm điều khiển thiết bị và cập nhật các giá trị cảm biến hiển thị lên màn hình LCD bằng chế độ tự động hoặc bằng tay, đồng thời các thông tin được hiển thị và thao tác trên Web Blynk thông qua ESP8266 để người dùng dễ dàng nắm bắt và quan sát. Ngoài ra, đề tài cịn có những nhược điểm ảnh hưởng về kết nối mạng Wifi, tốc độ xử lý chậm. [4]

<b>2.2.2. Mơ hình trồng nấm rơm </b>

Với sự phát triển bởi công nghệ IOT việc trồng trọt, chăn nuôi càng được cải tiến hơn, hiện đại hơn với công nghệ không dây, Wifi,… để phục vụ cho cơng việc

<b>đó đề tài “Thiết kế và thi công mô hình trồng nấm rơm” nhằm mục đích giúp </b>

người dùng thuận tiện hơn công việc nuôi trồng.

Đề tài sử dụng vi điều khiển ESP32 làm nhiệm vụ điều khiển các thiết bị, đọc các giá trị cảm biến, hệ thống sử dụng module relay để điều khiển và các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm được hiển thị trực tiếp qua màn hình LCD, đồng thời người dùng có thể quan sát qua dao diện Web Blynk, có thể giám sát và điều khiển thiết bị từ xa thông qua ứng dụng trên điện thoại. Tuy nhiên, hệ thống cịn có nhược điểm thời gian đáp ứng của các thiết bị phản hồi chưa ổn định, khơng có nguồn năng lượng dự trữ khi xảy ra sự cố mất điện. [6]

<b>2.3. Giới thiệu phần cứng </b>

<b>2.3.1. Cảm biến độ đục của nước ( Water turbcidity sensor ) </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

6 Cảm biến sử dụng phương pháp đo quang học cho độ bền và độ chính xác cao, thích hợp cho các ứng dụng cảm biến môi trường nước, đo độ ô nhiễm, thủy sinh,... như đề tài [2] đã sử dụng. Dựa vào cơ sở đó, nhóm đã đã lựa chọn cảm biến đo độ đục của nước để thực hiện kiểm tra chất lượng nước trong bể cá cũng như các mô trường khác.

Độ đục là một thuộc tính của các hạt nước. Cảm biến đo độ đục của nước đọc và xuất ra giá trị analog tương ứng với giá trị của độ đục. Độ đục này cần hiệu chỉnh về giá trị chuẩn thông qua biến trở để so sánh, cảm biến này sử dụng nguồn cung cấp 3,3 – 5V, dòng cung cấp tối đa 40mA, dải đo để so sánh mật độ nước từ 0 – 1000 NTU, thời gian đáp ứng nhỏ hơn 500ms. [2]

<b>Phương trình NTU: 𝑨 = 𝟏𝟎𝟎𝟎 − 𝑿 </b> (2.1) Trong đó:

- A là chỉ số NTU. - X là giá trị cảm biến.

<b>2.3.2. Cảm biến độ pH </b>

Sau khi tham khảo đề tài liên quan đến sử dụng cảm biến DFRobot Gravity Analog pH Meter Kit để đo nồng độ nước, đất thì trong để tài [8] đã sử dụng, với những tính năng đo pH của nước giúp hiệu quả hơn trong việc kiểm tra chất lượng nước, nhóm đã lựa chọn cảm biến DFRobot Gravity Analog pH Meter Kit có chức năng tạo ra tín hiệu Analog.

Cụ thể hơn là module Esp32 nhận tín hiệu từ cảm biến để đưa ra giá trị. Cảm biến bao gồm: một que đo, một mạch vi điều khiển hoạt động với điện áp 5V, dòng điện 10mA, phạm vi đo từ 0 – 14, thời gian đáp ứng 60 gây, độ chính xác 0,1pH ở nhiệt độ 25℃. [8]

<b>2.3.3. Module thời gian thực DS1307 </b>

Thời gian rất quan trong trên mọi nơi, để thực hiện điều đó và tham khảo các để tài liên quan đến Module DS1307 ( RTC : Real-time clock ) được sử dụng như trong đề tài [1], [4] để cung cấp thông tin thời gian: ngày, tháng, năm, giờ, phút, giây,...

</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">

7 Nhóm đã lựa chọn module DS1307 cho việc cài đặt thời gian cũng như thời gian cho cá ăn.

Module DS1307 giao tiếp ESP32 với chuẩn giao tiếp I2C, mạch tích hợp sẵn pin backup để duy trì thời gian trong trường hợp khơng cấp nguồn, ngồi ra mạch cịn được tích hợp thêm IC EEPROM để lưu trữ thông tin khi cần, khả năng lưu trữ 32Kbit, điện áp hoạt động từ 3,3 – 5V gồm chân VCC và GND, hai chân truyền giao thức là SLC và SDA, dao động thạch anh 32.768Khz. [4]

<b>2.3.4. Màn hình LCD 20x4 </b>

Nhóm sử dụng LCD 20x4 tích hợp I2C để hiện thị các thông tin và thông số như các đề tài [1-3], [5],... đã sử dụng. LCD 20x4 nghĩa là loại LCD có 4 dịng và mỗi dịng chỉ hiển thị được 20 kí tự. Đây là loại màn hình được sử dụng rất phổ biến trong các loại mạch điện. [2], [5]

Với giao thức truyền I2C với hai chân SCL và SDA để hỗ trợ giao tiếp với ESP32, LCD 20x4 hoạt động với điện áp là 5V, dòng điện hoạt động 5mA, có kích thước là 98x60x13,5 mm, có đèn nền là 2 chân Anode và Kathode, có thể dùng biến trở hoặc PWM điều chình độ tương phản để sử dụng ít điện năng hơn. [1-2]

<b>2.3.5. Vi điều khiển Module ESP32 </b>

Module ESP-WROOM-32 mới nhất với Dual core. Với thiết kế dễ dàng sử dụng trực tiếp trình biên dịch của Arduino IDE để lập trình và nạp code mà đề tài [1],[6] đã sử dụng, nhóm đã tìm hiểu và lựa chọn dùng để trao đổi dữ liệu để điều khiển thông qua Wifi, để phục vụ cho mục đích cho cá ăn đi đơi vơi bật tắt các thiết bị như: bơm lọc nước, bơm oxi và đèn led. [7]

Với kích thước nhỏ gọn và dễ dàng sử dụng ESP-WROOM-32 với chip nạp CP2102 giao tiếp UART mới và ổn định nhất. Nguồn sử dụng là 5V và 3,3V, tích hợp Led báo trạng thái, nút Reset, Boot, Tốc độ xử lý 160MHZ lên đến 240 MHz, gồm có: 18 chân chuyển đổi ADC, 3 chân truyền SPI, 2 chân truyền I2C, 3 chân truyền UART, 10 chân GPIO cảm biến điện dung, 2 chân chuyển đổi DAC, 16 kênh đầu ra PWM. [6], [9]

<b>2.3.6. Module ESP32-Cam </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

8 Để thuận tiện cho việc giám sát bể cá nhóm đã ESP32-CAM là mơ-đun bảng phát triển có kích thước 27×40mm, điện áp hoạt động Vin là 5V, đòng hoạt động 160mA, tích hợp các chức năng Bluetooth, Wifi, Giao diện hỗ trợ: UART, SPI, I2C, PWM, hỗ trợ thẻ TF tối đa 4G, gồm 9 chân giao tiếp I/O, tốc độ truyền 115200 bause (pbs), định dạng đầu ra hình ảnh JPG.

<b>2.3.7. Máy lọc nước ( ZY-003 ) </b>

Với việc giúp cho bể cá có mơi trường nước tốt thì khơng thể thiếu lọc nước được biết đến qua đề tài [2] với tính năng giúp làm sạch nước trong hồ cá, với cấu tạo từ hệ thống lọc cơ học, hóa học và sinh học tiêu chuẩn, đem tới một nguồn nước sạch cho các cảnh sinh sống và phát triển. Nhóm đã tìm hiểu và sự dụng lọc thác ZY - 003 [2] được sử dụng với mọi lọai bể cá.

Lọc thác có kích thước nhỏ gọn, tiện lợi, linh hoạt, mẫu mã đẹp, giá cả thấp, điện áp hoạt động 220VAC, công suất tối đa 3,5W, tốc độ bơm 250L/h. [2]

<b>2.3.8. Máy bơm oxi ( VS - 2800 ) </b>

Để đảm bảo quá trình cá sống tốt cũng như đầy đủ lượng oxi trong bể thì nhóm đã tìm hiểu đề tài [1] đã sử dụng loại bơm oxi VS - 2800 phục vụ cho việc sủi oxi cung cấp cho bể cá. Với kích thước nhỏ gọn 90 x 50mm, điệm áp hoạt động 220VAC, công suất tối đa 2,5W, lưu lượng sửi 3L/Phút. [1]

<b>2.3.9. Module 4 relay </b>

Đề tài [2], [6] sử dụng module 4 relay thích hợp cho các ứng dụng đóng ngắt điện thế cao AC hoặc DC, các thiết bị tiêu thụ dịng lớn, vì vậy, nhóm đã sử dụng loại Module Relay 4 kênh để thực hiện nhiệm vụ bật tắt thiết bị điện. [6-7]

Module thiết kế nhỏ gọn 72mm x 55mm x 19 mm, có opto cách ly chống nhiễu tốt, kích đóng bằng mức thấp (0V), điện áp ni mạch 5V, dịng tiêu thụ trên một Relay là 100mA, tiếp điểm đóng ngắt max: 250VAC - 10A hoặc 30VDC - 10A. [2]

<b>2.3.10. Đèn led, động cơ giảm tốc, mạch điều khiển động cơ </b>

Là vật dụng để trang trí và một thứ khơng thể thiếu cho bể cá. Nhóm đã tìm hiểu và lựa chọn đèn LED T4 còn giúp hồ cá trở nên sinh động và đẹp hơn. Điện áp hoạt

</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">

9 động 220VAC, công suất tiêu thụ 6W, chất liệu ống thủy tinh, chống nước, chống rị

<b>rỉ, Led siêu sáng có nhiều chế độ, tuổi thọ cao, tiết kiệm điện. </b>

Để điều khiển cho cá ăn nhóm đã sử dụng motor giảm 1 pha, nhằm phục vụ cho việc đẩy lượng thức ăn để ni cá. Điện áp hoạt động là 5V, dịng điện 170mA, kích thước nhỏ gọn.

Mạch điều khiển động cơ DC là một bộ điều chỉnh tốc độ động cơ mà nhóm đã dùng bằng cách điều chỉnh xung-chiều rộng-điều chế (PWM), điều chỉnh núm chiết áp để thay đổi chu kỳ làm việc đầu ra của bộ điều tốc, tốc độ động cơ thay đổi. Thiết kế nhỏ gọn 30x24mm, điện áp hoạt động từ 3,3V - 39V, cơng suất tối đa 90W, dịng điện tối đa 5A.

<b>2.4. Cơ sở dữ liệu Blynk và các ứng dụng </b>

Blynk là một nền tảng IoT cung cấp các công cụ để kết nối, quản lý và điều khiển các thiết bị IoT từ xa thông qua mạng Internet. Điểm nổi bật của Blynk là sự dễ dàng và nhanh chóng trong việc tạo và quản lý các ứng dụng IoT, phù hợp cho cả

<b>những người mới bắt đầu và những nhà phát triển chuyên nghiệp. [4] </b>

Blynk cung cấp ứng dụng di động và API cho phép người dùng kết nối và điều khiển các thiết bị IoT bằng cách sử dụng các cảm biến và các tín hiệu đầu vào. Giao diện người dùng được tùy chỉnh linh hoạt để điều khiển thiết bị IoT theo cách tùy chỉnh và tạo ra các hành động và tương tác phức tạp thông qua mã code.

<i>Hình 2.1. Giao tiếp Blynk. </i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26">

10 Blynk được thiết kế cho IoT. Nó có thể điều khiển phần cứng từ xa, nó có thể hiển thị dữ liệu cảm biến, nó có thể lưu trữ dữ liệu, trực quan hóa và làm nhiều thứ hay ho khác. [6]

<b>2.5. Phần mềm lập trình Arduino IDE </b>

Arduino IDE được viết tắt (Arduino Integrated Development Environment) là một phần mềm mã nguồn mở chủ yếu được sử dụng để viết và biên dịch mã vào module Arduino. Đây là một phần mềm Arduino chính thức, giúp cho việc biên dịch mã trở nên dễ dàng mà ngay cả một người bình thường khơng có kiến thức kỹ thuật cũng có thể làm được.

Nó có các phiên bản cho các hệ điều hành như MAC, Windows, Linux và chạy trên nền tảng Java đi kèm với các chức năng và lệnh có sẵn đóng vai trị quan trọng để gỡ lỗi, chỉnh sửa và biên dịch mã trong môi trường. [1-2], [4]

<i><b>Hình 2.2. Phần mềm Arduino. </b></i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 27</span><div class="page_container" data-page="27">

<b>3.2. Tính tốn và thiết kế phần cứng 3.2.1. Thiết kế sơ đồ khối của hệ thống </b>

Theo như đề cương nhóm chúng em đã đưa ra thì sơ đồ khối của hệ thống bao gồm: khối nguồn, khối xử lí trung tâm, khối hiển thị, khối thời gian thực, khối cảm biến, khối nút nhấn, khối công suất, khối dữ liệu WEB/APP và khối Camera. Sơ đồ khối của hệ thống được mô tả như hình 3.1 bên dưới.

<i>Hình 3.1. Sơ đồ khối hệ thống.</i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28">

12

<b>Chức năng các khối: </b>

<b>- Khối xử lí trung tâm: đảm nhiệm nhiệm vụ truyền dữ liệu trong bộ nhớ đã </b>

lưu trữ để điều khiển các thiết bị được kết nối với nó.

<b>- Khối hiển thị : hiển thị bởi Module LCD 20x4 với giao thức truyền dữ liệu </b>

I2C đảm nhận nhiệm vụ hiển thị ngày, tháng, năm và thời gian thực, ngồi ra cịn hiển thị các thông số độ đục và độ pH của hồ cá và bao gồm cả việc hiển thị trạng thái ON/OFF của động cơ cho cá ăn.

<b>- Khối thời gian thực: đảm nhiệm việc ghi thời gian thực và truyền dữ liệu thời </b>

gian thực đó đến khối xử lí trung tâm để hiển thị lên màn hình LCD.

<b>- Khối cảm biến biến thực hiện việc đọc các giá trị cảm biến từ môi trường </b>

nước trong hồ cá bao gồm cảm biến mức độ đục và cảm biến độ pH.

<b>- Khối nút nhấn: được sử dụng trong việc điều khiển các Module công suất </b>

trong hồ cá bằng tay và cùng với đó là việc điều chỉnh,cài đặt thời gian thực và đặt thời gian cho cá ăn.

<b>- Khối công suất: là khối bao gồm các Module động cơ như: động cơ cho cá </b>

ăn, máy lọc nước hồ cá, máy cung cấp Oxi cho hồ cá và đèn Led cung cấp ánh sáng cho hồ cá.

<b>- Khối dữ liệu WEB/APP và dữ liệu: là khối kết nối với khối xử lí trung tâm </b>

để điều khiển và hiển thị các thiết bị trong hồ cá thông qua việc kết nối với Internet.

<b>- Khối Camera: là khối dùng để giám sát hồ cá nhằm mục đích giám sát các </b>

Module trong hồ cá được hoạt động một cách bình thường, nếu có trục trặc hay lỗi gì thì có thể thơng qua việc giám sát này và dễ dàng nhận biết các lỗi và sửa chữa kịp thời.

<b>- Khối nguồn: là khối cũng quan trọng khơng kém khối xử lí trung tâm, nhận </b>

nhiệm vụ cung cấp nguồn điện áp cho tất cả hệ thống, nếu không có khối nguồn cung cấp điện áp thì hệ thống hồn tồn khơng hoạt động.

<b>3.2.2. Tính tồn và thiết kế sơ đồ mạch a. Thiết kế khối xử lí trung tâm </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 29</span><div class="page_container" data-page="29">

13 Khối xử lí trung tâm là một khối quan trọng và là khối không thể thiếu trong đề tài, thực hiện các phép toán, thuật toán trong bộ nhớ đã nạp và lưu code để điều khiển các hệ thống nó chính là trái tim và cũng là bộ nào lưu trữ tất cả các các dữ liệu sẽ thực thi và xử lí các dữ liệu đó. Khối xử lí trung tâm càng nhiều tốc độ xung nhịp, càng nhiều số lõi và luồng xử lí thì càng hoạt động mạnh mẽ và xử lí các dữ liệu càng nhanh. Tóm lại khối xử lí trung tâm đóng vai trị quan trọng trong việc quyết định toàn bộ hiệu suất hoạt động và tốc độ xử lí các yêu cầu của hệ thống.

Bộ xử lý trung tâm cần đảm bảo rằng nó có khả năng thực hiện chính xác các hoạt động điều khiển các moudul động cơ trong hồ cá. Nếu chỉ cần thực hiện các yêu cầu như vậy, có thể sử dụng các module khác như Arduino Nano, Arduino Uno hoặc ESP8266 để tiết kiệm chi phí và tiêu thụ năng lượng. Tuy nhiên, hệ thống này không chỉ muốn đáp ứng yêu cầu bật tắt các động cơ chính xác theo ý người dùng, mà còn muốn hỗ trợ nhiều phương pháp khác nhau để bật tắt ,kết nối với nhiều thiết bị ngoại vi và lưu trữ thông tin trên web và ứng dụng Android thơng qua kết nối internet. Vì vậy, nhóm đã quyết định sử dụng board ESP32 làm bộ xử lý trung tâm để đáp ứng các yêu cầu này.

Sơ đồ kết nối với các thiết bị ngoại vi khác của ESP32 được biểu diễn trong hình 3.2: - Các chân GPIO 22 (36) và chân GPIO 21 (33) lần lượt là các chân SCL và SDA dùng để kết nối với các chân SCL và SDA của màn hình LCD 20x4 và Module thời gian thực DS1307.

- Các chân GPIO 33 (7) và chân GPIO 32 (8) là các chân nhận tín hiệu Analog đầu vào ESP32 từ các cảm biến lần lượt là độ Đục và độ pH.

- Các chân GPIO 15 (23), GPIO 2 (24), GPIO 0 (25), GPIO 4 (26) lần lượt là các chân tín hiệu đầu ra kết nối với Module Relay để điều khiển các động cơ: máy bơm nước, máy bơm Oxi, cho cá ăn và đèn Led hồ cá.

- Các chân GPIO 13 (15), GPIO 12 (13), GPIO 14 (12), GPIO 27 (11) lần lượt là các chân nhận tín hiệu từ các nút nhấn lần lượt là các nút nhấn Mode, Up, Down, Enter.

- Các chân Vin 5v (19) và chân GND (14) là các chân nguồn 5V và chân GND để cung cấp nguồn cho tất cả các hệ thống ngoại vi ở trên.

</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30">

14

<i>Hình 3.2. Sơ đồ chân kết nối khối xử lí trung tâm. </i>

<b>b. Thiết kế khối hiển thị </b>

Khối hiển thị chúng em sử dụng màn hình hiển thị LCD 20x4 để hiển thị các thông tin cần thiết như ngày, giờ và các thay đổi từ môi trường nước thông qua các cảm biến độ Đục và cảm biến độ pH. Hiển thị các để điều khiển bật tắt các Module công suất, hiển thị để hiệu chỉnh ngày giờ và cài đặt thời gian cho cá ăn.

Màn hình LCD 20x4 được kết nối với Module I2C để quá trình kết nối dây gọn gàng hơn và được kết nối với khối xử lý trung tâm qua hai chân SCL (GPIO 22 (36)) và SDA (GPIO 21 (33)) với địa chỉ là 0X27. Sơ đồ kết nối chân giữa LCD 20x4 và ESP32 được thể hiện ở dưới hình 3.3 dưới đây.

</div><span class="text_page_counter">Trang 31</span><div class="page_container" data-page="31">

15

<i>Hình 3.3. Sơ đồ kết nối giữa ESP32 và LCD 20x4. </i>

<b>c. Thiết kế khối thời gian thực (DS1307) </b>

Khối thời gian thực DS1307 chúng em sử dụng để ghi thời gian thực để cài đặt thời gian cho cá ăn và hiển thị ngày giờ.

Module thời gian thực DS1307 được kết nối với khối xử lí trung tâm qua hai chân SCL (GPIO 22 (36)) và SDA (GPIO 21 (33)) . Sơ đồ kết nối Module thời gian thực và khối xử lí trung tâm được thể hiện hình 3.4 bên dưới.

<i>Hình 3.4. Sơ đồ kết khối thời gian thực (DS1307) và ESP32. </i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 32</span><div class="page_container" data-page="32">

16

<b>d. Thiết kế kết nối khối cảm biến </b>

Các cảm biến trong đề tài chúng em sử dụng đó là cảm biến độ đục và cảm biến pH. Với các cảm biến độ đục và cảm biến pH trong đề tài chúng em dùng để đọc chỉ số độ đục và chỉ số độ pH từ môi trường nước trong hồ cá và hiển thị các chỉ số đó lên trên màn hình LCD.

Các cảm biến độ đục và cảm biến độ pH được cấp nguồn 5V từ ESP32 và các dây tín hiệu để kết nối với chúng trong ESP32 lần lượt là GPIO 32 (7) và chân GPIO 33 (8). Sơ đồ kết nối hai cảm biến trên với ESP32 được thể hiện trong hình 3.5 bên dưới.

<i>Hình 3.5. Sơ đồ kết nối các cảm biến độ đục và pH với ESP32. </i>

<b>e. Thiết kế khối công suất </b>

Các Module động cơ thực chất được điều khiển thông qua Module Relay 4 kênh ở mức kích 5v và từ đó thơng qua việc điều khiển các chân tín hiệu vào của các Relay trong Module Relay 4 kênh ta có thể điều khiển bật tắt được các động cơ như: động cơ cho cá ăn, máy bơm lọc nước, máy bơm Oxi và đèn LED hồ cá. Loại module relay này có opto cách ly nguồn điện giữa các thiết bị ngõ ra với với khối điều khiển trung tâm đảm bảo an toàn khi sử dụng.

Các chân tín hiệu từ ESP32 để kết nối với Module Relay 4 kênh để điều khiển các động cơ và đèn LED hồ cá lần lượt là GPIO 15 (23), GPIO 2 (24), GPIO 0 (25),

</div><span class="text_page_counter">Trang 33</span><div class="page_container" data-page="33">

17 GPIO 4 (26) và sử dụng nguồn 5v từ ESP32 để kích mức cao cho Relay. Sơ đồ nối chân từ ESP32 với các chấn tín hiệu của Module Relay 4 kênh được nối như hình 3.6 bên dưới.

<i>Hình 3.6. Sơ đồ kết nối khối cơng suất với ESP32. </i>

Transistor có trong module relay 4 kênh có chức năng hoạt động như một cơng tắc đóng ngắt nên sẽ phân cực dẫn bảo hòa.

Điện trở trong Module relay 1 kênh được tra trong Datsheet có giá trị là 55Ω, vậy nhóm dùng Module Relay 4 kênh nên sử dụng tổng giá trị điện trở là 220Ω. Ta có cơng thức tính dòng điện chạy qua Transistor đối với 4 relay:

𝐼<small>𝐶</small> = I<small>𝑅𝐿4</small>= ^4×(𝑉^CC^−𝑉^CE⁾

<small>𝑅RL4</small> = ^4×(5−0,2)

<small>220</small> = 87,3 𝑚𝐴 (3.1) Transistor BC547 có dòng cực thu tối đa 𝐼𝐶𝑚𝑎𝑥 = 100 𝑚𝐴

- 𝑉<small>cc</small> là điện áp 5V.

</div><span class="text_page_counter">Trang 34</span><div class="page_container" data-page="34">

18 - 𝐼<small>c</small> là dòng điện chạy qua cực C của Transistor BC547.

- 𝑉<small>CE</small> hoạt động trong miền bão hòa có giá trị từ 0,1-0,3V. - 𝑅<small>𝑅𝐿4</small> là điện trở của Module relay 4 kênh.

<i>- β là hệ số khuếch đại của Transistor BC547 β = 110 - 800. </i>

- 𝑅<small>𝑇</small> là điện trở của Transistor BC547.

- 𝑉<small>𝐵𝐸 </small>là điện áp rơi từ cực B qua cực E của transistor BC547. - 𝐼<small>𝐵</small> là dòng điện chạy qua cực B của transistor BC547. Giá trị của opto được tính như sau:

Đặc tuyến điện áp bão hòa, Ic = 5mA, dòng phân cực I<small>F</small> = 5mA – 15mA thì V<small>CE(SAT) </small>

nằm trong vùng bão hòa.

Ta chọn giá trị I<small>F</small> = 5mA, giá trị điện trở Rmax mà opto dẫn là: R<small>OM ax </small> = ^𝑉^CC^−𝑉^LED

<small>𝐼F</small> = ⁵⁻²

<small>5</small> = 0,6 𝑚Ω. (3.4) Ta chọn giá trị IF = 15mA, giá trị điện trở Rmin mà opto dẫn là:

R<small>OM in</small> = ^𝑉^CC^−𝑉^LED

<small>𝐼F</small> = ⁵⁻²

<small>15</small> = 0,2 𝑚Ω. (3.5) Vậy điện trở opto có giá trị nằm trong khoảng: 0,2mΩ - 0,6mΩ.

<b>f. Thiết kế khối nút nhấn </b>

Khối nút nhấn trong đề tài chúng em gồm có bốn nút nhấn với các chức năng khác nhau như: nút Mode để chuyển các mode chế độ, nút Up để chọn lên, nút Down để chọn xuống và nút Enter để chọn.

Khối nút nhấn được kết nối với điện trở kéo lên trong ESP32 lập trình sẵn và kết nối với các chân GPIO là GPIO 13 (15), GPIO 12 (13), GPIO 14 (12), GPIO 27 (11) với lần lượt là các nút Mode, Up, Down, Enter. Sơ đồ kết nối giữa khối nút nhấn và ESP32 được kết nối như hình 3.7 bên dưới.

<b>Tính tốn điện trở kéo cho nút nhấn: </b>

Theo Datasheet của ESP32-Wrom, có dịng điện ngõ vào cho mức cao I<small>IH</small> có giá trị 0,05𝜇A, điện áp ngõ vào cho mức cao V<small>IH</small> có giá trị 0,8×Vcc.

Ta có: Vcc = 5V, I<small>IH</small> = 0,05𝜇A, V<small>IH</small> = 0,8 × Vcc. Áp dụng định luật Ohm, ta có giá trị điện trở:

𝑅 = ^𝑉

<small>𝐼</small> = ^Vcc−V^IH

<small> IIH</small> = ^5−(0,8×5)

<small>0,05×10</small>⁻⁶= 20 × 10⁶ (Ω) (3.6)

</div><span class="text_page_counter">Trang 35</span><div class="page_container" data-page="35">

19 Vậy, nhóm chọn điện trở kéo lên có giá trị nhỏ hơn 20 × 10⁶ (Ω) là: 10KΩ

<i>Hình 3.7. Sơ đồ kết nối khối nút nhấn với ESP32. </i>

<b>g. Thiết kế khối camera (ESP32-Cam) </b>

Khối camera trong hệ thống thực hiện công việc chụp hình ảnh và gửi qua gmail cho người dùng, được điều khiển với 2 dây cấp nguồn cho Esp32-Cam. Sơ đồ kết nối chân ở hình 3.8.

<i>Hình 3.8. Sơ đồ nối chân khối Esp32 với Esp32-Cam. </i>

Các chân kết nối của ESP32-Cam:

- Chân Vcc của ESP32-Cam nối với Vcc của ESP32. - Chân GND của ESP32-Cam nối với GND của ESP32.

</div><span class="text_page_counter">Trang 36</span><div class="page_container" data-page="36">

20

<b>h. Thiết kế khối nguồn </b>

Khối nguồn cung cấp điện áp và dòng điện ổn định cho toàn mạch, đảm bảo các thiết bị hoạt động tốt. Nhóm đã thống kê và liệt kê gồm các thành phần linh kiện trong

<b>bảng 3.1. </b>

<i>Bảng 3.1: Các linh kiện sử dụng </i>

<b>STT Tên linh kiện Số lượng Điện áp (V) Dòng điện (mA) </b>

12 Máy lọc nước 1 220 22

Tổng dòng điện tiêu thụ điện áp 5V 1548 mA

Tổng dòng điện tiêu thụ điện áp 220V 59 mA

</div><span class="text_page_counter">Trang 37</span><div class="page_container" data-page="37">

21 Ở bảng 3.1 như đã thống kê ta có tổng dịng điện tiêu thụ cho toàn mạch là 1548 mA, các mức điện áp cần dùng từ 5VDC, 220AC. Vì vậy, nhóm sử dụng nguồn 5VDC 2,4A để cấp nguồn cho toàn hệ thống, nguồn 220AC cấp cho các thiết bị công suất.

Với đặc tính hoạt động của mạch cần duy trì nguồn điện, nhóm đã sử dụng module chuyển đổi nguồn XY850 như trong hình 3.9, để xử lý trường hợp mất nguồn điện chính xảy ra sẽ tự động chuyển đổi sang nguồn pin dự phịng.

<i>Hình 3.9. Module chuyển nguồn XY850. </i>

Tiếp theo là lựa chọn loại pin dự phòng, nhóm lựa chọn khối pin Pin Lithium 3Sx2 20000mA tích hợp mạch sạc với điện áp 12V sẽ qua mạch giảm áp LM2596 xuống còn 5V để duy trì hoạt động của mạch. Thời gian tiêu thụ pin phụ thuộc vào

<b>công suất của hệ thống, được tính: </b>

- A là dung lượng của pin sử dụng (mA).

- P là công suất điện tiêu thụ của thiết bị (mW).

- η là hệ số hiệu suất pin (thông thường hệ số là η = 0,7). Công suất tiêu thụ được tính theo cơng thức:

Trong đó:

- P là công suất tiêu thụ (mW). - U là hiệu điện thế (V).

</div><span class="text_page_counter">Trang 38</span><div class="page_container" data-page="38">

22 - I là cường độ dòng điện (mA).

Dựa theo bảng 3.1, ta có:

- I<small>esp</small> = 170mA, là dịng tiêu thụ của ESP32.

- I<small>M R4</small> = 800mA, là dòng tiêu thụ của Module Relay 4. - I<small>M D</small> = 1,5mA, là dòng tiêu thụ của Module DS1307. - I<small>LCD</small> = 2mA, là dòng tiêu thụ của LCD 20x4.

- I<small>ph</small> = 10mA, là dòng tiêu thụ của cảm biến pH. - <small>Iduc</small> = 40mA, là dòng tiêu thụ của cảm biến đục. - I<small>esp-cam </small>= 160mA, là dòng tiêu thụ của ESP32-Cam. - I<small>led</small> = 27mA, là dòng tiêu thụ của đèn Led.

- I<small>oxi</small> = 10mA, là dòng tiêu thụ của máy sủi Oxi. - I<small>loc</small> = 22mA, là dòng tiêu thụ của máy lọc nước. - I<small>motor</small> = 54mA, là dòng têu thụ của motor.

- I<small>dimer</small> = 300mA, là dòng tiêu thụ của mạch điều khiển động cơ.

- Mức điện áp 5V dùng cho ESP32, module relay 4, Module DS1307, cảm biến PH, cảm biến đục, ESP32-Cam, mạch điều khiển động cơ, motor.

- Mức điện áp 220v dùng cho máy sủi Oxi, máy lọc nước, đèn led.

<b>Ta có cơng suất tải: </b>

P<small>5v</small> = U×I = 5×( I<small>esp</small>+ I<small>M R4</small>+ I<small>M D</small>+ I<small>LCD</small>+ I<small>ph</small>+ I<small>duc</small>+ I<small>esp-cam</small>+ I<small>motor</small>+ I<small>dimer</small>)

= 5×(170+800+1.5+2+10+40+160+54+300) = 7688 (mW) (3.9) Công suất tải máy lọc nước: 5W.

Công suất tải máy sủi oxi: 2,5W. Công suất tải đèn led: 6W.

P<small>T</small> = 5+2.5+6 = 13,5 W (3.10) Từ đó, ta có thời gian tiêu thụ pin:

𝑡 = ^{𝐴 ×𝑉 ×η}

<small>𝑃</small> = ^{20000 ×12 ×0,7}

<small>7688</small> = 22 (giờ) (3.11) Như vậy, trong thời gian mất điện do Adapter hỏng hệ thống sẽ tiếp tục hoạt động với nguồn pin dự phòng nhằm hệ thống đảm bảo hoạt động liên tục không bị ngắt quãng.

</div><span class="text_page_counter">Trang 39</span><div class="page_container" data-page="39">

23

<b>Sơ đồ nguyên lý của khối nguồn được mơ tả như hình 3.10. </b>

<i>Hình 3.10. Sơ đồ nguyên lý khối nguồn. </i>

<b>i. Nguyên lí hoạt động của hệ thống </b>

Sử dụng nguồn Adapter 5V để cung cấp nguồn cho hệ thống. Khi nguồn đã cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống, trong trường hợp mất điện hệ thống sẽ kích hoạt pin dự phịng với điện áp 12V, điện áp từ nguồn pin sẽ đi qua một mạch giảm áp LM2596 để chuyển đổi điện áp giảm còn 5V để cung cấp nguồn cho hệ thống. Về nguồn cho các động cơ công suất như động cơ cho cá ăn sử dụng nguồn 5V, máy lọc nước, máy lọc Oxi và đèn LED cho hồ cá chúng em sử dụng nguồn điện dân dụng 220VAC, hệ thống gồm có 2 mức điện áp 5V và 220VAC cung cấp cho toàn bộ hệ thống hoạt động. Như vậy trong hệ thống chúng em thiết kế sẽ có 3 nguồn điện cung cấp đó là nguồn chính 5V, nguồn Pin dự phòng với điện áp 12V và nguồn cho các Module công suất 220V. Sơ đồ kết nối được biểu diễn ở hình 3.11 bên dưới.

<i>Hình 3.11. Sơ đồ kết nối của khối nguồn. </i>

Khi việc cấp nguồn được hồn tất thì Module hiển thị LCD với truyền dẫn giao thức I2C sáng và hiển thị các giá trị đã yêu cầu trong code. Các cảm biến lập tức hoạt động và đọc các giá trị cảm biến của môi trường nước cụ thể là cảm biến độ đục và

</div><span class="text_page_counter">Trang 40</span><div class="page_container" data-page="40">

24 cảm biến độ pH sau đó hiển thị các giá trị đó lên LCD. Module thời gian thực cũng hoạt động bằng cách đọc giá trị thời gian đã lưu trong Module đã lưu trước đó và hiển thị ngày giờ lên LCD. Tất cả những gì LCD hiển thị khi nguồn cung cấp đó chính là màn hình chính của hệ thống.

Thông qua việc điều khiển bằng nút nhấn thì ta có thể nguyển Mode của hệ thống bằng cách nhấn nút Mode tương ứng với Mode 1 sẽ là việc điều chỉnh ngày, giờ để đúng với thời gian của thời gian thực và điều chỉnh chúng bằng các nút Up/Down và lưu giá trị bằng nút Enter. Mode 2 có chức năng đặt thời gian cho cá ăn và điều chỉnh bằng cách như điều chỉnh thời gian thực ở trên. Mode 3 có chức năng bật/tắt máy lọc nước tương tự Mode 4 có chức năng bật tắt máy lọc Oxi và Mode 5 có chức năng bật/tắt đèn Led hồ cá bằng việc nhấn nút Up sẽ bật các động cơ trên và nhấn nút Down để tắt các động cơ trên.

Ngồi hệ thống cịn có thể bật/tắt thông qua ứng dụng và WEB Blynk, từ việc điều khiển hệ thống bằng nút nhấn thì ứng dụng và WEB Blynk sẽ cập nhật các trạng thái của các động cơ và cũng có thể điều khiển các Module công suất ấy như các nút nhấn tại hồ cá, nó đồng nghĩa với việc người sử dụng sẽ có thể điều khiển các Module động cơ cơng suất ở bất kì nơi nào có kết nối Internet thông qua ứng dụng và WEB Blynk. Ngoài ra các chỉ số đọc từ cảm biến từ cảm biến độ đục và cảm biến pH cũng hiển thị lên ứng dụng và WEB Blynk. Nói tóm lại giá trị cảm biến ở màn hình LCD hồ cá hiển thị bao nhiêu thì chỉ số giá trị cảm biến hiển thị tại ứng dụng và WEB Blynk sẽ hiển thị đúng như trên LCD.

Một phần không kém phần quan trọng trong đề tài này đó chính là Module Camera, với việc dùng để giám sát thơng qua hình ảnh hệ thống hồ cá hoạt có bình thường hay khơng và từ đó có hướng giải quyết hợp lí. Với Module này chúng em sẽ kết nối với gmail để theo dõi hệ thống hồ cá. Thơng báo cập nhật hình ảnh liên tục sau 30 giây, giúp người sử dụng có thể quan sát hồ cá đang diễn ra như thế nào. Sơ đồ kết nối chi tiết ở hình 3.12 bên dưới.

</div>