Mái che thông minh với audruino

I. TÓM TẮT NỘI DUNG :
Hiện nay tuy công nghệ đã phát triển rất tiên tiến các công việc của người nông
dân cũng đã vất vả hơn, nhưng mà trong các công việc đó thì việc phơi, che đậy nông
sản vẫn khiến họ thấy vất vả. Hay khi đang xem một bộ phim hay, đang trầm tư suy
nghĩ một chuyện gì đó thì cơn mưa ào đến, bạn phải chạy tất tả ra sân để che đậy nông
sản. Hoặc đang ở vườn cách xa nhà chẳng hạn, vào các ngày mưa người nông dân
không thể vừa đi làm vừa ở nhà chuẩn bị che đậy, mở bạt che nông sản được. Và nó đặt
ra một câu hỏi là tại sao ta không nghĩ ra một giải pháp để có thể tự động kéo mái che ra
khi trời mưa và che lại, sau đó lại mở mái che ra phơi tiếp khi trời nắng, mà không cần
con người chạm tay vào.

II. GIỚI THIỆU:
1. Lý do chọn đề tài:
Ngày nay khoa học kĩ thuật đã phát triển hết sức mạnh mẽ, đã có rất rất nhiều
thiết bị phục vụ cho cuộc sống dựa trên các ứng dụng của khoa học công nghệ như máy
giặt, tủ lạnh, ti vi, máy điện thoại... tuy nhiên bên cạnh đó chúng em nhận thấy vẫn còn
nhiều công việc có thể áp dụng khoa học công nghệ nhưng lại chưa được áp dụng, sử
dụng rộng rãi. Một ứng dụng nhỏ trong đó mà chúng em nhận thấy vẫn chưa được chế
tạo sử dụng đó là một mái che thông minh có thể tự động kéo mái che ra khi trời mưa và
che lại, sau đó lại mở mái che ra phơi tiếp khi trời nắng. Từ tình hình thực tế trên chúng
em đã hình thành một ý tưởng để thực hiện công việc trên đó chính là “hệ thống mái che
thông minh”.
2. Ý nghĩa khoa học , ý nghĩa thực tiễn của đề tài:
Ý nghĩa khoa học:
+ Góp phần nhỏ vào tiến trình công nghiệp hóa hiện đại đất nước.
+ Thấy được lợi ích của khoa học kỹ thuật trong cuộc sống.
Ý nghĩa thực tiễn:
+ Mọi người luôn cảm thấy yên tâm khi phơi nông sản mà không sợ trời mưa, tối.
1Trang 1

+ Tiết kiệm sức lao động
+ Phát triển hệ thống tư duy, sáng tạo để từ đó có thể nghiên cứu, triển khai các hệ
thống khác phức tạp hơn.
3. Những điểm mới của đề tài:
Trên thực tế đã có một số sản phẩm tương tự đề tài này, nhưng qua tham khảo chúng
em nhận thấy rằng những sản phẩm đó đang còn rất nhiều hạn chế như: Tính linh động
của sản phẩm, tính “thông minh” của sản phẩm đó là có thể mở mái che ra khi trời mưa,
nhưng lại không thể kéo mái che khi trời nắng... từ những hạn chế trên chúng em đã đưa
ra một hệ thống hoàn toàn mới, “thông minh” thật sự. Hệ thống mái che thông minh là
một sản phẩm hoạt động dựa trên sự kết hợp hoàn hảo giữa kĩ thuật cơ khí, kĩ thuật điện
và kĩ thuật lập trình vi xử lý. Đảm bảo thực hiện các yêu cầu cơ bản mà chúng ta mong
muốn đó là bảo vệ nông sản trước mưa gió, sương. Ngoài việc đạt được những yêu cầu
của hệ thống mái che thì chỉ cần một vài cải tiến nhỏ thì thiết bị có thể triển khai thành
hệ thống kéo rèm cửa tự động, hệ thống tưới nước, vòi nước cảm ứng, thiết bị hẹn giờ,
robot…
4. Mục đích nghiên cứu:
+ Giúp mọi người luôn thỏa mái khi phơi nông sản.
+ Bảo vệ nông sản trước mưa, gió và sương.
+ Tiết kiệm sức lao động.
5. Kết quả hy vọng đạt được:
Nghiên cứu và chế tạo thành công “hệ thống mái che thông minh”. Sau khi
hoàn thành thành công mô hình dự án, nhân rộng đưa vào sản xuất để phục vụ cho cuộc
sống.

III.

PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM

1. Mục tiêu:
+ Mục tiêu chung: Chế tạo hệ thống mái che thông minh dựa trên bộ vi xử lý

trung tâm arduino nuno R3 kết hợp với hệ thống cảm biến mưa, module blutooth điều
khiển qua điện thoại Smartphone để bảo vệ nông sản trước mưa gió và sương.
2Trang 2


+ Mục tiêu cụ thể: Nghiên cứu và chế tạo thành công “hệ thống mái che thông
minh”. Sau khi hoàn thành thành công mô hình dự án, nhân rộng đưa vào sản xuất để
phục vụ cho cuộc sống.
2. Kế hoạch nghiên cứu
Đề tài này liên quan tới nhiều lĩnh vực khác nhau, đòi hỏi phải có một kế hoạch
cụ thể để thực hiện. Với thời gian khoảng 3 tháng (9/2017 - 11/2017) chúng em đã đặt
ra cho mình một kế hoạch để thực hiện đề tài cụ thể như sau:
- Từ 01/9 - 08/9: lên mô hình tổng quát của sản phẩm trong đề tài, những yêu
cầu cần có cho sản phẩm.
- Từ 09/9 - 15/9: Thiết kế mô hình cơ khí của sản phẩm.
- Từ 16/9 - 29/9: Tìm hiểu về các linh kiện điện tử như module Relay 2 kênh,
module giảm áp, vi điều khiển...; thiết kế mạch điện điều khiển của sản phẩm.
- Từ 30/9 - 12/10: Tìm hiểu về ngôn ngữ lập trình arduino cho Vi điều khiển.
- Từ 13/10 – 17/11: Kết hợp giữa các phần cơ khí, điện tử, lập trình với nhau
thành 1 sản phẩm thống nhất, thử nghiệm trong điều kiện thực tế; Khắc phục những vấn
đề phát sinh từ đó đưa ra một sản phẩm hoàn chỉnh.
3. Phương pháp nghiên cứu
Hệ thống được thực hiện dựa trên nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm:
- Nghiên cứu lý thuyết: tìm cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của mạch điện tử,
của vi điều khiển, động cơ. Nghiên cứu và tìm hiểu về ngôn ngữ lập trình arduino, lập
trình android đơn giản.
- Xây dựng mô hình thử nghiệm.
- Thử nghiệm, hoàn chỉnh các vấn đề phát sinh.
- Đưa vào sử dụng trong thực tế.
4. Thiết bị thí nghiệm

4.1.

Hệ thống cơ khí, điện

Sử dụng các vật liệu thông dụng là sắt, nhôm để đảm bảo tính thông dụng cũng
như chắc chắn của sản phẩm và sản được thiết kế trên mô hình của các thiết bị mái che
3Trang 3


thủ công thông thường nhưng có cải tiến một số phần để phù hợp. Trong hệ thống thu
kéo mái che khi trời mưa được thực hiện thông qua 01 động cơ 12V; động cơ này có
khả năng hoạt động linh hoạt, chính xác nhờ hệ thống điều khiển thiết bị trung tâm, các
công tắc hành trình cũng như các cảm biến... Năng lượng cung cấp cho động cơ hoạt
động có thể là nguồn pin 12V hoặc thông qua bộ chuyển đổi adaptor.
Khung thiết bị:
+ Sắt hộp vuông 20mm*20mm, sắt tròn phi 21mm + 1 động cơ 12V DC + Dây
cáp, bạc đạn, trục quay, ốc vít .
Mô hình cơ khí được thiết kế đơn giản dạng hình khung có kích thước rộng 0,6m
* dài 0,9m * cao 0,6m cao. Trong đó có bộ phận thu kéo mái che, mái che mưa, sương.
+ Động cơ thực hiện thu kéo mái che và che mưa, sương.
+ Dây kéo.
+ Bạt che có thể trượt dọc theo 2 thanh ngang.
Động cơ DC:
Bộ phận quan trọng nhất trong phần cơ khí chính là hệ thống truyền động. Hệ
thống truyền động trong thiết bị này là 1 động cơ một chiều DC. Động cơ được đảo
Các ngõ ra

chiều nhờ module relay 2 kênh:

Các chân

tín hiệu
vào

Hình ảnh: Module relay 2 kênh và mạch đảo chiều động cơ
Điều khiển tốc độ của động cơ: Điều khiển tốc độ của động cơ thông qua mạch giảm tốc:

4Trang 4


Hình: Mạch giảm tốc
Hệ thống cảm biến:

Hình: Module cảm biến mưa
Khi gặp trời mưa thì hệ thống cảm biến sẽ báo tín hiệu cho bộ điều khiển trung
tâm, từ đó ra lệnh cho các động cơ thực hiện nhiệm vụ kéo mái che ra
Module công tắc hành trình:

Hình: Module công tắc hành trình
Khi kéo mái che ra, vào chạm công tắc hành trình thì công tắc hành trình đóng.
Khi đó tín hiệu sẽ được chuyển vào vi điều khiển và điều khiển relay để dừng động cơ.
Module thu phát tín hiệu bluetooth HC-05

5Trang 5


Hình: Module bluetooth HC-05
Module Bluetooth HC-05: Nhiệm vụ thu, phát tín hiệu không dây qua điện thoại
Smartphone để điều khiển thiết bị bán tự động.

6Trang 6

Cảm biến mưa

3 thanh kéo mái che
Dây kéo
Motor
Trục kéo dây

Công tắc hành trình

Mô hình cơ khí của sản phẩm
4.2.

Hệ thống điều khiển

Sử dụng mạch điện tử và bộ điều khiển trung tâm là Arduino Uno R3 được xây
dựng với phân nhân là vi điều khiển ATmega328P sử dụng thạch anh có chu kì dao động là 16
MHz. Với vi điều khiển này, ta có tổng cộng 14 pin (ngõ) ra / vào được đánh số từ 0 tới
13 (trong đó có 6 pin PWM, được đánh dấu ~ trước mã số của pin). Song song đó, ta có thêm 6
pin nhận tín hiệu analog được đánh kí hiệu từ A0 - A5, 6 pin này cũng có thể sử dụng được như
các pin ra / vào bình thường (như pin 0 - 13) . Arduino Uno R3 được sử dụng rất rộng rãi

trong nhiều ứng dụng thực thế như mạch điều khiển nhà thông minh, mạch điện đèn
quảng cáo, robot....

14 chân tín hiệu

Vi điều khiển

Các chân cáp điện áp và chân
tín hiệu Analog

Hình : Bo mạch Arduino Uno R3
Kết nối với hệ thống xử lý trung tâm là các thiết bị để nhận biết và chuyển đổi các
7Trang 7


tín hiệu tương tự từ môi trường thành các tín hiệu điện (hệ thống cảm biến).
Sau khi các tín hiệu được xử lý thì hệ thông điều khiển trung tâm sẽ phát tín hiệu
để điều khiển các modul động cơ hoạt động.
Bảng: Mô hình hoạt động của hệ thống
Hệ thống cảm
biến (sensor) và
các nút điều
khiển

Bộ xử lý trung
tâm (MCU)

Hệ thống thực
hiện công việc

Hình ảnh mô tả kết nối mạch

Hình ảnh thực tế kết nối phần điều khiển chính

8Trang 8

5. Lập trình cho thiết bị:
Chương trình điều khiển được viết bằng ngôn ngữ C trên arduino, đây là một ngôn ngữ
trực quan, tương đối dễ sử dụng.
Nội dung lập trình vi điều khiển:
#define MOTORPIN1 13 // Khai báo chân motor 1 (relay 1)
#define MOTORPIN2 12 // Khai báo chân motor 2 (relay 2)
#define CONGTAC1 4 // Khai báo chân của công tắc hành trình 1
#define CONGTAC2 8 // Khai báo chân của công tắc hành trình 2
int mua = 7; // Chân tín hiệu cảm biến mưa ở chân digital 7 (arduino)
int vitrihientai = 9; /* = 1 đã kéo bạt ra = 2 đã kéo bạt vào */
char blue;//Khai báo biến nhận dữ liệu từ Bluetooth
int tudong = 1 ;
void setup() { // initialize serial communication @ 9600 baud: for or other
Serial.begin(9600);
pinMode(CONGTAC1, INPUT_PULLUP);
pinMode(CONGTAC2, INPUT_PULLUP);
pinMode(mua,INPUT);// Đặt chân cảm biến mưa là INPUT, vì tín hiệu sẽ được truyền
đến cho Arduino
pinMode(MOTORPIN1, OUTPUT);
pinMode(MOTORPIN2, OUTPUT);
digitalWrite(MOTORPIN1, LOW); // đặt motor1 ngừng
digitalWrite(MOTORPIN2, LOW); // đặt motor1 ngừng
Serial.begin(9600); // Kết nối bluetooth module ở tốc độ 9600
}
void loop() {
// Chạy qua smartphone:
if (Serial.available()>0){
blue=Serial.read();
switch (blue){
case '5':

tudong=1;
break;
case '2'://Trời có mưa
tudong=0;
9Trang 9


while(vitrihientai !=2){
if (digitalRead(CONGTAC2)==HIGH){
digitalWrite(MOTORPIN2,HIGH);
digitalWrite(MOTORPIN1,LOW);
}
if (digitalRead(CONGTAC2)==LOW){
digitalWrite(MOTORPIN2,HIGH);
digitalWrite(MOTORPIN1,HIGH);
vitrihientai=2;
//Serial.print("Trạng thái: Đóng mái che");
}
}
break;
case '1'://không có mưa
tudong=0;
while (vitrihientai !=1){
if (digitalRead(CONGTAC1)==HIGH){
digitalWrite(MOTORPIN1,HIGH);
digitalWrite(MOTORPIN2,LOW);
}
if ((digitalRead(CONGTAC1)==LOW)) {
digitalWrite(MOTORPIN1,HIGH);
digitalWrite(MOTORPIN2,HIGH);

vitrihientai=1;
//Serial.print("Trạng thái: Mở mái che");
}
}
break;
case '3'://Dừng toàn bộ động cơ
tudong=0;
digitalWrite(MOTORPIN2,HIGH);
digitalWrite(MOTORPIN1,HIGH);
vitrihientai=0;
//Serial.print("Trạng thái: Mở mái che một phần");
1Trang 10
0


break;
case '6':
tudong=0;
break;
}
}
if (tudong==1){
tdong();
}
//Serial.println(tudong);
}
//Chạy tự động
void tdong(){
int cambien=digitalRead(mua);
switch (cambien){

case 0://có mưa
while (vitrihientai !=2){
if (digitalRead(CONGTAC2)==HIGH){
digitalWrite(MOTORPIN2,HIGH);
digitalWrite(MOTORPIN1,LOW);
}
if (digitalRead(CONGTAC2)==LOW){
digitalWrite(MOTORPIN2,HIGH);
digitalWrite(MOTORPIN1,HIGH);
vitrihientai=2;
//Serial.print("Trạng thái: Đóng mái che");
}
}
break;
case 1://không có mưa
while (vitrihientai !=1){
if (digitalRead(CONGTAC1)==HIGH){
digitalWrite(MOTORPIN1,HIGH);
1Trang 11
1


digitalWrite(MOTORPIN2,LOW);
}
if ((digitalRead(CONGTAC1)==LOW)) {
digitalWrite(MOTORPIN1,HIGH);
digitalWrite(MOTORPIN2,HIGH);
vitrihientai=1;
//Serial.print("Trạng thái: Mở mái che");
}

}
break;
}
}
Nội dung lập trình cho thiết bị smartphone (lập trình kéo thả trên trang web:
/>Thiết kế giao diện phần mềm điểu khiển mái che qua điện thoại:

1Trang 12
2


Button 1: Lựa chọn kết nối thiết bị bluethooth
Button 2: Ngắt kết nối thiết bị bluethooth

Label: Hiển thị thông báo kết nối

Button 3: Kéo
mái che lại

Button 4: Mở
mái che ra

Checkbox1: Chọn điều khiển tự động
Checkbox2: Chọn điều khiển qua điện
thoại

Khối lệnh khởi động Screen1:

Khối lệnh kết nối:

1Trang 13
3


Khối lệnh thời gian:

Khối lệnh chọn chế độ điều khiển:

Khối điều khiển nút ấn:

1Trang 14
4


IV.

KẾT QUẢ

Quá trình hoạt động thử nghiệm hệ thống (với điện áp được cấp cho các thiết bị
là pin laptop cũ) đã thành công tốt đẹp, hệ thống vận hành ổn định, chính xác, hoàn
thành được các yêu cầu đặt ra.
-

Phần điều khiển tự động:

+ Cảm biến mưa hoạt động với độ nhạy cao.
+ Khi có nước mưa tiếp xúc vào module cảm biến mưa làm đóng mạch → tín hiệu
được truyền đến bo mạch chính → xuất tín hiệu qua module Relay làm relay 1 đóng
mạch, Relay 2 ngắt mạch → dòng điện được cấp cho motor quay với chiều thuận để
kéo mái che ra → khi chạm công tắc hành 1 trình đóng → tín hiệu được truyền đến

bo mạch chính → xuất tín hiệu qua module Relay làm relay 1và 2 ngắt mạch→ ngắt
dòng điện cấp cho motor → motor dừng hoạt động
+ Khi nước trên cảm biến mưa khô → tín hiệu được truyền cho bo mạch chính chính
→ xuất tín hiệu qua module Relay làm relay 2 đóng mạch, Relay 1 ngắt mạch →
dòng điện được cấp cho motor quay với chiều ngược lại để kéo mái che ra → khi
chạm công tắc hành 2 trình đóng → tín hiệu được truyền đến bo mạch chính → xuất
tín hiệu qua module Relay làm relay 1và 2 ngắt mạch→ ngắt dòng điện cấp cho
motor → motor dừng hoạt động
-

Phần điều khiển bán tự động: Giao tiếp giữa bo mạch chính và điện thoại hoạt

động ổn định qua module bluetooth và phần mềm điều khiển mái che thông minh

1Trang 15
5


Hình ảnh khung sản phẩm

Hình ảnh thực tế: Bảng mạch điều khiển chính

1Trang 16
6


Hình ảnh thực tế phần cơ và mạch điều khiển

Hình ảnh thực tế của sản phẩm chưa có mái che

V. THẢO LUẬN
Ưu điểm:
Hệ thống dùng các module được thiết kế sẵn nên không cần nhiều kiến thức về
điện, điện tử cũng có thể nắp ráp được sản phẩm. Mặt khác khi hư hỏng các module thì
có thể mua và thay thế dễ dàng.
Hệ thống cơ khí không có các chi tiết phức tạp, dễ thiết kế.
Phần mềm cho vi điều khiển được viết trên ngôn ngữ lập trình C gần tương tự
với ngôn ngữ lập trình pascal của học sinh lớp 8 nên việc lập trình cho vi điều khiển
không có nhiều phức tạp với đối tượng học sinh THCS.
Phần lập trình cho thiết bị android chủ yếu là kéo, thả các đối tượng, câu lệnh
nên cũng dễ dàng thực hiện.
Hạn chế:
Về cơ khí vẫn chưa thực sự tối ưu, cần cải tiến để linh hoạt và thuận lợi hơn
trong sử dụng.
Nguồn điện cấp cho hệ thống cần sử dụng các bộ chuyển đổi adaptor để dòng
điện ổn định hơn.
1Trang 17
7


Hệ thống còn dùng nhiều module được chế tạo sẵn (giá thành còn cao), cần tìm
hiểu thêm kiến thức về vật lý để hạn chế việc sử dụng các module này nhằm giảm giá
thành khi thiết kế sản phẩm.
Về lập trình cho vi điều khiển và thiết bị andriod: cần có những hiểu biết nhất
định về ngôn ngữ lập trình mới thực hiện được.
Khả năng áp dụng vào thực tế:
Sản phẩm có thể áp dụng rộng rãi vào thực tế. Tuy nhiên, trên thực tế trọng lượng
của mái che lớn, diện tích rộng nên phần cơ khí cần thiết kế chắc chắn hơn, chi tiết hơn;
motor lớn chạy điện AC 220V nên việc đảo chiều động cơ khó khăn hơn…
Hệ thống có thể cải tiến áp dụng vào việc tạo giàn phơi đồ thông minh, rèm cửa

thông minh,…

VI.

KẾT LUẬN

Với cấu tạo và nguyên lí như trên thì hệ thống mái che thông minh đã đáp ứng
được các yêu cầu ban đầu đặt ra.
Quy trình hoạt động là hoàn toàn tự động, hoặc có thể điếu khiến trực tiếp bằng
smartphone nên rất dễ sử dụng.
Ứng dụng có thế được chế tạo đế sử dụng rộng rãi do yêu cầu về thiết bị, linh
kiện không cao và giá thành thấp.
Bản thân mạch điều kiến trên có thế mở rộng đế làm với nhiều mục đích khác
như: điều khiến rèm cửa, tưới nước tự động, mạch quảng cáo, nhà thông minh...
Cuộc thi Nghiên cứu khoa học dành cho học sinh trung học thực sự là sân chơi
bổ ích, cuộc thi đã cho học sinh cơ hội được thế nghiệm, phát huy năng lực sở trường
của mình, thỏa mãn trí tò mò thích khám phá. Giúp học sinh giảm bớt được sự căng
thẳng khi “phải tiếp thu” các môn học nặng lý thuyết, khô khan, khó nhớ, khó hiếu.
Đề tài nghiên cứu chế tạo “Chế tạo hệ thống mái che thông minh” thành công
được mọi người ghi nhận đã tạo động lực cho em trong học tập và nghiên cứu khoa học.
Với niềm say mê nghiên cứu sáng tạo chúng em mong muốn được tổ chức nhiều cuộc

1Trang 18
8


thi như thế đế học sinh chúng em có điều kiện được tìm hiếu, nghiên cứu, thế nghiệm và
khẳng định mình. Cuộc thi nghiên cứu khoa học với học sinh phổ thông có thế xem như
là một sân chơi lý thú và bổ ích, là quá trình tự khám phá tiềm năng của bản thân.
Dự án của chúng em đã thực hiện được ý tưởng nghiên cứu và chế tạo thành

công “hệ thống mái che thông minh”. Em mong muốn tiếp tục nhận được sự hỗ trợ của
thầy cô, bạn bè. Sớm đưa được ý tưởng ứng dụng vào thực tiễn cuộc sống đế cuộc sống
có thêm nhiều ý nghĩa.

VII.

LỜI CÁM ƠN

Thành công là kết quả của một quá trình làm việc, phấn đấu không ngừng.
Nhưng bên trong sự thành công đó không thể không kể đến sự giúp đỡ, ủng hộ của gia
đình, thầy cô và bạn bè. Trước tiên chúng em xin bày tỏ lòng cám ơn sâu sắc tới thầy
Phạm Văn Tĩnh, thầy Đoàn Hữu Trì, thầy Cao Hoàng Thành là thầy giáo trực tiếp
hướng dẫn và chỉ bảo cho em thực hiện đề tài khoa học này. Em xin chân thành cảm ơn
bạn bè và gia đình đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện và giúp đỡ chúng em trong suốt
quá trình thực hiện đề tài. Sự giúp đỡ, ủng hộ đó chính là nguồn động lực to lớn để giúp
chúng em hoàn thành đề tài này. Một lần nữa chúng em xin chân thành cám ơn!

VIII.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Trang web: www.arduino.vn
2. Các tài liệu về arduino trên internet.
3. Giáo trình lập trình C vi điều khiển, Trường Đại Học SPKT Hưng Yên, 2010.

1Trang 19
9


20