bài tập lớn đo lường và cảm biến hệ thống vườn rau sạch thông minh

Trường ĐH công nghiệp Hà Nội

Nhóm 12

ĐH CNKT Điện-Điện tử K10

1.

Mục lục
Giới thiệu đề tài..................................................................................................................3

2.

Ý nghĩa khoa học của đề tài..............................................................................................3

3.

Mục đích nghiên cứu.........................................................................................................4

4.

Giới hạn đề tài....................................................................................................................4

5.

Sản phẩm khoa học của đề tài..........................................................................................4

6.

Cấu trúc của báo cáo.........................................................................................................5

B. CƠ SỞ LÝ LUẬN.................................................................................................................6
1.

Tình hình trong nước và ngoài nước...............................................................................6

2.

Ý tưởng thiết kế.................................................................................................................7

3.

Phương pháp nghiên cứu..................................................................................................7

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VƯỜN RAU THÔNG MINH.....................8
2.1

Giới thiệu về nền nông nghiệp công nghệ cao.............................................................8

2.2

Giới thiệu hệ thống vườn rau thông minh...................................................................9

2.3

Sơ đồ mô hình hệ thống vườn rau thông minh...........................................................9

2.4

Kết luận.........................................................................................................................10

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG HỆ THỐNG CẢM BIẾN VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH.........11
2.1

Nguyên lý của hoạt động giám sát và điều khiển môi trường vườn rau thông mi nh
.......................................................................................................................................11

2.2

Hệ thống cảm biến.......................................................................................................12

a.

Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11..............................................................................12

b.

Cảm biến ánh sáng BH1750............................................................................................12

c.

Thiết kế bộ cảm biến.......................................................................................................13

2.3

Hệ thống cơ cấu chấp hành.........................................................................................15

a.

Hệ thống quạt thông khí.................................................................................................15

b.

Hệ thống bơm tưới...........................................................................................................15

c.

Hệ thống mái che.............................................................................................................15

2.4

Hệ thống cấp nguồn.....................................................................................................16

2.5

Kết luận.........................................................................................................................16

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MẠCH ĐIỆN CHÍNH VÀ LẬP TRÌNH VI ĐIỀU KHIỂN..17
3.1

Sơ đồ hoạt động............................................................................................................17

3.2

Mạch điện chính ..........................................................................................................17

3.3

Chế độ tự động và bằng tay........................................................................................19

3.4

Giao diện điều khiển...................................................................................................21

3.5

Kết luận.........................................................................................................................21
1


Trường ĐH công nghiệp Hà Nội

Nhóm 12

ĐH CNKT Điện-Điện tử K10

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN......................................................................................................22
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................................23

2


Trường ĐH công nghiệp Hà Nội

Nhóm 12

ĐH CNKT Điện-Điện tử K10

Đề tài 12: Phân tích và xây dựng hệ thống trồng rau sạch công nghệ cao.

Yêu cầu:

1. Tìm hiểu tổng quan về các hệ thống vườn rau công nghệ cao ?
2. Giới hạn các điều kiện thiết kế.
3. Lựa chọn các cảm biến cần sử dụng cho hệ thống (nêu lý do lựa chọn
cảm biến trong thiết kế) vị trí đặt cảm biến ?
4. Lựa chọn và bố trí các thiết bị khác?
5. Sơ đồ khối hệ thống?
6. Lựa chọn thiết bị điều khiển?
7. Đánh giá độ chính xác của hệ thống (giới hạn,nguyên nhân và biện pháp
khắc phục).
8. Hạn chế của bản thiết kế và cách khắc phục?

3


Trường ĐH công nghiệp Hà Nội

Nhóm 12

ĐH CNKT Điện-Điện tử K10

A. PHẦN MỞ ĐẦU
1. Giới thiệu đề tài
Nông nghiệp công nghệ cao hiện nay là một lĩnh vực đang nhận được nhiều sự
quan tâm trên thế giới. Dưới sự tác động của con người vào thiên nhiên, làm thay đổi
môi trường sống, vấn đề an ninh lương thực và môi trường sống đang là vấn đề cấp
thiết trên thế giới. Trong điều kiện diện tích đất nông nghiệp ngày càng hạn hẹp, điều
kiện cach tác thay đổi và không thể dự đoán trước, việc giám sát và điều khiển môi
trường trong sản xuất nông nghiệp giúp nâng cao chất lượng sản phẩm nông nghiệp,
giảm công lao động, tiết kiệm năng lượng, hạ giá thành sản phẩm. Để làm được điều
này, cần thiết áp dụng khoa học kỹ thuật vào sản xuất, đặc biệt tự động hóa quá trình

sản xuất đang là vấn đề được đặt ra [1].
Nông nghiệp công nghệ cao là ứng dụng những công nghệ mới vào sản xuất từ
công nghệ sinh học, đến công nghệ thông tin, công nghệ vật liệu mới, cơ giới hóa…
sao cho sản xuất nông nghiệp có năng suất, chất lượng cao, đầu tư lao động thấp,
không những đạt hiệu quả lớn hơn về mặt kinh tế mà còn hài hòa và thống nhất lợi ích
xã hội và sinh thái môi trường.
Trồng rau theo công nghệ cao trước hết là việc gia tăng hàm lượng khoa học, kỹ
thuật trong sản phẩm, từ việc tạo, chọn và sử dụng các giống cây có năng suất, chất
lượng, kháng hoặc chống chịu tốt với các loại dịch hại, đây có thể là những giống lai
thế hệ F1, gốc ghép, nuôi cấy mô; ứng dụng các kỹ thuật tiên tiến trong canh tác từ
gieo trồng, bón phân, tưới nước, phòng trừ dịch hại, thu hoạch, sơ chế, bảo quản và
tiêu thụ.
Các kỹ thuật canh tác này có thể được thực hiện trong các nhà lưới, nhà kính
hoặc nhà màng, có thể trên mặt đất, trên không hoặc dưới lòng đất, canh tác trong môi
trường đất, các loại giá thể khác nhau (địa canh), trong môi trường nước (thủy canh)
hoặc trong không khí (khí canh).
Hoàn toàn chủ động, điều khiển và quản lý bằng các chương trình, trang thiết bị
và phương tiện hiện đại như việc cung cấp dinh dưỡng theo nhu cầu của cây trồng và
theo mục tiêu năng suất, chất lượng mong muốn của nhà sản xuất và những nông dân
canh tác theo phương thức này cũng phải được đào tạo, thực hành và ứng dụng nhuần
4


Trường ĐH công nghiệp Hà Nội

Nhóm 12

ĐH CNKT Điện-Điện tử K10

nhuyễn có thể được gọi là các công nhân nông nghiệp. Tất cả các yếu tố nêu trên sẽ

mang lại giá trị cao cho sản phẩm khi được đưa vào thị trường.

Sản xuất rau công nghệ cao là hướng đi tích cực, khả năng ứng dụng trên một
vùng chuyên canh lớn có sự đầu tư cao, khai thác các lợi thế tự nhiên và lao động, tạo
ra một khối lượng hàng hóa chất lượng cao đáp ứng yêu cầu tiêu dùng của những đối
tượng phù hợp. Tuy nhiên cần lựa chọn các bước đi phù hợp về đối tượng cây trồng,
công nghệ áp dụng, quy mô và khả năng đầu tư, đầu ra của sản phẩm và cuối cùng là
phải phù hợp với điều kiện kinh tế - xã hội, hạ tầng của vùng đầu tư, khai thác.
Từ những yêu cầu thực tế trên, những đòi hỏi ngày càng cao của phát triển nông
nghiệp công nghệ cao, cộng với sự phát triển mạnh của khoa học công nghệ, đặc biệt
là công nghệ thông tin, kỹ thuật điện-điện tử, chúng tôi đề xuất đề tài “Thiết kế thiết
bị tự động giám sát và điều khiển môi trường mô hình nhà kính”.
•

Ý nghĩa khoa học của đề tài
Việt Nam có nhiều nơi điều kiện khí hậu ít thuận lợi, đặc biệt những năm gần
đây, thời tiết biến đổi khác thường, ảnh hưởng bởi khí hậu khô hạn gió (bão, lụt, áp
thấp nhiệt đới, hạn hán…) gây ra những ảnh hưởng xấu đến năng suất nông nghiệp.
Do đó, để hạn chế ảnh hưởng của khí hậu thì việc ứng dụng mô hình trồng sau sạch
công nghê cao trong nông nghiệp là một trong những giải pháp có tính thực tiễn cao.
Việc áp dụng thiết bị giám sát tự động và điều khiển môi trường bằng hệ thống
nhà kính nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm nhân công, giám sát môi trường
tự động 24/7 và đặc biệt có thể tạo ra một môi trường trồng rau mà điều kiện tự nhiên
không cho phép.
Giúp bà con nông dân có những hiểu biết về ứng dụng khoa học - kỹ thuật vào
sản xuất để phục vụ trong nông nghiệp củng như phục vụ trong đời sống hằng ngày.

5

Trường ĐH công nghiệp Hà Nội

Nhóm 12

ĐH CNKT Điện-Điện tử K10

2. Mục đích nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu, khảo sát và thực hiện với mục đích thiết kế thiết bị tự động
giám sát và điểu khiển môi trường nhà kính. Xây dựng mô hình nhà kính tự động giúp
tạo lập ra một môi trường sinh thái theo ý muốn thuận lợi nhất có thể cho cây trồng
sinh trưởng phát triển; kiểm soát tiểu khí hậu nhà kính công nghệ cao giám sát khí hậu
nhà kính thông qua hệ thống cảm biến; công nghệ điện toán nhà kính điều khiển khí
hậu nhà kính thông hệ thống cơ cấu chấp hành và phần mền quản lý.
Xây dựng hệ thống thiết bị nhà kính tự động giá thành thấp và hiệu suất cao phù
hợp với nông nghiêp ở Việt Nam.
3. Giới hạn đề tài
Để thiết kế thiết bị tự động giám sát và điều khiển môi trường nhà kính tự động
đòi hỏi phải có một lượng thời gian, kiến thức nhất định, bên cạnh đó còn là vấn đề tài
chính. Với lượng thời gian và kiến thức có hạn, trong đề tài này chúng em tập trung
vào những vấn đề:
 Thiết kế và xây dựng hệ thống cảm biến tự động giám sát môi trường
nhà kính: module cảm biến DHT11, BH1750 .
 Thiết kế và xây dựng hệ thống cơ cấu chấp hành tự động điều khiển môi
trường nhà kính;
 Thiết kế và xây dựng mạch điện
 Sử dụng vi điều khiển STM32 đã được lập trình sẵn để điều khiển cho
các thiết bị.
4. Sản phẩm khoa học của đề tài
Đề tài được trình bày trong báo cáo khoa học
[1]. Trần Đình Quang , Trần Khắc Thịnh, Nguyễn Tiến Công,Vũ Thanh

Tùng, Đặng Vinh Quang. Giám sát và điều khiển môi trường vườn rau
sạch bằng điện thoại smartphone. Bài tập lớn môn Đo lường và cảm
biến (khoa Điện), Trường Đại học công nghiệp Hà Nội, tháng 11, năm
2017.
5. Cấu trúc của báo cáo
Báo cáo được trình bày như sau:
Chương 1: Tổng quan các thiết bị nhà kính:
+ Giới thiệu về nhà kính tự động;
+ Sơ đồ và nguyên lý về nhà kính tự động.
Chương 2: Xây dựng hệ thống cảm biến và cơ cấu chấp hành:
+ Các đặc điểm của hệ thống cảm biến;
6


Trường ĐH công nghiệp Hà Nội

Nhóm 12

ĐH CNKT Điện-Điện tử K10

+ Các cơ cấu chấp hành trong nhà kính tự động.
Chương 3: Xây dựng mạch điện chính :
+ Xây dựng mạch điện chính;
+ Xây dựng quy tắc điều khiển tự động.
Chương 4: Kết luận
+ Một số hết luận và hướng phát triển trong tương lại.

B. CƠ SỞ LÝ LUẬN
1. Tình hình trong nước và ngoài nước
Ngoài nước

Hiện nay nông nghiệp công nghệ cao được áp dụng thành công ở nhiều nước
trên thế giới như Isarel, Hà Lan... Đây là những nước nổi tiếng với sự phát triển nông
nghiệp vượt trội về cả số lượng và chất lượng. Các nước phát triển đó đã và đang phát
triển ứng dụng rộng rãi các mô hình nhà kính trồng rau, hoa quy mô tăng nhanh trong
các năm gần đây, các nhà kính tương đối hiện đại có các dạng cấu trúc và kết cấu khác
nhau, phù hợp với điều kiện khí hậu, kinh tế môi nước.

Hình 1: Mô hình nông nghiệp công nghệ cao ở nước ngoài.
7


Trường ĐH công nghiệp Hà Nội

Nhóm 12

ĐH CNKT Điện-Điện tử K10

Trong nước
Ở Việt Nam, một số như trung tâm nghiên cứu rau quả Đà Lạt, Hà Nội... đã
nhập các mẫu nhà kính của Pháp, Israel...các yêu cầu khi tính toán thiết kế nhà kính là
phải đảm bảo kiểm soát tối ưu các yếu tố khí hậu, môi trường trong nhà kính để cây
trồng sinh trưởng và phát triển tốt nhất.
Với hơn 70% dân số làm nông nghiệp, đối với Việt Nam ngành nông nghiệp là
một trong những ngành kinh tế mũi nhọn. Đi cùng với sự phát triển của thế giới, nhà
kính hay còn gọi là nông nghiệp công nghệ cao đã bắt đầu xuất hiện ở nước ta cuối thế
kỷ XX đầu thế kỷ XXI. Và cho đến nay, việc sản xuất rau sạch và các loại hoa cao cấp
bằng công nghệ cao đã trở nên phổ biến ở nước ta, đặc biệt Đà Lạt nói riêng và Lâm
Đồng nói chung, vùng sản xuất rau và hoa trọng điểm của cả nước. Rau sạch được sản
xuất trong các nhà kính mà ở đó môi trường được điều chỉnh phù hợp, đồng thời ngăn
côn trùng xâm nhập, tạo điều kiện tối ưu cho cây trồng vì thế mà tất yếu đạt được năng

suất cao và phẩm chất tuyệt hảo [5-6].
Hiện nay có rất nhiều mô hình vườn rau sạch công nghệ cao trên toàn quốc với
quy mô lớn , đặc biệt gần chúng ta có vineco tại Tam Đảo – Vĩnh Phúc

VÍ DỤ : Công nghệ trồng rau tự động với diện tích lên đến 4,5ha rau sạch tại
VinEco.

Hệ thống nhà kính VinEco Tam Đảo do Tập đoàn Vingroup đầu tư có diện tích 4,5ha,
sử dụng công nghệ sản xuất rau mầm Microgreen được cung cấp duy nhất bởi công ty
Teshuva Agricultural Projects (TAP) đến từ Israel. Đây là công ty duy nhất trên thế
giới cung cấp công nghệ sản xuất rau mầm Microgreen, rau trên hệ thống thủy canh
màng mỏng dinh dưỡng (NFT) cải tiến và công nghệ trồng thủy canh tưới nhỏ giọt.
8


Trường ĐH công nghiệp Hà Nội

Nhóm 12

ĐH CNKT Điện-Điện tử K10

Toàn bộ các giai đoạn như trộn giá thể, rập lỗ, tra hạt, phủ hạt, tưới ẩm... đều được
thực hiện bằng máy để đảm bảo độ sạch tuyệt đối cho cây.

Sau khi đưa hạt giống vào các khay,chúng sẽ được chuyển vào nhà ủ riêng biệt với sự
kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm tự đồng bằng công nghệ hiện đại.

9

Trường ĐH công nghiệp Hà Nội

Nhóm 12

ĐH CNKT Điện-Điện tử K10

Toàn bộ diện tích được bao bọc bởi nhà kính, cây rau được chăm sóc bằng hệ thống
tưới tự động và phun sương để giữ ẩm, điều khiển khí hậu... Cây trồng được sinh
trưởng trong môi trường lý tưởng, không phụ thuộc vào thời tiết nên cho năng suất
cao, ổn định và chất lượng đồng đều.

Với quy trình khép kín này sẽ đảm bảo tiêu chuẩn vệ sinh, an toàn thực phẩm, đảm
bảo môi trường trong sạch, cách ly hoàn toàn với môi trường ô nhiễm, sâu bệnh bên
ngoài.

Đối với dòng rau thủy canh, khi cây phát triển đủ kích thước sẽ được nuôi dưỡng hoàn
toàn bằng nguồn nước sạch.

10


Trường ĐH công nghiệp Hà Nội

Nhóm 12

ĐH CNKT Điện-Điện tử K10

Rau được nuôi dưỡng bằng đường ống thủy canh động vừa cung cấp dinh dưỡng cho
rau vừa đảm bảo không ứ đọng nước trong rễ. Với cơ chế tuần hoàn, dinh dưỡng sau
khi chạy từ đầu đến cuối đường ống sẽ được thu về bể chứa, để kiểm tra thành phần

dinh dưỡng, bổ sung thêm dưỡng chất rồi tiếp tục trở lại đường ống. Xem thêm
mục cây thủy sinh

Sử dụng công nghệ trồng rau sạch tự động, các sản phẩm rau thủy canh nhà kính
được kiểm soát 100% về dinh dưỡng, không chỉ an toàn mà còn cho năng suất cao khá
ứng tượng so với rau trồng bằng phương pháp thủ công.

11


Trường ĐH công nghiệp Hà Nội

Nhóm 12

ĐH CNKT Điện-Điện tử K10

Rau sinh trưởng đồng đều, sạch sẽ nên khâu sơ chế chỉ cần bao gói đúng quy cách, dán
tem và chuyển kho lạnh bảo quản trước khi lên xe chở thẳng tới siêu thị.

Theo kế hoạch, từ nay đến cuối năm 2016, Công ty VinEco sẽ hoàn thiện lắp đặt 55ha
nhà kính và khoảng 120ha nhà lưới, nhà màng để canh tác rau mầm, rau thủy canh và
các loại rau quả khác trên toàn quốc. Nhờ đó, hệ thống nhà kính rau mầm, rau thủy
canh của VinEco không chỉ đáp ứng tốt nhu cầu rau sạch trong nước mà còn hướng
tới mang thương hiệu nông sản sạch Việt gia nhập thị trường quốc tế.
2. Ý tưởng thiết kế
Nghiên cứu xây dựng hệ thống cảm biến ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm và cơ cấu
chấp hành quạt thông khí, mái che, bơm tưới...cho mô hình nhà kính tụ động.
Thiết kế xây dựng phần cứng, phần mềm điều khiển cho các thiết bị.
3. Phương pháp nghiên cứu
Trong đề tài này chúng tôi đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu:

12


Trường ĐH công nghiệp Hà Nội

Nhóm 12

ĐH CNKT Điện-Điện tử K10

 Phương pháp tham khảo tài liệu: bằng cách thu thập thông tin từ sách,
tạp chí về điện tử và truy cập từ mạng internet;
 Phương pháp quan sát: khảo sát một số mạch cảm biến thực tế đang có
trên thị trường và tham khảo thêm một số dạng mạch từ tại liệu tham
khảo;
 Phương pháp thực nghiệm: từ những ý tưởng và kết quả thực nghiệm,
chúng tôi hiện đã lắp ráp thử nghiệm nhiều dạng mạch khác nhau để
từ đó chọn lọc những mạch điện tối ưu.

13


Trường ĐH công nghiệp Hà Nội

Nhóm 12

ĐH CNKT Điện-Điện tử K10

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ TRONG HỆ THỐNG
VƯỜN RAU THÔNG MINH
2.1 Giới thiệu về nền nông nghiệp công nghệ cao

"Là nền nông nghiệp được áp dụng những công nghệ mới vào sản xuất, bao
gồm: công nghiệp hóa nông nghiệp (cơ giới hóa các khâu của quá trình sản xuất), tự
động hóa, công nghệ thông tin, công nghệ vật liệu mới, công nghệ sinh học và các
giống cây trồng, giống vật nuôi có năng suất và chất lượng cao, đạt hiệu quả kinh tế
cao trên một đơn vị diện tích và phát triển bền vững trên cơ sở canh tác hữu cơ".
Trong nông nghiệp, khái niệm "công nghệ cao" hình thành, sử dụng rộng rãi là
sự kết hợp và ứng dụng các công nghệ trên để nâng cao hiệu quả trong sản xuất nông
nghiệp nhằm tạo ra bước đột phá về năng suất, chất lượng hàng hóa, thỏa mãn nhu cầu
ngày càng cao của con người, đặc biệt là đảm bảo sự phát triển nông nghiệp bền vững
(Hình 2).

Hình 2: Mô hình nhà kính trong sản xuất.

Lựa chọn ứng dụng vào từng lĩnh vực sản xuất nông nghiệp hàng hoá những
công nghệ tiến bộ nhất về giống, công nghệ canh tác, chăn nuôi tiên tiến, công nghệ
tưới, công nghệ sau thu hoạch - bảo quản - chế biến. Từng bước ứng dụng công nghệ
thông tin vào quản lý, xây dựng thương hiệu và xúc tiến thị trường.
Sản phẩm nông nghiệp công nghệ cao là sản phẩm hàng hoá mang tính đặc
trưng của từng vùng sinh thái, đạt năng suất và hiệu quả kinh tế cao trên đơn vị diện
tích, có khả năng cạnh tranh cao về chất lượng với các sản phẩm cùng loại trên thị

14


Trường ĐH công nghiệp Hà Nội

Nhóm 12

ĐH CNKT Điện-Điện tử K10

trường trong nước và thế giới, có điều kiện mở rộng quy mô sản xuất và sản lượng
hàng hoá khi có yêu cầu của thị trường.
Sản xuất nông nghiệp công nghệ cao tạo ra sản phẩm phải theo một chu trình
khép kín, trong sản xuất khắc phục được những yếu tố rủi ro của tự nhiên và hạn chế
rủi ro của thị trường.
Phát triển nông nghiệp công nghệ cao theo từng giai đoạn và mức độ phát triển
khác nhau, tuỳ tình hình cụ thể của từng nơi, nhưng phải thể hiện được những đặc
trưng cơ bản, tạo ra được hiệu quả to lớn hơn nhiều so với sản xuất bình thường.
2.2 Giới thiệu hệ thống trồng rau thông minh
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa.
Nông nghiệp củng đang theo xu hướng ứng dụng khoa học công nghệ vào sản xuất,
nuôi trồng...Với những yêu cầu về ứng dụng khoa học kỹ thuật vào sản xuất, đặc biệt
tự động hoá quá trình sản xuất đang là vấn đề bức bách nhằm nâng cao chất lượng sản
phẩm nông nghiệp, giảm công lao động, tiết kiệm năng lượng, hạ giá thành sản phẩm.
Một trong những ứng dụng sản xuất rất được phát triển hiện nay đó là mô hình
vườn rau thông minh trong nhà kính. Nhà kính tự động là một phát minh quan trọng
nhất trong việc sản xuất nông nghiệp theo hướng nông nghiệp công nghệ cao, đặc biệt
nhà kính tự động cho phép kiểm soát đầy đủ và chặt chẽ hầu hết các thông số của quá
trình sản xuất, kể cả việc sử dụng tối ưu đất canh tác và sản lượng cây trồng trong thời
vụ, do nhà kính đáp ứng được yêu cầu cho sự sinh trưởng phát triển tốt nhất của cây
trồng (như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, khí carbonic, khí oxy…) và chủ động kiểm soát
được sâu bệnh hại cho cây. Do vậy, nhà kính tự động có vai trò rất quan trọng trong
việc sản xuất rau, hoa cho năng suất hiệu quả kinh tế cao, ổn định, sản phẩm đạt được
tiêu chuẩn xuất khẩu và có thể sản xuất theo kiểu công nghiệp. Ví dụ về nhà kính tự
động và thiết bị trong nhà kính tự động như (Hình 3).

Hình 3: Hình ảnh về nhà kính tự động.

15

Trường ĐH công nghiệp Hà Nội

Nhóm 12

ĐH CNKT Điện-Điện tử K10

2.3 Sơ đồ mô hình vườn rau thông minh
Mô hình vườn rau thông minh có cấu tạo (Hình 4).

Nhiệt độ
Cảm biến

Độ ẩm
Ánh sáng

Vườn rau thông
minh trong nhà kính

Quạt thông khí
Cơ cấu chấp hành

Bơm tưới
Mái che

Nguồn điện

Lưới điện
Năng lượng mặt trời

Hình 4: Sơ đồ vườn rau thông minh.

Hệ thống cảm biến: do giá trị cường độ chiếu sáng, độ ẩm ,nhiệt độ và ph của
đất dùng cảm biến ánh sáng và cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, PH sensor. Hệ thống cơ cấu
chấp hành: quạt thông khí, bơm tưới, mái che. Hệ thống cấp guồn: lưới điện và năng
lượng mặt trời.
2.4 Kết luận
Chúng tôi trình bày tổng quan về vườn rau thông minh, hệ thống cơ cấu chấp
hành, hệ thống cảm biến và hệ thống cấp nguồn. Phần tiếp theo, chúng tôi thiết kế và
xây dựng hệ thống cảm biến và cơ cấu chấp hành, cũng như hệ thống cấp nguồn.

16


Trường ĐH công nghiệp Hà Nội

Nhóm 12

ĐH CNKT Điện-Điện tử K10

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG HỆ THỐNG CẢM BIẾN VÀ CƠ CẤU CHẤP
HÀNH
2.1 Nguyên lý của hoạt động giám sát và điều khiển môi trường vườn rau
thông minh
Hệ thống hoạt động dựa trên nguyên lý: cảm biến cập nhật thông số môi trường
thời gian thực; thông tin về thông số môi trường sẽ được gửi đến bộ điều khiển trung
tâm; dựa trên ràng buộc giữa thông số môi trường và hệ thống cơ cấu chấp hành, bộ
điều khiển trung tâm sẽ tác động lên hệ thống cơ cấu chấp hành nhằm ổn định lại
thông số môi trường theo cài đặt (Hình 5).

Hình 5: Nguyên lý hoạt động của vườn rau thông minh.

Hệ thống có thể hoạt động ở chế độ tự động và bằng tay thông qua giao diện
điện thoại smartphone hoặc màn hình LCD (Hình 6).

Hình 6: Hiển thị và điều khiển thông số môi trường.
17


Trường ĐH công nghiệp Hà Nội

Nhóm 12

ĐH CNKT Điện-Điện tử K10

2.2 Hệ thống cảm biến
Hệ thống cảm biến: gồm nhiều bộ cảm biến để đo nhiệt độ, độ ẩm và cường độ
ánh sáng. Trong đó, một bộ cảm biến gồm: cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11; cảm
biến ánh sáng BH1750. Hệ thống cảm biến có nhiệm vụ cập nhật thông số môi trường
theo thời gian thực và gửi đến bộ điều khiển trung tâm.
a. Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11

Hình 7: Module DHT11

DHT11 là một bộ cảm biến nhiệt độ và độ ẩm kỹ thuật số tốt chi phí thấp rất thích
hợp cho những ứng dụng thu thập dữ liệu cơ bản. Nó sử dụng một cảm biến độ ẩm
điện dung và một thermistor để đo không khí xung quanh, và nhổ ra một tín hiệu số
trên pin dữ liệu (không có đầu vào pins tương tự cần thiết). Nó khá đơn giản để sử
dụng, nhưng đòi hỏi thời gian cẩn thận để lấy dữ liệu. Nhược điểm thực sự duy nhất
của cảm biến này là bạn chỉ có thể nhận được dữ liệu mới từ nó một lần mỗi 2 giây, vì

vậy khi sử dụng thư viện của chúng em, đọc cảm biến có thể lên tới 2 giây.
So với DHT22, cảm biến này ít chính xác, ít chính xác hơn và hoạt động trong một
phạm vi nhỏ hơn của nhiệt độ/độ ẩm, nhưng nhỏ hơn và ít tốn kém hơn.
Đi kèm với một điện trở 4.7K hoặc 10K, mà bạn sẽ muốn sử dụng như một pullup từ
pin dữ liệu để VCC.
Cảm biến DHT11 có 2 phần, 1 cảm biến độ ẩm điện dung và một điện trở
nhiệt.
18


Trường ĐH công nghiệp Hà Nội

Nhóm 12

ĐH CNKT Điện-Điện tử K10

Dữ liệu ngõ ra của cảm biến DHT11 là dạng số, có thể dùng bất cứ vi điều
khiển nào để lấy dữ liệu ra. Dữ liệu độ ẩm mà cảm biến đo được mức từ 20% ~ 90%.
Nhiệt độ đo từ 0 ~ 50 Độ C, thời gian trả dữ liệu < 50ms.
+ Các thông số kỹ thuật.
 Đo tốt ở độ ẩm 20-90%RH với sai số 5%.
 Đo tốt ở nhiệt độ 0 to 50°C sai số ±2°C.
 Tần số lấy mẫu tối đa 1Hz (1 giây 1 lần)
 3 đến 5V điện và I / O
 2.5mA tối đa hiện tại sử dụng trong quá trình chuyển đổi (trong khi yêu cầu
dữ liệu)
 Kích thước cơ thể 15.5mm x 12mm x 5.5mm
 4 chân với khoảng cách 0,1"

Cách điều khiển

19


Trường ĐH công nghiệp Hà Nội

Nhóm 12

ĐH CNKT Điện-Điện tử K10

DHT11 gửi và nhận dữ liệu với một dây tín hiệu DATA, với chuẩn dữ liệu
truyền 1 dây này, chúng ta phải đảm bảo sao cho ở chế độ chờ (idle) dây DATA có giá
trị ở mức cao, nên trong mạch sử dụng DHT11, dây DATA phải được mắc với một trở
kéo bên ngoài(thông thường giá trị là 4.7kΩ).
Dữ liệu truyền về của DHT11 gồm 40bit dữ liệu theo thứ tự: 8 bit biểu thị phần
nguyên của độ ẩm + 8 bit biểu thị phần thập phân của độ ẩm + 8 bit biểu thị phần
nguyên của nhiệt độ + 8 bit biểu thị phần thập phân của nhiệt độ + 8 bit check sum.
Ví dụ: ta nhận được 40 bit dữ liệu như sau:
0011 0101 0000 0000 0001 1000 0000 0000 0100 1101
Tính toán:
8 bit checksum: 0011 0101 + 0000 0000 + 0001 1000 + 0000 0000 = 0100 1101
Độ ẩm: 0011 0101 = 35H = 53% (ở đây do phần thập phân có giá trị 0000 0000, nên ta
bỏ qua không tính phần thập phân)
Nhiệt độ: 0001 1000 = 18H = 24°C (ở đây do phần thập phân có giá trị 0000 0000, nên
ta bỏ qua không tính phần thập phân)

b. Cảm biến ánh sáng BH1750

Hình 9: Module BH1750.
Thấu kính cảm biến cường độ sáng BH1750 từ rhydoLABZ là một cảm biến
ánh sáng xung quanh (ALS) với giao diện bus IIC. Bộ cảm biến này thích hợp nhất để

có được dữ liệu về ánh sáng xung quanh để điều chỉnh LCD, đèn nền bàn phím vv
ALS cho phép điều khiển tự động độ sáng màn hình hiển thị trên nhiều điều kiện chiếu
sáng từ môi trường tối và ánh sáng mặt trời trực tiếp. Hình ảnh diode trên BH1750
phát hiện cường độ ánh sáng, được chuyển đổi như sản lượng điện áp với sự trợ giúp
của một tích hợp OP-AMP. Các xây dựng trong ADC cuối cùng đưa ra các dữ liệu kỹ
thuật số 16-bit. Logic nội bộ của BH1750 tránh sự cần thiết cho bất kỳ tính toán phức
tạp, vì nó trực tiếp ra dữ liệu có ý nghĩa dữ liệu trong lux (lx).BH1705 có 3 chế độ đo
tương ứng với các mức độ nhạy cảm khác nhau (0.5lx, 1lx và 4lx). Chế độ H-Nghị
quyết được khuyến cáo vì nó cho phép loại bỏ tiếng ồn tốt nhất.
Các thông số và các tính năng :
 Giao diện bus IIC
20


Trường ĐH công nghiệp Hà Nội

Nhóm 12

ĐH CNKT Điện-Điện tử K10

 SCL Tần số đồng hồ: Tối đa 400kHz
 Diode ảnh với đáp ứng mắt người gần đúng
 Chọn giữa 2 loại I2C slave-address
 Logic nội bộ để tính toán xung quanh ánh sáng
 Dữ liệu đầu ra số ở luồng
 Dải rộng và Độ phân giải cao. (1 - 65535 lx)
 Mức tiêu thụ điện năng thấp bằng chức năng giảm nguồn điện
 Ngắt tiếng ồn 50Hz / 60Hz
 Rất ít nguồn phụ thuộc nguồn ánh sáng
 Ảnh hưởng của hồng ngoại rất nhỏ.

 Cấp đầu ra có thể lựa chọn (3V & 5V)
 Breadboard tương thích
 Có thể phát hiện thấp nhấp là 0.11lx, tối đa 100000lx khi sử dụng tính năng này.
 Kích thước: 13.9mm X 18.5mm.
 Bộ chuyển đổi AD 16bit.
 Chip ROHM sử dụng BH1750FVI.

Tổng quan về phần cứng
BH1750 sử dụng giao thức I2C để truyền thông. T ông ánh sáng mô-đun cảm
biến có mạch chuyển đổi mức on-board,cho phép bạn giao diện hội đồng quản trị với
3v3 hoặc vi điều khiển 5V như lựa chọn bởi các jumper J2 .
Địa chỉ của thiết bị phụ thuộc vào trạng thái logic của địa chỉ pin. Có một bảng trên
kéo xuống địa chỉ pin, do đó, không có kết nối nó mặc định địa chỉ thấp (0 × 23).
Jumper PCB J1 cho phép dễ dàng cấu hình của pin địa chỉ. Nếu nó bị quá thiếu, chốt
địa chỉ sẽ được kéo cao và địa chỉ sẽ là 0x5C. Địa chỉ của module cũng có thể được
kiểm soát bởi tín hiệu đầu vào trên pin ADD, giữ J1 mở.
Sơ đồ khối nội bộ BH1750

21


Trường ĐH công nghiệp Hà Nội

Nhóm 12

ĐH CNKT Điện-Điện tử K10

Hình 10:Cấu trúc cảm biến BH1750
Bộ cảm biến ánh sáng xung quanh đầu ra kỹ thuật số điển hình có đầu ra I2C số 16-bit.
Ngoài việc khuếch đại cho photodiode, ADC tích hợp của IC chuyển đổi đầu ra của

máy quang phổ sang tín hiệu I2C để kết nối trực tiếp tới bus giao tiếp I2C của bộ xử lý
MCU hoặc baseband.
PD : Diode ảnh với phản ứng mắt người
AMP: - Tích hợp-OPAMP để chuyển đổi từ dòng điện áp PD sang điện áp.
ADC : - Bộ chuyển đổi AD để thu dữ liệu kỹ thuật số 16bit.
Logic + Giao diện I2C: - Ánh sáng môi trường xung quanh và giao diện I2C BUS.
Nó bao gồm cả dưới đây đăng ký.
Register dữ liệu → Đây là đăng ký của dữ liệu ánh sáng xung quanh. Giá trị ban đầu là
"0000_0000_0000_0000".
Thời gian đo → Đăng ký thời gian đo. Giá trị ban đầu là "0100_0101".
OSC : - Oscillator nội bộ (kiểu 320kHz). Đó là CLK cho logic nội bộ.
Một số ví dụ về độ rọi của ánh sáng:


Vào buổi tối : 0.001 - 0.02 Lux



Ánh trăng : 0.02 - 0.3 lux



Trời nhiều mây trong nhà : 5 - 50 lux



Trời nhiều mây ngoài trời : 50 - 500 lux



Trời nắng trong nhà : 100 - 1000 lux

22


Trường ĐH công nghiệp Hà Nội


Nhóm 12

ĐH CNKT Điện-Điện tử K10

Ánh sáng cần thiết để đọc sách: 50 - 60 lux

c. Thiết kế bộ cảm biến
Hệ thống cảm biến có nhiệm vụ cập nhật thông số môi trường theo thời gian
thực và gửi đến bộ điều khiển trung tâm. Sơ đồ mạch cho hệ thống cảm biến: DHT11
và BH1750 được trình bày trong Hình 10: module DHT11, module BH1750, linh kiện
MAX485 và STM85. . Sử dụng cảm biến ánh sáng module BH1750 (đo ánh sáng 1–
65535 lux), cảm biến nhiệt độ - độ ẩm module DHT11 (đo độ ẩm 20%-90%, nhiệt độ
0-50oC, sai số độ ẩm ±5%, sai số nhiệt độ ±2ºC).

Hình 10: Sơ đồ mạch cho cảm biến.

Mô tả linh kiện trong Hình 10 được trình bày

23


Trường ĐH công nghiệp Hà Nội

Nhóm 12

ĐH CNKT Điện-Điện tử K10

Bản vẽ mạch và sơ đồ bố chí linh kiện được trình bày trong các hình tiếp theo
Hình 11 và Hình 12.

Hình 11: Bản vẽ linh kiện.

Hình 12: Sơ đồ bố trí linh kiện 3D.
24


Trường ĐH công nghiệp Hà Nội

Nhóm 12

ĐH CNKT Điện-Điện tử K10

2.3 Hệ thống cơ cấu chấp hành
a. Hệ thống quạt thông khí
Các quạt được phân bố trên các vách tường ở hai cạnh của mô hình. Hoạt động
của hệ thống thông khí tác động trực tiếp đến nhiệt độ và độ ẩm, khi môi trường không
thỏa mãn yêu cầu về nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, hệ thống thông khí sẻ hoạt động để ổn
định lại môi trường.

Hình 13: Quạt thông khí.

b. Hệ thống bơm tưới

Hoạt động của hệ thống tưới: khi môi trường không thỏa mãn yêu cầu về nhiệt độ,
độ ẩm và ánh sáng, hệ thống tưới sẽ hoạt động để ổn định lại môi trường.

Hình 14: Hệ thống tưới tự động.

25