Thiết kế thiết bị tự động giám sát và điều khiển môi trường mô hình nhà kính

Trường ĐH Quảng Bình

CĐ CNKT Điện-Điện tử K55
Mục lục

1


Trường ĐH Quảng Bình

CĐ CNKT Điện-Điện tử K55

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].
Nhà kính tự động là một trong những thành tự quan trọng của nông nghiệp công
nghệ cao. Trong đó, nhà kính tự động có khả năng: tạo lập ra một môi trường sinh thái
theo ý muốn thuận lợi nhất có thể cho cây trồng sinh trưởng phát triển; thực hiện các
công nghệ thâm canh cao; tối thiểu hoá thậm chí có thể loại trừ các yếu tố ngoại cảnh
bất lợi ra ngoài sản xuất; sản xuất ra loại nông sản thực phẩm mà thiên nhiên không ưu
đãi (trái vụ), thậm chí không sản xuất được ngoài môi trường tự nhiên; tối đa hoá năng
suất chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất; ối thiểu hoá các khoản chi phí sản xuất

và đặc biệt là để tiết kiệm nước .
Nhà kính tự động là mô hình áp dụng công nghệ tiên tiến vào mô hình sản xuất
nông nghiệp bao gồm: công nghệ sinh học, công nghệ thông tin, kỹ thuật điện-điện tử,
công nghệ canh tác nông nghiệp chính xác… Nhà kính tự động ngoài việc đảm bảo
các yêu cầu thực hiện cơ giới hóa đến mức cao nhất các công đoạn sản xuất, còn cho
phép kiểm soát “ khí hậu nhà kính”, “sinh học nhà kính” và thực hiện điều khiển môi
trường sinh thái [2-4]. Các thông số môi trường: nhiệt độ, độ ẩm, cường độ sáng,
lượng chất dinh dưỡng được đo và xử lý để làm tín hiệu điều khiển hệ thống cửa, quạt
thông khí, mái che, bơm phun sương, bơm chất dinh dưỡng, hệ thống ổn định nhiệt độ
(làm mát, sưởi)...thông qua một bộ điều khiển trung tâm.
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”.

2. Ý nghĩa khoa học của đề tài
Quảng Bình là nơi có điều kện 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,
2


Trường ĐH Quảng Bình

CĐ CNKT Điện-Điện tử K55

để hạn chế ảnh hưởng của khí hậu thì việc ứng dụng mô hình nhà kính tự động 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 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 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.

3. 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.

4. 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 tôi trung vào
những vấn
• Thiết kế và xây dựng hệ thống cảm biến tự động giám sát môi trường nhà kính:
module cảm biến DHT11 và 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 và lập trình vi điều khiển STM32 cho các thiết bị.

5. Sản phẩm khoa học của đề tài
Đề tài được trình bày trong báo cáo khoa học
[1]. Đào Xuân Quy, Lê Ngọc Phong, Lê Văn Hùng, Từ Ngọc Thịnh. Giám

sát và điều khiển môi trường nhà kính bằng điện thoại smartphone. Hội
thảo khoa học Khoa Kỹ thuật-Công nghệ, Trường Đại học Quảng Bình,
tháng 4, năm 2016.

6. Cấu trúc của báo cáo
Báo cáo được trình bày như sau:
3


Trường ĐH Quảng Bình

CĐ CNKT Điện-Điện tử K55

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

4


Trường ĐH Quảng Bình

CĐ CNKT Điện-Điện tử K55

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.

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

5

Trường ĐH Quảng Bình

CĐ CNKT Điện-Điện tử K55

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].
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:
• 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.

6

Trường ĐH Quảng Bình

CĐ CNKT Điện-Điện tử K55

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT NHÀ KÍNH

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
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.
7


Trường ĐH Quảng Bình

CĐ CNKT Điện-Điện tử K55

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 về nhà kính tự động

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
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.

8


Trường ĐH Quảng Bình

CĐ CNKT Điện-Điện tử K55

2.3

Sơ đồ mô hình nhà kính
Mô hình nhà kính có cấu tạo (Hình 4).
Nhiệt độ
Cảm biến

Độ ẩm
Ánh sáng
Quạt thông khí

Nhà kính tự động

Cơ cấu chấp hành

Bơm tưới
Mái che
Lưới điện

Nguồn điện
Năng lượng mặt trời

Hình 4: Sơ đồ nhà kính tự động.

Hệ thống cảm biến: do giá trị cường độ chiếu sáng, độ ẩm và nhiệt độ dùng cảm
biến ánh sáng và cảm biến nhiệt độ, độ ẩm. 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 nhà kính tự động, 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.

9


Trường ĐH Quảng Bình

CĐ CNKT Điện-Điện tử K55

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

nhà kính
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 nhà kính tự động.

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.
10


Trường ĐH Quảng Bình

CĐ CNKT Điện-Điện tử K55

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

Là cảm biến có giá thành thấp rất thích hợp cho những ứng dụng thu thập dữ
liệu cơ bản. Cảm biến DHT11 có 2 phần, 1 cảm biến độ ẩm điện dung và một điện trở
nhiệt.
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.
Nguồn: 3 -> 5 VDC.
•

Dòng sử dụng: 2.5mA max (khi truyền dữ liệu).

•

Đo tốt ở độ ẩm 2080%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)

•

Kích thước 15mm x 12mm x 5.5mm.

•

4 chân, khoảng cách chân 0.1''.

11


Trường ĐH Quảng Bình

CĐ CNKT Điện-Điện tử K55

b. Cảm biến ánh sáng BH1750

Hình 9: Module BH1750.
BH1750 là một cảm biến ánh sáng kỹ thuật số. Gồm một linh kiện điện tử IC
cảm biến ánh sáng cho giao tiếp I2C. IC này là thích hợp nhất để nhận diện các dữ liệu
ánh sáng xung quanh cho việc điều chỉnh màn hình LCD và bàn phím đèn nền sức
mạnh của điện thoại di động. Nó có thể phát hiện nhiều ở độ phân giải cao (1-65535
lx).
Module BH1750 có các ưu điểm sau:
•

Chuyển từ tín hiệu ánh sáng sang kỹ thuật số

•

Nhận tín hiệu trong phạm vi rộng với độ phân giải cao: từ 1-65535lx

•

Tiêu thụ điện năng rất thấp nhờ tính năng tự ngắt

•

Tính năng giảm nhiễu ánh sáng 50Hz/60Hz

•

Giao diện I2C bus

•

Không yêu cầu phụ kiện bổ sung ngoài

•

Có thể lựa chọn 2 kiểu I2C slave-address

•

Có thể phát hiện thấp nhấp là 0.11lx, tối đa 100000lx khi sử dụng tính
năng này.

Thông số:
12

Trường ĐH Quảng Bình

CĐ CNKT Điện-Điện tử K55

•

Kích thước: 13.9mm X 18.5mm.

•

Nguồn: 3 - 5V.

•

Khoảng đo: 1- 65535 lux.

•

Bộ chuyển đổi AD 16bit.

•

Chip ROHM sử dụng BH1750FVI.

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%-95%, 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

13


Trường ĐH Quảng Bình

CĐ CNKT Điện-Điện tử K55

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.

14


Trường ĐH Quảng Bình

CĐ CNKT Điện-Điện tử K55

Hình 12: Sơ đồ bố trí linh kiện 3D.

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.

15


Trường ĐH Quảng Bình

CĐ CNKT Điện-Điện tử K55

Hình 14: Hệ thống tưới tự động.

c. Hệ thống mái che
Hệ thống mái che có nhiệm vụ ngăn tia tử ngoại từ ánh sáng mặt trời. Hoạt
động của hệ thống mái che: Khi môi trường không thỏa mãn yêu cầu về nhiệt độ ánh
sáng hệ thống mái che sẻ hoạt động ổn định lại môi trường.

Hình 15: Hệ thống mái che.

16

Trường ĐH Quảng Bình

2.4

CĐ CNKT Điện-Điện tử K55

Hệ thống cấp nguồn

a. Nguồn từ lưới điện

b. Nguồn năng lượng mặt trời

Hình 16: Hệ thống cấp nguồn.

Nguồn năng lượng của mô hình gồm nguồn từ lưới điện, nguồn năng lượng
sạch và có khả năng tái tạo: năng lượng mặt trời. Chú ý, các nguồn mắc song song và
chuyển nguồn thông qua khóa đóng mở nguồn điện. Cấp nguồn theo nguyên lý ưu tiên
năng lượng sạch rồi đến lưới điện nhằm tiết kiệm chi phí.

2.5

Kết luận
Trong phần này, chúng tôi đã thiết kế và xây dựng hệ thống cảm biến: module
cảm biến và mạch điện cho bộ cảm biến; hệ thống cơ cấu chấp hành và nguồn điện
cung cấp cho hệ thống. Trong phần tiếp theo, chúng tôi xây dựng mạch điện chính, lập
trình vi điều khiển và phần mềm điều khiển hệ thống.

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

3.1

Sơ đồ hoạt động

Hệ thống được hoạt động theo sơ đồ Hình 17: hệ thống cảm biến cập nhật thông
số môi trường, thông số môi trường được gửi đến bộ vi điều khiển, dựa trên thông số
môi trường vi điều khiển tác động lên hệ thống cơ cấu chấp hành.

17


Trường ĐH Quảng Bình

CĐ CNKT Điện-Điện tử K55

Hình 17: Sơ đồ hoạt động của hệ thống.

3.2

Mạch điện chính và vi điều khiển

Mạch điện chính:
Mạch điện chính (Hình 18, 19 và 20): gồm các linh kiện điện tử và cổng kết nối
với hệ thống cảm biến, hệ thống cơ cấu chấp hành, màn hình LCD và keypad và
module truyền\nhận wifi ESP8266.

Hình 18: Linh kiện mạch điện chính.

18

Trường ĐH Quảng Bình

CĐ CNKT Điện-Điện tử K55

Hình 19: Mạch điện chính.

Hình 20: Mạch điện chính 3D.

Vi điều khiển
Vi điều khiển STM32 là họ vi điều khiển 32 bit của hãng TexasInstrument.

19


Trường ĐH Quảng Bình

CĐ CNKT Điện-Điện tử K55

Hình 21: Vi điều khiển STM32.

Bộ điều khiển trung tâm với lõi là vi điều khiển STM32 (Hình 21) có
nhiệm vụ nhận thông tin từ hệ thống cảm biến, hiển thị trên giao diện điện thoại
thông minh hoặc màn hình LCD; nhận lệnh từ nút bấm (điều khiển thông qua
màn hình LCD) hoặc từ module truyền\nhận ESP8266 (điều khiển thông qua
điện thoại thông minh) để tác động lên hệ thống cơ cấu chấp hành. Bộ điều
khiển trung tâm điều khiển hệ thống cơ cấu chấp hành theo hai chế độ: tự động
và bằng tay.

Hình 22: Sơ đồ chân I/O kết nối với hệ thống cảm biến, hệ thống cơ cấu chấp hành, giao diện
màn hình LCD và nút bấm, module truyền\nhận ESP8266.

3.3

Chế độ tự động và bằng tay

Chế độ tự động

20


Trường ĐH Quảng Bình

CĐ CNKT Điện-Điện tử K55

Mô hình hoạt động theo chế độ tự động được lập trình sẵn: bật tắt quạt thông
khí và động cơ bơm nước theo nhiệt độ và độ ẩm được cài đặt; đóng mở mái che theo
ánh sáng và nhiệt độ môi trường. Khi ở chế độ chạy tự động, hệ thống sẽ tuân theo
một bộ quy tắc ràng buộc giữa điều kiện môi trường và trạng thái các thiết bị. Các điều
kiện môi trường sẽ được xếp độ ưu tiên giảm dần theo thứ tự sau: nhiệt độ > độ
ẩm>ánh sáng (tức là độ ưu tiên xử lý theo điều kiện nhiệt độ sẽ lớn hơn theo điều
kiện độ ẩm).

21


Trường ĐH Quảng Bình

CĐ CNKT Điện-Điện tử K55

Hình 23: Sơ đồ điều khiển, T: nhiệt độ, H: độ ẩm, L: ánh sáng.

Chế độ bằng tay
Khi hệ thống ở chế độ điều khiền bằng tay (tắt chế độ tự động) thì người dùng
có thể tự bật tắt các thiết bị theo ý muốn của mình thông qua giao diện LCD hoặc điện
thoại thông minh.
22


Trường ĐH Quảng Bình

3.4

CĐ CNKT Điện-Điện tử K55

Giao diện điều khiển

Có thể điều khiển hệ thống cơ cấu
chấp hành thông qua màn hình LCD.
Các thông tin hiện thị gồm có: thông tin
điều khiển môi trường lấy từ cảm biến
(nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng). Thông tin
các trạng thái thiết bị: (quat, gió: bật/tắt,
mái che: đóng/mở).
Người dùng sẽ điều khiển thông qua điện
thoại thông minh kết nối wifi. Một ứng
dụng trên điện thoại thông minh có
nhiệm vụ kết nối với wifi của hệ thống,
hiển thị các thông số nhiệt độ, độ ẩm

hiện tại của mô hình, thu thập các điều
chỉnh, cài đặt của người dùng để gữi tới
mô hình, bộ điều khiển chính của mô
hình sẻ nhận lệnh được gữi từ
smartphone của người dùng và thực hiện.
Mô hình cho phép người dùng cấu hình
các thông số để phù hợp với điều kiện sử
dụng của mình.

3.5

Kết luận

Chúng tôi xây dựng mạch điện chính và lập trình vi điều khiển để tự động giám
sát và điều khiển môi trường nhà kính. Ở chế độ tự động, chúng tôi trình bày mối quan
hệ ràng buộc giữa thông số môi trường và trạng thái của cơ cấu chấp hành.

23


Trường ĐH Quảng Bình

CĐ CNKT Điện-Điện tử K55

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN
Mô hình nhà kính tự động ứng dụng công nghệ thông tin, kỹ thuật điện-điện tử
vào kỹ thuật nông nghiệp. Mô hình nhằm giúp người dân có thể tự động giám sát và
điều khiển thông số trong môi trường nhà kính thông qua vi điều khiển STM32 với
giao diện màn hình LCD hoặc điện thoại thông minh. Trong đó, thông số môi trường:
nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng được tự động giám sát thông qua module cảm biến

DHT11 và BH1750. Dựa trên mối quan hệ giữa thông số môi trường và cơ cấu chấp
hành được lập trình sẵn, vi điều khiển tác động vào hệ thống cơ cấu chấp hành nhằm
tự động điều khiển thông số môi trường.
Chúng tôi đã xây dựng mộ hệ thống quản lý môi trường nhà kính với giá thành
thấp nhưng hiệu suất cao phù hợp với sản xuất nông nghiệp. Hơn nữa, nhà kính tự
động có khả năng tạo lập môi trường giả lập mà điều kiện tự nhiên không cho phép,
giúp người dân có thể chủ động nuôi trồng các loại cây trồng mà điều kiện tự nhiên
không cho phép, đồng thời giúp cây trồng tăng năng suất, nâng cao chất lượng sản
phẩm.
Trong tương lai, chúng tôi tiếp tục phát triển hệ thống cảm biến và hệ thống cơ
cấu chấp hành kết nối với mạch chính thông qua wifi. Hệ thống cảm biến được cập
nhật thêm thông số CO2, độ ẩm của đất, độ pH… và hệ thống cơ cấu chấp hành được
thiết kế thêm hệ thống chiếu sáng. Phần cứng của mạch điện chính và phần mềm sẽ
được phát triển thêm một cách tối ưu và nhiều chức năng hơn.

24


Trường ĐH Quảng Bình

CĐ CNKT Điện-Điện tử K55

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. A. Kumar, A. Singh, I. Singh and S. Sud, "Prototype greenhouse environment

monitoring system," in International Multiconference of Engineers and Computer
Scientists, Hong Kong, 2010.
[2]. T. Ahonen, R. Virrankoski and M. Elmusrati, "Greenhouse monitoring with wireless

sensor network," in Mechtronic and Embedded Systems and Applications, 2008.

MESA 2008. IEEE/ASME International Conference on, 2008.
[3]. N. Wang, N. Zhang and M. Wang, "Wireless sensors in agriculture and food industry

—Recent development and future perspective," Computers and electronics in
agriculture, vol. 50, pp. 1-14, 2006.
[4]. D.-H. Park, B.-J. Kang, K.-R. Cho, C.-S. Shin, S.-E. Cho, J.-W. Park and W.-M. Yang,

"A study on greenhouse automatic control system based on wireless sensor network,"
Wireless Personal Communications, vol. 56, no. 1, pp. 117--130, 2011.
[5]. T. D. Ngo and T. H. Nguyen, "Design and manufacturing of automated greenhouse

misting control system for vegetables during nursery stage.," Journal of Sci. & Devel.,
vol. 11, no. 3, pp. 397-410, 2013.
[6]. V. L. Nguyen and T. D. Ngo, "Design and manufacture signal processing modules to

measure temperature, relative humidity and light intensity for the control systems in a
vegetable net house," Journal of Sci. & Devel., vol. 9, no. 1, pp. 120-130, 2011.

25