HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ KÍNH TỰ ĐỘNG DÙNG NĂNG …
79
BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Nguyễn Thị Phương Trà HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ KÍNH TỰ ĐỘNG DÙNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Khánh Hòa – 2020
Transcript of HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ KÍNH TỰ ĐỘNG DÙNG NĂNG …
BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------
Nguyễn Thị Phương Trà
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ KÍNH TỰ ĐỘNG DÙNG
NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ
Khánh Hòa – 2020
BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------
Nguyễn Thị Phương Trà
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ KÍNH TỰ ĐỘNG DÙNG
NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật
Mã số: 8520401
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
Hướng dẫn 1: TS. Lê Văn Tùng
Hướng dẫn 2: TS. Nguyễn Trọng Nghĩa
Khánh Hòa - 2020
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn “Hệ
thống điều khiển nhà kính tự động dùng năng lượng tái tạo” là trung thực và
không có bất kỳ sự sao chép hay sử dụng để bảo vệ một học vị nào. Tất cả sự
giúp đỡ cho việc xây dựng cơ sở lý luận cho bài luận đều được trích dẫn đầy
đủ và ghi rõ nguồn gốc và được phép công bố.
Học viên
Nguyễn Thị Phương Trà
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn và tri ân đến:
- TS. Lê Văn Tùng và TS. Nguyễn Trọng Nghĩa đã tận tình giảng dạy,
hướng dẫn khoa học và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian học
tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
- Quý Thầy Cô quản lý và giảng dạy lớp Vật lý kỹ thuật – 2018 Nha
Trang tại Viện Nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha Trang đã nhiệt tình
giúp đỡ trong suốt khóa học.
- Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công
nghệ Việt Nam đã hướng dẫn đã tạo điều kiện trong suốt quá trình học tập.
- Ban Giám Hiệu trường Phổ thông Dân tộc nội trú tỉnh Khánh Hòa đã
tạo điều kiện thuận lợi cho tôi vừa công tác vừa học tập.
- Thầy Cô Khoa Vật lý & KTHN của Trường Đại học Đà Lạt đã nhiệt
tình hỗ trợ để tôi có thể lắp đặt thử nghiệm hệ thống điều khiển trong suốt quá
trình thực hiện luận văn.
- Và tất cả các anh chị, các bạn học viên cùng lớp, những người thân đã
giúp đỡ đóng góp ý kiến, động viên tôi trong suốt thời gian học tập và hoàn
thành đề tài này.
Học viên
Nguyễn Thị Phương Trà
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt Các từ gốc của chữ viết tắt
AC Alternating Current
ARM Acorn RISC Machine
AVR Automatic Voltage Regulation
DC Direct Current
EEPROM Electrically Erasable Programmable Read- Only
Memory
ESP Electronic Stability Program
FTDI Future Technology Devices International
GPIO General Purpose Input/Outputs
I2C Inter-Integrated Circuit
IC Integrated Circuit
IDE Integrated Development Environment
IoT Internet of things
LCD Liquid Crystal Display
PCB Printed Circuit Board
PDF Portable Document Format
PID Proportional Integral Derivative
PLC Programmable Logic Controller
PWM Pulse Width Modulation
RF Radio Frequency
RTC Real Time Clock
SRAM Static Ram
UART Universal Asynchronous Receive/Transmit
USART Universal Synchronous Asynchronous Receiver /
Transmitter
USB Universal Serial Bus
WPA Wifi Protected Access
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Số hiệu bảng Tên bảng biểu Trang
Bảng 1.1 Số liệu về bức xạ mặt trời tại Việt Nam 6
Bảng 1.2
Lượng tổng bức xạ mặt trời trung bình ngày
của các tháng trong năm ở một số địa phương
của nước ta
7
Bảng 2.1
Bảng tính toán điện năng tiêu thụ trong 1 ngày
tại nhà kính.
37
DANH MỤC HÌNH VẼ
Số hiệu hình vẽ Tên hình vẽ Trang
Hình 1.1 Cấu tạo của tế bào quang điện pin mặt trời 9
Hình 1.2 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống điều khiển 12
Hình 1.3 Giao diện điều khiển tự động nhà kính lắp đặt ở
Dalat_Hasfarm 13
Hình 1.4 Nhà kính điều khiển tự động tại Trường Đại học
Quảng Bình 14
Hình 1.5 Sơ đồ cấu tạo của hệ thống giám sát và điều 15
Hình 1.6 Giao diện mô hình nhà kính thông minh trên PC 15
Hình 2.1 Các loại board Arduino 18
Hình 2.2 Board Arduino Mega2560 19
Hình 2.3 Sơ đồ khối khối điều khiển trung tâm 21
Hình 2.4 Arduino Mega 2560 Pro Mini cho khối điều
khiển trung tâm 23
Hình 2.5 Mạch thu phát RF UART SI4463 tần số
433Mhz HC-12 24
Hình 2.6 Arduino Nano V3.0 ATmega328P cho khối cảm
biến 24
Hình 2.7 Mạch wifi ESP 8266 – ESP 01 25
Hình 2.8 Trang webserver Thingspeak 26
Hình 2.9 Bàn phím 6 nút 27
Hình 2.10 Màn hình LCD 20 x 4 27
Hình 2.11 Mạch đổi I2C cho LCD 28
Hình 2.12 Mạch RTC I2C DS1307 29
Hình 2.13 Hình ảnh rơ-le và cấu tạo bên trong của rơ-le 29
Hình 2.14 Hình ảnh công-tắc-tơ (contactor) khởi động từ 30
Hình 2.15 Sơ đồ nối dây trực quan từ Fritzing. 30
Hình 2.16 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển 31
Hình 2.17 Mạch in của hệ thống điều khiển 32
Hình 2.18 Máy trạng thái điều khiển của hệ thống trung
tâm 33
Hình 2.19 Giao diện phần mềm IDE 35
Hình 2.20 Các vùng lệnh của phần mềm IDE 35
Hình 2.21 Nạp chương trình trên mạch thử nghiệm (phiên
bản 1) 36
Hình 2.22 Sơ đồ khối nguồn của khối điều khiển 38
Hình 2.23 Hình ảnh Pin năng lượng mặt trời 18V-100W 38
Hình 2.24 Hình ảnh thực tế Acquy 12V-200Ah 40
Hình 2.25 Hình ảnh thực tế bộ điều khiển sạc năng lượng
mặt trời 12V / 24V / 36V / 48V – 50A 41
Hình 2.26 Bộ biến đổi điên áp Lvyuan - 12000W 42
Hình 2.27 Sơ đồ khối nguồn của khối cảm biến 42
Hình 2.28 Hình ảnh Pin mặt trời loại 6V 1W 43
Hình 2.29 Hình ảnh Pin sạc Ultrafire 18650 44
Hình 2.30 Hình ảnh mạch sạc pin Lithium cổng Micro 5V
1A 18650 TP4056 44
Hình 2.31
Khối nguồn cảm biến được xây dựng với các
thành phần: pin mặt trời, pin dự phòng, mạch
nạp và ổn áp
45
Hình 3.1 Tủ hệ thống điều khiển trung tâm sau khi lắp đặt
hoàn chỉnh 46
Hình 3.2 Mạch điều khiển trung tâm sau khi hoàn thiện
(phiên bản 2) gắn bên trong tủ điện 47
Hình 3.3 Màn hình LCD và bàn phím được kết nối với
mạch điều khiển trung tâm 47
Hình 3.4 Các thông số môi trường hiển thị trên màn hình 48
Hình 3.5 Hình ảnh cập nhật dữ liệu trên server của
Thingspeak 49
Hình 3.6 Các trạng thái đóng và mở lưới che nắng hoạt
động thực tế 49
Hình 3.7 Hệ thống phun sương thực tế hoạt động theo
điều khiển 50
Hình 3.8 Hình ảnh quạt thông gió thực tế hoạt động theo
điều khiển 50
Hình 3.9 Kết quả thể hiện sau biên dịch 51
Hình 3.10 Hình mặt ngoài tủ điều khiển 52
Hình 3.11 Pin mặt trời thuộc phòng thí nghiệm Tự động
hóa 57
1
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ....................................................... 6
1.1. TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ HỆ THỐNG PIN
MẶT TRỜI ..................................................................................................... 6
1.1.1. Năng lượng tái tạo tiềm năng tại Việt Nam ................................. 6
1.1.2. Hệ thống pin mặt trời... ................................................................ 9
1.1.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời ......................... 9
1.1.2.2. Hệ thống dự trữ điện năng (ắc quy) ............................................ 9
1.1.2.3. Hệ thống điều phối điện mặt trời ................................................. 10
1.1.2.4. Các mô hình vận hành cơ bản của hệ thống điện mặt trời ........... 10
1.2. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRONG NHÀ
KÍNH ............................................................................................................... 11
1.2.1. Xu hướng ứng dụng nhà kính điều khiển tự động ...................... 11
1.2.2. Hệ thống điều khiển tự động nhà kính ....................................... 12
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ............................ 18
2.1. TÌM HIỂU VỀ ARDUINO ........................................................................ 18
2.1.1. Đặc điểm chung của arduino ........................................................ 18
2.1.2. Tìm hiểu về Arduino Mega2560 .................................................. 19
2.2. ĐIỀU KIỆN TIẾN HÀNH NGHIÊN CỨU .............................................. 20
2.3. THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG KHỐI ĐIỀU KHIỂN .................................. 21
2.3.1. Phân tích chức năng, nhiệm vụ khối điều khiển ........................ 21
2.3.2. Xây dựng hệ thống ........................................................................ 22
2.3.2.1. Khối trung tâm điều khiển ............................................................ 22
2.3.2.2. Khối giao tiếp không dây ............................................................. 23
2
2.3.2.3. Khối giao tiếp người dùng ........................................................... 26
2.3.2.4. Khối thời gian thực RTC .............................................................. 28
2.3.2.5. Khối động lực .............................................................................. 29
2.3.3. Hoàn thiện phần cứng ................................................................. 30
2.3.4.Thiết kế giải thuật và lập trình hệ thống ...................................... 33
2.3.4.1. Thiết kế giải thuật ........................................................................ 33
2.3.4.2. Lập trình hệ thống ....................................................................... 34
2.4. THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI .. 36
2.4.1. Tính toán điện năng tiêu thụ trong nhà kính ............................. 36
2.4.2. Thiết kế và xây dựng khối nguồn của khối điều khiển ............... 37
2.4.2.1. Sơ đồ khối nguồn của khối điều khiển .......................................... 37
2.4.2.2. Lựa chọn thiết bị cho khối nguồn của khối ................................... 38
2.4.3. Thiết kế và xây dựng khối nguồn của khối cảm biến .................. 42
2.4.3.1. Sơ đồ khối nguồn của khối cảm biến ............................................ 42
2.4.3.2. Lựa chọn thiết bị cho khối nguồn của khối ................................... 43
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................. 46
3.1. THỰC NGHIỆM VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ..................................... 46
3.1.1. Kết quả hoạt động của hệ thống .................................................. 46
3.1.2. Thảo luận kết quả hoạt động của hệ thống điều khiển ............... 51
3.2. THỰC NGHIỆM VỀ KHỐI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ....................... 56
3.2.1. Đối với khối nguồn của khối điều khiển ...................................... 56
3.2.2. Đối với khối nguồn của khối cảm biến ........................................ 57
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................... 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 60
3
MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Hiện nay vấn đề an ninh lương thực, thực phẩm sạch đang dần trở nên
quan trọng và được chú ý hơn tại nhiều quốc gia. Nông nghiệp là một ngành
kinh tế quan trọng của Việt Nam. Trong những năm gần đây,sự phát triển
vượt bậc của ngành nông nghiệp có sự đóng góp đáng kể của khoa học công
nghệ trong lĩnh vực nông nghiệp, trong đó tập trung chính vào phát triển nông
nghiệp công nghệ cao. Các kỹ thuật canh tác mới, nghiên cứu giống mới và
ứng dụng công nghệ cao trong nông nghiệp đã và đang được triển khai. Trong
đó, canh tác bằng nhà kính công nghệ cao đang là xu hướng và được đầu tư
nghiên cứu tại nhiều quốc gia. Nhà kính giúp cây trồng tránh được các tác
động trực tiếp từ môi trường, khí hậu và thời tiết khắc nghiệt. Ngoài ra, nhờ
sử dụng nhà kính, người dân quản lý tốt hơn các yếu tố môi trường ảnh hưởng
đến quá trình sinh trưởng của cây trồng. Tự động hóa các quy trình canh tác
cũng có thể được thực hiện trong nhà kính một cách dễ dàng và thuận tiện
hơn so với canh tác ngoài môi trường tự nhiên. Các yếu tố trên giúp cải thiện
chất lượng cây trồng, tiết kiệm chi phí nhân công, giảm lãng phí tài nguyên
phục vụ sản xuất.
Đi đôi với việc sử dụng công nghệ mới, tự động hóa trong nhà kính thì
yếu tố hiệu quả trong tiêu thụ năng lượng cũng là một điểm nóng. Việc khai
thác và sử dụng năng lượng một cách hợp lí và hiệu quả là một vấn đề toàn
cầu hiện nay. Theo xu thế phát triển của khoa học công nghệ và nhu cầu của
xã hội, việc ứng dụng năng lượng tái tạo đang trở thành một tiêu chí cho đánh
giá tính vượt trội của các hệ thống. Việt Nam là một nước đang phát triển với
tốc độ nhanh và nhu cầu sử dụng năng lượng là rất lớn. Song, Việt Nam có vị
trí địa lý giáp biển đồng thời nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa nên sẽ có
nhiều thuận lợi hơn cho tiềm năng phát triển các nguồn năng lượng tái tạo.
Việc sử dụng năng lượng tái tạo trong nông nghiệp không chỉ giảm áp lực lên
hệ thống điện lưới quốc gia, chủ động nguồn năng lượng mà còn giúp cải
thiện chỉ số môi trường của sản phẩm.
4
Với mong muốn kết hợp các ưu điểm của hệ thống sản xuất nông
nghiệp bằng nhà kính và ứng dụng năng lượng tái tạo trong điều kiện thực tế,
tôi lựa chọn đề tài "Hệ thống điều khiển nhà kính tự động dùng năng lượng
tái tạo".
Mục đích của đề tài
Đề tài được thực hiện với mục đích sau khi hoàn thiện hệ thống sẽ có
thể được triển khai ứng dụng tại những vùng sâu, vùng xa, biên giới, hải đảo,
nơi có vị trí địa lý khó khăn trong việc tiếp cận với mạng lưới điện quốc gia
hoặc những nơi có thời tiết không thuận lợi trong việc sản xuất nông nghiệp
kiểu truyền thống.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Tính toán, thiết kế cho hệ thống pin mặt trời cung cấp nguồn cho hệ
thống điều khiển.
Thiết kế và lập trình cho hệ thống điều khiển các thiết bị động lực trong
nhà kính.
Hệ thống được xây dựng hướng đến các đối tượng sản xuất có quy mô
vừa và nhỏ, hộ gia đình.
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết tài liệu liên quan.
- Phương pháp thực nghiệm:
+ Xây dựng sơ đồ khối của hệ thống
+ Tính toán, lựa chọn các thiết bị hình thành nền tảng phần cứng
+ Xây dựng máy trạng thái, tiến hành lập trình phần mềm cho hệ thống.
- Đánh giá kết quả hoạt động của hệ thống và tính khả thi trong thực tế.
Bố cục của luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo luận văn được chia
thành 3 chương:
5
Chương 1: Tổng quan tài liệu.
Chương 2: Thiết kế và xây dựng hệ thống.
Chương 3: Kết quả và thảo luận.
6
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ HỆ THỐNG PIN
MẶT TRỜI
1.1.1. Năng lượng tái tạo tiềm năng tại Việt Nam
Đã có nhiều loại năng lượng tái tạo được khai thác và sử dụng như
năng lượng mặt trời, năng lượng thủy điện nhỏ, năng lượng gió, năng lượng
sinh khối. Đây là những nguồn năng lượng sạch, thân thiện với môi trường, ít
gây ô nhiễm, giúp giảm áp lực sử dụng điện năng của lưới điện quốc gia và có
thể sử dụng cho nhiều nhu cầu, và địa điểm khác nhau.
Đặc biệt, Việt Nam có vị trí địa lý thuận lợi để khai thác sử dụng năng
lượng mặt trời. Việc điều tra đánh giá tiềm năng năng lượng mặt trời đã được
nhiều cơ quan tổ chức nghiên cứu, số liệu về lượng bức xạ mặt trời tại các
vùng miền nước ta và tại một số các địa phương được thể hiện qua bảng 1.1
và bảng 1.2.
Bảng 1.1. Số liệu về bức xạ mặt trời tại Việt Nam [1].
Vùng Giờ nắng trong năm Cường độ BXMT
(kWh/m2. ngày) Ứng dụng
Đông Bắc 1600 – 1750 3,3 – 4,1 Trung bình
Tây Bắc 1750 – 1800 4,1 – 4,9 Trung bình
Bắc Trung Bộ 1700 – 2000 4,6 – 5,2 Tốt
Tây Nguyên và
Nam Trung Bộ 2000 – 2600 4,9 – 5,7 Rất tốt
Nam Bộ 2200 – 2500 4,3 – 4,9 Rất tốt
Trung bình cả nước 1700 – 2500 4,6 Tốt
7
Bảng 1.2. Lượng tổng bức xạ mặt trời trung bình ngày của các tháng trong
năm ở một số địa phương của nước ta [1].
STT Địa
phương
Tổng xạ Bức xạ Mặt Trời của các tháng trong năm
(đơn vị: MJ/m2.ngày)
1
7
2
8
3
9
4
10
5
11
6
12
1 Cao Bằng 8,21
18,81
8,72
19,11
10,43
17,60
12,70
13,57
16,81
11,27
17,56
9,37
2 Móng Cái 18,81
17,56
19,11
18,23
17,60
16,10
13,57
15,75
11,27
12,91
9,37
10,35
3 Sơn La 11,23
11,23
12,65
12,65
14,45
14,25
16,84
16,84
17,89
17,89
17,47
17,47
4 Láng
(Hà Nội)
8,76
20,11
8,63
18,23
9,09
17,22
12,44
15,04
18,94
12,40
19,11
10,66
5 Vinh 8,88
21,79
8,13
16,39
9,34
15,92
14,50
13,16
20,03
10,22
19,78
9,01
6 Đà Nẵng 12,44
22,84
14,87
20,78
18,02
17,93
20,28
14,29
22,17
10,43
21,04
8,47
7 Cần Thơ 17,51
16,68
20,07
15,29
20,95
16,38
20,88
15,54
16,72
15,25
15,00
16,38
8 Đà Lạt 16,68
18,94
15,29
16,51
16,38
15,00
15,54
14,87
15,25
15,75
16,38
10,07
8
Như vậy, tiềm năng về năng lượng mặt trời tốt nhất ở các vùng Thừa
Thiên Huế trở vào Nam và vùng Tây Bắc. Vùng Tây Bắc và vùng Bắc Trung
bộ có năng lượng mặt trời khá lớn. Mật độ năng lượng mặt trời biến đổi trong
khoảng 300 đến 500 cal/cm2.ngày. Số giờ nắng trung bình cả năm trong
khoảng 1800 đến 2100 giờ. Như vậy, các tỉnh thành ở miền Bắc nước ta đều
có thể sử dụng hiệu quả. Còn ở miền Nam, từ Đà Nẵng trở vào, năng lượng
mặt trời rất tốt và phân bố tương đối điều hòa trong suốt cả năm. Trừ những
ngày có mưa rào, có thể nói trên 90% số ngày trong năm đều có thể sử dụng
năng lượng mặt trời cho sinh hoạt [1, 2]. Số giờ nắng trung bình cả năm trong
khoảng 2000 đến 2600 giờ. Đây là khu vực ứng dụng năng lượng mặt trời rất
hiệu quả.
Tóm lại, Việt Nam là nước có tiềm năng về năng lượng mặt trời trải dài
từ vĩ độ 8’’ Bắc đến 23’’ Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời
tương đối cao, với trị số tổng xạ khá lớn từ 100 – 175 kcal/cm2.năm, do đó
việc sử dụng năng lượng mặt trời ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế lớn.
Giải pháp sử dụng năng lượng mặt trời hiện đang được cho là giải pháp
tối ưu nhất. Đây là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường và
có trữ lượng vô cùng lớn do tính tái tạo cao. Đồng thời, phát triển ngành công
nghiệp sản xuất pin mặt trời sẽ góp phần thay thế các nguồn năng lượng hóa
thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trường . Vì thế, đây được coi
là nguồn năng lượng quý giá, có thể thay thế những dạng năng lượng cũ đang
ngày càng cạn kiệt. Từ lâu, nhiều nơi trên thế giới đã sử dụng năng lượng mặt
trời như một giải pháp thay thế những nguồn tài nguyên truyền thống [1, 2].
Từ những đánh giá trên cho thấy tiềm năng của năng lượng mặt trời tại
Việt Nam là rất lớn, đây là xu hướng phát triển trong tương lai. Sử dụng
nguồn năng lượng này đem lại nhiều kết quả tích cực cho môi trường và đời
sống, do đó đề tài lựa chọn năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo
thực hiện chức năng cung cấp năng lượng cho hệ thống điều khiển hoạt động.
9
1.1.2. Hệ thống pin năng lượng mặt trời
1.1.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
Cấu tạo
Pin mặt trời bao gồm nhiều tế bào quang điện, là phần tử bán dẫn có
thành phần chính là silic tinh khiết, có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các
cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng
thành năng lượng điện. Các tế bào quang điện này được bảo vệ bởi một tấm
kính trong suốt ở mặt trước và một vật liệu nhựa ở phía sau. Toàn bộ được
đóng gói chân không thông qua lớp nhựa polymer trong suốt được thể hiện
như trong hình 1.1 [3].
Nguyên lý hoạt động
Pin mặt trời có nguyên lý hoạt động chính dựa trên hiện tượng quang
điện xảy ra trên lớp tiếp xúc p-n của chất bán dẫn.
Hình 1.1. Cấu tạo của tế bào quang điện pin mặt trời [4].
1.1.2.2. Hệ thống dự trữ điện năng (ắc quy)
Cấu tạo của ắc quy
Ắc quy gồm có các bản cực bằng chì và ô xít chì ngâm trong dung dịch
axit sulfuric. Các bản cực thường có cấu trúc phẳng, dẹp, dạng khung lưới,
10
làm bằng hợp kim chì antimon, có nhồi các hạt hóa chất tích cực. Các hóa
chất này khi được nạp đầy là điôxít chì ở cực dương và chì nguyên chất ở cực
âm.
Phương pháp phóng và nạp ắcquy [5]
- Phóng điện có thể được tiến hành bất kỳ thời điểm nào và bất kì dòng
điện nào nhỏ hơn trị số ghi trong bản chỉ dẫn của nhà chế tạo.
- Quá trình nạp ắc quy lần sau được tiến hành sau khi phóng thử dung
lượng ắc quy nhưng không được quá 12 giờ tính từ lúc ngừng phóng.
1.1.2.3. Hệ thống điều phối điện mặt trời
Hệ thống điều phối điện mặt trời bao gồm hai bộ phận cơ bản là bộ điều
khiển sạc và bộ biến đổi điện DC /AC. Tùy vào thiết kế của nhà sản xuất mà
hai bộ phận này tách rời độc lập với nhau hoặc được tích hợp chung trên một
thiết bị. Cụ thể [3]:
- Bộ điều khiển sạc thực hiện chức năng điều tiết sạc cho ắc quy, bảo vệ
cho ắc quy chống nạp quá tải và xả quá sâu nhằm nâng cao tuổi thọ của bình
ắc quy và giúp hệ thống pin mặt trời sử dụng hiệu quả và dài lâu.
- Bộ biến đổi điện DC /AC là thiết bị nghịch lưu, chuyển đổi dòng điện
một chiều từ ắc quy (hoặc tấm pin) thành dòng điện xoay chiều cho tải.
1.1.2.4. Các mô hình vận hành cơ bản của hệ thống điện mặt trời
a. Vận hành độc lập với lưới (off grid)
Hệ thống pin mặt trời vận hành độc lập chỉ dựa vào năng lượng mặt trời
để phát ra điện năng, tùy vào nhu cầu sử dụng mà có thể có hoặc không có ắc
quy để dự trữ năng lượng. Quy mô và thiết kế của hệ thống này phù hợp cho
các tải điện một chiều hoặc xoay chiều công suất nhỏ hoặc ứng dụng cho các
vùng không có lưới điện.
b. Vận hành kiểu lai (hybrid)
Hệ thống cục bộ có thể kết hợp với các nguồn khác (điện gió, máy phát
điện…) như nguồn phát thứ cấp, khi đó ta có hệ thống pin mặt trời liên kết
11
theo hệ thống kiểu lai. Về mặt vận hành, hệ thống liên kết tương tự hệ thống
độc lập, tuy nhiên khi không có ánh sáng mặt trời thì nguồn điện của hệ vẫn
được duy trì nhờ các nguồn thứ cấp.
c. Vận hành kết nối với lưới điện ( grid tie)
Hệ thống pin mặt trời vận hành kết nối với lưới điện có vai trò như một
phần của mạng điện khu vực. Có hai dạng hệ thống pin mặt trời nối lưới là
trực tiếp và trữ ắc quy.
1.2. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRONG
NHÀ KÍNH
1.2.1. Xu hướng ứng dụng nhà kính điều khiển tự động
Trong những năm gần đây, nhà nước đã đẩy mạnh thực hiện cơ cấu cây
trồng theo hướng công nghệ cao, việc áp dụng và triển khai nhiều loại hệ
thống trồng cây trong nhà kính đã và đang mang lại nhiều kết quả tích cực về
chất lượng sản phẩm. Tuy nhiên để nâng cao được hiệu quả kinh tế, các nhà
kính không ngừng được cải tiến, trang bị công nghệ. Điều này thúc đẩy nhiều
nơi lắp đặt nhà trồng cây có điều khiển tự động. Nhà kính được trang bị hệ
thống điều khiển tự động mang lại nhiều lợi ích như: giảm chi phí chăm sóc
thông qua việc sử dụng phân, nước hiệu quả, giảm sử dụng lao công; giúp
người dùng chủ động điều khiển được nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và lượng
thông gió, là những yếu tố quan trọng tác động đến quá trình sinh trưởng của
cây trồng, từ đó người nông dân có thể trồng trọt bất cứ loại cây trồng nào ở
bất cứ thời điểm nào.
1.2.2. Hệ thống điều khiển tự động trong nhà kính
Hệ thống điều khiển tự động cơ bản sử dụng trong nhà kính có sơ đồ
khối tổng quát như hình 1.2, gồm có [7-13]:
- Một hệ đo và chuyển đổi các đại lượng như nhiệt độ, độ ẩm, thông
lượng ánh sáng thành các tín hiệu điện. Nhà màng hiện đại còn đo cả tốc độ
gió, báo mưa.
12
- Khối xử lý chuyên dụng (specific) hoặc xử lý theo các giải thuật điều
khiển đã được lập trình nạp vào (programmable).
- Phần động lực tác động đến các phần tử chấp hành như đóng/mở cửa,
màn chắn, quạt, sưởi nóng và tưới.
- Phần hiển thị các thông số điều khiển
Hình 1.2. Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống điều khiển
Hệ điều khiển được sử dụng cho nhà kính có 2 loại, tùy vào mức độ
công nghệ [14-22]:
- Hệ điều khiển mở - đóng (on-off controller). Ngõ ra hoặc đóng hoặc
mở và đương nhiên không có trang thái trung gian. Hệ điều khiển mở - đóng
chỉ chuyển khóa khi nhân tố điều khiển ψ(t) vượt qua một giá trị đặt trước.
Tuy nhiên, hệ điều khiển sẽ mở đóng liên tục khi ψ(t) tăng giảm quanh giá trị
đặt trước. Lúc ấy cần phải thêm vào hệ điều khiển bộ phận vi sai mở-đóng
(on-off controller differential). Nhờ đó ψ(t) sẽ vượt qua điểm đặt trước một
khoảng đáng kể trước khi ngõ ra đóng hoặc mở trở lại. Hệ thống điều khiển
theo phương pháp đóng - mở thường được sử dụng khi không cần độ chính
xác quá cao.
- Khi cần độ chính xác cao và làm việc ổn định, hệ điều khiển sẽ sử
dụng các giải pháp điều khiển phức tạp hơn như: Điều khiển tỷ lệ
(Proportional) hay điều khiển tỷ lệ với hai thành phần điều chỉnh là tích phân
(Integral) và đạo hàm (Derivative) để tạo thành bộ điều khiển PID hoàn chỉnh.
Khối nguồn
Khối ghi dữ
liệu
Khối xử lý
Khối điều khiển
ngõ ra: quạt, phun
sương…
Khối hiển thị
13
Tuy hệ điều khiển tỉ lệ có nhiều ưu thế hơn hệ điều khiển mở - đóng nhưng
yêu cầu quá trình thiết kế phức tạp hơn. Trong những hệ thống canh tác cây
trồng đơn giản, việc đầu tư sử dụng loại điều khiển này vừa phức tạp vừa
không hoàn toàn cải thiện nhiều hiệu quả công việc. Chính vì vậy, loại điều
khiển PID ít được triển khai.
Các hệ thống điều khiển thông minh khác trong tương lai có thể ứng
dụng cả trí tuệ nhân tạo và dữ liệu lớn big data kết hợp với IoT để tối ưu hóa
quá trình canh tác. Việc điều khiển sẽ không chỉ phụ thuộc vào yêu cầu của
người canh tác mà còn cả lịch sử canh tác cũng như hiệu quả qua các năm.
Các thông số này sẽ được sử dụng tính toán để tự động điều chỉnh mà không
cần sự can thiệp của người dùng. Tuy nhiên, các hệ thống này vẫn chỉ mới
được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và chưa có mặt trên thị trường.
Tình hình nghiên cứu hệ thống điều khiển tự động nhà kính:
.
Hình 1.3. Giao diện điều khiển tự động nhà kính lắp đặt ở Dalat_Hasfarm [16]
Trên thế giới cũng như tại Việt nam, có rất nhiều hệ thống điều khiển
nhà kính, cả thương mại và nghiên cứu. Những hệ thống đã được thương mại
hóa có thể kể đến như của Hasfarm (tại Việt Nam là Dalat Hasfarm) như
trong hình 1.3 hay của Nettafim, Mimosatek, Trường Thịnh, Khang Huân,
14
Habcom. Tất cả các hệ thống này đều sử dụng điện lưới phục vụ cho quá
trình hoạt động, kỹ thuật điều khiển được thực hiện theo kiểu đóng-mở truyền
thống
Tại các trường đại học, một số hệ thống điều khiển nhà kính đã được
thực hiện dưới hình thức đồ án, khóa luận hay luận văn tốt nghiệp. Tuy nhiên,
các hệ thống này thường chỉ dừng ở mức độ mô hình, không có thành phần
động lực để đánh giá hoạt động thực tế. Ngoài ra, các hệ thống này áp dụng
PLC để điều khiển. Đây cũng là cách thức triển khai của đa phần hệ thống
thương mại. Ưu điểm của PLC là ổn định, kết nối chuẩn công nghiệp nhưng
việc kết hợp với cảm biến bị giới hạn và có giá thành cao hơn sử dụng vi điều
khiển.
Trong một nghiên cứu tại Trường Đại học Quảng Bình [17], một hệ
thống điều khiển đã được thử nghiệm thực tế như trong hình 1.4, hệ thống sử
dụng cảm biến không dây để gửi tín hiệu về trung tâm điều khiển có sơ đồ cấu
tạo như hình 1.5. Các kết quả thử nghiệm cho thấy tiềm năng sử dụng của hệ
thống. Tuy nhiên cách thức triển khai, mở rộng cảm biến và nền tảng phần
cứng chưa thể hiện rõ tính năng. Đồng thời, hệ thống cũng triển khai theo
hướng sử dụng điện lưới truyền thống.
Hình 1.4. Nhà kính điều khiển tự động tại Trường Đại học Quảng Bình [17]
15
Hình 1.5. Sơ đồ cấu tạo của hệ thống giám sát và điều khiển [17].
Một mô hình điều khiển tự động dùng năng lượng tái tạo đã được thực
hiện trong luận văn thạc sĩ [18] và có giao diện mô hình như trên hình 1.6. Tại
đây, tác giả đã sử dụng PLC trong khối trung tâm, năng lượng mặt trời cũng
được lựa chọn để tìm hiểu. Những kết quả trong nghiên cứu [18] cho thấy tác
giả đã thiết kế hệ thống điều khiển nhưng chưa rõ tính năng. Đồng thời việc
sử dụng năng lượng mặt trời cũng chỉ dừng ở mức tính toán lý thuyết. Toàn
bộ nghiên cứu không được kiểm tra trên hệ thống thực tế.
Hình 1.6. Giao diện mô hình nhà kính thông minh trên PC [18].
Tại Pháp, nhà kính thông minh sử dụng năng lượng mặt trời có diện
tích nhỏ vừa cho ban công, sản xuất được 300-400kg rau củ sạch mỗi năm
đang là sản phẩm được phát triển. Mô hình này phù hợp với mọi khu vực, từ
16
thành thị đến nông thôn, việc áp dụng nhà kính điều khiển tự động dùng năng
lượng tái tạo không chỉ mang lại một nguồn rau quả sạch phục vụ cho chất
lượng sức khỏe con người, bảo vệ hệ sinh thái mà còn góp phần giảm thiểu áp
lực cho hệ thống điện quốc gia, đặc biệt tại những vùng sâu, vùng xa, biên
giới, hải đảo là những nơi có khí hậu khắc nghiệt, khó khăn trong việc tiếp
xúc với mạng lưới điện quốc gia thì mô hình này lại càng mang đến một ý
nghĩa lớn trong việc nâng cao chất lượng cuộc sống với một nguồn năng
lượng vô tận mới [23-27]. Tuy nhiên, mô hình này vẫn chưa được sử dụng
mở rộng tại Việt Nam, việc xây dựng một nhà kính điều khiển tự động dùng
năng lượng tái tạo có thệ thống đầy đủ chức năng và cài đặt đơn giản có thể sẽ
được áp dụng phổ biến cho quy mô sản xuất tại các hộ gia đình ở mọi địa
phương.
Vấn đề nghiên cứu trong đề tài:
Trong đề tài này, vấn đề nghiên cứu được đặt ra là khảo sát và đánh giá
tiềm năng của năng lượng mặt trời trong vận hành nhà kính quy mô hộ gia
đình, kích thước nhỏ, với đầy đủ các hệ thống động lực.
Thứ hai, đề tài tiến hành thiết kế và xây dựng một hệ thống điều khiển
tự động dựa trên vi điều khiển. Hệ thống khi hoàn thiện có chi phí triển khai
phù hợp, đáp ứng đúng và đủ khả năng vận hành các hệ thống động lực nhà
kính phổ biến. Hệ thống cũng có khả năng kết nối không dây với các khối
cảm biến để gia tăng tính linh hoạt. Đồng thời, hệ thống bước đầu xây dựng
khả năng kết nối internet nhằm mở rộng khả năng liên kết trong hệ sinh thái
IoT về sau.
Nhiệm vụ cụ thể của hệ thống là:
- Theo dõi mức tăng, giảm nhiệt độ, độ ẩm môi trường, chiếu sáng bằng
các cảm biến
- Tác động điều khiển các thiết bị động lực như quạt, mái lưới che,
phun sương... để tăng giảm nhiệt độ khi cần thiết.
- Kiểm soát độ ẩm tương đối của đất bằng cảm biến và van mở để cung
cấp nước nếu cần thiết.
17
- Phát triển một hệ thống thân thiện với người dùng, chi phí vừa phải và
đơn giản trong vận hành, hoạt động.
- Hệ thống sử dụng năng lượng tái tạo, bền vững, phù hợp với điều kiện
thời tiết khí hậu tại Việt Nam vì vậy nhà kính này có thể được lắp đặt tại khắp
các nơi hẻo lánh, nơi chưa có hoặc điện lưới hạn chế.
Áp dụng công nghệ này sẽ cho hiệu quả tốt hơn trong canh tác nông
nghiệp. Người nông dân ở nhiều nơi khác nhau đều có thể sử dụng nhà kính
thay vì trồng cây ngoài trời. Ngoài sự tăng trưởng trong sản xuất, nhà kính
còn có nhiều lợi thế khác như: Tạo thu hoạch trái mùa, trồng ở những nơi bất
lợi, giảm chu kỳ sinh dưỡng, tăng chất lượng, kiểm soát tốt hơn bệnh dịch và
bệnh tật, tiết kiệm nước, tránh ảnh hưởng của biến đổi khí hậu.
Việc thu thập thông số môi trường và điều khiển tự động được thực
hiện bởi các mạch điện tử được sản xuất phổ biến trên thị trường, giá thành
thấp, dễ triển khai và thay thế khi cần thiết.
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Chương 1 chúng tôi đã tập trung tìm hiểu về loại năng lượng tái tạo
tiềm năng tại Việt Nam và lựa chọn năng lượng mặt trời làm nguôn năng
lượng cung cấp cho cả hệ thống.
Tìm hiểu về hệ thống điện năng lượng mặt trời và lựa chọn mô hình
vận hành độc lập với điện lưới.
Tìm hiểu tổng quan về điều khiển nhà kính tự động và tình hình các kết
quả đã được nghiên cứu, triển khai.
Từ những tìm hiểu trên, chúng tôi nhận thấy rằng việc nghiên cứu ứng
dụng hệ thống điều khiển nhà kính tự động dùng năng lượng tái tạo là một
nghiên cứu thiết thực, có xu hướng áp dụng rộng, phù hợp với tình hình tại
Việt Nam và góp phần nâng cao giá trị sản xuất trong nông nghiệp.
18
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG
2.1 TÌM HIỂU VỀ ARDUINO
2.1.1. Đặc điểm chung của arduino
Arduino được giới thiệu đến người sư dụng vào năm 2005, mục đích là
mang đến một phương thức dễ dàng cho những người mới tiếp xúc với lập
trình điều khiển hoặc những người chuyên nghiệp để tạo ra các thiết bị có khả
năng tương tác với môi trường thông qua các cảm biến và các cơ cấu chấp
hành. Các ứng dụng nổi bật của board Arduino như thiết kế robot đơn giản,
điều khiển nhiệt độ, phát hiện chuyển động, game tương tác…
Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng
tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn. Phần cứng bao
gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR
Atmel 8 bit, hoặc ARM Atmel 32 bit. Những model hiện tại được trang bị
gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số
tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau.
Hình 2.1. Các loại board Arduino.
19
Arduino chính thức thường sử dụng các dòng chip megaAVR, đặc biệt
là ATmega8, ATmega168, ATmega328, ATmega1280, và ATmega2560. Một
vài các bộ vi xử lý khác cũng được sử dụng bởi các mạch Arduino tương
thích. Một số loại board Arduino thông dụng như hình 2.1.
2.1.2. Tìm hiểu về Arduino Mega2560
Arduino Mega2560 là phiên bản nâng cấp của Arduino Mega1280, hiện
đang được sử dụng rộng rãi và ứng dụng hiệu quả.
Hình 2.2. Board Arduino Mega2560
Thành phần Arduino Mega2560 [27]:
Arduino Mega2560 là một vi điều khiển hoạt động dựa trên chip
ATmega2560, bao gồm: 54 chân digital, trong đó có 15 chân có thể được sử
dụng như những chân PWM, 16 đầu vào analog, 4 cổng serial giao tiếp với
phần cứng (UARTs), 1 thạch anh với tần số dao động 16 MHz, 1 cổng kết nối
USB, 1 jack cắm điện, 1 đầu ICSP, 1 nút reset.
Thông số cơ bản của Arduino Mega2560 [27]:
- Điện áp hoạt động: 5V DC
- Điện áp vào giới hạn: 6V DC đến 12 V DC.
20
- Điện áp vào khuyên dùng: 7V DC đến 15 V DC.
- Cường độ dòng điện trên mỗi 3,3V pin: 50mA
- Cường độ dòng điện trên mỗi I/O pin: 20mA
- Bộ nhớ flash: 256 KB
- SRAM: 8 KB
- EEPROM: 4 KB
Arduino Mega2560 khác với tất cả các vi xử lí còn lại vì không sử dụng
FTDI chip điều khiển chuyển tín hiệu từ USB để xử lí. Thay vào đó, nó xử
dụng ATmega16U2 lập trình như là một công cụ chuyển đổi tín hiệu từ USB.
Arduino Mega2560 có nhiều tính năng mạnh mẽ với bộ nhớ flash lớn, số chân
và số lượng shield hỗ trợ nhiều nên được lựa chọn cho các dự án lớn.
2.2. ĐIỀU KIỆN TIẾN HÀNH NGHIÊN CỨU
Đề tài tiến hành nghiên cứu trên điều kiện thực tế của nhà kính quy mô
diện tích 120 m2 với đầy đủ các thiết bị động lực. Nhà kính có phòng điều
khiển nằm tách biệt với nhà kính. Tại phòng điều khiển sẽ bố trí bảng điện
điều khiển và hai máy bơm phục vụ tưới nhỏ giọt và tưới phun sương. Các
thiết bị động lực khác bao gồm quạt thông gió, động cơ kéo màn che nắng và
đèn kích thích sinh trưởng sẽ được đặt bên trong nhà kính theo đúng quy
chuẩn.
Đây là đề tài nghiên cứu khá rộng, vì vậy luận văn sẽ tập trung vào các
phần sau của hệ thống: Tìm hiểu thiết kế khối điều khiển, khối nguồn cung
cấp cho khối điều khiển và khối nguồn cung cấp cho khối cảm biến.
21
2.3. THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG KHỐI ĐIỀU KHIỂN
2.3.1. Phân tích chức năng nhiệm vụ khối điều khiển
Hình 2.3. Sơ đồ khối khối điều khiển trung tâm
Khối điều khiển bao gồm nhiều khối nhỏ như sơ đồ khối hình 2.3.
Trong đó, khối trung tâm điều khiển có vị trí số (1) trong hình 2.3 chính là
“bộ não” của hệ thống, có nhiệm vụ thu thập thông tin từ các khối cảm biến,
xử lý thông tin, đưa ra các quyết định đến khối động lực cũng như giao tiếp
với người dùng. Khối này còn có chức năng triển khai giao thức truyền thông
không dây với các cảm biến, đóng vai trò như một máy chủ trong mạng cảm
biến không dây. Bên cạnh đó, khối điều khiển trung tâm còn được hỗ trợ khả
năng đảm bảo hoạt động theo thời gian thực. Điều này giúp gia tăng các tính
năng hoạt động của khối.
Khối điều khiển cần đạt các yêu cầu cơ bản như sau:
- Chi phí không quá cao để có thể triển khai tới đối tượng sử dụng là hộ
gia đình, quy mô nhà kính loại vừa và nhỏ.
Khối nguồn năng lượng tái tạo
Giao tiếp
với mạng
cảm biến
không dây
(2)
Giao tiếp
người dùng
(5)
Khối
trung
tâm điều
khiển (1)
Khối
động
lực (7)
Thời gian
thực (6)
Wifi (3)
Internet
(4)
22
- Có chức năng linh hoạt, đa dạng phù hợp với các loại hình điều khiển
từ cơ bản đến phức tạp.
- Tiêu thụ năng lượng thấp, phù hợp với hoạt động dài ngày trong điều
kiện sử dụng nguồn điện dung lượng thấp.
- Linh kiện phổ biến để có thể thay thế, lập trình một cách thuận tiện.
Hệ thống được thiết kế với ba chế độ hoạt động, đó là: chế độ vận hành
bằng tay, chế độ vận hành tự động theo thời gian và chế độ vận hành tự động
theo thông số môi trường.
Các thông số hoạt động của hệ thống sẽ được định kỳ gửi lên internet,
phục vụ công tác lưu trữ, phân tích dữ liệu đám mây.
2.3.2. Xây dựng hệ thống
2.3.2.1. Khối trung tâm điều khiển
Hiện nay có rất nhiều các sự lựa chọn cho khối trung tâm điều khiển ở
nhiều phân khúc khác nhau như các dòng PLC của Siemens, Panasonic,.. hay
các dòng vi điều khiển họ PIC, các dòng vi điều khiển ARM, các dòng kit
Arduino,…Tuy nhiên với yêu cầu dễ sử dụng, sức mạnh vừa đủ cho các tác
vụ xử lý cơ bản và quan trọng nhất là giá cả phải phù hợp, đề tài sử dụng
Arduino Mega2560 Pro Mini như trên hình 2.4 cho khối điều khiển trung tâm.
Thiết kế tiêu chuẩn của Arduino Mega2560 Pro Mini sử dụng vi điều khiển
ATmega2560 với giá khoảng 180.000 đồng [28].
Arduino Mega2560 Pro Mini là phiên bản thu nhỏ của Arduino
Mega2560, vì cùng sử dụng chung vi điều khiển trung tâm ATmega2560-
16AU, thạch anh 16 Mhz nên mạch có chức năng, số chân GPIO và cách sử
dụng tương tự như Arduino Mega 2560, mạch này thích hợp cho các dự án sử
dụng Arduino Mega2560 cần độ nhỏ gọn, tiện lợi, mạch có chất lượng gia
công tốt, độ bền và độ ổn định cao. Arduino Mega2560 Pro Mini có bộ nhớ
flash 256 KB, SRAM 8 KB và EEPROM 4 KB, nó chứa tất cả mọi thứ cần
thiết để tạo thành khối xử lý trung tâm với đầy đủ các port [27-29].
23
Mặt trước Mặt sau
Hình 2.4. Arduino Mega 2560 Pro Mini cho khối điều khiển trung tâm [28]
Vi điều khiển ATmega 2560 là bản nâng cấp so với ATmega 328 với
nhiều cổng giao tiếp USART hơn cũng như dung lượng bộ nhớ lớn giúp hệ
thống trung tâm dễ dàng triển khai. Đồng thời, tài nguyên phần cứng được tận
dụng giúp tránh sử dụng những linh kiện phức tạp hơn, giá thành cao hơn gây
lãng phí tài nguyên.
2.3.2.2. Khối giao tiếp không dây
Khối giao tiếp không dây bao gồm hai khối nhỏ hơn là khối giao tiếp
với mạng cảm biến không dây và khối giao tiếp internet.
Khối giao tiếp với mạng cảm biến không dây
Khối này có vị trí số (2) trong sơ đồ khối hình 2.3, có nhiệm vụ làm cầu
nối truyền nhận thông tin giữa các khối cảm biến và khối điều khiển trung
tâm. Bằng môi trường không dây, khối trung tâm có thể dễ dàng quản lý sự
thay đổi của các khối cảm biến. Khối điều khiển trung tâm thu nhận dữ liệu từ
khối cảm biến thông qua giao tiếp RF không dây vừa đem lại sự thuận tiện
cho người sử dụng vừa đảm bảo tính thẩm mỹ cho khu vườn vì không cần đến
dây nối. Đề tài lựa chọn sử dụng mạch thu phát RF UART SI4463 tần số
433Mhz theo khối cảm biến để đồng bộ trong quá trình sử dụng. Mạch HC-12
như hình 2.5 xây dựng trên nền tảng Si463 được lựa chọn vì ưu điểm nổi bật
là dễ dàng cài đặt và sử dụng.
24
Hình 2.5. Mạch thu phát RF UART SI4463 tần số 433Mhz HC-12.
Để thuận tiện cho việc thay đổi, sửa chữa hoặc nâng cấp về sau, đề tài
sử dụng một vi điều khiển với nhiệm vụ quản lý liên kết với khối cảm biến.
Vi điều khiển Atmel328 được gắn trên bo mạch Arduino Nano như hình 2.6,
mạch HC-12 được kết nối trực tiếp với mạch này. Dữ liệu sau đó được truyền
về mạch xử lý trung tâm qua chuẩn USART. Chương trình quản lý giao thức
trong hệ cảm biến được thực hiện bởi Lê Công Huynh trong đề tài “Hệ thống
cảm biến IoT trong nông nghiệp công nghệ cao”.
Hình 2.6. Arduino Nano V3.0 ATmega328P cho khối cảm biến.
25
Khối giao tiếp internet
Đối với khối giao tiếp internet, có nhiệm vụ xây dựng và duy trì liên
kết internet với một máy chủ đám mây. Nhờ vậy các thông tin của hệ thống
có thể được gửi lên đám mây, phục vụ các xử lý tiếp sau. Đồng thời, hệ thống
cũng có thể mở rộng tính năng, cho phép nhận tín hiệu điều khiển từ máy chủ
đám mây nhằm tăng cường tính năng IoT cho hệ thống.
Khối kết nối internet bao gồm 2 thành phần là khối giao tiếp wifi vị trí
(3) và khối webserver vị trí (4) như trong sơ đồ hình 2.3. Với sự lựa chọn
Arduino Mega2560 làm bộ xử lý trung tâm thì việc giao tiếp với mạng là điều
không thể vì không được hỗ trợ kết nối mạng cũng như giao tiếp mạng. Vì thế
yêu cầu đặt ra là phải có một khối trung gian để giúp Arduino có thể giao tiếp
được với internet, làm cầu nối để nhận dữ liệu từ khối xử lý trung tâm đưa lên
website và ngược lại từ website đưa ngược về Arduino. Vi mạch của khối
giao tiếp wifi phải đáp ứng được yêu cầu trước tiên là sử dụng phổ biến và
ứng dụng rộng lớn, ngoài ra mạch cần có kích thước nhỏ gọn, dễ dàng sử
dụng.
Hình 2.7. Mạch wifi ESP 8266 – ESP 01.
Với các yêu cầu kể trên, hiện nay dòng vi mạch wifi ESP 8266 rất phổ
biến và được ứng dụng rộng lớn, bản thân dòng này có rất nhiều phiên bản trừ
ESP 8266 V1 đến ESP 8266 V12, các dòng ESP 8266 kết tích hợp hẳn vào bo
Arduino, ESP 8266 Node MCU. Ở đây, đề tài sử dụng ESP 8266 – ESP 01
như hình 2.7 vì đáp ứng được yêu cầu đưa ra. Ngoài ra, ESP 8266 – ESP 01
26
có cổng micro USB để nạp chương trình và cấp nguồn nên không cần mạch
nạp trung gian, có hỗ trợ chuẩn 802,11 b/g/n và Wifi 2,4 Ghz hỗ trợ
WPA/WPA2.
Hình 2.8. Trang webserver Thingspeak
Webserver với nhiệm vụ theo dõi hoạt động của khu vườn và điều
khiển khu vườn và là một khối hoạt động song song, độc lập với khối xử lí
trung tâm, đề tài lựa chọn sử dụng webserver Thingspeak như hình 2.8 với ưu
điểm phổ biến và dễ sử dụng, giao diện hiển thị bắt mắt và phí sử dụng là
miễn phí cho những ứng dụng nhỏ.
2.3.2.3. Khối giao tiếp người dùng
Khối giao tiếp người dùng có vị trí (5) như trong sơ đồ 2.3 bao gồm
bàn phím chức năng và màn hình hiển thị thông tin. Bàn phím chức năng chỉ
có một số phim giới hạn, giúp người dùng lựa chọn và cài đặt các chế độ điều
khiển cũng như cài đặt một số chức năng hệ thống. Màn hình hiển thị cho
phép trình bày một số thông tin cơ bản của hệ thống và thông số môi trường
từ cảm biến.
Yêu cầu của khối này cơ bản gồm có: giao diện thân thiện, dễ tiếp cận,
đảm bảo cung cấp đầy đủ thông tin cần thiết và sử dụng đơn giản.
Khối giao tiếp người dùng giúp người dùng có thể giao tiếp, nắm bắt,
giám sát hoạt động của toàn bộ hệ thống để từ đó có được những tùy chỉnh,
27
cài đặt thích hợp cho toàn bộ hệ thống. Với các yêu cầu kể trên, sự lựa chọn
của đề tài là bàn phím 6 nút như hình 2.9 để nhập dữ liệu và màn hình LCD
20 x 4 như hình 1.10 để hiển thị thông tin.
Hình 2.9. Bàn phím 6 nút
Bàn phím mền có 6 nút nhấn chữ (Auto, menu, left, righ, select, on/off)
xếp thành 1 hàng ngang, kích thước nhỏ gọn 103 x 24 mm, mỏng, có keo dán
3M mặt sau dễ dàng dán lên các bề mặt cần sử dụng, ngoài ra còn có đèn led
báo ở mặt trước.
Mặt trước Mặt sau
Hình 2.10. Màn hình LCD 20 x 4
Màn hình LCD 20 x 4 sử dụng mạch điều khiển Hitachi HD44780, có
khả năng hiển thị 4 dòng có mỗi dòng 20 ký tự, chữ trắng, nền xanh, màn
hình có độ bền cao, phổ biến, nhiều code mẫu và dễ sử dụng, tên các chân
được ghi ở mặt sau của màn hình LCD.
28
Để kết nối màn hình LCD cho hiển thị thông tin, ta sử dụng mạch đổi
I2C cho LCD như trên hình 2.11 Việc này giúp tiết kiệm chân vi điều khiển
phải sử dụng. Ngoài ra còn đơn giản hóa việc lập trình với thư viện hỗ trợ sẵn
có.
Hình 2.11. Mạch đổi I2C cho LCD
2.3.2.4. Khối thời gian thực RTC
Khối thời gian thực RTC có vị trí số (6) trong sơ đồ hình 2.3 là khối
đồng hồ thời gian thực với nhiệm vụ lưu trữ dữ liệu thời gian ngày tháng năm
và các thông tin khác và tự động điều chỉnh khi thời gian thay đổi theo cài
đặt. Khối RTC được lựa chọn theo yêu cầu phổ biến trong các ứng dụng của
Arduino với chuẩn giao tiếp I2C, dữ liệu thời gian lưu trữ lâu, đặc biệt có giả
cả phải chăng và sử dụng dòng điện thấp.
Đề tài lựa chọn sử dụng mạch thời gian thực RTC I2C DS1307 là đồng
hồ thời gian thực như hình 2.12 để lưu trữ dữ liệu thời gian ngày tháng năm
và các thông tin khác, tự động điều chỉnh khi thời gian thay đổi. Mạch RTC
I2C DS1307 được sử dụng rất phổ biến trong các ứng dụng của Arduino. Để
có thể làm việc với mạch này chúng ta cần sử dụng một chuẩn giao tiếp quen
thuộc là I2C. Trên mạch, có thiết kế đế pin đồng hồ, với pin này mạch có thể
hoạt động lưu trữ thời gian lên đến 10 năm mà không cần nguồn nuôi từ bên
ngoài. Mạch đi kèm bộ nhớ để EEPROM lưu trữ thông tin lên đến 32 Kbits.
Mạch DS1307 sử dụng pin CR2023 3V.
DS1307 là một trong những mạch RTC có giá thấp, chỉ khoảng 20.000
đồng và được sử dụng phổ biến nhất. Nó có thể theo dõi chính xác giây, phút,
29
giờ, ngày, tháng và năm. DS1307 có dòng điện thấp, dưới 500mA trong chế
độ sao lưu pin và khả năng thiết lập ngày đến năm 2100 .
Hình 2.12. Mạch RTC I2C DS1307
2.3.2.5. Khối động lực
Khối động lực có vị trí số (7) trong sơ đồ hình 2.3, đây chính là khối
chịu trách nhiệm đóng mở các thiết bị trong nhà kính. Khối này thường bao
gồm hai thành phần chính đó là rơ-le như hình 2.13 và công-tắc-tơ như hình
2.14. Trong đó rơ-le nhận tín hiệu điều khiển từ khối điều khiển chính, điện
áp sử dụng là DC. Còn công-tắc-tơ thì được đóng mở bằng rơ-le và giúp vận
hành các thiết bị điện AC.
Hình 2.13. Hình ảnh rơ-le và cấu tạo bên trong của rơ-le
Rơ-le có chức năng đóng mở thiết bị điện dùng điện áp cao và công
suất lớn. Tín hiệu điều khiển từ vi điều khiển không thể đóng mở các thiết bị
điện này nên phải dùng rơ-le. Trong đề tài rơ-le được dùng để điều khiển đèn,
van điện từ.
30
Khi các thiết bị động lực có công suất lớn hoặc dùng điện 3 pha, rơ-le
không thể đáp ứng thì ta dùng khởi động từ. Trong đề tài công-tắc-tơ được
dùng để điều khiển điều khiển động cơ kéo, bơm nước.
Hình 2.14. Hình ảnh công-tắc-tơ (contactor) khởi động từ.
Trong tủ điện của khối động lực có thể đi kèm một số thành phần khác
theo tiêu chuẩn của điện công nghiệp như bộ chống mất pha hoặc rơ-le nhiệt
bảo vệ thiết bị động lực. Khối động lực phải đạt các tiêu chuẩn hiện hành về
an toàn điện và quy chuẩn tủ điện công nghiệp.
2.3.3. Hoàn thiện phần cứng
Hình 2.15. Sơ đồ nối dây trực quan từ Fritzing.
Sau quá trình lựa chọn linh kiện phù hợp với hệ thống. Đề tài tiến hành
ghép nối và xây dựng nền tảng phần cứng. Các thành phần được ghép nối
31
theo đúng tiêu chuẩn liên kết tín hiệu, thiết kế và yêu cầu của nhà sản xuất,
đồng thời đảm bảo tính thẩm mỹ và ổn định.
Khi đã hoàn thiện sơ đồ nối dây, đề tài tiến hành hình thành sơ đồ
nguyên lý của hệ thống như hình 2.16.
Phần mềm được sử dụng để vẽ sơ đồ nguyên lý và làm mạch in là
Fritzing. Đây là phần mềm tự đông hóa thiết kế điện tử, có thư viện cập nhật
thường xuyên, ngoài ra Fritzing giúp người dùng có góc nhìn trực quan về
thiết bị như minh họa trên Hình 2.15 và hỗ trợ hầu hết các mô-đun của các
trang cung cấp board như Intel, Picaxe, Sparkful…cũng như các loại board
Arduino. Fritzing còn cho phép tạo PCB in trực tiếp file thiết kế ra PDF để hỗ
trợ thi công mạch được dễ dàng.
Hình 2.16. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển
Sau khi kiểm tra trên mạch thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, để có
thể đưa vào thực nghiệm, đề tài tiến hành làm mạch in như hình 2.17.
32
Mạch in nhằm lắp các board Arduino, ESP, nguồn điện và các trạm
cắm nối dây cho các ngõ vào (cảm biến, công tắt, nút nhấn,...), và các ngõ ra
tải (các LED, các mô-tơ, LCD, ...)
Mạch được làm vẽ trên Fritzing, dùng phương pháp ủi để in lên tấm
bakelic phủ đồng, sau đó ngâm vào dung dịch ăn mòn kim loại đồng, cho ra
sản phẩm mạch in. Các lỗ cắm linh kiện được khoan thủ công, đường kính
mũi khoan 0,8mm.
Hình 2.17. Mạch in của hệ thống điều khiển.
33
2.3.4. Thiết kế giải thuật và lập trình hệ thống
Sau khi hoàn thiện thiết kế và xây dựng nền tảng phần cứng, đề tài tiến
hành bước tiếp theo là xây dựng chương trình phần mềm.
2.3.4.1. Thiết kế giải thuật
Giải thuật hoạt động của hệ thống được trình bày dưới dạng máy trạng
thái hữu hạn như hình 2.18.
Hình 2.18. Máy trạng thái điều khiển của hệ thống trung tâm
Máy trạng thái thể hiện trạng thái hoạt động của hệ thống điều khiển,
hệ thống được xây dưng cho phép điều khiển theo ba chế độ riêng biệt. Cụ
thể:
Ban đầu
Đặt thời
gian
Đặt giờ
Ngày, tháng
Năm
Cài đặt
theo thời
gian
Lựa chọn
thiết bị
Đặt thời
gian
Khoảng
thời gian
Cài đặt theo
cảm biến
Lựa chọn
thiết bị
Chọn loại
thông số cảm
biến
Đặt
ngưỡng
Tắt khẩn cấp
Nhiệt độ
Độ ẩm
không khí
Ánh sáng
Độ ẩm
34
- Chế độ điều khiển đầu tiên là điều khiển đóng mở bằng tay. Chế độ cơ
bản này giúp người dùng linh hoạt và chủ động trong những trường hợp sử
dụng thông thường, hoặc được sử dụng để kiểm tra hệ thống.
- Chế độ điều khiển thứ hai là điều khiển theo thời gian. Hệ thống hoạt
động dựa trên một mạch đồng hồ thời gian thực, lưu giữ cài đặt thời gian.
Người dùng hoàn toàn chủ động trong việc cài đặt thời gian trên đồng hồ hệ
thống. Để điều khiển hệ thống, người dùng có thể đặt các chế độ hoạt động
đóng mở thiết bị theo từng thời điểm mong muốn. Thời gian đóng mở hệ
thống cũng được cài đặt linh hoạt giúp phù hợp với nhiều loại hình cây trồng
và điều kiện canh tác.
- Cuối cùng là chế độ điều khiển theo thông số môi trường. Trong điều
kiện thực nghiệm, hệ thống hiện tại cho phép điều khiển với các thông số như
nhiệt độ không khí, độ ẩm không khí, độ ẩm đất và cường độ chiếu sáng. Tùy
thuộc vào nhu cầu sử dụng mà người dùng có thể cài đặt đóng mở các thiết bị
theo thông số môi trường đang quan tâm. Hệ thống cũng cho phép người
dùng theo dõi nhiệt độ giá thể để có thể phục vụ một số loại cây trồng đặc
biệt.
Tất cả thông tin về môi trường như đã trình bày đều được hiển thị trên
màn hình tại khối trung tâm. Ngoài ra, các thông tin này có thể được gửi lên
webserver để phục vụ nhu cầu lưu trữ dữ liệu cũng như xử lý về sau.
2.3.4.2. Lập trình hệ thống
Đề tài sử dụng vi điều khiển họ AVR và được gắn trên bo mạch
Arduino, tận dụng sự hỗ trợ của phần mềm Arduino IDE
(Intergrated Development Environment ) giúp giảm thời gian lập trình.
Phần mền Arduino IDE có giao diện như trên hình 2.19 và có các vùng
lệnh như trên hình 2.20. Đây là một ứng dụng đa nền tảng được viết bằng
Java và từ IDE này sẽ được sử dụng cho ngôn ngữ lập trình xử lí và project
Wiring. IDE bao gồm 1 chương trình code editor với các chức năng như đánh
dấu cú pháp, tự động canh lề, biên dịch và upload chương trình lên mạch qua
thao tác nhấp chuột [30].
35
Hình 2.19. Giao diện phần mềm IDE.
Hình 2.20. Các vùng lệnh của phần mềm IDE.
36
Các chương trình Arduino được viết bằng C hoặc C++. Arduino IDE đi
kèm với một thư viện phần mềm gọi là Wiring, từ project Wiring gốc có thể
giúp các input/output được dễ dàng hơn. Người dùng chỉ cần định nghĩa 2
hàm để tạo ra một chương trình vòng thực thi có thể chạy được, đó là:
setup(): hàm này chạy mỗi khi khởi động một chương trình, dùng để
thiết lập các cài đặt.
loop(): hàm này được gọi lặp lại cho đến khi tắt nguồn board mạch
Hình 2.21. Nạp chương trình trên mạch thử nghiệm (phiên bản 1)
Với ưu điểm là môi trường lập trình đơn giản, rõ ràng, mã nguồn mở và
phần mềm mở rộng vì vậy Arduino là lựa chọn thích hợp cho cả những người
mới bắt đầu tìm hiểu và những người có kinh nghiệm muốn mở rộng.
Khi mạch phần cứng đã hoàn thiện, chương trình được nạp vào mạch
điều khiển trung tâm như trên hình 2.21.
2.4. THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
2.4.1. Tính toán điện năng tiêu thụ trong nhà kính
37
Bảng 2.1. Bảng tính toán điện năng tiêu thụ trong 1 ngày tại nhà kính.
Tên thiết bị Số
lượng
Công suất
định mức
Thời gian
hoạt động
Điện năng
tiêu thụ
Mạch điều khiển trung
tâm 1 2 W 24 giờ 48 Wh
Động cơ giảm tốc DC 1 250 W 20 phút 83 Wh
Bơm tăng áp 2 750 W 2 giờ 3000 Wh
Van điện từ 4 2 W 2 giờ 16 Wh
Quạt thông gió 2 100 W 2 giờ 400 Wh
Đèn led 4 45 W 5 giờ 900 Wh
Tổng điện năng tiêu thụ: 4447 Wh
Các thiết bị động lực trong bảng 2.1 có thời gian hoạt động tuân theo
quy định cơ bản của nhà kính. Một số loại cây trồng đặc biệt với thời gian
tưới tiêu không phổ thông sẽ không được xem xét trong bảng.
Do đặc điểm không được sử dụng nguồn điện lưới nên hệ thống pin
năng lượng mặt trời cũng như ắc quy lưu điện phải đáp ứng được mức tiêu
thụ điện của toàn bộ hệ thống. Tấm pin phải đủ công suất để cung cấp cho bộ
lưu điện và hệ thống vận hành liên tục không gián đoạn kể cả những ngày
không có nắng. Tuy nhiên, kích thước tấm pin mặt trời không được quá lớn
gây lãng phí, giảm thẩm mỹ.
2.4.2. Thiết kế và xây dựng khối nguồn của khối điều khiển
2.4.2.1. Sơ đồ khối nguồn của khối điều khiển
Khối nguồn được thể hiện qua sơ đồ khối như hình 2.22, đây sẽ là khối
cung cấp toàn bộ điện năng cho mọi hoạt động của khối điều khiển trung tâm.
Theo lựa chọn của đề tài, hệ thống sẽ vận hành độc lập với điện lưới vì vậy
38
trong khối nguồn, phải có bộ lưu điện (ắc quy) để giúp hệ thống hoạt động khi
không có ánh nắng, hoặc về ban đêm.
DC
Pin mặt trời
AC
Hình 2.22. Sơ đồ khối nguồn của khối điều khiển
2.4.2.2. Lựa chọn thiết bị cho khối nguồn của khối
Pin mặt trời
Hình 2.23. Hình ảnh pin năng lượng mặt trời 18V-100W.
Tấm pin năng lượng mặt trời 18V-100W dòng Mono như trên hình
2.23, có kích thước 1200 x 540 x 35 (mm), trọng lượng gần 8kg, khung nhôm
chắc chắn, độ bền trên 20 năm có giá khoảng 1.5000.000 đồng được lựa chọn
lắp đặt trong đề tài.
Thông số kỹ thuật pin năng lượng mặt trời 18V-100W [31]:
- Công suất: 100W
- Điện áp hoạt động: 18,6 V
- Dòng điện hoạt động: 5,38 A
Mạch
nguồn
Lưu
điện
Mạch nạp
Chuyển
đổi
39
- Điện áp hở mạch (Voc): 22,32 V
- Dòng ngắn mạch (Isc): 6,45 A
Tính toán số lượng module pin mặt trời:
+ Sản lượng điện năng phụ tải yêu cầu theo bảng 2.1:
Atải = 4447 Wh/ ngày
+ Điện năng giàn pin cần cung cấp:
Do tổn hao trong hệ thống, điện năng của tấm pin mặt trời cung cấp
phải cao hơn tổng số điện năng của toàn bộ phụ tải. Qua các nghiên cứu thực
tế, cho thấy cao hơn khoảng 1,3 – 1,5 lần ( đây có thể gọi là hệ số an toàn
trong quá trình thiết kế, lựa chọn tấm pin mặt trời vì nó dựa vào từng vùng,
vùng nắng nhiều, vùng nắng ít, và khu vực bị cản ánh nắng do cây, nhà cao
tầng...)
Ahệ pin = Atải . 1,3 = 4447 . 1,3 = 5781 Wh/ngày
+ Điện năng một pin mặt trời cung cấp:
Tại những địa phương có 10 giờ nắng/ngày thì năng lượng 1 tấm pin
mặt trời thu được là
A1pin = P. t = 100 . 10 = 1000Wh
+ Số lượng tấm pin mặt trời loại 18V-100W, cần dùng:
Npin = Ahệ pin / A1pin = 5781 /1000 = 6 tấm.
Vậy, với công suất mỗi tấm pin là 100W ta chọn 6 tấm pin và ghép nối
các tấm lại với nhau để tăng điện áp hoặc công suất lên trong những trường
hợp cần thiết.
Ắc quy lưu điện
Đề tài sử dụng ắc quy 12V-200Ah để làm nhiệm vụ lưu trữ điện và cấp
nguồn hoạt động cho hệ thống được thể hiện như trên hình 2.24.
40
Hình 2.24. Hình ảnh thực tế ắc quy 12V-200Ah.
Thông số kỹ thuật ắc quy 12V-200Ah:
- Điện áp: 12V
- Công suất : 200Ah
- Điện cực: hợp kim chì
Theo bảng 2.1, với công suất tiêu thụ của tải là 4447W thì số bình ắc
quy cần để dự trữ trong 1 ngày là:
Nắcquy = Ptải / Pắc quy = 4447 / (12.200) = 2.
Vậy, để đảm bảo hệ thống cần dùng trong vòng 1 ngày. Như vậy, hệ
thống cần 2 ắc quy loại 12V-200Ah.
Bộ điều khiển sạc
Bộ điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời được sử dụng để điều khiển
tối ưu quá trình sạc ắc quy từ pin năng lượng mặt trời, giúp quá trình sạc luôn
đạt hiệu suất cao nhất cũng như bảo vệ ắc quy bằng quy trình sạc thông minh
PWM trạng thái và ngắt khi đầy. Các chức năng chính của bộ điều khiển sạc
pin năng lượng mặt trời:
- Bảo vệ bình ắc quy. Khi bình đầy thì bộ điều khiển ngăn không cho
nguồn điện tiếp tục nạp vào ắc quy có thể gây sôi bình và làm ảnh hưởng đến
tuổi thọ của bình. Khi bình gần cạn đến ngưỡng phải ngắt để bảo vệ bình, bộ
điều khiển sẽ ngắt không cho sử dụng tải để bảo vệ bình không bị “kiệt”.
41
- Bảo vệ tấm pin mặt trời. Nguyên lý của dòng điện là chảy từ nơi điện
áp cao đến nơi điện áp thấp. Ban ngày trời nắng thì điện áp tấm pin loại 12V
sẽ từ khoảng 15 đến hơn 20V, cao hơn điện áp ắc quy nên dòng điện sẽ đi từ
pin xuống ắc quy. Nhưng ban đêm khi không có ánh nắng, điện áp của pin sẽ
thấp hơn điện áp của ắc quy và dòng điện sẽ đi từ ắc quy lên ngược tấm pin
và “đốt” tấm pin, làm giảm hiệu suất tấm pin dần dần và có thể hỏng tấm pin.
Vậy nên bộ điều khiển sẽ ngăn một cách triệt để không để cho dòng điện có
thể đi ngược lên tấm pin để tránh hiện tượng trên.
Với tấm pin mặt trời sử dụng là 18V-100W và ắc quy dự trữ loại 12V-
200Ah như trên thì bộ điều khiển sạc được lựa chọn là loại 12V / 24V / 36V /
48V – 50A như hình 2.25.
Hình 2.25. Hình ảnh thực tế bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời
12V / 24V / 36V / 48V – 50A
Thông số kỹ thuật bộ điều khiển sạc:
- Điện áp vào tối đa: 150V DC
- Tự động nhận dạng các ắc quy: 12V / 24V / 36V / 48V
- Có bảo vệ quá dòng, chập mạch tự động.
Khối chuyển đổi DC-AC
Đa phần các thiết bị động lực tiêu chuẩn trong nhà kính sử dụng điện
AC 220V. Do vậy, đề tài bổ sung thêm khối chuyển đổi DC-AC nhằm đáp
ứng khả năng kết nối vận hành với các nhà kính hiện có.
42
Điện cung cấp từ nguồn là 12V DC, trong khi đó khối cơ cấu chấp hành
sử dụng điện áp 220V AC cho bơm nước với công suất lớn hoạt động, do đó
cần có 1 bộ chuyển đổi điện áp được thể hiện như trên hình 2.26. Đề tài lựa
chọn loại bộ biến đổi điên áp Lvyuan -12000W, có dạng sóng đầu ra hình sin,
có khả năng bảo vệ quá tải, bảo vệ ngắn mạch, bảo vệ thấp áp đầu vào, bảo vệ
quá áp đầu vào, bảo vệ quá nhiệt, dùng được cho mọi loại bình ắc quy (ắc
quy khô, ắc quy nước), với mọi dung lượng khác nhau (từ 5Ah, 10 Ah, đến
hàng trăm Ah).
Hình 2.26. Bộ biến đổi điên áp Lvyuan - 12000W.
Thông số kĩ thuật của bộ biến đổi điên áp Lvyuan -1200W:
- Công suất cực đại đầu ra: 12000 W
- Công suất định mức: 6000W
- Tần số: 50Hz ± 2Hz
- Điện áp đầu vào DC: 12V hoặc 24V
- Điện áp đầu ra AC: 110V hoặc 220V AC
2.4.3. Thiết kế và xây dựng khối nguồn của khối cảm biến
2.4.3.1. Sơ đồ khối nguồn của khối cảm biến
DC
Hình 2.27. Sơ đồ khối nguồn của khối cảm biến
Mạch
nguồn
Lưu
điện
Mạch nạp
43
Sơ đồ khối nguồn của khối cảm biến như trong hình 2.27, về cơ bản
giống sơ đồ khối nguồn của khối điều khiển, tuy nhiên ở khối này là các mạch
điện tử dùng loại điện áp DC, vì vậy không có bộ chuyển đổi điện áp.
2.4.3.2. Lựa chọn thiết bị cho khối nguồn của khối
Pin mặt trời và bộ lưu điện
Hình 2.28: Hình ảnh pin mặt trời loại 6V 1W
Khối cảm biến có thành phần là các cảm biến và mạch xử lý, các mạch
này có dòng tiêu thụ nhỏ. Thông thường thì dòng tiêu thụ trung bình của khối
là 10 mA và điện áp 3,3V. Do vậy, bộ lưu điện có thể thực hiện bởi pin
18650. Điện áp danh định của pin từ 3,7 V đến 4,2 V và được ổn áp trước khi
cung cấp cho khối cảm biến. Với một cục pin có dung lượng 1000 mAh thì
sau khi sạc đầy có thể cung cấp cho khối hoạt động liên tục trong 100h.
Trong điều kiện 7 giờ nắng 1 ngày, đề tài sử dụng pin mặt trời 6V 1W
có dòng cực đại 160 mA. Như vậy chỉ cần sạc 1 ngày là đầy pin.
Pin sạc Ultrafire 18650 với kích thước nhỏ gọn 18 x 65 mm là lựa chọn
phù hợp để cung cấp nguồn cho các mạch điện tử trong khối cảm biến.
44
Hình 2.29. Hình ảnh Pin sạc Ultrafire 18650.
Mạch sạc
Hình 2.30: Hình ảnh mạch sạc pin Lithium cổng Micro 5V 1A 18650 TP4056
Để đảm bảo tính ổn định của điện áp nguồn cung cấp và bảo vệ pin sạc,
đề tài sử dụng mạch sạc pin Lithium cổng Type-c/Micro/Mini USB 5V 1A
18650 TP4056 như trên hình 2.30.
Mạch sạc TP4056 được hoàn chỉnh với bộ sạc tuyến tính điện áp, có
khả năng phản hồi nhiệt và tự động điều chỉnh dòng điện sạc để hạn chế nhiệt
độ chip nóng khi hoạt động với nguồn năng lượng cao hoặc điều kiện nhiệt độ
môi trường cao. Mạch TP4056 với đầu cắm vào là micro USB , có đèn led
báo hiệu màu đỏ là đang sạc, màu xanh lá cây là được sạc đầy.
Dựa trên sơ đồ khối đã thiết kế và lựa chọn linh kiện phù hợp. Đề tài
tiến hành xây dựng mạch thực tế như trên hình 2.31.
45
Hình 2.31. Khối nguồn cảm biến được xây dựng với các thành phần pin
mặt trời, pin dự phòng, mạch nạp và ổn áp.
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
Trong Chương 2, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu thiết kế hệ thống
thông qua các giai đoạn:
- Tìm hiểu về board Arduino được sử dụng làm vi điều khiển ứng dụng
cho hệ thống.
- Xác định điều kiện tiến hành nghiên cứu bao gồm địa điểm, diện tích
nhà kính và các trang thiết bị cơ cấu chấp hành được trang bị.
- Thiết kế và xây dựng khối điều khiển thông qua việc lập sơ đồ khối và
tiến hành lựa chọn các trang thiết bị, từ đó hoàn thiện phần cứng và làm cơ
sở cho việc thiết kế giải thuật, lập trình hệ thống.
- Xác định điện năng tiêu thụ trong nhà kính và thiết kế, lựa chọn thiết
bị xây dựng hai hệ thống năng lượng mặt trời độc lập của khối điều khiển
trung tâm và khối cảm biến.
46
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. THỰC NGHIỆM VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
3.1.1. Kết quả hoạt động của hệ thống
Trên cơ sở của các kết quả trong phòng thí nghiệm, đề tài tiến hành lắp
đặt và hoàn thiện hệ thống điều khiển tự động nhà kính có diện tích 120m2,
thuộc khu thí nghiệm 500m2, Khoa Nông lâm, Đại học Đà Lạt.
Sau khi kiểm tra mạch đã hoạt động tốt, đề tài đã tiến hành đóng hộp
các khối điều khiển. Bộ điều khiển trung tâm được thiết kế trong tủ hình hộp
chữ nhật bằng sắt, bên trong có cách điện như trong hình 3.1 và đảm bảo đúng
an toàn kĩ thuật điện.
Hình 3.1. Tủ hệ thống điều khiển trung tâm sau khi lắp đặt hoàn chỉnh
Mạch điều khiển trung tâm được thiết kế đặt bên trong tủ điều khiển,
bên phải có vị trí kết nối dây thuận lợi với bàn phím, màn hình và khối cơ cấu
chấp hành như trên hình 3.2 và hình 3.3.
47
Hình 3.2. Mạch điều khiển trung tâm sau khi hoàn thiện (phiên bản 2) gắn bên
trong tủ điện
Hình 3.3. Màn hình LCD và bàn phím được kết nối với mạch điều khiển trung
tâm
48
Hình 3.4. Các thông số môi trường hiển thị trên màn hình
Khối điều khiển trung tâm đã thu nhận thông tin về những thông số môi
trường trong nhà kính do các khối cảm biến đưa về và hiển thị kết quả lên
màn hình theo dõi trực tiếp như trên hình 3.4 bao gồm:
- Dòng thứ 1: Nơi theo dõi
- Dòng thứ 2: Nhiệt độ, độ ẩm không khí.
- Dòng thứ 3: Cường độ sáng
- Dòng thứ 4: Nhiệt độ, độ ẩm đất.
Đồng thời kết quả về thông số môi trường nhà kính thử nghiệm đã
được hiển thị trên web Thingspeak như trên hình 3.5.
Vì hệ thống của đề tài này sử dụng chung kênh trên Thingspeak với đề
tài “Hệ thống cảm biến IoT trong nông nghiệp công nghệ cao” của Lê Công
Huynh nên mã định danh của kênh là giống nhau. Theo như thiết kế, hệ thống
đã gửi dữ liệu lên webserver theo khoảng 5 phút. Tại đây, Thingspeak hỗ trợ
49
vẽ biểu đồ, cập nhật tự động cũng như một số tính năng nâng cao khác. Hiện
tại đề tài chỉ sử dụng webserver để lưu trữ và hiển thị thông tin dữ liệu cảm
biến môi trường.
Hình 3.5. Hình ảnh cập nhật dữ liệu trên server của Thingspeak
Sau khi tiếp nhận các thông số môi trường, hệ thống điều khiển trung
tâm đã tự động thực hiện điều khiển khối cơ cấu chấp hành theo như cài đặt,
cụ thể:
- Điều khiển trạng thái đóng, mở lưới che nắng thông qua mô-tơ như
hình 2.30.
Đóng Mở Motor kéo lưới
Hình 3.6. Các trạng thái đóng và mở lưới che nắng hoạt động thực tế
50
- Điều khiển tự động khởi động máy bơm cho hệ thống phun sương và
hệ thống tưới nhỏ giọt. Cụ thể với chiều dài nhà kính 20m, được bố trí 27 béc
phun sương, theo 3 hàng dọc theo chiều dài của nhà kính, hình ảnh hệ thống
phun sương và béc phun đang hoạt động được thể hiện trong hình 3.7.
Hình 3.7. Hệ thống phun sương thực tế hoạt động theo điều khiển
Hình 3.8. Hình ảnh quạt thông gió thực tế hoạt động theo điều khiển
51
- Quạt hút với số lượng 2 cái được đặt 2 đầu nhà kính để lưu thông
không khí được lắp đặt như trong hình 3.8 đã hoạt động đúng theo lệnh khối
điều khiển.
3.1.2. Thảo luận kết quả hoạt động của hệ thống điều khiển
Tủ điều khiển bao gồm mạch điều khiển trung tâm và khối động lực có
giá thành hợp lý, tổng chi phí khoảng 6 triệu đồng. So với các hệ thống khác
trên thị trường thì chỉ bằng 50%. Ngoài ra, khả năng kết nối và hoạt động với
cảm biến qua giao tiếp không dây là một điểm mới giúp hệ thống linh hoạt
hơn. Việc sử dụng vi điều khiển và làm chủ công nghệ giúp hệ thống có thể
mở rộng nhiều chức năng hơn về sau.
Hình 3.9. Kết quả thể hiện sau biên dịch.
Kỹ thuật điều khiển đóng mở đơn giản nhưng đủ đáp ứng yêu cầu vận
hành trong nhà kính. Nhờ khối thời gian thực giúp việc căn chỉnh thời gian
52
tưới tiêu đạt độ chính xác đến từng giây, tiết kiệm nước cũng như các tài
nguyên khác.
Bằng việc tách rời khối giao tiếp không dây, sử dụng một vi điều khiển
thứ 2 chịu trách nhiệm cho phần này, tài nguyên phần cứng sử dụng cho khối
điều khiển giảm đi đáng kế. Chương trình sau khi nạp vào vi điều khiển
ATmega2560 chỉ tiêu tốn 10% dung lượng bộ nhớ chương trình và khoảng
16% bộ nhớ tạm thời. Hình 3.9 thể hiện kết quả sau biên dịch.
Sau khi triển khai đầy đủ các khối và tiến hành thử nghiệm chức năng
hệ thống, các chức năng được kiểm tra cho kết quả đúng như thiết kế. Người
dùng có thể dễ dàng tiếp cận và điều khiển hệ thống, theo hướng dẫn sau:
Hệ thống cho phép điều khiển hai bơm 3 pha cùng sáu van điện từ, mỗi
bơm ba van điện từ. Một bơm tưới nhỏ giọt (số 1) và một bơm phun sương
(số 2). Hệ thống hoạt động với ba chế độ bơm: bằng tay, tự động theo thời
gian và tự động theo thông số môi trường
Hình 3.10. Hình mặt ngoài tủ điều khiển
53
Trên mặt tủ điều khiển như hình 3.10 có:
- Có 3 đèn báo pha,
- Có 2 công tắc chính để chọn chế độ điều khiển,
- Có 6 công tắc van điện từ,
- Có 1 màn hình LCD hiển thị thông tin,
- Có 1 bàn phím lựa chọn
- Và 2 đèn báo trạng thái thiết bị.
Chú thích:
- Công tắc vận hành bơm có đánh dấu ba vị trí: bằng tay, tắt và tự động
- Công tắc van điện từ có hai vị trí: bằng tay và tự động
Manual (Man): vận hành bằng tay
Off: tắt
Automatic (Auto): vận hành tự động
a. Chế độ tưới bằng tay
Khi bật:
B1. Gạt công tắc van điện từ tương ứng với bơm về phía Man
B2. Bật công tắc tương ứng với bơm cần chọn về phía Man
Khi tắt:
B1. Bật công tắc tương ứng với bơm cần chọn về phía Off hoặc Auto
B2. Gạt công tắc van điện từ tương ứng với bơm về phía Auto
b. Chế độ tưới tự động theo thời gian
B1. Kiểm tra vị trí công tắc và van điện từ và đặt ở phía Auto
B2. Tại màn hình chính, đang hiển thị thời gian, nhấn Menu
B3. Tại màn hình Setting, dùng phím Right để chọn chế độ cho Thiết bị 1,
Thiết bị 2 hoặc Cài đặt thời gian cho hệ thống.
54
B4. Nhấn Select để chọn thiết bị cần tác động
B5. Nhấn Right để chọn kiểu tác động bằng thời gian / cảm biến (trường hợp
này là thời gian)
B6. Nhấn Select để xác định kiểu tác động
B7. Nhấn Right để chọn lượt tưới, có 4 lượt tưới (Set1, Set2, Set3 và Set4)
B8. Nhấn Select để xác định lượt tưới
B9. Nhấn Right hoặc Left để tăng/giảm giờ tưới
B10. Nhấn Select để chọn giờ
B11. Nhấn Right hoặc Left để tăng/giảm phút tưới
B12. Nhấn Select để chọn phút
B13. Nhấn Right hoặc Left để tăng/giảm thời gian tưới (theo phút)
B14. Nhấn Select lần nữa để lưu cài đặt
c. Chế độ cài đặt thời gian hệ thống
B1. Tại màn hình chính, nhấn Menu
B2. Nhấn Right để chọn chế độ cài đặt thời gian
B3. Nhấn Select để tiếp tục; nhấn Auto để thoát
B4. Nhấn Right hoặc Left để tăng/giảm giá trị giờ
B5. Nhấn Select để chọn giờ
B6. Nhấn Right hoặc Left để tăng/giảm giá trị phút
B7. Nhấn Select để chọn phút
B8. Nhấn Right hoặc Left để tăng/giảm giá trị ngày trong tuần (1 là Chủ nhật,
2 là Thứ hai,…)
B9. Nhấn Select để chọn ngày trong tuần
B10. Nhấn Right hoặc Left để tăng/giảm giá trị ngày
B11. Nhấn Select để chọn ngày
55
B12. Nhấn Right hoặc Left để tăng/giảm giá trị tháng
B13. Nhấn Select để chọn tháng
B14. Nhấn Right hoặc Left để tăng/giảm giá trị năm
B15. Nhấn Select để chọn năm
d. Chế độ tưới tự động theo thông số môi trường
B1. Kiểm tra vị trí van điện từ cần ở phía Auto
B2. Tại màn hình chính, đang hiển thị thời gian, nhấn Menu
B3. Tại màn hình Setting, dùng phím Right để chọn chế độ cho Thiết bị 1,
Thiết bị 2 hoặc Cài đặt thời gian cho hệ thống.
B4. Nhấn Select để chọn thiết bị cần tác động
B5. Nhấn Right để chọn kiểu tác động bằng thời gian / cảm biến (trường hợp
này là cảm biến)
B6. Nhấn Select để xác định kiểu tác động
B7. Nhấn Right để chọn loại cảm biến không khí / đất
B8. Nhấn Select để xác định loại cảm biến lấy thông số
B9. Nhấn Right để chọn loại thông số: nhiệt độ đất, ẩm độ đất hoặc nhiệt độ
không khí, độ ẩm không khí, cường độ chiếu sáng
B10. Nhấn Select để xác định loại thông số
B11. Nhấn Right hoặc Left để tăng/giảm giá trị thông số
B12. Nhấn Select để xác định giá trị. Hoặc nhấn On/Off để xóa giá trị
B13. Khi hết các thông số cần cài đặt, nhấn Select lần nữa để lưu giá trị.
* Chú ý:
Với cảm biến, thiết bị sẽ được kích hoạt trong các trường hợp sau:
- Thông số nhiệt độ không khí từ cảm biến cao hơn nhiệt độ được cài đặt
- Thông số độ ẩm không khí từ cảm biến thấp hơn mức độ ẩm được cài đặt
- Thông số cường độ ánh sáng thấp hơn mức cường độ sáng được cài đặt
56
- Thông số nhiệt độ đất từ cảm biến cao hơn nhiệt độ được cài đặt
- Thông số độ ẩm đất từ cảm biến thấp hơn mức độ ẩm được cài đặt
- Tại bất cứ màn hình cài đặt nào, nếu không tác động phím thì sau 10s sẽ
thoát về màn hình chính, hiển thị thời gian
- Tại màn hình chính, nhấn phím Auto để hiển thị thông số môi trường thu
thập được từ các cảm biến
- Khi hệ thống đang hoạt động, nhấn On/Off hai lần để ngưng khẩn cấp các
thiết.
3.2. THỰC NGHIỆM VỀ KHỐI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
3.2.1. Đối với khối nguồn của khối điều khiển
Đề tài đã mượn hệ thống pin Mặt trời thuộc phòng thí nghiệm Tự động
hóa, Khoa Vật lý & KTHN của Đại học Đà Lạt như hình 3.11 để thử nghiệm
cung cấp nguồn cho khối điều khiển.
Các kết quả thử nghiệm sơ bộ cho thấy các tính toán về điện năng tiêu
thụ và khả năng vận hành đều đạt. Tuy nhiên, đề tài cũng nhận thấy một số
điểm cần lưu ý:
- Thứ nhất, hướng lắp đặt pin mặt trời phải được kiểm tra theo từng khu
vực địa lý vì góc nghiêng của trái đất. Trên lý thuyết có thể đạt 7 giời nắng
và công suất ổn định nhưng trên thực tế chỉ khi ánh nắng vuông góc mặt
phẳng pin mặt trời thì công suất từ pin mới cao nhất. Do vậy, số lượng pin
mặt trời phải tăng lên để bù lại thiếu hụt do thay đổi góc nhận sáng. Kết quả
đo đạc thực tế tại Đà Lạt cho thấy công suất pin mặt trời phải tăng lên 20% so
với tính toán đã nêu trên cơ sở bảng 2.1.
- Thứ hai, hiệu suất chuyển đổi điện năng của mạch nạp ắc quy và
mạch chuyển đổi DC-AC cũng đóng góp vào suy hao năng lượng. Thông
thường, hệ số chuyển đổi năng lượng chỉ đạt 95% đến 97%. Do vậy, hệ thống
ắc quy lưu trữ cũng phải tăng công suất lên tối thiểu 5% so với tính toán trong
đề tài.
57
Hình 3.11. Pin Mặt trời thuộc phòng thí nghiệm Tự động hóa
Trong quá trình thí nghiệm, đề tài chỉ có khả năng thực nghiệm với
công suất như trong bảng 2.1. Nghĩa là công suất tối thiểu dùng trong một
ngày. Do không đủ kinh phí để mua sắm thêm thiết bị nên chưa thể khảo sát
công suất cho khả năng hoạt động nhiều ngày mà không có ánh nắng. Tuy
nhiên, dựa trên kết quả tính toán và thực tế, việc mở rộng công suất vẫn tuân
theo bảng 2.1 cũng như hệ số % công suất tăng thêm như đã trình bày.
3.2.2. Đối với khối nguồn của khối cảm biến
Đối với khối nguồn của cảm biến sau quá trình thử nghiệm, đề tài cũng
có những điểm cần lưu ý:
- Một là do đặt khối cảm biến trong nhà kính dẫn đến hiệu suất pin mặt
trời bị giảm đi do màng che. Vì vậy, công suất pin mặt trời cũng cần phải tăng
lên để bù lại. Cụ thể, đề tài đã tiến hành thay thế pin mặt trời 6V 1W thành
loại 6V 2W.
- Hai là công suất tiêu thụ của các khối cảm biến khác nhau. Có thể do
khác loại cảm biến, đèn led chỉ báo cũng tiêu tốn thêm năng lượng. Do vậy,
dung lượng pin sạc dự phòng cũng phải được điều chỉnh tăng lên nếu muốn
duy trì thời gian như đã trình bày trong chương 2. Tuy nhiên, dung lượng
1000mAh như cũ vẫn đảm bảo giúp khối cảm biến hoạt động liên tục trong 3
58
ngày mà không cần sạc. Trên thực tế, đôi lúc trời mưa nhưng bức xạ mặt trời
vẫn đủ để giúp pin mặt trời nạp cho pin.
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
Trong Chương 3, chúng tôi đã tiến hành những nội dung:
- Vận hành thực nghiệm hệ thống điều khiển, đánh giá khả năng hoạt
động điều khiển và đưa ra hướng dẫn sử dụng với người dùng.
- Áp dụng vào thực nghiệm khối nguồn năng lượng mặt trời cho khối
điều khiển, từ đó rút ra những hạn chế cần lưu ý.
- Áp dụng vào thực nghiệm khối nguồn năng lượng mặt trời cho khối
cảm biến, từ đó đánh giá về tính khả thi của hệ thống.
59
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Luận văn “Hệ thống điều khiển nhà kính tự động dùng năng lương tái
tạo” sau khi được thực đã thu được những kết quả chính sau:
- Nghiên cứu, thiết kế và xây dựng thành công một hệ thống điều khiển
tự động cho nhà kính sử dụng năng lượng tái tạo. Dựa trên những thiết kế
hiện có về nhà kính công nghệ cao, đề tài đã điều chỉnh thiết kế để phù hợp
với điều kiện và hoàn cảnh sử dụng tại Việt Nam. Đề tài cũng kết hợp với
việc sử dụng năng lượng mặt trời, một dạng năng lượng tái tạo đang được
quan tâm đầu tư nghiên cứu và sử dụng mở rộng hiện nay.
- Xây dựng được hệ thống điều khiển tự động thực hiện ba chức năng
chính, đó là: thu nhận thông số môi trường qua hệ cảm biến không dây; đưa ra
quyết định điều khiển theo thời gian, theo các thông số đã thu được, kết hợp
lưu trữ thông tin trên đám mây; điều khiển các thiết bị động lực để điều chỉnh
tác động vi khí hậu nhà kính.
- Nghiên cứu được tính khả thi và triển khai thử nghiệm khối năng
lượng tái tạo bao gồm: khối pin mặt trời và lưu trữ phục vụ hệ cảm biến; khối
pin mặt trời, lưu trữ và chuyển đổi phục vụ khối động lực.
Kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để triển khai thực tế các hệ
thống nhà kính phục vụ sản xuất nông nghiệp có quy mô vừa và nhỏ với mức
đầu tư ban đầu thấp, phù hợp với điều kiện thực tế. Những hệ thống này có
thể được lắp đặt, xây dựng trên sân thượng các tòa nhà cao tầng; vùng sâu
vùng xa, vùng hải đảo khó tiếp cận điện lưới, vùng có thời tiết không thuận
lợi.
Trong tương lai, đề tài có thể mở rộng nghiên cứu triển khai cải tiến
phương thức điều khiển kết hợp với điều khiển thông minh, điều khiển PID.
Bên cạnh đó, có thể mở rộng việc sử dụng thông tin đã lưu trên đám mây để
tự động điều chỉnh thay thao tác người sử dụng cài đặt.
Kết quả của đề tài có ý nghĩa thực tiễn rất lớn như đã nêu trên. Tuy
nhiên, để có thể tiếp cận được với nhiều người dùng và mang lại hiệu quả
kinh tế, môi trường tốt hơn, tác giả có kiến nghị sau:
60
- Sử dụng năng lượng mặt trời mang lại nhiều hiệu quả tích cực trong
vấn đề giữ gìn tài nguyên cũng như cải thiện chỉ số môi trường từ một nguồn
năng lượng sạch. Tuy nhiên, các tấm pin mặt trời sau khi hết hạn sử dụng là
một nguy cơ gây ô nhiễm môi trường cao. Vì vậy, chúng tôi mong muốn nhà
nước có chủ trương, hướng giải quyết để thực hiện tái chế khi các tấm pin mặt
trời hết hạn sử dụng.
- Việc áp dụng hệ thống điều khiển nhà kính tự động dùng năng lượng
tái tạo sẽ có chi phí đầu tư ban đầu cao hơn so với cách sản xuất thủ công, tuy
nhiên lợi ích từ việc áp dụng hệ thống là rất lớn trong việc giải quyết các vấn
đề khó khăn trong hoạt động canh tác. Chính vì vậy, sự hỗ trợ về vốn và chế
độ ưu đãi của nhà nước đối với các hộ sản xuất sẽ tạo sự khuyến khích để
người dân mạnh dạn áp dụng rộng rãi mô hình này vì đây là xu hướng phát
triển nông nghiệp tất yếu của Việt Nam.
61
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Cập nhật số liệu khảo sát cường độ bức xạ năng lượng mặt trời ở Việt
Nam, 2020, Tạp chí năng lượng Việt Nam,.
2. Đánh giá tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam, 2016, Viện khí
tượng thủy văn.
3. Hoàng Dương Hùng, 2016, Năng lượng mặt trời lý thuyết và ứng dụng,
Đại học Bách khoa Đà Nẵng.
4. Walberer, 2008, Công nghiệp PV và sự phát triển của ngành năng
lượng mặt trời trên thế giới, Báo cáo tại Hội thảo quốc tế về “Điện mặt
trời công nghiệp từ sản xuất chế tạo đến khai thác hiệu quả”, thành phố
Hồ Chí Minh.
5. Ngô Minh An, 2008, Mô phỏng thi công hệ thống pin mặt trời nuôi tải
DC. Tìm hiểu vận hành hệ thống pin mặt trời độc lập, Luận văn tốt
nghiệp đại học, Đại học bách khoa, Hồ Chí Minh.
6. Nguyễn Ngọc Lâm, 2005, Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và đưa vào ứng
dụng nhà màng polyethylen trồng cây có điều khiển tự động phù hợp
với điều kiện sinh thái ở Tp.HCM, Tạp chí khoa học kỹ thuật nông
nghiệp, Vol.03.
7. G.J.Timmerman and P. G. H Kamp, 2003, Computerised Environmental
Control in Greenhouses, PTC, The Netherlands, pp 15-124.
8. Dr. Lewis M. Fraas, President JX Crystals Inc, 2014, Low Cost Solar
Electric Power, University of Washington Seattle Energy Technologies,
Stanbul.
9. Thomas.S.G, R.McBride.J, E.Masker.J, Kemble.K, 1984, Solar
Greenhouses and Sunspaces: Lessons Learned, National Center for
Appropriate Technology, Butte, MT pp 36 -38.
10. Teemu Ahonen, Reino Virrankoski, Mohammed Elmusrati, 2008,
Greenhouse Monitoring with Wireless Sensor Network, University of
Vaasa Department of Computer Science Telecommunication
Engineering Group.
62
11. Qiuchan BAI, Chunxia JIN, 2017, The Remote Monitoring System of
Vegetable Greenhouse, International Symposium on Computational
Intelligence and Design.
12. L. Yanzheng, T. Guanghui, and L. Shirong, 2007, The problem of the
control system for Greenhouse Climate, Chinese Agricultural Science
Bulletin, vol 23, pp. 154-157.
13. Nguyễn Đình Phú, 2016, Giáo trình thực tập Vi xử lí, Trường Đại học
Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.
14. Trần Thu Hà, Trương Thị Bích Ngà, Nguyễn Thị Lưỡng, Bùi Thị Tuyết
Đan, Phù Thị Ngọc Hiếu, Dương thị Cẩm Tú, 2013, Giáo trình Điện tử
cơ bản, NXB Đại học Quốc gia TP.HCM.
15. Nguyễn Ngọc Lâm, 2005, Nhà trồng cây có điều khiển tự động, Tài liệu
hội thảo, Tp.HCM.
16. Netafirm, 2008, Proposal for design, Supply and supervision of
vegetablesgreenhouse project for HCMC, Ho Chi Minh City.
17. Đào Xuân Quy, 2017, Nhà kính tự động giám sát và điều khiển môi trường
nông nghiệp bằng thiết bị không dây, Tạp chí thông tin khoa học và công
nghệ Quảng Bình, số 1/2017.
18. Trần Thị Khánh Hoàng, 2017, Tính toán thiết kế, xây dựng mô hình nhà kính
thông minh sử dụng năng lượng mặt trời, Luận văn thạc sĩ kỹ thuật, Đại học
Bách khoa Đà Nẵng.
19. Prof. D.O.Shirsath, Punam Kamble, Rohini Mane, Ashwini Kolap,
Prof.R.S.More, 2017, IOT Based Smart Greenhouse Automation Using
Arduino, International Journal of Innovative Research in Computer
Science & Technology (IJIRCST).
20. D.-H. Park, B.-J. Kang, K.-R. Cho, C.-S. Shin, S.-E. Cho, J.-W. Park
and W-M. Yang, 2011, A study on greenhouse automatic control system
based on wireless sensor network, Wireless Personal Communications,
vol. 56, no. 1, pp. 117-130.
21. Sin-Woo Kang, Sun-Ok Chung, Ki-Dae Kim, Hak-Jin Kim, Jin-Yong
Choi, Yong-Sun Zhang, Kyung-Hwa Han, Seung-Oh Hur, 2015, Remote
63
Control System For Greenhouse Environment Using Mobile Devices,
Republic of Korea.
22. Dukes, M. D., J. M. Scholberg, 2005, Soil moisture controlled
subsurface dripirrigation on sandy soils, Applied Engineering in
Agriculture.
23. Lee, K..O. Y.H. Bae, M.S. Oh and K. Nakaji, 2011, Development of a
web–basedgreenhouse monitoring system using a field server, Journal
of the Faculty of Agriculture Kyushu University.
24. Shiva Gorjian, Teymour Tavakkoli Hashjin, Barat Ghobadian, 2011,
Solar Powered Greenhouses, International Conference on Sustainable
25. W.Guan, C.Wang, Y.Q Cai, H.Z Zhang, 2016, Design and
implementation of wireless monitoring network for temperature-
humidity measurement, Journal of Ambient Intelligence and Humanized
Computing, pp.131-138.
26. Data Acquisition Of Greenhouse Using Arduino, 2014, Journal Of
Babylon University, Pure And Applied Sciences, No.(7)/ Vol.(22)
27. Atmega2560P, 2020,
https://www.alldatasheet.com/datasheetpdf/pdf/241077/ATMEL/ATME
GA2560.html.
28. Arduino Mega2560 R3 sử dụng chip Atmega2560, 2020,
https://mlab.vn/488601-arduino-mega-2560-r3-su-dung-chip-atmega-
2560.html.
29. Atmega328P, 2020,
https://www.alldatasheet.com/datasheetpdf/pdf/241077/ATMEL/ATME
GA328P.html.
30. Empower Scientists and Artists Of The Future, 2020,
https://www.arduino.cc/education.
31. Tấm pin năng lượng mặt trời 18V-100W, 2020,
https://www.dientudat.com/tam-pin-nang-luong-mat-troi-18v-100w .
CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐƯỢC CÔNG BỐ
Đã có 01 báo cáo trong Hội nghị Khoa học thường niên Trường Đại học Đà Lạt
ngày 3/12/2020 tại Trường Đại học Đà Lạt.
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ KÍNH SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI
Nguyễn Thị Phương Tràa, Lê Văn Tùngb* a Trường Dân tộc Nội trú tỉnh Khánh Hòa, Khánh Hòa, Việt Nam
bKhoa Vật lý & Kỹ thuật Hạt nhân, Trường Đại học Đà Lạt, Lâm Đồng, Việt Nam * Tác giả liên hệ: Email: [email protected] | Điện thoại:0915992478.
Tóm tắt
Tự động hóa trong nhà kính phục vụ sản xuất nông nghiệp đã và đang mang lại
nhiều kết quả tích cực. Tuy nhiên, tại những vùng địa lý gặp khó khăn, hạn chế tiếp
cận với điện lưới thì không thể triển khai các hệ thống điện. Với sự phát triển
nhanh chóng của công nghệ chế tạo, pin năng lượng Mặt trời đang dần được sử
dụng rộng rãi. Để tận dụng tiềm năng năng lượng Mặt trời và tối ưu lợi thế của
các hệ thống tự động, chúng tôi đã thiết kế và chế tạo một hệ thống điều khiển tự
động sử dụng năng lượng Mặt trời. Hệ thống có đầy đủ các thành phần, bao gồm
các khối cảm biến, khối điều khiển và khối động lực. Hệ thống đảm bảo phục vụ
hoạt động của một nhà kính sản xuất nông nghiệp với quy mô hộ gia đình. Kết quả
thực nghiệm đã chứng minh tính khả thi của thiết kế. Hệ thống khi hoàn thiện đáp
ứng đủ yêu cầu để đưa vào hoạt động độc lập và thương mại hóa.
