Đo, giám sát nhiệt độ và độ ẩm sử dụng Arduino kết nối qua mạng Internet

Để đo các thông số môi trường trong các nhà vườn, nhà kính nông nghiệp công nghệ cao chúng ta sử dụng các cảm biến đo như: cảm biến đo nhiệt độ, cảm biến đo độ ẩm, cảm biến đo độ pH, cảm biến đo khí gas, v.v.. Khi biết được các thông số quan trọng của môi trường như nhiệt độ, độ ẩm của không khí, độ ẩm của môi trường đất sẽ cho phép người làm nông nghiệp điều chỉnh hoạt động canh tác một cách thích hợp để có được hiệu quả tối ưu năng suất cây trồng. Việc xây dựng các hệ thống này sẽ gặp đôi chút khó khăn khi các nhà vườn có không gian lớn, khoảng cách truyền xa và số lượng cảm biến lớn cũng như việc cung cấp năng lượng duy trì hệ thống này [1, 2].

Hình 1. Mô hình nhà kính nông nghiệp.

Việc thu nhận và xử lý các tín hiệu này được thực hiện bởi các mạch điện tử có thể sử dụng chip vi điều khiển. Một trong những giải pháp thử nghiệm hiệu quả trước khi tiến hành chế tạo sản phẩm thương mại là sử dụng các kit Arduino. Một hệ thống sử dụng Arduino có thể giúp giảm thiểu các những vấn đề về hệ thống nêu trên với việc kết nối các cảm biến đơn giản, số lượng lớn và được giám sát từ xa qua mạng Internet thông qua kết nối không dây. Sơ đồ một hệ thống sử dụng các cảm biến và Arduino cùng khối kết nối Internet qua mạng không dây được nêu trên hình 2 [3,4].

Hình 2. Minh họa một hệ thống đo các thông số môi trường và giám sát qua Internet.

Thiết kế hệ thống đo, giám sát nhiệt độ, độ ẩm và cảm biến mưa qua mạng Internet

Để thiết kế hệ thống đo và giám sát một số thông số môi trường, tác giả sử dụng các cảm biến DHT11 đo nhiệt độ, độ ẩm không khí, cảm biến đo độ ẩm đất kiểu điện dung và cảm biến mưa; sử dụng kit Mega 2560 và module ESP8266 cho phép kết nối Internet qua mạng không dây. Sơ đồ khối của hệ thống như hình 3.

Cảm biến DHT11

Cảm biến DHT11 là một cảm biến thông dụng và giao tiếp qua một đường dây tín hiệu duy nhất với mạch xử lý. Cảm biến đã được tích hợp bộ tiền xử ý tín hiệu. Do đó, dữ liệu thu được rất chính xác không cần thông qua bất cứ tính toán nào [5]. Nó cho phép đo đồng thời nhiệt độ và độ ẩm của môi trường không khí.

Hình 3. Ảnh thực tế của DHT11.

Cảm biến độ ẩm đất

Cảm biến độ ẩm đất bao gồm 2 thành phần là một đầu dò và một mạch xử lý tín hiệu. Hình ảnh thực tế của cảm biến cho trên hình 4. Cảm biến có một biến trở điều chỉnh độ nhạy của đầu ra kỹ thuật số (D0), một đèn LED và một đầu ra kỹ thuật số LED. Hoạt động của cảm biến đơn giản là các điện áp đầu ra cảm biến thay đổi cho phù hợp với hàm lượng nước trong đất.

Khi đất là ẩm thì điện áp đầu ra giảm, còn khi đất khô thì điện áp đầu ra tăng. Các giá trị ngưỡng cho tín hiệu kỹ thuật số có thể được điều chỉnh bằng cách sử dụng chiết áp [5].

Hình 4. Ảnh thực tế cảm biến độ ẩm đất.

Cảm biến mưa

Cảm biến nước được làm từ một tấm nhựa Bakelite hoặc nhựa mica, với kích thước cỡ 5cmx4cm. Ở hai bên mặt được in dây dẫn bằng kim loại được dính chặt bằng keo epoxy. Khoảng cách các dây bên trong khoảng 3-5 mm.

Hình 5. Cảm biến mưa.

Khi không có mưa, trở kháng giữa các dây sẽ rất cao và sẽ không có sự truyền dẫn giữa các dây trong bộ cảm biến. Khi có mưa rơi vào tấm cảm biến, nó sẽ làm ngắn các điểm A và B lại và lúc đó sẽ có sự truyền dẫn giữa các dây [5].

Arduino Mega2560

Arduino Mega2560 là một hệ thống sử dụng vi điều khiển ATmega2560. Kit có 54 chân vào/ra số trong đó 15 chân có thể dùng như các chân điều chế độ rộng xung PWM, 16 chân lối vào tương tự, 4 cổng giao tiếp nối tiếp, 1 cổng giao tiếp USB và sử dụng thạch anh 16 MHz [6].

Tương tự các kit khác, Arduino Mega2560 cho phép nạp chương trình qua cổng USB giao tiếp với máy tính. Nguồn cấp cho hệ thống có thể dùng qua cổng USB hoặc một Adaptor biến đổi điện áp AC thành DC hay thậm chí bằng một nguồn Pin.

ESP 8266

ESP8266 là dòng chip tích hợp WiFi 2,4GHz có thể lập trình, nó có khả năng kết nối WiFi một cách nhanh chóng với rất ít linh kiện đi kèm [6]. Module ESP8266 có các chân dùng để cấp nguồn và thực hiện kết nối.

Thiết kế hệ thống

Dựa trên các thành phần của hệ thống và sơ đồ khối hình 2. Một hệ thống đo nhiệt độ, độ ẩm và cảm biến mưa được xây dựng như ở hình 7.

Hình 7. Sơ đồ hệ thống đo nhiệt độ, độ ẩm và cảm biến mưa.

Kết nối qua Bink Server

Trong nghiên cứu này sử dụng Web Server Blynk để kết nối điện thoại dùng để giám sát thiết bị kết nối qua mạng Internet. Sơ đồ kết nối như hình 8 dưới đây. Giao diện và ảnh hệ thống thực tế đo độ ẩm, nhiệt độ và điều khiển máy bơm trên hình 9.

Hình 8. Kết nối hệ thống qua Blink.

Kết luận

Hệ thống cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm và cảm biến mưa đã được xây dựng trên cơ sở sử dụng Kit Arduino Mega2560 và ESP8266. Tín hiệu đo được truyền qua Internet giúp người dùng có thể giám sát và điều khiển qua các thiết bị di động thông minh. Hệ thống có thể được ứng dụng cho nhà kính nông nghiệp hay những hệ thống IoT khác.

Tài liệu tham khảo

[1] Phạm Mạnh Toàn, Xây dựng hệ thống giám sát nhiệt độ, độ ẩm trong nhà kính nông nghiệp dựa trên công nghệ mạng không dây WiFi, TC KHCN Nghệ An số 8/2016.

[2] Anisha Sinha, Study on IoT (Internet of Things) and its Applications.International Journal for Research in Applied Science & Engineering Technology (IJRASET), Volume 8 Issue VI June 2020, pp2553-2556.

[3] Ankita1, Mayakumari B, Amulya M, Chaithra G, Ms. Dhivya V, Smart Water Management in Agricultural Land using IoT Technologies. International Journal for Research in Applied Science & Engineering Technology (IJRASET) , Volume 8 Issue VIII Aug 2020, pp300-302.

[4] Mr. Elaiyaraja P, Vivek Goudannavar, Vineeth N N, Yashas N, Keshav Anand, Smart Irrigation System using IoT. International Journal for Research in Applied Science & Engineering Technology (IJRASET), Volume 8 Issue VI June 2020, pp670-673.

[5] http://arduino.vn/

[6] https://www.arduino.cc/