Thiết kế hệ thống chăm sóc thú cưng tự động

1.  Tính cấp thiết

Sự phát triển mạnh mẽ của các ngành khoa học công nghệ nhất là trong giai đoạn cách mạng công nghiệp hóa 4.0 hiện nay, đóng vai trò thiết yếu trong quá trình phát triển đất nước và trên toàn thế giới. Do đó, chúng ta phải biết nắm bắt, tận dụng cơ hội và vận dụng nó một cách hiệu quả nhằm góp phần vào sự phát triển của nền khoa học công nghệ của nước ta, bên cạnh đó còn thúc đẩy sự phát triển của nền kinh tế nước nhà.

Nền công nghệ đang phát triển ở nước ta, gần như các thiết bị điện tử trong đời sống của các gia định hiện nay đa số đều hoạt động độc lập với nhau, mỗi thiết bị có quy trình sử dụng khác nhau tùy thuộc vào sự thiết lập, cài đặt của người sử dụng, chúng chưa có sự liên kết với nhau. Vì vậy, chúng ta phải là những người mang đến sự thống nhất của công nghệ đến với nhau.

Nước ta dần đang phát triển về mọi mặt, vì vậy nhu cầu sống của con người cũng được cải thiện, từ đó họ sẽ có thời gian nuôi cho mình một vài vật nuôi trong nhà. Vì vậy, việc áp dụng mô hình tự động truy xuất giờ và thức ăn cho chúng rất cần thiết. Ngoài ra, mô hình này có thể phát triển trong chăn nuôi công nghiệp theo hướng hiện đại, giúp gia tăng năng suất chăn nuôi và đảm bảo được sức khỏe của vật nuôi. Giúp con người có thể tiết kiệm được thời gian và quản lý được lượng thức ăn của vật nuôi. Đó là lý do nên chọn dự án “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG CÂN KHỐI LƯỢNG THỨC ĂN CHO VẬT NUÔI”- một mô hình định lượng khối lượng thức ăn phù hợp cho vật nuôi.

2. Mục đích nghiên cứu

• Thiết kế thiết bị có thể yêu cầu và kiểm tra khối lượng thức ăn cho vật nuôi để giám sát lượng thức ăn cần cung cấp cho chúng, giúp chúng ổn định về cân nặng và sức khỏe.
• Thiết bị có kết nối với LCD để hiển thị kết quả cân được và so sánh với khối lượng yêu cầu nhập từ Key trước.
• Đối với thiết bị cần nghiên cứu này, việc kiểm tra dễ dàng khi được hiển thị kết quả và lời thông báo cho khối lượng và led nhấp nháy. Sản phầm đơn giản, dễ dùng và được sử dụng như một sản phẩm hỗ trợ cân không chỉ riêng thức ăn cho vật nuôi mà còn cho nhiều ứng dụng khác nhau trong cuộc sống.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1. Đối tượng nghiên cứu

• Nghiên cứu cách thức giao tiếp, nguyên lý hoạt động, cách sử dụng của module Arduino Uno R3.
• Nghiên cứu cách thức giao tiếp giữa cân Loadcell - Module HX711, nút nhấn, LCD – I2C, Stepper Motor - driver A4988, Water Sensor, cảm biến siêu âm HC- SR04 với Arduino Uno R3.
• Nghiên cứu cách thức giao tiếp giữa Arduino Uno R3 và ESP8266 wifi để kết nối gửi dữ liệu lên web và app để theo dõi.
• Nghiên cứu và lên thiết kế mô hình hệ thống.
• Nghiên cứu cách thức liên kết tất cả các thiết bị trên với nhau để tạo thành một phần mềm thống nhất và hoàn chỉnh.
• Nghiên cứu kiến thức về khối lượng thức ăn cho vật nuôi theo từng loại để đưa ra kết luận chính xác cần cung cấp lượng thức ăn vừa phải để đảm bảo tình trạng sức khỏe của vật nuôi.

3.2. Phạm vi nghiên cứu

• Hệ thống nhận giá trị từ nút nhấn bao gồm chu kỳ thời gian hoạt động của hệ thống, khối lượng điều kiện cần.
• Sau đó, Stepper Motor hoạt động theo chu kỳ và lần lượt theo thứ tự.
• Thức ăn trong hộp dữ trữ sẽ được trích ra lần lượt theo máng quay và đưa xuống Loadcell. Từ đó, 2 giá trị sẽ được so sánh với nhau.
• Kết quả thực nghiệm và đánh giá hiển thị ra thông số trên màn hình LCD. Điều này, giúp người dùng có thể biết được giá trị khối lượng cần cung cấp cho vật nuôi trong mỗi lần cho chúng ăn.
• Ngoài ra, hệ thống còn sử dụng 2 loại cảm biến để giám sát khối lượng thức ăn và mực nước để gửi dữ liệu thông qua ESP9266 wifi đưa lên app để giám sát.
• Nghiên cứu lý thuyết liên quan.
• Kiểm thử, đánh giá và đưa ra các kiến nghị về sản phẩm.

4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

4.1. Cách tiếp cận

Tiếp cận từ nhu cầu thực tiễn, nghiên cứu lý thuyết từ đó đưa ra các giải pháp để giải quyết vấn đề.

4.2. Phương pháp nghiên cứu

• Nghiên cứu lý thuyết.
• Thiết kế, thi công, mô phỏng trên máy tính.
• Xây dựng lưu đồ thuật toán, viết chương trình.
• Kiểm thử và đưa vào áp dụng thực tế.

5. Mô hình hệ thống:

5.1. Mô tả:

Hệ thống giám sát khối lượng thức ăn cho vật nuôi bao gồm 7 khối cơ bản:

-         Khối cấp nguồn.

-         Khối xử lý trung tâm.

-         Khối hiển thị.

-         Khối Website Database.

-         Khối điều khiển.

-         Khối tiếp nhận dữ liệu.

-         Khối cơ cấu chấp hành.

Trong đó:

-         Khối cấp nguồn: cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống.

-         Khối xử lý trung tâm: khối điều khiển, khối tiếp nhận dữ liệu, khối cơ cấu chấp hành, khối Website database, khối hiển thị.

-         Khối Website database: khối giao tiếp người dùng.

-         Khối hiển thị: màn hình LCD.

-         Khối điều khiển: Driver A4988 ( Step 1, Step 2).

-         Khối tiếp nhận dữ liệu: khối nhập dữ liệu ( nút nhấn), module HX711 ( cân loadcell).

-         Khối cơ cấu chấp hành: HC-SR04 Sensor, Water Sensor.

5.2. Phân tích thành phần các khối

Chức năng các khối:

-         Khối cấp nguồn: cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống.

-         Khối xử lý trung tâm: nhận và xử lý các tín hiệu từ các khối chuyển về và gửi đi.

-         Khối hiển thị: hiển thị thông số để giám sát.

+ Màn hình LCD: hiển thị thông số.

-         Khối Website Database: nhận dữ liệu từ khối xử lý trung tâm, đưa các dữ liệu của hệ thống lên website. Từ đó, giúp người dùng có thể giám sát hoạt động từ xa mà không cần giám sát trực tiếp.

+  Khối giao tiếp người dùng: giúp người dùng theo dõi dựa trên biểu đồ và thông số trên giao diện được thiết kế trên Website.

-         Khối điều khiển: có chức năng nhận lệnh từ khối xử lý trung tâm để điều khiển các động cơ hoạt động theo cơ chế được cài đặt.

+ Module Driver A4988: điều khiển động cơ bước chỉ với 2 chân từ bộ điều khiển hoặc một chân để điều khiển hướng quay và chân kia để điều khiển các bước. Step và Direction sử dụng để điều khiển chuyển động của động cơ. Chân Direction điều khiển hướng quay của động cơ và kết nối nó với một trong các chân kỹ thuật số trên vi điều khiển của Board Arduino. Với chân Step, chúng ta điều khiển mirosteps của động cơ và với mỗi xung được gửi tới chân này, động cơ sẽ di chuyển một bước. Vì vậy, điều đó có nghĩa là không cần bất kỳ chương trình phức tạp, board chuyển pha, dòng điều khiển tần số, v.v., vì trình dịch tích hợp của Driver A4988 đảm nhiệm mọi thứ.

+ Step 1: quay trục để thức ăn trong hộp chứa đổ xuống cân.

+ Step 2: đẩy hộp chứ trên cân để cung cấp thức ăn.

-         Khối tiếp nhận dữ liệu: tiếp nhận dữ liệu từ phần cơ khi được set, sau đó gửi dữ liệu về khối xử lý trung tâm để xử lý và điều khiển.

+ Khối nhập dữ liệu: nút nhấn có nhiệm vụ nhập số liệu để set thời gian và khối lượng.

+ Module HX711: module chuyển đổi analog sang digital 24-bit. HX711 được thiết kế để chuyển đối tín hiệu và ứng dụng điều khiển công nghiệp để giao tiếp trực tiếp với một cảm biến cầu. Phản ứng nhanh, khả năng chống nhiễu, và độ tin cậy cao. Đây là mạch đọc giá trị cảm biến loadcell với độ phân giải 24bit và chuyển sang giao tiếp 2 dây ( clock và data ) để gửi dữ liệu cho vi điều khiển/ Arduino.

+ Cân loadcell: khi một lực tác dụng lên loadcell, nó sẽ chuyển đổi các lực tác dụng thành tín hiệu điện. Các loadcell cũng thường được gọi là bộ chuyển đổi tải, bởi vì nó chuyển đổi một lực thành tín hiệu điện.

-         Khối cơ cấu chấp hành: tiếp nhận dữ liệu thu thập trong mỗi chu kỳ và gửi về khối xử lý trung tâm.

+ HC – SR04: đo khoảng cách để xác định các mức thức ăn hiện tại.

+ Water sensor: được sử dụng để phát hiện nước tiếp xúc lên bề mặt cảm biến từ đó xác định mực nước.