Bài báo này trình bày về thiết kế, chế tạo và thực nghiệm một hệ thống cắm cảm biến vào giá thể trồng cây trong môi trường nhà màng với một kết cấu tạo rung động. Một bộ rung đã được bố trí trên khung gắn cảm biến độ ẩm nhằm giảm lực cản khi ghim. Cơ cấu cắm cảm biến tự động qua liên kết bốn thanh gắn trên một cánh tay rô-bốt. Thí nghiệm đo lực ghim dải tần số rung từ 9,5 Hz đến 22 Hz cho thấy kết quả tối ưu là 14,5 Hz. Lực cản trong quá trình cắm được đo bằng cảm biến tải (loadcell) kết nối với mạch chuyển đổi tín hiệu ADC HX711. Dữ liệu về lực và tần số rung được truyền theo thời gian thực từ vi điều khiển đến máy tính thông qua giao diện lập trình bằng C# để giám sát và phân tích. Các kết quả cho thấy việc cắm cảm biến có hỗ trợ rung giúp giảm 38% lực cản. Nghiên cứu này cung cấp nền tảng đầy hứa hẹn cho việc phát triển các hệ thống rô-bốt tự động nhằm giám sát độ ẩm đất trong canh tác cây trồng trong nhà màng, góp phần vào nền nông nghiệp thông minh và bền vững hơn.
Từ khóa: Rô-bốt, tần số rung, cảm biến độ ẩm, giám sát lực
DESIGN AND EXPERIMENTAL EVALUATION OF AN AUTOMATIC CONTROL SYSTEM FOR STUDYING THE EFFECT OF VIBRATION FREQUENCY ON MOISTURE SENSOR INSERTION FORCE INTO PLANT SUBSTRATE, APPLIED TO A GREENHOUSE ROBOT MODEL
ABSTRACT
This paper presents the design, fabrication, and experimental evaluation of a vibration-assisted insertion system for embedding sensors into plant-growing substrates in greenhouse environments. A vibration module was integrated with a moisture sensor probe to reduce insertion resistance, which is a critical challenge in deploying sensors in semi-compressible media. The sensor insertion mechanism was automated using a four-bar linkage system mounted on a robotic platform, enabling precise and repeatable deployment. Experimental results demonstrated that the optimal vibration frequency range for minimizing insertion force lies between 9.5 Hz and 22 Hz. The resistance force during insertion was measured using a load cell connected to an HX711 ADC signal conversion circuit. Real-time force and vibration frequency data were transmitted from a microcontroller to a computer via a C#-based interface for monitoring and analysis. The findings suggest that vibration-assisted sensor insertion significantly reduces mechanical resistance and enhances deployment efficiency. This research provides a promising foundation for developing automated robotic systems for soil moisture monitoring in greenhouse cultivation, contributing to smarter and more sustainable agriculture practices.
Keyword: Robot, vibration frequency, moisture sensor, force monitoring
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong nông nghiệp nhà màng hiện đại, việc triển khai chính xác các cảm biến vào giá thể trồng cây đóng vai trò then chốt trong việc duy trì các điều kiện tối ưu cho sự phát triển cây trồng. Tuy nhiên, quá trình ghim cảm biến vào các loại giá thể có độ nén hoặc bán nén thường gặp phải lực cản cơ học, dẫn đến việc lệch vị trí cảm biến, hư hỏng phần tử cảm biến hoặc thu thập dữ liệu không chính xác. Vấn đề này đặc biệt quan trọng trong quá trình trồng dưa lưới (Cucumis melo), nơi việc theo dõi điều kiện vùng rễ theo thời gian thực như độ ẩm, nhiệt độ và dinh dưỡng là cực kỳ cần thiết để tối ưu hóa năng suất.
Ứng dụng dao động cơ học để giảm lực cắm đã được nghiên cứu rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật công nghiệp và xây dựng, đặc biệt là trong kỹ thuật đóng cọc có hỗ trợ rung và trong y học khi đưa kim phẫu thuật vào mô mềm. Nhiều nghiên cứu cho thấy chuyển động dao động ở tần số thích hợp có thể làm giảm ma sát và lực cản khi xuyên vào vật liệu dạng hạt hoặc vật liệu đàn hồi nhớt. Tuy nhiên, nguyên lý này mới chỉ được ứng dụng gần đây trong lĩnh vực nông nghiệp, và khả năng áp dụng rung cơ học để hỗ trợ ghim cảm biến vào giá thể cây trồng vẫn chưa được nghiên cứu sâu [1-4]. Khalaji [1] Nghiên cứu này phân tích lực ma sát giữa kim và mô trong quá trình chèn kim hỗ trợ dao động. Nghiên cứu chỉ ra rằng dao động có thể giảm ma sát, từ đó cải thiện hiệu quả và độ chính xác trong quá trình chèn kim vào mô mềm. Li [5] Nghiên cứu này phân tích ảnh hưởng của dao động lên hệ số ma sát giữa cọc và đất trong quá trình đóng cọc. Kết quả cho thấy việc áp dụng dao động làm giảm đáng kể lực ma sát, từ đó tăng hiệu quả đóng cọc. Rainer [6] tổng quan về thực trạng sử dụng phương pháp đóng cọc bằng dao động, phân tích ảnh hưởng của tần số dao động đến quá trình đóng cọc và khả năng chịu tải của cọc. Nghiên cứu cho thấy việc sử dụng dao động có thể giảm lực cản và tăng hiệu quả đóng cọc. Dobbelsteen [7] tổng hợp các dữ liệu thực nghiệm về lực tương tác giữa kim và mô trong quá trình cấy kim y tế. Các tác giả phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến lực cản khi xuyên bao gồm tốc độ, góc và đặc tính của mô. Teng [8] nghiên cứu này mô phỏng cơ chế ma sát trong hệ thống đóng cọc bằng dao động, phân tích ảnh hưởng của dao động đến lực ma sát và hiệu quả đóng cọc. Kết quả cho thấy việc áp dụng dao động có thể giảm lực ma sát, từ đó tăng hiệu quả đóng cọc. Trong khi Shin-Ei và cộng sự [9] nghiên cứu hiệu quả của việc sử dụng rung động để giảm lực cần thiết khi chèn thiết bị y tế vào mô sinh học. Astashev và Babitsky [10] trình bày toàn diện về nguyên lý động lực học, điều khiển và ứng dụng của các quá trình và máy siêu âm trong công nghiệp. Tác giả nhấn mạnh vai trò của rung động siêu âm trong việc cải thiện hiệu suất gia công, giảm lực cắt và nâng cao độ chính xác. Nội dung cũng đề cập đến các ứng dụng đa ngành như khoan, hàn, và chèn vật thể vào vật liệu với lực cản thấp hơn nhờ tác động rung. Tuy nhiên, rất ít nghiên cứu xem xét lợi ích cơ học của rung trong quá trình ghim cảm biến, cụ thể là trong các loại giá thể như cát, xơ dừa, phân chuồng thường dùng để trồng dưa lưới.
Nghiên cứu này trình bày việc thiết kế và kiểm nghiệm thực nghiệm một cơ cấu hỗ trợ rung khi ghim cảm biến, nhằm mục đích giảm thiểu lực cản trong quá trình ghim cảm biến vào giá thể trồng cây. Một cảm biến lực được sử dụng để ghi nhận sự thay đổi của lực ghim dưới tác động của các tần số rung khác nhau. Thông qua việc phân tích các phản hồi lực này, hệ thống có thể xác định tần số rung tối ưu giúp giảm lực cản cơ học, từ đó cho phép triển khai cảm biến một cách mượt mà và hiệu quả. Bộ phận rung được tích hợp lên một nền tảng rô-bốt có trang bị động cơ DC truyền động, cảm biến lực, và cơ cấu ghim tự động, cho phép thực hiện thao tác ghim cảm biến lặp lại chính xác vào các bầu trồng dưa lưới. Sự tích hợp này không chỉ nâng cao độ chính xác mà còn mở ra tiềm năng triển khai cảm biến hoàn toàn tự động trong các nhà màng công nghệ cao
Nghiên cứu này hướng đến các mục tiêu cụ thể sau: Thiết kế và chế tạo một cơ cấu ghim cảm biến hỗ trợ rung, có khả năng điều chỉnh tần số và biên độ. Tích hợp hệ thống cảm biến lực để đo lực cản trong quá trình ghim cảm biến dưới các điều kiện rung khác nhau. Xác định tần số rung tối ưu giúp giảm thiểu lực cản khi ghim cảm biến vào giá thể trồng dưa lưới. Ứng dụng hệ thống vào nền tảng rô-bốt di động, cho phép ghim cảm biến tự động, chính xác và lặp lại. Đánh giá hiệu suất của hệ thống thông qua các thử nghiệm thực tế trong điều kiện nhà màng.
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Trong nghiên cứu này, một hệ thống cắm cảm biến có hỗ trợ rung đã được thiết kế nhằm khảo sát ảnh hưởng của tần số dao động đến lực ghim cảm biến độ ẩm vào giá thể trồng cây. Hệ thống bao gồm một đầu dò cảm biến độ ẩm tích hợp bộ phận rung, gắn trên cơ cấu tay đòn bốn thanh điều khiển tự động bởi mạch điều khiển tự động trên rô-bốt.
Kết cấu rung tạo ra dao động theo phương thẳng đứng trong dải tần từ 9,5 Hz đến 22 Hz, nhờ cơ cấu rung được lắp đặt trên khung cùng đầu ghim cảm biến. Lực ghim được đo bằng cảm biến lực (loadcell) kết nối với mạch chuyển đổi tín hiệu ADC (HX711), đảm bảo độ phân giải 24-bit trong quá trình ghi nhận lực tác động. Vi điều khiển Atmega328P thực hiện việc thu thập dữ liệu và truyền về máy tính thông qua giao tiếp UART. Dữ liệu được hiển thị và lưu trữ theo thời gian thực bằng phần mềm giám sát trên máy tính dùng ngôn ngữ C#, cho phép giá trị đo của thí nghiệm có thể theo dõi trực tiếp trong quá trình thí nghiệm. Tần số rung có thể được điều chỉnh để khảo sát ảnh hưởng đến lực ghim trong nhiều điều kiện khác nhau. Toàn bộ thí nghiệm được đồng bộ hóa để đảm bảo việc ghi nhận dữ liệu diễn ra liên tục và không bị gián đoạn.
Để triệt tiêu nhiễu do xung rung gây ra trên tín hiệu lực, thuật toán lọc trung bình trượt được áp dụng. Bộ lọc này cho phép làm mịn tín hiệu và thể hiện chính xác thành phần lực ổn định trong quá trình ghim. Số mẫu trong quá trình lọc được lựa chọn để làm mượt tín hiệu phản hồi. Việc xử lý tín hiệu nhiễu giúp làm mịn kết quả đo và sử dụng để phân tích kết quả nghiên cứu.
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.1. Thiết kế mô hình rô bốt đo độ ẩm bầu giá thể
Sơ đồ nguyên lý cấu tạo rô-bốt ghim cảm biến được thể hiện ở Hình 1. Mô hình sử dụng cảm biến đo độ ẩm của giá thể được gắn trên khung của rô-bốt, được thể hiện ở Hình 1a. Phần thân rô-bốt (1) bao gồm khung và các con lăn chạy trên ray thanh răng, được dẫn động bởi động cơ DC. Một cánh tay rô-bốt (2) có gắn cảm biến đo độ ẩm (8), với phần đo bao gồm ba que inox dài 70 mm, sử dụng mạch điện tử để thu thập dữ liệu độ ẩm của giá thể. Cảm biến này được thiết kế có khả năng dịch chuyển theo phương thẳng đứng nhờ vào cấu trúc bốn khâu bản lề (5) liên kết với bộ khung, cho phép đầu đo di chuyển thẳng đứng với vị trí và vận tốc được kiểm soát. Chiều sâu ghim của que cảm biến vào giá thể được giới hạn ở mức 50 mm, được điều khiển bởi tín hiệu phản hồi từ công tắc hành trình. Lực tạo ra sự di chuyển của cảm biến được cung cấp bởi một động cơ DC (3) sử dụng điện áp 12 V, kết hợp với hộp số giảm tốc (4) có tỷ số truyền 1:100. Lò xo số (6) giúp liên kết giữa phần khung gắn cảm biến và khung cánh tay. Động cơ DC số (7) được gắn cam lệch tâm để tạo dao động. Để xác định lực ghim của cảm biến vào giá thể, một cảm biến lực (loadcell) số (10) được bố trí dưới đáy chậu giá thể số (9). Hình 1b thể hiện rô-bốt được thiết kế dạng 3D, Hình 1c thể hiện hình ảnh của rô-bốt khi tiến hành thí nghiệm.
Hình 1. Mô hình rô-bốt ghim cảm biến vào giá thể tự động: a) Sơ đồ cấu tạo; b) Được thiết kế dạng 3D; c) Hình ảnh sau chế tạo và thử nghiệm
Vận tốc của động cơ được điều chỉnh thông qua vi điều khiển sử dụng phương pháp điều khiển độ rộng xung (PWM), giúp kiểm soát chính xác tốc độ di chuyển lên xuống của cảm biến. Phần trên của cảm biến được trang bị động cơ DC (7), tạo ra dao động nhờ vào cam lệch tâm gắn trên trục động cơ. Tần số dao động này có thể được điều khiển thông qua vận tốc quay của động cơ DC, với sự điều chỉnh từ phương pháp PWM, và sự bằng cách điều chỉnh điện áp trên chân Gate của MOSFET. Khi cảm biến ghim vào giá thể (9), lực ép của cảm biến được thu thập bởi cảm biến đo lực đặt dưới đáy bầu giá thể (10). Loại cảm biến đo lực sử dụng là load cell 10 kg, và dữ liệu được thu thập qua IC ADC có độ phân giải 24-bit, mã số HX711. Tín hiệu này được truyền trực tuyến và đọc qua máy tính, cho phép người sử dụng lưu trữ và phân tích dữ liệu để vẽ đồ thị mô phỏng quá trình thay đổi giá trị của cảm biến. Mô hình rô-bốt xác định lực ghim của cảm biến vào giá thể sau khi được chế tạo thử nghiệm và thí nghiệm đo lực thể hiện ở hình 1b. Quá trình thu thập dữ liệu liên tục giúp khảo sát sự thay đổi tần số dao động của cảm biến khi ghim vào giá thể trong các điều kiện khác nhau, phục vụ cho các nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp hoặc các mô hình đo lường tự động hóa.
Bài toán động học cho kết cấu ghim que cảm biến vào giá thể được mô hình toán như sau: Xác định phương trình động học của hệ thống gồm 3 que kim loại nhỏ có đường kính 3mm, chiều dài 70mm, được ghim xuống đất bằng phương pháp rung với chiều sâu 50mm. Mục tiêu là xây dựng mô hình toán học để khảo sát chuyển động của que trong giá thể, từ đó đánh giá khả năng và tính ổn định.
Phương trình lực tạo ra do cơ cấu rung có dạng điều hòa như phương trình (1), tham khảo theo [11]
(1)
Trong đó:
- F: lực tác động vào kết cấu ghim cảm biến xuống giá thể (N)
- F0: Biên độ lực tác động vào cảm biến theo chiều thẳng đứng (N)
- ω: tần số góc lực tác động theo thời gian t
Phương trình dao động mỗi que cảm biến đo độ ẩm
(2)
Gộp 3 que thành một mô hình toán tổng theo như phương trình (3)
(3)
Trong đó:
- m = 0,05 kg khối lượng đại diện của một que cảm biến
- M = 0,15 kg khối lượng của cảm biến độ ẩm và tấm nhôm liên kết
- C = 0,15 Ns/m hệ số ma sát
- k = 1.262.028 N/m
- z(t): vị trí cọc định vị theo phương thẳng đứng oz theo thời gian
- L khoảng cách đặt lực đến đầu ghim
Diện tích que cảm biến đo độ ẩm tiếp xúc với đất (1 que):
(4)
Với Es = 8,61.104 Pa, ta có:
Đặc trưng chuyển động của que đo cảm biến độ ẩm: Hệ là một dao động cưỡng bức tắt dần; đáp ứng phụ thuộc vào biên độ
(5)
Với quan hệ 2π×tần số rung = rad/s, từ đó mạch điều khiển được lập trình để thực hiện ghim cảm biến vào bầu giá thể trồng dưa lưới trong nhà màng với dải tần số dao động từ 9,5 Hz đến 22 Hz, tăng dần theo bước 0,5 Hz, kết quả thử nghiệm được thể hiện ở hình 6.
3.2. Quy trình thực nghiệm
Tiến hành các thử nghiệm ghim cảm biến với nhiều giá trị tần số kích thích khác nhau. Ghi lại lực ghim theo thời gian thực thông qua cảm biến lực, đồng thời lưu trữ vào thẻ nhớ (SD) và xuất dữ liệu qua cổng USB từ vi điều khiển qua máy tính và lưu file dữ liệu dạng Excell. Sơ đồ khối nguyên lý điều khiển rô bốt thu thập dữ liệu độ ẩm tự động được thể hiện ở hình 2.
Hình 2. Sơ đồ khối điều khiển rô-bốt đo độ ẩm giá thể trong chậu tự động
Bộ điều khiển của mô hình thí nghiệm sử dụng vi điều khiển Atmega328P, với chương trình điều khiển được lập trình bằng ngôn ngữ C. Tín hiệu từ cảm biến lực (loadcell) trước khi truyền về vi điều khiển được khuếch đại và chuyển đổi từ dạng tương tự sang dạng số (ADC) thông qua mạch chuyển đổi tín hiệu HX711. Vi điều khiển tiếp nhận và xử lý tín hiệu số để xác định lực ghim của cảm biến vào giá thể. Đồng thời, vi điều khiển điều khiển mạch cầu H để cấp nguồn cho động cơ DC, thực hiện thao tác ghim cảm biến theo phương thẳng đứng. Cấu trúc điều khiển này cho phép điều khiển quá trình đo độ ẩm của giá thể có thể kiểm soát được vị trí và vận tốc. Thí nghiệm được lặp lại 30 lần để đảm bảo tính ý nghĩa cho việc xử lý số liệu, tính toán độ lệch chuẩn. Giá thể được chuẩn bị với độ ẩm và độ nén kiểm soát để đảm bảo tính đồng nhất giữa các mẫu.
3.3. Thu thập và phân tích dữ liệu
Quá trình thu thập và xử lý dữ liệu lực tác động được thực hiện thông qua một hệ thống đo lường dùng cảm biến lực, nhằm khảo sát ảnh hưởng của rung động đến lực tác động lên bầu giá thể. Dữ liệu nhiệt độ được ghi nhận liên tục trong suốt quá trình ghim cảm biến vào bầu giá thể, phục vụ mục tiêu kiểm soát điều kiện môi trường trong thí nghiệm. Toàn bộ hệ thống bố trí thí nghiệm được mô tả chi tiết ở Hình 1.
Để xác định sự biến đổi của lực trong điều kiện rung động, một kết cấu cân bằng cơ học đã được thiết kế và lắp đặt. Cấu trúc này bao gồm hai bầu giá thể được đặt đối xứng trên một thanh đòn có khớp xoay ở chính giữa. Một đầu của thanh đòn đè cảm biến lực dạng loadcell, trong khi đầu còn lại được để tự do nhằm cho phép thanh đòn dao động dưới tác động khi ghim. Trong trạng thái ban đầu, kết cấu được hiệu chỉnh cho hai bầu giá thể đạt trạng thái gần như cân bằng. Khi đó, lực tác động lên cảm biến là rất nhỏ, gần như bằng không. Một chương trình hiệu chuẩn điểm không được triển khai ngay sau giai đoạn này nhằm thiết lập giá trị tham chiếu ban đầu cho chuỗi dữ liệu lực thu thập sau đó. Tiếp theo, cơ cấu tạo rung động được điều khiển cho hoạt động. Cơ cấu này bao gồm một động cơ gắn cam lệch tâm để tạo giao động, có thể điều khiển tần số thông qua phương pháp điều chỉnh độ rộng xung (PWM). Biên độ dao động được thử nghiệm bằng cách thay đổi các cam lệch tâm với nhiều khoảng cách lệch tâm khác nhau. Khoảng lệch tâm được thí nghiệm từ 0,2 đến 1,2 mm với bước thay đổi 0,1 mm. Kết quả khảo nghiệm sơ bộ cho thấy biên độ lệch tâm giúp cảm biến ghim thuận lợi nhất là 0,4 mm. Giá trị biên độ này được giữ xuyên suốt cho các thí nghiệm trình bày của bài báo này. Khi cơ cấu rung hoạt động, đồng thời ghim cảm biến vào bầu giá thể, thanh đòn mất cân bằng tạm thời, tạo ra sự thay đổi lực tại điểm tiếp xúc giữa thanh và cảm biến. Tín hiệu từ cảm biến lực sau đó cho ra tín hiệu điện rất nhỏ dưới dạng điện áp vi sai. Bộ chuyển đổi HX711 được sử dụng để khuếch đại tín hiệu điện áp vi sai từ loadcell và chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số thông qua bộ ADC tích hợp. Dữ liệu số sau khi chuyển đổi được truyền đến vi điều khiển thông qua giao tiếp hai dây (dữ liệu và xung nhịp) để xử lý và hiển thị lực đo được. Tiếp tục vi điều khiển truyền dữ liệu lực này lên máy tính thông qua cổng kết nối USB. Các dữ liệu thu thập được vừa được hiển thị trực quan trên giao diện phần mềm (real-time graph) vừa được lưu trữ đồng thời dưới định dạng tệp Excel để phục vụ phân tích đánh giá.
Hình 3. Kết quả quá trình thay đổi lực ghim cảm biến lên giá thể với nhiều tần số rung khác nhau a) Trước khi lọc, b) Sau khi lọc
Dữ liệu lực thu thập được trong quá trình thí nghiệm thể hiện ở Hình 3. Có thể quan sát thấy rằng, do ảnh hưởng từ rung động cơ cấu mà lực đo được không tuyến tính, tín hiệu đo lực ban đầu chứa nhiều dao động nhiễu và biến thiên không ổn định, như thể hiện ở Hình 3a. Để cải thiện độ tuyến tính của kết quả đo, một thuật toán xử lý tín hiệu đã được tích hợp trong chương trình điều khiển. Thuật toán sử dụng phương pháp tính trung bình trượt, nhằm làm mượt dữ liệu, loại bỏ nhiễu ngẫu nhiên và những đột biến tức thời không phản ánh đúng bản chất vật lý của quá trình. Kết quả sau xử lý được thể hiện tại Hình 3b, cho thấy tín hiệu lực trở nên ổn định hơn, phản ánh sự thay đổi lực theo thời gian.
Quá trình mỗi lần đo lực được tiến hành liên tục trong khoảng thời gian 5 giây, với chu kỳ lấy mẫu cố định là 100 ms/lần. Điều này cho phép thu được đủ số lượng mẫu để quan sát xu hướng lực tác động theo thời gian với độ phân giải phù hợp. Từ kết quả thử nghiệm, có thể ghi nhận rằng lực tác động lớn nhất lên bầu giá thể trong một số điều kiện rung đạt giá trị xấp xỉ 70 N, trong khi giá trị thấp nhất được ghi nhận vào khoảng 37 N. Biên độ lực này thay đổi rõ rệt theo các mức tần số kích thích khác nhau, phản ánh ảnh hưởng đáng kể của rung động đến phân bố lực ghim lên bầu giá thể.
3.4. Giao diện đọc giá trị cảm biến độ ẩm đất qua máy tính
Cảm biến độ ẩm đất được sử dụng để đo độ ẩm đất bầu giá thể trong nghiên cứu được thể hiện ở Hình 4. Cấu tạo bao gồm phần 3 đầu kim đo có đường kính 3 mm và chiều dài 70 mm, được chế tạo bằng vật liệu inox 316. Phần mạch điện tạo tín hiệu được gắn trên bên trong hộp nhựa và xuất tín hiệu theo tiêu chuẩn RS485.
Hình 4. Cảm biến đo độ ẩm bầu giá thể được sử dụng trong nghiên cứu
Một giao diện đo và đọc giá trị lực của cảm biến lực được thiết kế trên máy tính hỗ trợ việc thu thập giá trị của cảm biến lực được thể hiện ở hình 5. Ngôn ngữ C# dùng cho việc lập trình và khai báo các chức năng của các nút. Giao diện bao gồm bảng chứa thông số cổng COM (Combobox) nơi dùng để chọn loại cổng COM giao tiếp giữa vi điều khiển và C#, sau khi liên kết với vi điều khiển COM3 sẽ hiển thị và chọn nút kết nối. Tốc độ truyền (baudrate) được cài đặt ở mức cố định 57600, tham khảo theo [12].
Hình 5. Giao diện liên kết vi điều khiển và máy tính đọc dữ liệu từ cảm biến lực được thiết kế bằng ngôn ngữ C#
Khi nút nhấn “Bắt đầu” được nhấn giá trị được vi điều khiển truyền lên máy tính dạng chuỗi, sau đó cắt tách thành 3 thành phần: số thứ tự, giá trị lực và thời gian. Các ký tự này được biến đổi từ chuỗi thành số sau đó được lưu vào ô “ListView”. Đồng thời giá trị lực và thời gian được hiển thị liên tục ở phần cửa sổ đồ thị. Khi nhấn nút “Tạm dừng” giao diện truyền ký tự xuống cho vi điều khiển dừng việc truyền dữ liệu. Nút “Xuất file dữ liệu” dùng để lưu giá trị dữ liệu trong ListView khi được nhấn, một file dạng Ecell sẽ được lưu vào máy tính phục vụ cho việc xử lý số liệu và phân tích. Khi nhấn nút “Dừng” vi điều khiển sẽ ngắt kết nối với máy tính dừng việc thí nghiệm.
Hình 6. Lực ghim cảm biến lên giá thể với nhiều tần số rung khác nhau
Kết quả thử nghiệm xác định lực ghim của cảm biến lên bầu giá thể với nhiều tần số khác nhau được thể hiện ở Hình 6. Nhìn vào biểu đồ cho thấy khi lực tác dụng lên bầu giá thể nhiều độ lớn khác nhau tùy vào tần số rung khác nhau. Giá trị được tính bằng tổng giá trị lực thu được trong suốt quá trình chia cho số lần lấy mẫu. Tần số rung được điều chỉnh từ 9,5 đến 22 Hz với bước thay đổi là 0,5 Hz. Kết quả thí nghiệm cho thấy tần số tốt nhất cho việc ghim cảm biến độ ẩm vào giá thể nên điều khiển ở 14,5 Hz lúc này lực sẽ giảm được 38% so với tần số 9 Hz và 22 Hz.
Tóm lại: Thí nghiệm được thực hiện nhằm xác định lực ghim của cảm biến đo độ ẩm lên bầu giá thể ở độ sâu 50 mm. Kết quả cho thấy, tần số dao động tối ưu để giảm lực ghim là khoảng 14,5 kHz. Việc áp dụng tần số này giúp tối ưu hóa quá trình ghim cảm biến. Các kết quả thu được là cơ sở để điều khiển hoạt động của cánh tay rô-bốt trong hệ thống đo độ ẩm tự động nhờ rô-bốt trong nhà màng.
4. KẾT LUẬN
Quá trình ghim cảm biến đo độ ẩm vào bầu giá thể được thực hiện tự động bởi rô-bốt, cánh tay gắn trên rô-bốt được thiết kế có cấu tạo kết cấu 4 khâu bản lề giúp cảm biến di chuyển song song với phương thẳng đứng. Việc ghim cảm biến độ ẩm vào bầu giá thể được thực hiện nhờ động cơ điện DC và điều khiển tốc độ bởi vi điều khiển. Thời gian để cảm biến ghim là 5 giây, giá trị của cảm biến được đo và giám sát liên tục qua máy tính thông qua giao tiếp ở cổng USB. Tần số kích thích được điều khiển và khảo sát thực nghiệm từ 9,5 đến 22 Hz với bước thay đổi là 0,5 Hz. Độ sâu ghim của que cảm biến vào giá thể được giữ cố định ở 50 mm, được khống chế bởi công tắc hành trình. Kết quả thí nghiệm cho thấy với loại giá thể có khối lượng riêng là 1370 kg/m3, tần số tích hợp cho việc ghim cảm biến là 14,5 Hz. Kết quả này giúp cho việc thiết kế, chế tạo và điều khiển rô bốt thao tác đo độ ẩm tự động khi sử dụng cảm biến dạng que đo.
Tài trợ: Nghiên cứu này được tài trợ bởi quỹ nghiên cứu khoa học của Khoa Cơ khí- Công nhệ, Trường Đại học Nông Lâm Tp. Hồ Chí Minh với mã số CS-SV25-CK-03.
Tài liệu tham khảo
[1] Khalaji, I. et al. (2013) Analysis of needle-tissue friction during vibration-assisted needle insertion. IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems
[2] Martinović, G., et al. (2014). Greenhouse microclimatic environment controlled by a mobile measuring station. Njas-wageningen journal of life sciences, 70, 61-70.
[3] Durmuş, H.et al. (2016). Data acquisition from greenhouses by using autonomous mobile robot. In 2016 Fifth International Conference on Agro-Geoinformatics (Agro-Geoinformatics) (pp. 1-5). IEEE.
[4] Wang, J., et al. (2020, June). Soil moisture sensing with commodity RFID systems. In Proceedings of the 18th International Conference on Mobile Systems, Applications, and Services (pp. 273-285).
[5] Li, X. et al. (2011) Influence of vibration on interface friction of pile-soil system. Advanced Materials Research, 243, 6079-6082
[6] Rainer M. et al., (2022) Vibratory driving of piles and sheet piles–state of practice. Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Geotechnical Engineering, 175(1), 31-48
[7] Gerwen, D. et al. (2012) Needle–tissue interaction forces–A survey of experimental data. Medical engineering & physics, 34(6), 665-680
[8] Teng, Y. et al. (2013) Simulation on Vibration Friction Mechanism of Vibration Pile System. Applied Mechanics and Materials, 365, 416-419
[9] Shin-Ei, et al. (2001) Reduction of insertion force of medical devices into biological tissues by vibration. Japanese journal of medical electronics and biological Engineering, 39(4), 292-296
[10] Astashev, V. et al. (2007) Ultrasonic processes and machines: dynamics, control and applications. Springer Science & Business Media
[11] Inman, D et al. (1994) Engineering vibration (Vol. 3). Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall
[12] Brown, E. (2002). Windows Forms Programming with C#. Manning Publications Co
Ngày nhận bài: 25/6/2025
