Điều khiển và giám sát hệ thống trồng cây thủy canh qua Webserver

Đồ án điều khiển và giám sát hệ thống trồng cây thủy canh qua webserver - ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM

• Tác giả: Nguyễn Ngọc Hai
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Đông Hải
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Điều khiển và giám sát hệ thống trồng cây thủy canh qua Webserver
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống trồng cây thủy canh tự động

Thủy canh (Hydroponics) là phương pháp trồng cây không dùng đất. Cây được nuôi dưỡng hoàn toàn bằng dung dịch dinh dưỡng chứa đầy đủ khoáng chất cần thiết. Rễ cây tiếp xúc trực tiếp với dung dịch hoặc được đặt trong giá thể trung tính như xơ dừa, đá bọt, sỏi nhẹ. Phương pháp này mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với canh tác truyền thống. Năng suất tăng rõ rệt nhờ cây hấp thu dinh dưỡng trực tiếp, không qua lớp đất. Lượng nước tiêu thụ giảm đến 80–90% nhờ hệ thống tuần hoàn khép kín. Diện tích canh tác được tối ưu, có thể trồng cây theo chiều dọc, phù hợp với môi trường đô thị chật hẹp. Sâu bệnh hại cũng được kiểm soát tốt hơn vì không có đất là môi trường sinh sống của nhiều loại dịch hại. Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Ngọc Hai, thuộc Bộ môn Điều khiển Tự động, Khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, tập trung xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát thủy canh thông qua Webserver. Hướng nghiên cứu này kết hợp kỹ thuật điều khiển tự động với công nghệ IoT, mở ra tiềm năng ứng dụng lớn trong nông nghiệp thông minh tại Việt Nam.

1.1. Đặc điểm và ưu điểm của phương pháp thủy canh

Thủy canh cho phép kiểm soát chính xác các thông số môi trường sinh trưởng. Độ pH, nồng độ dinh dưỡng EC, nhiệt độ và ánh sáng đều có thể điều chỉnh linh hoạt theo từng loại cây. Cây sinh trưởng nhanh và đồng đều hơn canh tác truyền thống. Môi trường canh tác sạch, không cần thuốc trừ sâu, sản phẩm an toàn hơn cho người tiêu dùng. Hệ thống có thể triển khai trong nhà kính, trên mái nhà, hoặc trong không gian đô thị nơi đất canh tác khan hiếm.

1.2. Bối cảnh nghiên cứu tại ĐH SPKT TP. Hồ Chí Minh

Đồ án được thực hiện từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2025, dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Văn Đông Hải. Đề tài thuộc ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, phản ánh xu hướng ứng dụng IoT vào nông nghiệp thông minh. Mục tiêu chính là xây dựng hệ thống hoàn chỉnh, tích hợp cảm biến đa thông số, bộ điều khiển trung tâm và giao diện giám sát từ xa qua nền tảng web, phục vụ thực tiễn sản xuất và nghiên cứu học thuật.

II. Phân tích các thách thức trong giám sát thủy canh truyền thống

Hệ thống thủy canh thủ công đặt ra nhiều thách thức trong vận hành thực tiễn. Người canh tác phải theo dõi liên tục các thông số như pH, EC, nhiệt độ và mức nước. Sai lệch nhỏ trong dung dịch dinh dưỡng có thể gây hỏng toàn bộ vụ cây. Nếu pH lệch khỏi ngưỡng 5.5–6.5, cây không thể hấp thu khoáng chất dù dung dịch dinh dưỡng đầy đủ. Việc giám sát thủ công không thể duy trì liên tục 24/7, đặc biệt trong các trang trại quy mô lớn. Phản ứng chậm khi xảy ra sự cố dẫn đến thiệt hại kinh tế đáng kể. Ngoài ra, dữ liệu canh tác không được ghi chép hệ thống, gây khó khăn cho phân tích và tối ưu hóa về sau. Những hạn chế này tạo ra nhu cầu cấp thiết về một hệ thống tự động hóa thông minh. Hệ thống cần thu thập dữ liệu liên tục, phân tích theo thời gian thực và phản hồi tức thì khi các thông số vượt ngưỡng cho phép. Đây chính là bài toán trung tâm mà đồ án của Nguyễn Ngọc Hai đặt ra, áp dụng kiến thức điều khiển tự động để giải quyết vấn đề thực tiễn trong nông nghiệp.

2.1. Hạn chế của phương pháp theo dõi thủ công

Theo dõi thủ công đòi hỏi nhân lực thường xuyên và kinh nghiệm chuyên sâu. Người vận hành cần đo đạc nhiều thông số nhiều lần trong ngày. Sai số do cảm quan con người là không thể tránh khỏi. Trong điều kiện thời tiết cực đoan hoặc ban đêm, việc giám sát trở nên không khả thi. Phản ứng chậm trước sự cố như thiếu nước đột ngột hay pH lệch mạnh có thể gây hỏng cây trong vài giờ, gây thiệt hại lớn cho người sản xuất.

2.2. Yêu cầu kỹ thuật của hệ thống điều khiển tự động

Một hệ thống điều khiển thủy canh hiện đại cần đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật khắt khe. Cảm biến phải đo chính xác pH, EC, nhiệt độ, độ ẩm, mức nước và ánh sáng. Bộ xử lý trung tâm phải phản hồi theo thời gian thực. Giao diện giám sát phải trực quan, truy cập được từ xa qua thiết bị di động hoặc máy tính. Dữ liệu cần được lưu trữ có hệ thống để phân tích xu hướng và tối ưu hóa quy trình canh tác lâu dài.

III. Giải pháp điều khiển và giám sát thủy canh qua Webserver

Hệ thống được xây dựng theo kiến trúc nhiều lớp, kết hợp phần cứng cảm biến, vi điều khiển và nền tảng Webserver. Lớp thu thập dữ liệu bao gồm cảm biến pH, EC, nhiệt độ và độ ẩm không khí, cảm biến mức nước và cảm biến ánh sáng LDR. Bộ vi điều khiển ESP32 đóng vai trò xử lý trung tâm, đọc giá trị từ các cảm biến và so sánh với ngưỡng tham chiếu được lập trình sẵn hoặc lấy từ Firebase. Khi phát hiện sai lệch, hệ thống tự động kích hoạt thiết bị tương ứng: máy bơm dinh dưỡng, quạt làm mát, đèn LED trồng cây, van điện từ, hoặc máy bổ sung dung dịch pH. Toàn bộ dữ liệu được gửi lên Webserver và lưu trữ trong cơ sở dữ liệu Firebase. Người dùng truy cập giao diện web để xem thông số theo thời gian thực, lịch sử dữ liệu và nhận cảnh báo tự động khi có sự cố. Chu kỳ hoạt động lặp lại liên tục, thường là mỗi 5 phút đọc và xử lý dữ liệu một lần. Kiến trúc này đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định, tự động hóa hoàn toàn và cho phép giám sát từ xa mọi lúc, mọi nơi.

3.1. Kiến trúc phần cứng và lựa chọn vi điều khiển ESP32

ESP32 được lựa chọn làm bộ điều khiển trung tâm nhờ tích hợp sẵn Wi-Fi và Bluetooth. Vi điều khiển này kết nối trực tiếp với các cảm biến đa dạng qua giao thức I2C, SPI và UART. Khả năng xử lý song song của ESP32 cho phép đồng thời đọc dữ liệu, xử lý logic điều khiển và truyền dữ liệu lên Webserver mà không bị gián đoạn. Chi phí phần cứng thấp, tài liệu phong phú và cộng đồng hỗ trợ mạnh là các yếu tố quan trọng trong quyết định lựa chọn nền tảng này.

3.2. Giao diện Webserver và giám sát từ xa qua Firebase

Firebase được dùng làm nền tảng lưu trữ và đồng bộ dữ liệu thời gian thực. Mỗi thông số cảm biến được cập nhật lên Firebase theo chu kỳ định sẵn. Giao diện Webserver hiển thị biểu đồ trực quan, giá trị tức thời và lịch sử các thông số. Hệ thống cảnh báo tự động thông báo khi pH lệch ngưỡng, mức nước xuống thấp hoặc nhiệt độ vượt giới hạn. Người dùng có thể điều khiển thủ công các thiết bị từ xa qua giao diện web khi cần can thiệp trực tiếp.

IV. Kết quả ứng dụng thực tiễn và hướng phát triển

Hệ thống điều khiển và giám sát thủy canh qua Webserver đạt được các mục tiêu kỹ thuật đề ra. Quá trình kiểm tra vận hành thực tế xác nhận hệ thống thu thập dữ liệu chính xác và phản hồi điều khiển kịp thời. Cây trồng trong hệ thống thủy canh tự động phát triển đồng đều, môi trường canh tác được duy trì ổn định trong suốt quá trình thử nghiệm. Giao diện Webserver hoạt động ổn định, dữ liệu hiển thị theo thời gian thực và cơ chế cảnh báo hoạt động đúng khi thông số vượt ngưỡng. Về ứng dụng thực tiễn, hệ thống này phù hợp cho hộ gia đình, trang trại đô thị và cơ sở nghiên cứu nông nghiệp. Chi phí đầu tư hợp lý, khả năng mở rộng linh hoạt và vận hành dễ dàng là các yếu tố nổi bật. Trong tương lai, hệ thống có thể tích hợp thuật toán học máy để dự đoán nhu cầu dinh dưỡng của cây, mở rộng số lượng thông số giám sát và phát triển ứng dụng di động chuyên dụng. Đây là nền tảng kỹ thuật vững chắc cho các nghiên cứu nông nghiệp thông minh tiếp theo tại Trường ĐH SPKT TP. Hồ Chí Minh.

4.1. Kết quả thử nghiệm và đánh giá hiệu quả hệ thống

Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống duy trì pH trong khoảng 5.5–6.5 và EC ổn định theo từng giai đoạn sinh trưởng của cây. Độ trễ phản hồi từ khi phát hiện sai lệch đến khi kích hoạt thiết bị điều chỉnh nằm trong ngưỡng chấp nhận được cho canh tác thực tiễn. Dữ liệu lịch sử lưu trên Firebase cho phép phân tích xu hướng và điều chỉnh ngưỡng điều khiển phù hợp hơn theo thời gian, nâng cao hiệu quả canh tác liên tục.

4.2. Tiềm năng phát triển và ứng dụng trong nông nghiệp thông minh

Nền tảng kỹ thuật của đồ án có thể mở rộng theo nhiều hướng. Tích hợp AI và học máy giúp hệ thống tự học và tối ưu hóa thông số canh tác. Kết nối đa hệ thống cho phép quản lý nhiều khu vực thủy canh đồng thời qua một dashboard duy nhất. Ứng dụng di động chuyên biệt sẽ nâng cao trải nghiệm người dùng. Hệ thống này đặt nền móng cho mô hình nông nghiệp đô thị thông minh, giải quyết bài toán an ninh lương thực trong điều kiện đất canh tác ngày càng thu hẹp.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế đô thị hóa nhanh chóng và gia tăng dân số, diện tích đất canh tác nông nghiệp ngày càng bị thu hẹp. Phương pháp trồng cây thủy canh—kỹ thuật nuôi trồng thực vật không sử dụng đất mà cung cấp dưỡng chất trực tiếp qua dung dịch dinh dưỡng hòa tan—đang trở thành giải pháp canh tác hiệu quả nhờ khả năng tối ưu hóa diện tích, tiết kiệm từ 80% đến 90% lượng nước so với phương pháp truyền thống và hạn chế các mầm bệnh bắt nguồn từ đất. Mặc dù sở hữu nhiều ưu điểm, việc vận hành các mô hình thủy canh truyền thống chủ yếu dựa vào thao tác thủ công, đòi hỏi người chăm sóc phải thường xuyên đo đạc, kiểm tra và hiệu chỉnh nồng độ pH, độ dẫn điện (EC), nhiệt độ, độ ẩm và cường độ chiếu sáng. Phương thức thủ công này tiêu tốn nhiều thời gian, công sức và tiềm ẩn rủi ro sai lệch thông số, ảnh hưởng trực tiếp đến chu kỳ sinh trưởng của cây trồng.

Trước sự phát triển của công nghệ Internet vạn vật (IoT) và kỹ thuật điều khiển tự động, đề tài "Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát hệ thống trồng cây thủy canh qua Webserver" được sinh viên Nguyễn Ngọc Hai thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Văn Đông Hải tại Bộ môn Điều khiển Tự động, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (thời gian thực hiện từ tháng 01/2025 đến tháng 06/2025). Đề tài tập trung giải quyết bài toán tự động hóa quy trình giám sát và can thiệp môi trường dinh dưỡng thủy canh, kết hợp thu thập dữ liệu thời gian thực và quản trị từ xa qua giao diện web.

Mục tiêu cụ thể của đề tài được xác định gồm 5 nội dung chính:

1. Xây dựng mô hình thủy canh thu nhỏ có khả năng điều khiển và giám sát tự động các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến sự phát triển của cây trồng như nhiệt độ, độ ẩm không khí, ánh sáng, độ pH dung dịch và mực nước.
2. Thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu thời gian thực từ các cảm biến, xử lý và hiển thị lên giao diện Webserver trực quan, cho phép người dùng theo dõi từ xa qua mạng internet.
3. Phát triển chức năng điều khiển tự động và thủ công thông qua Webserver: vận hành hệ thống bơm nước, bơm dinh dưỡng, đèn chiếu sáng và quạt làm mát dựa trên các ngưỡng giá trị thiết lập sẵn hoặc theo lệnh can thiệp trực tiếp từ người dùng.
4. Ứng dụng công nghệ IoT kết hợp vi điều khiển ESP32, đảm bảo hệ thống có khả năng kết nối Wi-Fi và duy trì hoạt động ổn định trong môi trường thực tế.
5. Tạo tiền đề để mở rộng mô hình trong thực tế như triển khai quy mô lớn, kết nối nhiều cụm trồng cây phân tán hoặc tích hợp thêm các thuật toán thông minh trong tương lai.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hệ thống trồng cây thủy canh hồi lưu tích hợp các cụm cảm biến đo lường môi trường (nhiệt độ, độ ẩm không khí, ánh sáng, pH, mực nước) và các cơ cấu chấp hành (bơm nước, bơm nhu động cấp dinh dưỡng/chỉnh pH, quạt thông gió, đèn LED quang hợp), hoạt động dưới sự điều phối của vi điều khiển trung tâm và hệ thống quản lý dữ liệu qua Webserver/Firebase.

Phạm vi nghiên cứu được giới hạn ở các khía cạnh:

• Phần cứng: Sử dụng vi điều khiển trung tâm ESP32; cụm cảm biến gồm BME280 (nhiệt độ, độ ẩm, áp suất), cảm biến quang trở LDR (cường độ sáng), cảm biến phao cơ (mực nước dung dịch), cảm biến đo pH dạng analog; cơ cấu chấp hành đóng cắt bằng các module relay và MOSFET. Mạch điều khiển được thiết kế nguyên lý, layout PCB và gia công qua dịch vụ JLCPCB.
• Phần mềm: Môi trường lập trình Arduino IDE; giao diện Webserver xây dựng trên nền tảng HTML, CSS và JavaScript; cơ chế lưu trữ và đồng bộ dữ liệu thông qua cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase; kết nối mạng qua Wi-Fi 2.4 GHz.
• Giới hạn mô hình: Hệ thống được thử nghiệm ở quy mô mô hình phòng thí nghiệm (lab-scale), vận hành trong không gian kín/trong nhà có kiểm soát, không triển khai thử nghiệm ngoài trời dưới điều kiện thời tiết khắc nghiệt.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài xây dựng trên nền tảng lý thuyết sinh học nông nghiệp kết hợp kỹ thuật điều khiển tự động và công nghệ truyền thông mạng. Về mặt sinh học, cây trồng trong môi trường thủy canh hấp thụ dinh dưỡng hoàn toàn qua hệ thống rễ ngâm trong dung dịch. Các thông số môi trường cốt lõi cần duy trì ổn định bao gồm:

• Dải pH tối ưu: Dao động từ 5.5 đến 6.5 nhằm đảm bảo khả năng hòa tan và hấp thu các nguyên tố đa lượng, vi lượng của bộ rễ.
• Độ ẩm không khí: Duy trì trong ngưỡng 60% – 80% để cân bằng quá trình thoát hơi nước qua lá.
• Nhiệt độ môi trường: Dao động phù hợp cho từng loại rau (điển hình như rau xà lách từ 18°C đến 24°C).
• Cường độ ánh sáng: Sử dụng dải quang phổ xanh (460 nm) và đỏ (660 nm) hỗ trợ tối đa quá trình quang hợp.
• Mức nước và độ thoáng khí: Đảm bảo rễ cây không bị khô và dung dịch duy trì đủ lượng oxy hòa tan.

Về công nghệ điều khiển và truyền thông, đồ án khai thác kiến trúc vi điều khiển ESP32 (lõi kép Xtensa LX6, xung nhịp 240 MHz, bộ nhớ SRAM 520 KB, bộ chuyển đổi ADC 12-bit, tích hợp chuẩn truyền thông Wi-Fi 802.11 b/g/n). Đồ án thực hiện khảo sát lý thuyết so sánh giữa ESP32 và các dòng vi điều khiển truyền thống (Arduino Uno/Mega), đồng thời phân tích cơ chế truyền dữ liệu qua giao thức HTTP (mô hình Request-Response) so với giao thức WebSocket (kênh truyền song công toàn phần hai chiều liên tục) nhằm tối ưu hóa độ trễ cập nhật dữ liệu.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm bốn phương pháp chính:

1. Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Khảo sát các tài liệu khoa học về nhu cầu dinh dưỡng cây trồng thủy canh, cấu trúc ngoại vi của ESP32, đặc tính kỹ thuật các dòng cảm biến công nghiệp/bán công nghiệp, và các nền tảng đám mây IoT (Firebase, giao thức MQTT).
2. Phương pháp thực nghiệm kỹ thuật: Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện tử, tính toán linh kiện khối nguồn, khối nạp CP2102, khối chuyển đổi tín hiệu cảm biến (Input) và khối công suất điều khiển relay (Output); thiết kế mạch in PCB 2 lớp và đặt gia công; lắp ráp khung giàn thủy canh thực tế và bố trí đường ống tuần hoàn dinh dưỡng.
3. Phương pháp phân tích và đánh giá: Thu thập dữ liệu thực tế tại các mốc thời gian khác nhau, ghi nhận sự biến thiên của nhiệt độ, độ ẩm, pH và cường độ sáng; so sánh độ ổn định và thời gian đáp ứng giữa chế độ tự động (Auto) và điều khiển thủ công (Manual).
4. Phương pháp mô phỏng và hiệu chỉnh: Giả lập các tình huống lệch ngưỡng vận hành (như cạn nước bể chứa, pH giảm xuống dưới 5.5 hoặc tăng trên 6.5, nhiệt độ phòng vượt ngưỡng 30°C) để kiểm tra giải thuật phản hồi của bộ điều khiển, từ đó hiệu chỉnh thời gian kích hoạt bơm và quạt làm mát.

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu là dữ liệu đo lường vật lý thu nhận trực tiếp từ các đầu dò cảm biến trên mô hình thực nghiệm, truyền qua bộ chuyển đổi ADC và các bus truyền thông I2C vào bộ nhớ đệm ESP32, sau đó gửi lên máy chủ Webserver và cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module phân tầng, kết hợp đồng bộ giữa phần cứng bo mạch điều khiển và phần mềm quản trị web.

Khối chức năng	Thành phần phần cứng / Công nghệ	Vai trò và thông số kỹ thuật
Khối điều khiển trung tâm	Vi điều khiển ESP32 (Module ESP-WROOM-32)	CPU 32-bit lõi kép 240 MHz, bộ nhớ Flash 4 MB, RAM 520 KB; xử lý giải thuật, đọc dữ liệu ngoại vi và kết nối Wi-Fi.
Khối nguồn	Mạch hạ áp tích hợp trên bo mạch	Tiếp nhận nguồn đầu vào, hạ áp và ổn áp thành các mức điện áp 5V và 3.3V cấp cho vi điều khiển và các module cảm biến.
Khối giao tiếp và nạp	Chip nạp CP2102 qua cổng USB Type-C	Giao tiếp nạp chương trình UART từ máy tính sang ESP32 và hỗ trợ xuất dữ liệu gỡ lỗi (Serial Debug).
Khối thu thập tín hiệu (Input)	Cảm biến BME280	Đo nhiệt độ (-40°C đến +85°C), độ ẩm (0% - 100% RH), giao tiếp qua bus I2C (chân SDA nối GPIO21, chân SCL nối GPIO22).
	Cảm biến quang trở LDR	Đo cường độ ánh sáng môi trường, xuất điện áp analog đưa vào bộ chuyển đổi ADC của ESP32.
	Cảm biến pH Analog (SEN0161 / pH-4502C)	Dải đo 0 – 14 pH, điện áp ngõ ra tỷ lệ thuận với pH, kết nối vào kênh ADC qua mạch tiền khuếch đại tín hiệu.
	Cảm biến phao mực nước	Dạng công tắc tiếp điểm cơ học báo cạn/đầy, kết nối chân GPIO cấu hình chế độ điện trở kéo lên nội (INPUT_PULLUP).
Khối chấp hành (Output)	Module Relay & Mạch điều khiển tải	Điều khiển đóng/cắt cách ly cho máy bơm nước tuần hoàn (12V/24V), bơm nhu động bổ sung dung dịch pH, quạt làm mát và đèn LED grow light.
Nền tảng Webserver & Cơ sở dữ liệu	HTML5, CSS3, JavaScript, Firebase Realtime Database	Hiển thị bảng điều khiển, vẽ biểu đồ thông số môi trường thời gian thực, lưu trữ dữ liệu lịch sử và truyền nhận tín hiệu điều khiển.

Bo mạch điều khiển được thiết kế hoàn chỉnh từ sơ đồ nguyên lý mạch (Schematic) gồm các khối nguồn, khối vi điều khiển, khối nạp, khối tín hiệu vào và khối công suất ra. Sau khi hoàn thiện thiết kế bố trí linh kiện (layout 2D), tệp dữ liệu Gerber được trích xuất và gửi gia công chế tạo mạch in chuyên nghiệp tại JLCPCB.

Hệ thống phần mềm được triển khai theo hai cơ chế vận hành độc lập:

• Chế độ tự động (Auto Mode): ESP32 liên tục lấy mẫu dữ liệu từ cảm biến theo chu kỳ quy định, so sánh giá trị thực tế với hệ thống ngưỡng tham chiếu được cấu hình sẵn trong bộ nhớ (hoặc đồng bộ từ Firebase). Khi nhiệt độ vượt ngưỡng $T_{max}$ ($>30^\circ\text{C}$), hệ thống kích hoạt relay quạt làm mát; khi cảm biến LDR phát hiện ánh sáng dưới mức $Lux_{min}$, đèn LED grow light tự động bật; khi giá trị pH lệch ra ngoài khoảng cho phép ($pH < 5.5$ hoặc $pH > 6.5$), vi điều khiển điều khiển bơm nhu động châm dung dịch cân bằng; khi phao báo mức nước thấp, bơm nước tự động được kích hoạt để cấp bù dung dịch.
• Chế độ thủ công (Manual Mode): Người vận hành có thể can thiệp trực tiếp từ xa thông qua giao diện Webserver. Giao diện cung cấp các nút chuyển đổi trạng thái (Toggle Switch) cho từng thiết bị ngoại vi, cho phép cưỡng bức bật/tắt bơm tuần hoàn, bơm dinh dưỡng, quạt hoặc hệ thống đèn mà không phụ thuộc vào trạng thái cảm biến.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 thiết lập khung nghiên cứu cho đề tài. Tác giả phân tích tính cấp thiết của việc áp dụng tự động hóa vào nông nghiệp đô thị trong bối cảnh thu hẹp diện tích đất canh tác. Chương này xác định rõ mục tiêu chế tạo hệ thống thủy canh tự động giám sát qua Webserver sử dụng ESP32, phân định đối tượng nghiên cứu là các yếu tố vi khí hậu và dung dịch thủy canh, đồng thời giới hạn phạm vi nghiên cứu ở quy mô phòng thí nghiệm. Bốn phương pháp nghiên cứu chính (tài liệu, thực nghiệm, phân tích đánh giá, mô phỏng hiệu chỉnh) và cấu trúc 5 chương của đồ án được định hình chi tiết.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp toàn bộ nền tảng khoa học và kỹ thuật phục vụ việc thiết kế hệ thống. Nội dung tập trung vào:

• Phân tích ưu và nhược điểm của mô hình thủy canh; vai trò sinh học của ánh sáng quang hợp, nhiệt độ, độ ẩm (60–80%), ngưỡng pH tối ưu (5.5–6.5), nồng độ dẫn điện EC và hàm lượng oxy hòa tan.
• Khảo sát đặc tính kỹ thuật các linh kiện: Cảm biến BME280 (I2C, dải đo -40°C đến +85°C, độ ẩm 0–100% RH), quang trở LDR, cảm biến phao cơ mức nước, cảm biến pH analog kết hợp mạch khuếch đại; cấu tạo bơm nước mini, bơm nhu động định lượng hóa chất và đèn LED chuyên dụng cho cây trồng (kết hợp bước sóng đỏ 660 nm và xanh 460 nm).
• Khảo sát kiến trúc vi điều khiển ESP32, lập bảng so sánh chi tiết ưu thế vượt trội của ESP32 so với Arduino Uno/Mega về xung nhịp (240 MHz so với 16 MHz), dung lượng RAM (520 KB so với 2 KB/8 KB), và khả năng tích hợp sẵn Wi-Fi/Bluetooth.
• Phân tích nguyên lý Webserver nhúng, so sánh ưu nhược điểm giữa giao thức HTTP và WebSocket trong cập nhật dữ liệu cảm biến thời gian thực, cấu trúc giao diện HTML/CSS/JavaScript.
• Trình bày nguyên lý điều khiển tự động vòng lặp, thuật toán so sánh giá trị ngưỡng và quy trình vận hành tự động hóa 5 bước trong hệ thống thủy canh.

Chương 3: Nghiên cứu và thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát hệ thống trồng cây thủy canh qua Webserver

Chương 3 là phần trọng tâm về mặt thiết kế kỹ thuật của đồ án:

• Xây dựng sơ đồ khối tổng quan toàn hệ thống kết nối giữa bộ điều khiển trung tâm, cụm cảm biến đầu vào, cụm chấp hành đầu ra và cổng truyền thông Webserver.
• Thiết kế chi tiết sơ đồ nguyên lý phần cứng bo mạch (BOARD ESP32) gồm 5 khối chức năng: Khối nguồn tiếp nhận và hạ áp; Khối vi điều khiển trung tâm; Khối mạch nạp tự động sử dụng chip chuyển đổi USB-UART CP2102 với chuẩn giao tiếp USB Type-C; Khối nhận tín hiệu Input từ cảm biến; Khối Output kích hoạt relay đóng cắt phụ tải.
• Thực hiện thiết kế đường mạch in (PCB layout 2D), trích xuất tệp dữ liệu Gerber và hoàn tất quy trình đặt hàng chế tạo mạch in qua hệ thống trực tuyến JLCPCB.
• Thiết kế giao diện người dùng (UI) Webserver bao gồm màn hình đăng nhập, thanh điều hướng, bảng điều khiển hiển thị chỉ số thời gian thực và biểu đồ trực quan hóa dữ liệu lịch sử theo thời gian.
• Xây dựng phương thức truyền nhận dữ liệu giữa ESP32, Webserver và cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase, lập lưu đồ giải thuật tổng thể và các hàm con xử lý tín hiệu cảm biến cùng điều kiện logic cho hai chế độ Auto/Manual.

Chương 4: Thi công hệ thống điều khiển và giám sát trồng cây thủy canh qua Webserver

Chương 4 mô tả toàn bộ quá trình hiện thực hóa mô hình từ bản vẽ kỹ thuật:

• Lập bảng danh mục chi tiết các linh kiện phần cứng, thiết bị cơ điện và cảm biến sử dụng trong hệ thống.
• Thực hiện kết nối đấu dây phần cứng theo bảng chỉ định chân vi điều khiển ESP32, hàn gắn linh kiện lên bo mạch PCB gia công từ JLCPCB.
• Triển khai lắp ráp khung cơ khí giàn thủy canh, bố trí bồn chứa dung dịch dinh dưỡng, lắp đặt đường ống dẫn nước, gá đặt bơm nhu động, bố trí cảm biến pH, phao nước vào bồn và treo cụm đèn LED grow light phía trên giàn trồng.
• Nạp mã nguồn điều khiển hoàn chỉnh vào vi điều khiển ESP32 qua cổng Type-C và cấu hình kết nối mạng Wi-Fi nội bộ.

Chương 5: Kết quả và đánh giá

Chương cuối cùng ghi nhận dữ liệu thực nghiệm và đánh giá chất lượng vận hành của hệ thống:

• Hệ thống khởi động thành công, thiết lập kết nối Wi-Fi ổn định và truyền dữ liệu lên Webserver cùng cơ sở dữ liệu Firebase.
• Ghi nhận và trích xuất các biểu đồ biến thiên thời gian thực gồm: Biểu đồ nhiệt độ không khí, biểu đồ độ ẩm môi trường, biểu đồ giá trị pH dung dịch, biểu đồ nồng độ chất rắn hòa tan (EC) và biểu đồ cường độ ánh sáng LDR.
• Tổng hợp bảng số liệu thử nghiệm hệ thống trong các kịch bản môi trường khác nhau, kiểm chứng độ chính xác đóng/ngắt của các rơ-le bơm nước, bơm dung dịch, quạt và đèn LED.
• Đánh giá ưu điểm về tính tiện lợi, khả năng giám sát từ xa, mức độ ổn định của bo mạch phần cứng tự thiết kế; chỉ ra các hạn chế còn tồn tại và đề xuất các hướng nghiên cứu nâng cấp hệ thống.

Kết quả và đóng góp

Về mặt kỹ thuật và thực nghiệm, đề tài đã đạt được các kết quả cụ thể:

• Chế tạo thành công mô hình phần cứng hoàn chỉnh của giàn thủy canh hồi lưu tích hợp bo mạch điều khiển chuyên dụng dùng vi điều khiển ESP32, được gia công PCB công nghiệp thay vì sử dụng mạch cắm thử nghiệm (breadboard).
• Thu thập chính xác và hiển thị ổn định các thông số môi trường quan trọng: nhiệt độ (°C), độ ẩm (% RH), độ pH dung dịch, mức nước và cường độ sáng trên giao diện Webserver và Firebase.
• Hệ thống phản hồi chính xác theo thuật toán ngưỡng đặt trước trong chế độ Auto: kích hoạt quạt khi nhiệt độ tăng cao, bật đèn bổ sung quang hợp khi ánh sáng yếu, điều khiển bơm nhu động bù dung dịch khi pH vượt ngoài dải 5.5–6.5, và kích hoạt bơm cấp nước khi phao báo cạn. Chế độ điều khiển thủ công qua các nút bấm trên giao diện Webserver phản hồi với độ trễ thấp qua mạng Wi-Fi.

Đóng góp của đề tài thể hiện ở việc tích hợp thành công chu trình khép kín: từ khâu nghiên cứu lý thuyết, thiết kế phần cứng điện tử chuẩn quy chuẩn công nghiệp (JLCPCB), lập trình nhúng điều khiển ngoại vi, đến phát triển ứng dụng web IoT phục vụ giám sát nông nghiệp. Đề tài đóng góp một mô hình học cụ - nghiên cứu thực nghiệm trực quan cho sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, tạo cơ sở dữ liệu và mã nguồn tham khảo để các khóa sau tiếp tục kế thừa và phát triển.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Mặc dù đã hoàn thành các mục tiêu kỹ thuật đề ra, đồ án còn tồn tại một số hạn chế được tác giả thẳng thắn chỉ rõ:

• Giới hạn quy mô: Mô hình chỉ dừng lại ở quy mô thử nghiệm nhỏ trong không gian phòng thí nghiệm, chưa được thử nghiệm thực tế dài ngày ngoài trời hoặc trong các nhà màng nông nghiệp lớn với tải lượng cây trồng thực tế.
• Thuật toán điều khiển: Hệ thống sử dụng thuật toán điều khiển theo ngưỡng giá trị bật/tắt (ON/OFF switching). Thuật toán này tuy đơn giản, dễ cài đặt nhưng chưa tối ưu hóa được độ mịn của quá trình điều tiết dinh dưỡng và nhiệt độ (chưa tích hợp giải thuật điều khiển mờ - Fuzzy Logic hoặc PID).
• Độ phụ thuộc hạ tầng: Hệ thống vận hành phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn điện liên tục và đường truyền Wi-Fi ổn định; chưa có cơ chế tự động lưu trữ dữ liệu ngoại tuyến (offline logging bằng thẻ nhớ SD) khi mất kết nối mạng.

Các hướng phát triển tiếp theo được đề xuất bao gồm:

• Mở rộng quy mô giàn canh tác thực tế, kiểm nghiệm khả năng vận hành đồng thời của nhiều cụm thiết bị phân tán kết nối về một máy chủ trung tâm.
• Nâng cấp thuật toán điều khiển sang dạng thích nghi hoặc điều khiển PID/Fuzzy để điều chỉnh tốc độ bơm nhu động và quạt làm mát chính xác hơn.
• Tích hợp thêm các cảm biến nâng cao như cảm biến đo độ dẫn điện EC chuyên dụng, cảm biến đo hàm lượng oxy hòa tan trong nước.
• Ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy (Machine Learning) để phân tích dữ liệu lịch sử môi trường, dự đoán chu kỳ sinh trưởng của cây trồng và tự động tối ưu hóa chế độ dinh dưỡng theo từng giai đoạn phát triển.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho:

• Sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Điện – Điện tử, Cơ điện tử và Công nghệ Thông tin đang thực hiện đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp hoặc các dự án khởi nghiệp về IoT trong nông nghiệp thông minh.
• Kỹ sư nông nghiệp công nghệ cao quan tâm đến giải pháp tự động hóa chi phí thấp cho các trang trại thủy canh quy mô vừa và nhỏ.

Phần nội dung có giá trị ứng dụng cao nhất của tài liệu là Chương 3 và Chương 4, cung cấp chi tiết sơ đồ thiết kế nguyên lý các khối mạch chức năng (khối nguồn, mạch nạp CP2102 Type-C, khối ghép nối cảm biến và mạch kích relay công suất), quy trình thiết kế và xuất file Gerber gửi gia công JLCPCB, cùng các bảng ánh xạ chân GPIO vi điều khiển ESP32 với thiết bị ngoại vi.

Câu hỏi thường gặp

1. Vi điều khiển nào được lựa chọn làm bộ điều khiển trung tâm trong đồ án và sở hữu các đặc tính kỹ thuật gì nổi bật?
Hệ thống sử dụng vi điều khiển ESP32 (lõi kép Xtensa LX6, xung nhịp lên đến 240 MHz). ESP32 được lựa chọn nhờ tích hợp sẵn bộ thu phát Wi-Fi chuẩn 802.11 b/g/n (2.4 GHz) và Bluetooth, sở hữu 520 KB SRAM, bộ chuyển đổi ADC 12-bit (cho dải giá trị từ 0 đến 4095 trên tối đa 18 kênh), hỗ trợ đầy đủ các giao thức giao tiếp phần cứng UART, SPI, I2C và điều chế độ rộng xung PWM trên hầu hết các chân I/O.

2. Cảm biến nào được sử dụng để đo lường các thông số môi trường không khí và kết nối với ESP32 qua giao thức nào?
Hệ thống sử dụng cảm biến môi trường tích hợp BME280 để đo đồng thời nhiệt độ không khí (dải đo -40°C đến +85°C với độ chính xác ±1°C), độ ẩm tương đối (dải đo 0% đến 100% RH với sai số ±3% RH) và áp suất khí quyển. Cảm biến giao tiếp với ESP32 thông qua giao thức truyền thông nối tiếp I2C hai dây: chân SDA của cảm biến kết nối với GPIO21 và chân SCL kết nối với GPIO22 của vi điều khiển.

3. Hệ thống vận hành theo những chế độ điều khiển nào và nguyên lý hoạt động của từng chế độ ra sao?
Hệ thống hoạt động theo hai chế độ:

• Chế độ tự động (Auto Mode): Vi điều khiển tự động đọc dữ liệu cảm biến định kỳ, so sánh trực tiếp với các ngưỡng tham chiếu ($T_{max}, T_{min}, pH_{max}, pH_{min}, Lux_{min}$) để tự động đóng/ngắt các relay điều khiển quạt, đèn LED, bơm nước và bơm dung dịch.
• Chế độ thủ công (Manual Mode): Cho phép người dùng can thiệp trực tiếp từ xa thông qua các nút bấm ảo trên giao diện Webserver để bật hoặc tắt từng thiết bị phụ tải theo thời gian thực mà không phụ thuộc vào trạng thái cảm biến.

4. Dữ liệu giám sát và trạng thái thiết bị được đồng bộ và lưu trữ bằng những công nghệ nào?
Dữ liệu giám sát được xử lý thông qua Webserver nhúng xây dựng bằng HTML, CSS, JavaScript kết hợp cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase (Firebase Realtime Database). Cơ chế này cho phép lưu trữ thông số lịch sử môi trường, hiển thị trực quan các biểu đồ biến thiên theo thời gian thực và duy trì kênh đồng bộ lệnh điều khiển hai chiều giữa người dùng và phần cứng ESP32.

5. Đồ án giải quyết vấn đề cách ly và phối hợp điện áp giữa vi điều khiển ESP32 và các tải công suất (máy bơm, đèn) như thế nào?
Do vi điều khiển ESP32 hoạt động ở mức điện áp logic 3.3V và chỉ cấp dòng tín hiệu nhỏ, hệ thống sử dụng mạch điều khiển công suất trung gian gồm các Module Relay cách ly quang (Optocoupler) hoặc khóa bán dẫn MOSFET. Chân tín hiệu điều khiển (IN) nối trực tiếp với các chân GPIO của ESP32, trong khi các tiếp điểm đóng/cắt (COM, NO) đấu nối với mạch nguồn độc lập 12V hoặc 24V để cấp điện cho máy bơm nước, bơm nhu động và cụm đèn LED grow light.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Điều khiển và giám sát hệ thống trồng cây thủy canh qua Webserver" của sinh viên Nguyễn Ngọc Hai đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu thiết kế và chế tạo một mô hình nông nghiệp công nghệ cao ứng dụng IoT ở quy mô thực nghiệm. Đề tài kết hợp thành công bo mạch điều khiển tự thiết kế sử dụng vi điều khiển ESP32 với hệ thống cảm biến môi trường đa thông số và nền tảng giám sát từ xa qua Webserver/Firebase. Kết quả thực nghiệm khẳng định tính khả thi của giải pháp trong việc tự động hóa quá trình điều hòa vi khí hậu và cân bằng dung dịch thủy canh, đóng góp nguồn tài liệu kỹ thuật và mô hình học tập hữu ích cho Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG TRỒNG CÂY THỦY CANH QUA WEBSERVER GVHD: TS. NGUYỄN VĂN ĐÔNG HẢI SVTH: NGUYỄN NGỌC HAI TP. Hồ Chí Minh, tháng 6/2025 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG TRỒNG CÂY THỦY CANH QUA WEBSERVER Ngành Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển và Tự Động Hóa SVTH: NGUYỄN NGỌC HAI MSSV: 20151465 GVHD: TS.NGUYỄN VĂN ĐÔNG HẢI Tp.

Hồ Chí Minh, Tháng 6 năm 2025 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG TRỒNG CÂY THỦY CANH QUA WEBSERVER Ngành Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển và Tự Động Hóa SVTH: NGUYỄN NGỌC HAI MSSV: 20151465 GVHD: TS.NGUYỄN VĂN ĐÔNG HẢI Tp. Hồ Chí Minh, Tháng 6 năm 2025 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Độc lập - Tự do – Hạnh phúc PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1.

Thông tin sinh viên Họ và tên: Nguyễn Ngọc Hai MSSV: 20151465 Tel: [phone] Email: 20151465@student. Thông tin đề tài Tên của đề tài: Điều khiển và giám sát hệ thống trồng cây thủy canh qua Webserver Mục đích của đề tài: Đồ án tốt nghiệp được thực hiện tại: Bộ môn Điều khiển tự động, Khoa Điện - Điện Tử, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh. Thời gian thực hiện: Từ ngày /01/2025 đến /06/2025 3. Các nhiệm vụ cụ thể của đề tài − Tìm hiểu và nghiên cứu về Hệ thống điều khiển và giám sát trồng cây thủy canh.

− Xây dựng cơ sở lý thuyết hệ thống điều khiển và giám sát trồng cây thủy canh và các công nghê mới hiện nay. − Thiết kế, xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát trồng cây thủy canh − Hoàn thành quyển thuyết trình đề tài. Lời cam đoan của sinh viên Tôi– Nguyễn Ngọc Hai cam đoan ĐATN là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của tiến sĩ Nguyễn Văn Đông Hải. Các kết quả công bố trong ĐATN là trung thực và không sao chép từ bất kỳ công trình nào khác.HCM, ngày tháng 6 năm 2025 SV thực hiện đồ án Giáo viên hướng dẫn xác nhận về mức độ hoàn thành và cho phép được bảo vệ: ……………………………………………………………………………………….HCM, ngày tháng 6 năm 2014 Xác nhận của Bộ Môn Giáo viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên và học hàm học vị) TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.

HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Độc lập - Tự do – Hạnh phúc PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ và tên Sinh viên:. Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: .Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:. Đề nghị cho bảo vệ hay không?. Đánh giá loại:.

Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20… Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) v TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Độc lập - Tự do – Hạnh phúc PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ và tên Sinh viên:. Họ và tên Giáo viên phản biện: .Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:. Đề nghị cho bảo vệ hay không? vi.

Đánh giá loại:. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20… Giáo viên phản biện (Ký & ghi rõ họ tên) vii LỜI CẢM ƠN Trước hết, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Nguyễn Văn Đông Hải người đã tận tình chỉ bảo, định hướng và hỗ trợ em trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp. Sự hướng dẫn tận tâm của thầy/cô không chỉ giúp em hoàn thành đồ án mà còn giúp em hiểu sâu hơn về lĩnh vực Điều khiển và Tự động hóa. Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy, cô trong bộ môn Điều khiển và Tự động hóa, Trường đại học Sư phạm Kĩ thuật tp Hồ Chí Minh, những người đã truyền đạt kiến thức quý báu trong suốt quá trình học tập.

Kiến thức và kinh nghiệm từ các thầy, cô là nền tảng quan trọng giúp em hoàn thành đồ án này. Bên cạnh đó, em xin cảm ơn gia đình và bạn bè, những người đã luôn động viên, hỗ trợ em cả về tinh thần lẫn vật chất trong suốt thời gian thực hiện đồ án. Sự đồng hành và khích lệ của mọi người là động lực giúp em vượt qua những khó khăn và thử thách. Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến tất cả những ai đã đóng góp, hỗ trợ dù trực tiếp hay gián tiếp để em có thể hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.

Xin chân thành cảm ơn! Nguyễn Ngọc Hai Lớp 2011C/Khoa: Điện – Điện Tử Trường đại học Sư phạm Kĩ thuật tp. Hồ Chí Minh. viii TÓM TẮT Hệ thống trồng cây thủy canh thông minh ngày nay đang thu hút sự quan tâm của cộng đồng sinh viên trong các đề tài nghiên cứu và ứng dụng công nghệ vào nông nghiệp. Tuy nhiên, đây vẫn là một hướng đề tài còn nhiều tiềm năng để phát triển, đặc biệt là trong bối cảnh nông nghiệp công nghệ cao đang được đẩy mạnh tại Việt Nam.

Chính vì vậy, nhóm sinh viên đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát hệ thống trồng cây thủy canh qua Webserver” để thực hiện trong nội dung đồ án tốt nghiệp. Trong nội dung đề tài, nhóm sinh viên đã tìm hiểu và biên soạn hệ thống các lý thuyết tổng quan về mô hình thủy canh, đặc điểm sinh trưởng của cây trồng trong môi trường thủy canh, cũng như các công nghệ cảm biến và điều khiển hiện đại đang được ứng dụng. Dựa trên cơ sở lý thuyết đó, nhóm đã tiến hành thiết kế và lắp ráp mô hình hệ thống trồng cây thủy canh thực tế, đồng thời triển khai tích hợp các tính năng điều khiển và giám sát thông minh qua nền tảng Webserver. Mô hình hoàn chỉnh có thể theo dõi các thông số môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, độ pH và mức nước trong dung dịch dinh dưỡng.

Các thông số được hiển thị trực quan trên giao diện Webserver và người dùng có thể điều khiển hệ thống tưới tiêu, bơm dinh dưỡng hoặc điều chỉnh ánh sáng từ xa thông qua giao diện này. Hệ thống sử dụng vi điều khiển ESP32 kết nối Wi-Fi, kết hợp với các cảm biến và cơ cấu chấp hành để đảm bảo cây trồng được chăm sóc tự động và tối ưu. Tuy còn nhiều hạn chế, nhóm sinh viên hy vọng đề tài sẽ đóng góp thêm vào nguồn tài liệu mô hình thực tế cho khoa Điện-Điện Tử của trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Đây cũng là nền tảng quan trọng để các thế hệ sinh viên tiếp theo có thể tiếp tục phát triển và nâng cấp nhiều tính năng thông minh hơn nữa cho hệ thống trồng cây thủy canh.

Qua đó, đề tài có thể trở thành một tài liệu tham khảo đáng tin cậy phục vụ cho công tác giảng dạy, nghiên cứu, kế thừa và phát triển trong các đề tài sau này. ix MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH. XIV DANH MỤC BẢNG. XVI CÁC TỪ VIẾT TẮT.

XVII :TỔNG QUAN .1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI – TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI .2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI.3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU .4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU .5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH THỦY CANH .2 CẢM BIẾN VÀ THIẾT BỊ SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG.1 Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm (BME280).2 Cảm biến ánh sáng (LDR).3 Cảm biên mực nước (Phao) .4 Cảm biến pH (pH analog hoặc module chuyên dụng).5 Máy bơm nước và bơm dung dịch dinh dưỡng.6 Đèn chiếu sáng (LED grow light).3 VI ĐIỀU KHIỂN ESP32 .1 Thông số kỹ thuật nổi bật .2 Ưu điểm so với Arduino Uno/Mega .3 Khả năng kết nối Wi-Fi và xử lý tín hiệu cảm biến.4 GIAO TIẾP VỚI THIẾT BỊ NGOẠI VI QUA I/O, ADC, PWM .5 GIAO TIẾP WEBSEVER .1 Nguyên lý hoạt động của Webserver trên ESP32 .2 So sánh HTTP và WebSocket.3 Giao diện Webserver cơ bản: HTML/CSS/JS.6 NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG .1 Điều khiển tự động .2 Ứng dụng trong nông nghiệp .3 Lợi ích của điều khiển tự động trong nông nghiệp .4 Thuật toán so sánh ngưỡng giá trị và kích hoạt thiết bị.5 Quy trình hoạt động tự động hóa trong mô hình thủy canh.6 Lợi ích của quy trình tự động hóa trong thủy canh .7 CÁC CÔNG NGHÊ LIÊN QUAN .1 Ứng dụng IoT trong nông nghiệp thông minh.2 Sơ lược về điện toán đám mây.35 : NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG TRỒNG CÂY THỦY CANH QUA WEBSEVER .1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN HỆ THỐNG .1 Mục tiêu của hệ thống giám sát – điều khiển .2 Lý do lựa chọn giao tiếp qua Webserver .3 Sơ đồ tổng quan hệ thống .2 CÁC THÀNH PHẦN PHẦN CỨNG CỦA HỆ THỐNG .1 Bộ điều khiển trung tâm BOARD ( Sử dụng vi điều khiển esp32 ) 41 3.2 Đặt thiết kế mạch (JLCPCB).3 Các thành phần hệ thống và kết nối .3 WEBSERVER – GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT .1 Công nghệ sử dụng .2 Giao diện web (giao diện người dùng – UI) .3 Chức năng của từng nút/bảng điều khiển trên giao diện .4 CÁCH THỨC GIAO TIẾP VÀ LƯU TRỮ DỮ LIỆU .1 Mô hình kết nối Wi-Fi giữa các thiết bị.2 Giao tiếp giữa ESP32 và Webserver.3 Lưu trữ và truy xuất dữ liệu từ Firebase.5 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG .1 Quy trình giám sát và tự động điều khiển theo ngưỡng đặt trước (Chế độ Auto).2 Quy trình điều khiển thủ công từ Webserver và ngoài bảng điều khiển (Chế độ Manual).6 SƠ ĐỒ HOẠT ĐỘNG VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN .1 Lưu đồ giải thuật tổng thể.2 Các hàm xử lý cảm biến.3 Điều kiện điều khiển tự động .7 TÍNH NĂNG MỞ RỘNG VÀ NÂNG CAO TRONG TƯƠNG LAI.80 : THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TRỒNG CÂY THỦY CANH QUA WEBSERVER .1 LẮP RÁP PHẦN CỨNG .1 Danh sách phần cứng sử dụng .2 Sơ đồ kết nối phần cứng .3 Các bước lắp ráp thực tế .2 MÔ HÌNH THỰC TẾ .87 : KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ .1 HỆ THỐNG HOẠT ĐỘNG .2 THỬ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ.3 ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM.92 : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN .94 TÀI LIỆU THAM KHẢO .96 xiii DANH MỤC HÌNH Hình 1: Hệ thống trồng cây thủy canh .6 Hình 2:Cảm biến BME280 .