Điều khiển và giám sát mô hình khu vườn rau ứng dụng IoT

Đồ án điều khiển và giám sát mô hình khu vườn rau ứng dụng IoT tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

• Tác giả: Đặng Gia Huy
• Người hướng dẫn: PGS. Phan Văn Ca
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật máy tính
• Đề tài: Điều khiển và giám sát mô hình khu vườn rau ứng dụng IoT
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về mô hình khu vườn rau ứng dụng IoT tại ĐH SPKT TP

Nông nghiệp đô thị và nông nghiệp công nghệ cao đang trở thành xu hướng tất yếu. Tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (HCMUTE), nghiên cứu ứng dụng Internet of Things (IoT) vào trồng trọt mang lại nhiều giá trị thực tiễn. Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Máy tính đã hiện thực hóa mô hình vườn rau thông minh khép kín. Đề tài tập trung giải quyết bài toán kiểm soát các thông số vi khí hậu tác động trực tiếp đến sự phát triển của thực vật. Hệ thống số hóa toàn bộ quá trình thu thập dữ liệu đất, nước và không khí. Dữ liệu cảm biến được truyền tải liên tục về máy chủ đám mây. Người quản lý có thể giám sát trạng thái khu vườn qua ứng dụng Blynk trên điện thoại thông minh ở bất cứ đâu. Cơ chế tự động hóa giúp điều chỉnh lịch tưới và lượng nước tiêu thụ chính xác. Mô hình này vừa tiết kiệm tài nguyên vừa giảm thiểu chi phí nhân công chăm sóc hàng ngày. Công trình khẳng định tính ứng dụng cao của kỹ thuật máy tính trong việc hiện đại hóa canh tác nông nghiệp hiện nay.

1.1. Bối cảnh nghiên cứu đề tài tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật

Đề tài xuất phát từ yêu cầu thực tiễn của ngành Công nghệ Kỹ thuật Máy tính tại Khoa Đào tạo Chất lượng cao. Sự phát triển nhanh của mạng lưới vạn vật kết nối mở ra cơ hội lớn cho tự động hóa nông nghiệp. Các phương pháp chăm sóc cây trồng truyền thống phụ thuộc nhiều vào sức lao động thủ công và thời tiết. Điều đó dễ gây lãng phí nguồn nước tưới và làm giảm năng suất thu hoạch. Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán quản lý vườn rau quy mô nhỏ và vừa. Dự án kết hợp lý thuyết điều khiển tự động với công nghệ cảm biến và truyền thông không dây. Mục tiêu chính là tạo ra một mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh, hoạt động ổn định và có chi phí lắp đặt hợp lý.

1.2. Mục tiêu kỹ thuật và phạm vi triển khai của hệ thống

Mục tiêu cốt lõi của hệ thống là tự động hóa các thao tác tưới tiêu và giám sát các chỉ số sinh thái. Hệ thống đo đạc liên tục nhiệt độ, độ ẩm không khí và độ ẩm của môi trường đất. Dữ liệu đo được xử lý qua vi điều khiển trung tâm rồi đồng bộ hóa lên máy chủ đám mây. Người vận hành có thể theo dõi biểu đồ thời gian thực và điều khiển máy bơm từ xa. Phạm vi của đồ án bao gồm thiết kế mạch phần cứng, lập trình điều khiển và gia công cơ khí mô hình thực nghiệm. Hệ thống còn được tích hợp nguồn năng lượng mặt trời kết hợp pin lưu trữ để duy trì vận hành liên tục. Thiết kế ưu tiên tính an toàn điện, kích thước gọn nhẹ và độ tin cậy cao.

II. Phân tích thách thức canh tác và nhu cầu tự động hóa vườn rau IoT

Phương thức canh tác rau xanh truyền thống thường đối mặt với nhiều rủi ro từ biến động ngoại cảnh. Nhiệt độ tăng cao hoặc hạn hán cục bộ khiến rễ cây bị mất nước nghiêm trọng. Ngược lại, việc tưới quá nhiều dễ làm đất ngập úng, làm giảm nồng độ oxy ở rễ và dẫn đến thối rễ. Đa phần các nông hộ nhỏ vẫn phụ thuộc vào kinh nghiệm cảm quan để xác định thời điểm cấp nước. Cách thức này dẫn đến tình trạng mất cân đối ẩm độ và suy giảm chất lượng thành phẩm. Ngoài ra, việc thiếu hụt nhân lực làm vườn tại các khu đô thị khiến quá trình theo dõi bị ngắt quãng. Những hạn chế này thúc đẩy nhu cầu cấp thiết về một giải pháp giám sát thông minh. Tự động hóa quá trình chăm sóc là con đường hiệu quả nhất để giải bài toán chi phí và sản lượng. Việc ứng dụng công nghệ IoT giúp thiết lập các chỉ số môi trường chuẩn xác cho từng giai đoạn sinh trưởng của rau. Mọi thông số vật lý đều được định lượng rõ ràng qua các cảm biến chuyên dụng.

2.1. Yếu tố vi khí hậu và độ ẩm ảnh hưởng tới cây rau

Sự phát triển của cây rau phụ thuộc chặt chẽ vào độ ẩm đất, độ ẩm không khí và nhiệt độ. Nước giữ vai trò duy trì sự quang hợp, hô hấp và vận chuyển các chất dinh dưỡng trong cây. Khi đất thiếu nước, rễ cây teo tóp và ngưng trệ quá trình hấp thụ muối khoáng. Ngược lại, độ ẩm quá bão hòa tạo điều kiện cho các loại nấm khuẩn gây hại rễ sinh sôi. Bên cạnh đó, nhiệt độ môi trường quyết định tốc độ thoát hơi nước qua bề mặt lá. Nhiệt độ quá cao gây ức chế sinh trưởng và khiến rau nhanh héo úa. Việc giám sát chính xác các biến số vi khí hậu là điều kiện tiên quyết để tối ưu hóa năng suất mùa vụ.

2.2. Hạn chế của phương pháp tưới tiêu thủ công truyền thống

Canh tác thủ công dựa phần lớn vào quan sát chủ quan của người làm vườn. Phương pháp này không phản ánh chính xác lượng nước thực tế còn đọng trong các tầng đất. Việc tưới theo giờ cố định thường dẫn đến tình trạng thừa hoặc thiếu nước khi thời tiết biến đổi đột ngột. Vào mùa khô nóng, nước tưới bốc hơi nhanh chóng trước khi kịp thấm sâu vào bộ rễ. Ngoài ra, việc vận hành thủ công đòi hỏi nhân công có mặt liên tục tại hiện trường để bật tắt máy bơm. Chi phí nhân lực tăng cao nhưng hiệu quả sử dụng nguồn nước lại suy giảm đáng kể. Các sai lệch trong kiểm soát ẩm độ còn khiến cây dễ phát sinh bệnh tật, gây tổn thất kinh tế.

III. Giải pháp thiết kế hệ thống điều khiển vườn rau IoT tại ĐH SPKT

Đồ án tốt nghiệp đề xuất một kiến trúc phần cứng và phần mềm đồng bộ nhằm giải quyết triệt để các hạn chế canh tác. Trung tâm hệ thống là vi điều khiển kết nối mạng Internet qua giao thức Wi-Fi chuẩn. Cảm biến DHT11 đảm nhiệm thu thập nhiệt độ và độ ẩm không khí xung quanh tán cây. Cảm biến độ ẩm đất đo điện trở suất để xác định chính xác dung lượng ẩm trong vùng rễ. Khi độ ẩm đất giảm xuống dưới ngưỡng an toàn, bộ điều khiển kích hoạt mạch cầu H L298 để mở máy bơm tưới nước. Nguồn điện cấp cho hệ thống được thiết kế độc lập nhờ tấm pin năng lượng mặt trời kết hợp hệ 3 cell pin 18650 Li-ion. Mạch sạc cân bằng 3S 20A bảo vệ nguồn khỏi hiện tượng quá áp, quá dòng và chập mạch. Toàn bộ thông số hoạt động được gửi lên máy chủ đám mây để hiển thị trực tiếp trên giao diện Blynk. Người dùng có thể giám sát đồ thị cảm biến và chuyển đổi linh hoạt giữa chế độ tưới tự động hoặc điều khiển bằng tay.

3.1. Cấu hình phần cứng và quản lý nguồn năng lượng

Phần cứng mô hình sử dụng vi điều khiển tích hợp Wi-Fi làm khối xử lý trung tâm. Thiết bị ghép nối cảm biến nhiệt ẩm DHT11 và cảm biến độ ẩm đất chuyên dụng. Mạch cầu H L298 chịu trách nhiệm điều khiển đóng ngắt dòng điện cho máy bơm nước mini. Hệ thống vận hành với hai mức điện áp 5V và 12V. Nguồn cấp được tối ưu nhờ tấm pin năng lượng mặt trời 9V tích hợp mạch tăng áp lên 12V. Khối lưu điện gồm 3 pin 18650 Li-ion dung lượng 2000mAh mắc nối tiếp. Mạch bảo vệ 3S 20A kiểm soát ngưỡng xả cạn 9.6V và ngắt sạc đầy ở 12.6V. Thiết kế nguồn này đảm bảo mô hình hoạt động bền bỉ, tiết kiệm điện năng và không gián đoạn.

3.2. Giám sát và điều khiển thông qua ứng dụng di động Blynk

Ứng dụng Blynk đóng vai trò là giao diện điều khiển trung tâm trên điện thoại thông minh. Nền tảng kết nối trực tiếp với vi điều khiển qua máy chủ đám mây với độ trễ thấp. Màn hình ứng dụng trực quan hóa các thông số nhiệt độ, độ ẩm không khí và độ ẩm đất dạng số và đồ thị. Hệ thống hỗ trợ hai cơ chế hoạt động riêng biệt gồm tự động và thủ công. Ở chế độ tự động, phần mềm tự so sánh độ ẩm đo được với ngưỡng cài đặt để kích hoạt tưới. Ở chế độ thủ công, người quản trị có thể gạt công tắc ảo trên ứng dụng để tưới nước theo ý muốn. Ứng dụng cũng phát cảnh báo khi các chỉ số vượt ngưỡng quy định, hỗ trợ can thiệp kịp thời.

IV. Đánh giá ứng dụng và tiềm năng mô hình vườn rau IoT của HCMUTE

Kết quả thử nghiệm thực tế cho thấy mô hình hoạt động ổn định và đáp ứng tốt các mục tiêu đặt ra. Cảm biến DHT11 và cảm biến độ ẩm đất phản hồi nhanh với sự thay đổi của thời tiết. Độ trễ truyền nhận tín hiệu điều khiển qua ứng dụng Blynk đạt mức chấp nhận được trong canh tác thực tế. Việc kết hợp pin mặt trời và pin sạc 18650 tạo nên một hệ thống tự chủ năng lượng hoàn chỉnh. Mô hình không phụ thuộc vào lưới điện sinh hoạt, rất thuận tiện để lắp đặt tại sân thượng hoặc nông trại nhỏ. Nghiên cứu của sinh viên Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM mở ra giải pháp thiết thực cho nông nghiệp đô thị. Cây trồng được cung cấp nước vừa đủ, hạn chế thất thoát tài nguyên và tăng năng suất xanh. Hướng phát triển tiếp theo của đề tài là mở rộng mạng lưới nhiều nút cảm biến và tích hợp trí tuệ nhân tạo. Thuật toán học máy sẽ dự báo nhu cầu nước dựa trên dữ liệu khí hậu lịch sử.

4.1. Khả năng ứng dụng thực tế trong nông nghiệp đô thị

Mô hình mang tính ứng dụng cao đối với các hộ gia đình đô thị có diện tích ban công hoặc sân thượng hạn chế. Cấu trúc nhỏ gọn giúp người dùng dễ dàng bố trí ở nhiều vị trí trồng rau sạch khác nhau. Chế độ điều khiển từ xa qua Internet đặc biệt phù hợp cho những người thường xuyên vắng nhà. Nguồn điện pin mặt trời giảm thiểu tối đa rủi ro chập cháy và chi phí hóa đơn điện hàng tháng. Hệ thống đảm bảo cây rau luôn nhận đủ lượng nước tưới cần thiết theo chu kỳ sinh học. Sản phẩm đáp ứng trọn vẹn xu hướng tự cung cấp thực phẩm an toàn tại các thành phố lớn.

4.2. Triển vọng nâng cấp giải pháp với trí tuệ nhân tạo

Trong tương lai, mô hình có thể phát triển theo hướng nông nghiệp thông minh toàn diện. Việc tích hợp thêm camera nhận diện hình ảnh sẽ giúp phát hiện sâu bệnh trên lá rau từ sớm. Cơ sở dữ liệu cảm biến thu thập theo thời gian dài là nguồn tài nguyên quý giá để huấn luyện mô hình học máy. Thuật toán có thể dự báo chính xác nhu cầu ẩm độ dựa trên thời tiết tương lai. Nhờ đó, chu trình bơm nước sẽ được tối ưu hóa trước khi hạn hán hoặc mưa rào xuất hiện. Ngoài ra, việc kết nối với mạng cảm biến không dây LoRa sẽ mở rộng phạm vi áp dụng cho các trang trại diện tích rộng lớn.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển của nông nghiệp hiện đại, mô hình trồng trọt trong nhà kính đang mở rộng nhờ khả năng kiểm soát thời vụ, nâng cao năng suất và giảm thiểu sự phụ thuộc vào điều kiện thời tiết tự nhiên. Nền nông nghiệp truyền thống thường chịu tác động trực tiếp từ các yếu tố khó kiểm soát như nhiệt độ cực đoan, hạn hán, ngập úng hoặc sâu bệnh. Để tối ưu hóa quá trình sinh trưởng của cây trồng, việc ứng dụng các vi mạch điều khiển, mạng cảm biến và công nghệ tự động hóa vào công tác giám sát các thông số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất, ánh sáng) là hướng đi thiết thực. Tuy nhiên, rào cản lớn hiện nay đối với việc nhân rộng mô hình vườn rau tự động tại các hộ gia đình là chi phí đầu tư ban đầu cao gấp 5 đến 10 lần so với canh tác truyền thống, đồng thời các giải pháp thương mại thường thiếu tính tương tác linh hoạt hoặc khó tiếp cận.

Đồ án tốt nghiệp "Điều khiển và giám sát mô hình khu vườn rau ứng dụng IoT" do sinh viên Đặng Gia Huy (ngành Công nghệ Kỹ thuật Máy tính, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh) thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. Phan Văn Ca, tập trung giải quyết bài toán thiết kế một hệ thống giám sát và điều khiển tự động quy mô nhỏ, vận hành bằng năng lượng mặt trời kết hợp nguồn lưu trữ nhằm giảm chi phí điện năng và chi phí vận hành.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định gồm các nội dung cụ thể:

1. Điều khiển bật/tắt tự động các thiết bị chấp hành nhằm duy trì các thông số môi trường bên trong nhà kính ở ngưỡng đã cài đặt.
2. Thu thập và hiển thị thông tin đo đạc về trạng thái môi trường lên màn hình LCD cục bộ.
3. Thiết kế hệ thống với chi phí thấp nhằm tiết giảm chi phí lao động.
4. Tích hợp nguồn năng lượng mặt trời có bộ phận lưu trữ để giảm điện năng tiêu thụ từ lưới điện.
5. Truyền tải và hiển thị các thông số đo được trên ứng dụng di động Blynk để giám sát và điều khiển thuận tiện từ xa.
6. Xây dựng mô hình mẫu có quy mô ứng dụng phù hợp cho hộ gia đình.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân bổ qua các bước kỹ thuật:

1. Nghiên cứu tài liệu và xác định các yêu cầu kỹ thuật, tính năng của hệ thống.
2. Thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý mạch điện phần cứng.
3. Chế tạo phần cứng, lắp ráp và hoàn thiện mô hình mẫu sản phẩm.
4. Lập trình vi điều khiển, xây dựng giao diện giám sát và điều khiển trên ứng dụng Blynk.
5. Tiến hành thử nghiệm, đo đạc sai số cảm biến và đánh giá độ trễ điều khiển của hệ thống.
6. Lập báo cáo kết quả và giải trình chỉnh sửa trước hội đồng chuyên môn.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống phần cứng điều khiển nhúng, các module cảm biến môi trường nông nghiệp và ứng dụng giao tiếp IoT. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở quy mô mô hình thực nghiệm mô phỏng vườn rau hộ gia đình, thời gian thực hiện từ ngày 26/9/2024 đến ngày 29/12/2024 (bảo vệ vào ngày 03/01/2025).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về mặt lý thuyết, nghiên cứu vận dụng cấu trúc ba lớp điển hình của hệ thống Internet of Things (IoT):

• Lớp cảm biến (Perception Layer): Thu thập dữ liệu vật lý từ môi trường xung quanh thông qua các cảm biến chuyên dụng.
• Lớp mạng truyền thông (Network Layer): Kết nối các thiết bị phần cứng với máy chủ và người dùng qua các giao thức truyền thông không dây (Wi-Fi).
• Lớp ứng dụng (Application Layer): Giao diện phần mềm tiếp nhận dữ liệu đã qua xử lý, hiển thị trực quan thông số, vẽ biểu đồ thời gian thực và cung cấp chức năng điều khiển cho người sử dụng.

Đồng thời, đề tài tổng hợp các yếu tố nông học ảnh hưởng trực tiếp đến cây trồng gồm: điều kiện khí hậu (nhiệt độ, lượng mưa, độ ẩm, ánh sáng, gió, biến đổi khí hậu), điều kiện thủy lợi (nhu cầu nước tưới, thoát nước chống úng) và kỹ thuật canh tác (chuẩn bị đất, tưới tiêu chính xác, liều lượng phân bón).

Trong phần cơ sở truyền thông không dây, tác giả tiến hành khảo sát và so sánh bốn chuẩn kết nối phổ biến trong các ứng dụng IoT để làm căn cứ lựa chọn giao thức thích hợp cho mô hình:

Tiêu chí	Wi-Fi	Bluetooth Classic	Bluetooth Low Energy (BLE)	LoRaWAN
Tốc độ truyền	Rất cao (11 Mbps - 10 Gbps với Wi-Fi 6)	1 - 3 Mbps	125 kbps - 2 Mbps	Thấp (0.3 kbps - 50 kbps)
Phạm vi kết nối	30 - 100 m (trong nhà)	10 - 100 m (phạm vi ngắn)	10 - 100 m (phạm vi ngắn)	2 - 15 km (ngoài trời)
Tính ổn định	Khá ổn định trong nhà	Ổn định trong phạm vi ngắn	Ổn định trong phạm vi ngắn	Rất ổn định, chống nhiễu tốt trong môi trường rộng lớn
Khả năng kết nối	Kết nối tối đa 255 thiết bị	Kết nối ít thiết bị	Kết nối nhiều thiết bị	Kết nối hàng nghìn thiết bị trong phạm vi rộng
Độ trễ	Thấp	Thấp	Thấp	Cao

Dựa trên yêu cầu truyền tải dữ liệu tức thời, hiển thị đồ thị thời gian thực và tính sẵn có của hạ tầng mạng tại các hộ gia đình, chuẩn giao tiếp Wi-Fi tích hợp sẵn trên vi điều khiển ESP32 được lựa chọn.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Thu thập tài liệu từ Internet, giáo trình kỹ thuật số, mạch điện tử căn bản, tài liệu kỹ thuật chuyên ngành để xác định giải pháp công nghệ và phương án thiết kế mạch.
• Phương pháp thực nghiệm kỹ thuật: Thiết kế sơ đồ nguyên lý trên máy tính, lựa chọn linh kiện bán dẫn, lắp ráp mạch phần cứng, lập trình firmware trên nền tảng nhúng, kết nối dịch vụ đám mây Blynk và chạy thử nghiệm thực tế mô hình để đo lường các thông số kỹ thuật.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc mô-đun hóa, xoay quanh bộ xử lý trung tâm và các khối chức năng ngoại vi.

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                                 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN                               |
|                                                                                   |
|  [Khối Cảm Biến]                                                                  |
|   - DHT11 (GPIO4)                                                                 |
|   - Độ ẩm đất (GPIO34)                                                            |
|   - Quang trở LDR (GPIO35)                                                        |
|   - Cảm biến mưa (GPIO32)                                                         |
|   (Xtensa 32-bit Dual-core, Wi-Fi)                                                |
|                                                                                   |
|  [Khối Nguồn Năng Lượng]                                                          |
|   - Pin mặt trời 9V + Tăng áp 12V + Type-C                                        |
|   - Bộ 3 cell Pin Li-ion 18650 (12V) + Mạch sạc cân bằng & bảo vệ 3S 20A          |
|   - Nguồn 12V (3A) cấp mạch cầu H & thiết bị 12V                                  |
|   - Ngõ ra 5V (1A) từ cầu H L298 cấp ESP32 & cảm biến                             |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

1. Phân bổ phần cứng và kết nối vi điều khiển

Khối điều khiển trung tâm sử dụng module ESP32 tích hợp vi xử lý Xtensa 32-bit lõi kép, tần số hoạt động tối đa 240 MHz, bộ nhớ RAM nội 520 KB, bộ nhớ Flash từ 4 MB đến 16 MB, hỗ trợ Wi-Fi chuẩn 802.11 b/g/n và Bluetooth/BLE. Các thiết bị ngoại vi được kết nối trực tiếp với ESP32 thông qua hệ thống chân GPIO chuyên biệt:

STT	Thiết bị ngoại vi	Thông số kỹ thuật chính	Cổng kết nối ESP32	Ghi chú chức năng
1	Cảm biến DHT11	0-50°C (±2°C), 20-90% RH (±5%), giao tiếp 1-wire	Chân D0 nối GPIO4	Đo nhiệt độ và độ ẩm không khí
2	Cảm biến độ ẩm đất	0-100% (±5%), 3.3-5VDC, dòng 15mA	Chân D0 nối GPIO34	Xác định độ ẩm đất canh tác
3	Cảm biến quang trở (LDR)	3-5VDC, dòng tiêu thụ 7mA, ngõ ra analog	Chân D0 nối GPIO35	Phân biệt cường độ sáng ngày/đêm
4	Cảm biến mưa	Dải đo 1-100 mm/h, phản hồi 100-200ms	Chân D0 nối GPIO32	Phát hiện hạt mưa rơi trên bề mặt
5	Màn hình LCD 1602	16 ký tự x 2 dòng, điện áp 5V, dòng 25mA	I2C: SDA (GPIO21), SCL (GPIO22)	Hiển thị thông số môi trường tại chỗ
6	Module RTC DS1307	Sai số ±2 phút/tháng, 56 byte RAM lưu trữ	I2C: SDA (GPIO21), SCL (GPIO22)	Đồng hồ thời gian thực hỗ trợ hẹn giờ
7	Module Relay 4 kênh	Đóng/ngắt 30VDC/10A hoặc 250VAC/10A, kích mức thấp	IN1 (GPIO17), IN2 (GPIO16), IN3 (GPIO15), IN4 (GPIO14)	Điều khiển lần lượt: phun sương, đèn LED, tưới nước, bón phân
8	Module cầu H L298	Dòng 2A/kênh, dải áp 4.5V - 46V, logic TTL/CMOS	Nối các chân điều khiển logic	Điều khiển đảo chiều động cơ kéo mái che
9	Động cơ mái che	Động cơ DC 12V, tỷ số 171:1, không tải 35 rpm	Ngõ ra động cơ từ cầu H L298	Kéo đóng/mở hệ thống mái che mưa
10	Động cơ bơm DC 365 (3 chiếc)	12VDC, 250mA, lưu lượng 3-4 L/phút, áp suất 1-2.5 kg	Tiếp điểm Relay NO1, NO3, NO4	Bơm tưới, phun sương và bơm bón phân
11	Đèn LED chiếu sáng	Dải LED 2835-12V, 10W/m, dòng 170mA, IP20	Tiếp điểm Relay NO2	Bổ sung ánh sáng ban đêm
12	Khối nút nhấn (6 nút)	Nút nhấn nhả 6 chân kích thước 8x8mm	Auto (GPIO23), Set (GPIO18), Up (GPIO19), Down (GPIO33), Sel (GPIO25), Exit (GPIO5)	Chuyển chế độ vận hành và cài đặt hẹn giờ tưới phân

2. Thiết kế khối nguồn và tính toán phụ tải

Hệ thống sử dụng đồng thời hai mức điện áp 5VDC và 12VDC. Việc tính toán tiêu thụ dòng điện được xác lập chi tiết để lựa chọn phương án nguồn cấp:

• Phụ tải 5VDC:

  • Module ESP32: 500mA
  • Cảm biến DHT11: 2.5mA
  • Cảm biến ánh sáng (LDR): 7mA
  • Cảm biến độ ẩm đất: 15mA
  • Cảm biến mưa: 10mA
  • Module Relay 4 kênh: 240mA
  • Module RTC DS1307: 0.5mA
  • Màn hình LCD 1602: 25mA
  • Tổng dòng tiêu thụ danh định 5V: xấp xỉ 800mA (0.8A).
  • Công suất tải 5V: $P_{5V} = U_{5V} \times I_{5V} = 5\text{V} \times 0.8\text{A} = 4\text{W}$.
  • Nguồn 5V-1A này được trích xuất trực tiếp từ cổng ổn áp ngõ ra của module cầu H L298.

• Phụ tải 12VDC:

  • Motor kéo màn che: 1300mA
  • 3 động cơ bơm R365: 750mA (250mA mỗi bơm)
  • Dải đèn LED 12V: 170mA
  • Tổng dòng tiêu thụ danh định 12V: xấp xỉ 2220mA (2.22A).
  • Công suất tải 12V: $P_{12V} = U_{12V} \times I_{12V} = 12\text{V} \times 2.22\text{A} = 26.64\text{W}$.

• Tổng công suất hệ thống: $$P_T = P_{5V} + P_{12V} = 4\text{W} + 26.64\text{W} = 30.64\text{W}$$

Hệ thống lưu trữ năng lượng sử dụng 3 cell pin Li-ion 18650 (điện áp trung bình 3.7V/cell, dung lượng 2000mAh, nội trở khoảng 40mΩ) ghép nối tiếp tạo nguồn xấp xỉ 12V. Khối pin kết hợp với mạch sạc cân bằng và bảo vệ pin 3S 20A (điện áp sạc 12V đến 13V, điện áp sạc đầy 12.6V, điện áp xả cạn 9.6V, dòng xả liên tục 10A, dòng xả tức thời tối đa 20A). Bộ nguồn 12V-3A đáp ứng công suất tối đa $12\text{V} \times 3\text{A} = 36\text{W}$, đảm bảo vận hành ổn định cho phụ tải cực đại 30.64W.

Hệ thống nạp điện sử dụng tấm pin năng lượng mặt trời điện áp danh định 9V, phối hợp với mạch sạc tích hợp cổng USB Type-C và mạch tăng áp lên 12V để nạp vào khối pin 3S qua mạch bảo vệ.

3. Thuật toán điều khiển và giao thức ứng dụng

Hệ thống vận hành theo hai chế độ chính:

• Chế độ tự động (Auto Mode):
  • Khi độ ẩm không khí thấp hơn ngưỡng thiết lập: ESP32 kích hoạt relay bật bơm phun sương; khi độ ẩm đạt ngưỡng, bơm tự động tắt.
  • Khi độ ẩm đất giảm xuống dưới ngưỡng cài đặt: Kích hoạt relay bật bơm tưới nước cho đến khi độ ẩm đất hồi phục về mức quy định.
  • Khi cảm biến mưa phát hiện hạt nước: Khối xử lý gửi tín hiệu qua mạch cầu H L298 điều khiển động cơ DC quay thuận để kéo đóng kín mái che; khi hết mưa, động cơ quay đảo chiều để mở mái che tạo độ thông thoáng.
  • Khi cảm biến quang trở phát hiện cường độ sáng thấp (trời tối): Kích hoạt relay bật dải đèn LED chiếu sáng; ban ngày đèn tự ngắt.
  • Tác vụ bón phân: Tự động kích hoạt bơm phân theo lịch trình thời gian thực đọc từ module DS1307 và duy trì thời lượng phun theo khoảng thời gian đã cài đặt.
• Chế độ thủ công (Manual Mode):
  • Người dùng can thiệp trực tiếp bằng cách nhấn các nút cứng (Auto, Set, Up, Down, Sel, Exit) trên hộp điều khiển hoặc thao tác các nút chuyển mạch ảo trên giao diện ứng dụng Blynk qua mạng Wi-Fi để bật/tắt từng thiết bị theo nhu cầu.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Chương 1 giới thiệu tính cấp thiết của việc tự động hóa giám sát các yếu tố môi trường trong nhà kính (nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm không khí, độ ẩm đất). Tác giả xác lập 6 mục tiêu kỹ thuật, kế hoạch thực hiện 6 bước, nêu rõ phương pháp kết hợp phân tích lý thuyết và chế tạo mô hình thực nghiệm, đồng thời vạch rõ các giới hạn về quy mô phòng thí nghiệm và vật liệu chế tạo.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày tổng quan về công nghệ IoT với cấu trúc ba lớp và các ứng dụng thực tế trong đô thị thông minh, y tế, giao thông và nông nghiệp. Chương này đi sâu phân tích cơ chế tác động của điều kiện khí hậu (nhiệt độ, lượng mưa, độ ẩm, ánh sáng, gió, biến đổi khí hậu), thủy lợi và kỹ thuật canh tác đối với sự phát triển của cây trồng. Cuối chương là phần phân tích kỹ thuật và bảng so sánh chi tiết các chuẩn giao tiếp không dây (Wi-Fi, Bluetooth Classic, BLE, LoRaWAN) để chứng minh tính phù hợp của Wi-Fi trên vi điều khiển ESP32 đối với mô hình nhà vườn hộ gia đình.

Chương 3: Thiết kế hệ thống

Chương 3 là phần trọng tâm kỹ thuật của đồ án, mô tả chi tiết:

• Yêu cầu chức năng tự động và thủ công của hệ thống.
• Sơ đồ khối và chức năng của từng khối: cảm biến, xử lý trung tâm, nút nhấn, hiển thị LCD, mạch cầu H, module relay, khối chấp hành và khối nguồn.
• Lựa chọn linh kiện và sơ đồ đấu nối chi tiết từng chân GPIO của ESP32 với cảm biến DHT11, cảm biến độ ẩm đất, quang trở LDR, cảm biến mưa, LCD 1602, RTC DS1307, module relay 4 kênh, mạch cầu H L298 và động cơ mái che.
• Bảng tính toán tiêu thụ phụ tải chi tiết cho các thiết bị dùng nguồn 5VDC (tổng 800mA) và 12VDC (tổng 2220mA), tính toán tổng công suất 30.64W và thiết kế hệ thống nguồn cấp từ pin 18650 3S 20A kết hợp sạc pin mặt trời.
• Lưu đồ giải thuật chương trình chính, lưu đồ kết nối ứng dụng Blynk, lưu đồ hoạt động chế độ thủ công và tự động.

Chương 4: Kết quả và đánh giá

Chương 4 thể hiện kết quả thi công thực tế phần cứng: mô hình nhà vườn hoàn chỉnh, hộp điều khiển sau khi bật nguồn, vị trí lắp đặt tấm pin mặt trời, cảm biến mưa, quang trở và động cơ mái che. Đồng thời, chương này trình bày các giao diện cấu hình Wi-Fi Smart Farm, giao diện ứng dụng Blynk hiển thị dữ liệu đo, đồ thị giám sát và các nút điều khiển chấp hành. Chương này cũng bổ sung các bảng đánh giá thực nghiệm về sai số đo lường của cảm biến DHT11 và đo độ trễ phản hồi của thiết bị khi điều khiển qua Blynk theo yêu cầu chỉnh sửa của Hội đồng bảo vệ.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương 5 tóm tắt các kết quả đạt được đối chiếu với mục tiêu đề ra ban đầu, xác nhận hệ thống đã thực hiện tốt chức năng giám sát tự động và điều khiển qua mạng. Tác giả thẳng thắn chỉ ra những điểm còn tồn tại của mô hình và đề xuất các giải pháp nâng cấp, hoàn thiện cho các nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Về kết quả thi công phần cứng và phần mềm:

• Chế tạo thành công mô hình nhà vườn trồng rau khép kín có trang bị hộp điều khiển trung tâm, tích hợp tấm pin năng lượng mặt trời 9V nạp qua mạch tăng áp 12V và bộ lưu trữ pin 3S 18650 Li-ion.
• Hệ thống thực hiện việc đo đạc và truyền tải dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất, trạng thái mưa và ánh sáng lên màn hình LCD 1602 và ứng dụng Blynk qua kết nối Wi-Fi.
• Thiết lập thành công hai chế độ làm việc: Chế độ tự động kích hoạt bơm phun sương, bơm tưới nước, đèn LED, đóng mở mái che theo ngưỡng cảm biến, tưới phân định giờ qua module RTC DS1307; Chế độ thủ công cho phép bật/tắt từng thiết bị chấp hành trực tiếp bằng nút nhấn cơ hoặc thao tác trên điện thoại di động.

Về dữ liệu đo kiểm thực nghiệm (bổ sung theo yêu cầu tại Bản giải trình chỉnh sửa):

• Tác giả đã thực hiện đo đạc và tổng hợp bảng sai số hoạt động của cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11 (Bảng 4.2 trong văn bản) so với thiết bị đo chuẩn để xác nhận độ tin cậy trong phạm vi sai số kỹ thuật cho phép (nhiệt độ trong khoảng ±2°C).
• Thực hiện kiểm thử và ghi nhận bảng độ trễ điều khiển các thiết bị chấp hành qua ứng dụng Blynk (Bảng 4.3 trong văn bản) để đánh giá tính tức thời và độ ổn định của đường truyền mạng Wi-Fi tại khu vực đặt mô hình.

Đóng góp kỹ thuật chính của đồ án:

• Hiện thực hóa một giải pháp kỹ thuật tích hợp hoàn chỉnh giữa công nghệ nhúng (ESP32), nền tảng IoT đám mây (Blynk) và hệ thống năng lượng tái tạo tự cung cấp (pin mặt trời kết hợp mạch bảo vệ pin 3S).
• Đưa ra cấu hình phần cứng tối ưu về mặt chi phí, chứng minh khả năng áp dụng tự động hóa nông nghiệp quy mô nhỏ tại hộ gia đình mà không cần phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn điện lưới.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được tác giả thừa nhận trong đồ án:

• Đề tài mới dừng lại ở quy mô mô hình mô phỏng thực nghiệm, chưa triển khai thử nghiệm trên diện tích canh tác thực địa quy mô lớn.
• Cấu trúc cơ khí của mô hình và hệ thống khung đỡ chưa đạt mức tối ưu so với các hệ thống nhà kính chuyên nghiệp trong thực tế.
• Tính thẩm mỹ của mô hình và hộp điều khiển còn hạn chế.
• Các linh kiện điện tử, cảm biến và nguyên vật liệu sử dụng trong mô hình là các module thử nghiệm phổ thông, chưa đạt các tiêu chuẩn chống chịu môi trường khắc nghiệt trong công nghiệp.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

• Nâng cấp các cảm biến và mạch chấp hành sang chuẩn công nghiệp để tăng cường độ bền, độ chính xác và tuổi thọ vận hành.
• Hoàn thiện kết cấu cơ khí của hệ thống mái che và đường ống tưới nước nhằm nâng cao tính thẩm mỹ và độ kín khít khi vận hành.
• Mở rộng thuật toán phân tích dữ liệu, nghiên cứu tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) để phân tích sâu hơn các dữ liệu môi trường thu thập được, từ đó đưa ra các khuyến nghị canh tác chính xác cho từng giai đoạn phát triển của cây trồng.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

• Sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Máy tính, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông hoặc Công nghệ Thông tin đang thực hiện đồ án môn học, khóa luận tốt nghiệp liên quan đến hệ thống nhúng IoT.
• Người nghiên cứu nông nghiệp công nghệ cao quy mô hộ gia đình, trang trại nhỏ muốn tìm hiểu giải pháp giám sát tự động với chi phí thấp.

Các nội dung có giá trị tham khảo kỹ thuật cao trong văn bản bao gồm:

• Bản tính toán phụ tải dòng điện và công suất tiêu thụ thực tế của hệ thống nguồn kép (5VDC và 12VDC) kết hợp cell pin 18650 và mạch sạc bảo vệ 3S 20A.
• Sơ đồ phân bổ và đấu nối chi tiết các chân GPIO của vi điều khiển ESP32 với đa dạng các thiết bị ngoại vi (giao tiếp 1-wire, I2C, ngõ vào số, ngõ vào tương tự và điều khiển công suất qua relay, cầu H).

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ xử lý trung tâm được sử dụng trong đồ án là loại nào và có thông số kỹ thuật ra sao? Hệ thống sử dụng module ESP32 làm bộ xử lý trung tâm. Vi điều khiển này tích hợp CPU 32-bit lõi kép Xtensa với xung nhịp tối đa 240 MHz, bộ nhớ RAM nội 520 KB, bộ nhớ Flash ngoài từ 4MB đến 16MB, cung cấp 34 chân GPIO và tích hợp sẵn kết nối không dây Wi-Fi chuẩn 802.11 b/g/n cùng Bluetooth/BLE.

2. Tổng công suất tiêu thụ của hệ thống là bao nhiêu và được cấp nguồn như thế nào? Tổng công suất tiêu thụ danh định của toàn bộ hệ thống là 30.64W, gồm tải 5VDC tiêu thụ xấp xỉ 800mA (4W) và tải 12VDC tiêu thụ xấp xỉ 2220mA (26.64W). Nguồn cấp sử dụng bộ 3 cell pin Li-ion 18650 mắc nối tiếp (nguồn 12V-3A, công suất 36W) phối hợp mạch sạc bảo vệ 3S 20A và tấm pin năng lượng mặt trời 9V có mạch tăng áp lên 12V để sạc pin. Nguồn 5VDC cấp cho ESP32 và cảm biến được lấy từ ngõ ra 5V-1A của module cầu H L298.

3. Khối động cơ kéo mái che hoạt động dựa trên nguyên lý và linh kiện nào? Mái che sử dụng động cơ DC 12V (tỷ số truyền 171:1, tốc độ không tải 35 vòng/phút, dòng tối đa có tải 1A, mô-men định mức 4 kg.cm) được điều khiển thông qua module mạch cầu H L298. Khi cảm biến mưa nối chân GPIO32 phát hiện có nước mưa, vi điều khiển phát tín hiệu qua mạch cầu H để động cơ quay đóng mái che; khi trời tạnh mưa, động cơ đảo chiều để mở mái che.

4. Khối relay 4 kênh đảm nhiệm điều khiển những thiết bị chấp hành nào qua các chân GPIO nào? Module relay 4 kênh hoạt động ở điện áp 5V, kích mức thấp, kết nối với ESP32 qua các chân:

• Chân GPIO17 điều khiển relay cho bơm phun sương.
• Chân GPIO16 điều khiển relay cho dải đèn LED chiếu sáng.
• Chân GPIO15 điều khiển relay cho bơm tưới nước.
• Chân GPIO14 điều khiển relay cho bơm bón phân dinh dưỡng.

5. Cơ chế hẹn giờ bón phân tự động của hệ thống được thiết lập bằng cách nào? Hệ thống sử dụng module thời gian thực RTC DS1307 giao tiếp qua chuẩn I2C (SCL nối GPIO22, SDA nối GPIO21) để liên tục cập nhật giờ, phút, ngày. Người dùng thiết lập thời điểm bón phân và thời lượng phun thông qua các nút nhấn cứng trên hộp điều khiển (Set, Up, Down, Sel, Exit), dữ liệu được lưu trữ và khi thời gian thực trùng khớp với mốc cài đặt, vi điều khiển sẽ đóng relay kích hoạt động cơ bơm bón phân.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Đặng Gia Huy đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình giám sát, điều khiển vườn rau tự động ứng dụng vi điều khiển ESP32 và nền tảng IoT Blynk. Hệ thống vận hành ổn định trên cơ sở khai thác nguồn năng lượng mặt trời kết hợp bộ lưu trữ pin 3S 18650, đáp ứng đầy đủ các chức năng tự động hóa tưới nước, phun sương, bón phân định giờ, chiếu sáng và che mưa. Các kết quả đo kiểm thực nghiệm về sai số cảm biến và độ trễ điều khiển đã chứng minh tính khả thi kỹ thuật của mô hình trong điều kiện ứng dụng thực tế tại hộ gia đình.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về đề tài • Chương 2: Cơ sở lý thuyết • Chương 3: Thiết kế hệ thống • Chương 4: Kết quả và đánh giá • Chương 5: Kết luận và hướng phát triển. 3 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 CÔNG NGHỆ IOT 2.1 Giới thiệu về công nghệ IoT Công nghệ IoT (Internet of Things), hay còn gọi làiInternet vạn vật đang ngày càng phát triển mạnh mẽ và có nhiều ảnh hưởng lớn trong các các ngành công nghệ, kinh tế và xã hội hiện đại. IoT đề cập đến một hệ sinh thái sẽ có các thiết bị vật lý được kết nối qua mạng Internet, cho phép giao tiếp và trao đổi dữ liệu hiệu quả mà không cần đến sự canithiệp trực tiếp của con người. Các thiết bị bên trong một hệ thống IoT có thể là những công cụ đơn giản như cảm biến, những thiết bị dùng hàng ngày, cho đến các hệ thống có độ phứcitạp hơn, xe tự lái, nhà thông minh, hay các cơ sở hạ tầng của thànhiphố.1: Kết nối IoT vạn vật IoT có cấu trúcibao gồm ba thành phần chính: cảm biến, mạng truyền thông và hệ thống xử lý dữ liệu.

Cảm biến có vai trò thu thập các dữ liệu từ môi trường xung quanh. Mạng truyền thông đóng vai trò kết nối các thiết bị này với nhau và với các hệ thống xử lý dữ liệu qua các giao thức như Wi-Fi, Bluetooth, 5G hoặc các mạng không dây khác. Hệ thống xử lý dữ liệu là nơi phân tích và đưa ra quyết định từ dữ liệu thu thập được. Cuối cùng, ứng dụng là nơi người dùng có thể tương tác hoặc nhận các thôngibáo từ hệ thống.2 Ứng dụng của IoT IoT mang lại đa dạng ứng dụng thực tế trong cuộc sống.

Trong lĩnh vực nhà thông minh, các thiết bị như, đèn, tủ lạnh, hay các thiết bị an ninh tự động điều chỉnh theo ý của người sử dụng. Ví dụ, hệ thống điều hòa có thể tự động điều chỉnh nhiệt độ theo thời gian trongingày, bóng đèn có thể bật khi phát hiện sự di chuyển trong phòng, và hệ thống an ninh sẽ gửi cảnh báo khi phát hiện bất kỳ sự bất thường nào. Trong giao thông thông minh, IoT giúp các phương tiện thu thập và chia sẻ dữ liệu về tình trạng giao thông, điều hướng và tình trạng của xe. Các xe tự lái, với các cảm biến như LiDAR và camera, có thể tự vận hành và di chuyển tự động.

Một lĩnh vực khác là y tế thông minh, nơi các thiết bị như đồng hồ thông minh có thể theo dõi nhịp tim, và các chỉisố sức khỏe khác của người dùng, gửi dữ liệu về các bác sĩ để có được sự hỗ trợ nhanh chóng. Các thiết bị y tế thông minh, như máy đo đường huyết hay máy theo dõi nhịp tim, có thể cung cấp dữ liệu sức khỏe trong thời gian thực, giúp việc chămisóc bệnhinhân trở nên hiệu quả và chủ động hơn. Trong nông nghiệp thông minh, các cảm biến IoT có thể giám sát môi trường đất đai và cây trồng, từ đó tự động điều chỉnh quá trình tưới tiêu, phun thuốc bảo vệ thực vật, hoặc phân tíchisựiphátitriển của cây trồng. Trong ngành công nghiệp, IoT là một yếu tố quan trọng trong cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, nơi các thiết bị và hệ thống sản xuất có thể chiaisẻikếtinối dữiliệu để tối ưu hóa các quy trình, cũng nhưibảo trì và quảnilý kho.

Các cảm biến trong nhà máy giúp theo dõi tình trạng máy móc, thông báo khi có sự cố hoặc hư hỏng, qua đó giảm bớt chi phí bảo trì. Hệithống quản lý kho tự động giúp điều phối hàng tồn kho, quy trình được tối ưu hóa cung ứng và di chuyển hàngihóa.