Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế mô hình giám sát điều khiển nhiệt độ độ ẩm nhà kính

Đồ án tốt nghiệp ngành Điện tử Viễn thông về thiết kế mô hình giám sát, điều khiển nhiệt độ và độ ẩm cho nhà kính, ứng dụng trong nông nghiệp 4.0.

• Tác giả: Nguyễn Văn Cảnh
• Người hướng dẫn: ThS. Đỗ Thị Ngọc Ánh
• Trường học: Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
• Chuyên ngành: Điện tử - Viễn thông
• Đề tài: Thiết kế mô hình giám sát, điều khiển nhiệt độ độ ẩm nhà kính
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hệ thống giám sát và điều khiển nhiệt độ độ ẩm nhà kính

Đồ án giám sát, điều khiển nhiệt độ độ ẩm nhà kính là một giải pháp công nghệ hiện đại nhằm tối ưu hóa môi trường trồng trọt trong nhà kính. Hệ thống này được thiết kế dựa trên nền tảng vi điều khiển STM32F103C8T6 kết hợp với các cảm biến nhiệt độ và độ ẩm chuyên dụng. Mục tiêu chính là tự động giám sát và điều khiển các thông số môi trường để tạo điều kiện lý tưởng cho sự phát triển của cây trồng. Đây là một đề tài tốt nghiệp chuyên ngành điện tử-viễn thông từ Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, được hướng dẫn bởi ThS. Đỗ Thị Ngọc Ánh. Hệ thống không chỉ giúp nâng cao năng suất canh tác mà còn tiết kiệm năng lượng và giảm nhân công quản lý.

1.1. Mục đích và ý nghĩa của hệ thống

Giám sát và điều khiển nhiệt độ độ ẩm nhà kính là yếu tố then chốt trong canh tác hiện đại. Hệ thống này cung cấp khả năng theo dõi thời gian thực các thông số môi trường, giúp nông dân quyết định nhanh chóng các biện pháp can thiệp. Ý nghĩa kinh tế-xã hội là tăng hiệu suất sản xuất, giảm chi phí vận hành và bảo vệ môi trường. Công nghệ tự động hóa giúp tối ưu hóa điều kiện phát triển cây trồng một cách khoa học.

1.2. Tổng quan kỹ thuật của mô hình thiết kế

Mô hình thiết kế bao gồm ba thành phần chính: bộ đo cảm biến, bộ điều khiển trung tâm và ứng dụng giám sát. Bộ đo được trang bị các cảm biến chuyên dụng để phát hiện nhiệt độ và độ ẩm. Bộ điều khiển sử dụng vi mạch STM32F103C8T6 để xử lý dữ liệu và điều khiển các thiết bị. Giao tiếp không dây RF HC-12 cho phép truyền tín hiệu trên khoảng cách lớn, giúp tối ưu hóa hệ thống từ xa.

II. Các thành phần chính và cấu trúc hệ thống

Hệ thống giám sát điều khiển nhiệt độ độ ẩm nhà kính được xây dựng từ các thành phần điện tử chuyên nghiệp. Vi điều khiển STM32F103C8T6 là trái tim của hệ thống, đảm nhận xử lý tín hiệu từ các cảm biến và điều khiển các bộ chuyển mạch. Các cảm biến DS18B20 được sử dụng để đo nhiệt độ chính xác thông qua chuẩn giao tiếp One-Wire. Màn hình LCD hiển thị dữ liệu thời gian thực, cho phép người dùng theo dõi trạng thái hệ thống. Module HC-05 Bluetooth và RF HC-12 cung cấp khả năng truyền nhận dữ liệu không dây, kết nối với ứng dụng di động để giám sát từ xa.

2.1. Vi điều khiển STM32F103C8T6 và chức năng

Vi điều khiển STM32F103C8T6 là bộ xử lý 32-bit có tần số xung nhịp lên đến 72MHz. Nó cung cấp nhiều kênh ADC, bộ nhớ RAM 20KB và bộ nhớ Flash 64KB đủ để lưu trữ chương trình điều khiển. Các chân I/O linh hoạt cho phép kết nối với cảm biến và các thiết bị ngoại vi. Khả năng xử lý dữ liệu nhanh giúp hệ thống phản ứng kịp thời với những thay đổi môi trường.

2.2. Cảm biến và bộ truyền nhận dữ liệu

Cảm biến DS18B20 là cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số có độ chính xác ±0.5°C. Nó sử dụng chuẩn One-Wire giúp giảm số dây kết nối. Module RF HC-12 cung cấp khoảng phát sóng lên đến 1km trong điều kiện không có vật cản, cho phép truyền dữ liệu ở khoảng cách xa. Giao tiếp UART đơn giản hóa kết nối với vi điều khiển và đảm bảo độ tin cậy cao.

III. Quy trình thiết kế và thử nghiệm hệ thống

Thiết kế mô hình giám sát điều khiển nhiệt độ độ ẩm tuân theo quy trình kỹ thuật khoa học với ba giai đoạn chính: phân tích yêu cầu, thiết kế chi tiết và thử nghiệm. Ban đầu, nhóm phân tích yêu cầu bài toán bao gồm độ chính xác đo lường, khoảng cách truyền dữ liệu và thời gian phản ứng. Tiếp theo là thiết kế sơ đồ nguyên lý các mạch điện, thiết kế mạch in và lắp ráp các thành phần. Giai đoạn thử nghiệm bao gồm hiệu chuẩn cảm biến pH, kiểm tra độ chính xác đo nhiệt độ và đánh giá khoảng cách truyền dữ liệu trong điều kiện có và không có vật cản.

3.1. Phân tích yêu cầu và thiết kế ý tưởng

Phân tích yêu cầu bài toán xác định các chức năng cần thiết: đo nhiệt độ, đo độ ẩm và điều khiển thiết bị. Hệ thống phải hoạt động 24/7, có độ ổn định cao và tiêu thụ điện năng tối thiểu. Thiết kế ý tưởng chọn kiến trúc ba lớp: lớp cảm biến, lớp xử lý và lớp giao tiếp. Lựa chọn công nghệ tập trung vào độ tin cậy và chi phí phù hợp với ứng dụng nông nghiệp.

3.2. Thử nghiệm và đánh giá hiệu năng

Thử nghiệm hệ thống bao gồm hiệu chuẩn cảm biến bằng dung dịch chuẩn pH, đo nhiệt độ ở các mức nước khác nhau. Kết quả cho thấy độ chính xác đo pH ±0.2 và sai số nhiệt độ dưới 0.5°C. Kiểm tra khoảng cách truyền đạt 1km không vật cản và 300m có vật cản. Ứng dụng mobile hiển thị dữ liệu chính xác và giao diện thân thiện người dùng.

IV. Ứng dụng và tác động của hệ thống trong thực tiễn

Mô hình giám sát điều khiển nhiệt độ độ ẩm nhà kính có ứng dụng rộng rãi trong canh tác nông nghiệp hiện đại. Hệ thống giúp nông dân quản lý nhà kính một cách hiệu quả từ xa hoặc tại chỗ, giảm nhân công và tăng năng suất. Tác động kinh tế bao gồm giảm chi phí vận hành do tối ưu hóa năng lượng và tăng doanh thu từ cải thiện chất lượng sản phẩm. Tác động xã hội là khuyến khích nông dân áp dụng công nghệ và tạo việc làm mới trong lĩnh vực nông nghiệp thông minh. Bảo vệ môi trường thông qua sử dụng năng lượng hiệu quả và giảm lãng phí tài nguyên nước.

4.1. Ứng dụng thực tế trong canh tác nhà kính

Hệ thống có thể ứng dụng cho các loại cây trồng như rau sạch, hoa cảnh, nông sản cao giá. Giám sát tự động các thông số nhiệt độ tối ưu từ 18-28°C, độ ẩm 60-80% theo loại cây. Hệ thống phát cảnh báo khi vượt ngưỡng và kích hoạt quạt, bơm nước tự động. Lưu trữ dữ liệu lịch sử giúp tối ưu hóa chiến lược canh tác trong các mùa vụ tiếp theo.

4.2. Tác động kinh tế xã hội và môi trường

Tác động kinh tế: Giảm 30-40% chi phí nhân công quản lý, tiết kiệm nước 20-25% do điều khiển chính xác. Tăng năng suất 25-35% nhờ môi trường tối ưu. Tác động xã hội: Chuyên nghiệp hóa nông nghiệp, nâng cao chất lượng cuộc sống người nông dân. Tác động môi trường: Giảm lãng phí nước, sử dụng năng lượng bền vững, bảo vệ tài nguyên thiên nhiên.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tổng quan hệ thống đo và giám sát chất lượng ao nuôi 1. Khái niệm Hệ thống đo và giám sát chất lượng nước ao nuôi là một hệ thống kỹ thuật được sử dụng để đo lường các thông số về chất lượng nước trong ao nuôi như nồng độ oxy hòa tan, pH, nhiệt độ, độ đục, độ mặn, hàm lượng chất hữu cơ, nitrat, ammoniac, và các chất độc hại khác. Hệ thống này giúp cho người nuôi có thể theo dõi và kiểm soát chất lượng nước trong ao nuôi một cách chính xác và liên tục, từ đó đảm bảo sức khỏe và sự phát triển của tôm, cá trong ao nuôi và giảm thiểu rủi ro về sức khỏe đối với con người khi tiêu thụ sản phẩm từ ao nuôi.

Các thông số cần đo Để giám sát chất lượng nước trong ao nuôi thuỷ sản, cần đo các thông số sau đây: • Độ pH: Đây là một trong những thông số quan trọng để giám sát chất lượng nước trong ao nuôi. Độ pH cho biết mức độ acid hoặc alkali của nước. Nước quá acid hoặc alkali có thể gây ra các vấn đề về sức khỏe và sinh trưởng của các loài động vật nuôi. • Nồng độ oxy hòa tan (DO): DO là lượng oxy có trong nước.

Đây là thông số quan trọng để đánh giá sự sống còn của các loài động vật nuôi. Nếu DO quá thấp, các loài động vật nuôi có thể không thể hít thở và chết. • Nồng độ ammoniac (NH3/NH4+): Ammoniac là chất độc hại đối với các loài động vật nuôi nếu nồng độ quá cao. Nếu nồng độ ammoniac quá cao, 7 nó có thể gây ra tình trạng ngộ độc và các vấn đề về sức khỏe cho các loài động vật nuôi.

• Nồng độ nitrit (NO2-): Nitrit là sản phẩm phụ của chu trình nitơ trong nước và có thể gây độc hại cho các loài động vật nuôi nếu nồng độ quá cao. Nồng độ nitrit cao có thể gây ra các vấn đề về sức khỏe cho các loài động vật nuôi. • Nồng độ nitrat (NO3-): Nitrat là một trong những chất dinh dưỡng quan trọng cho sự phát triển của thực vật. Tuy nhiên, nồng độ nitrat quá cao có thể gây ra sự phát triển quá mức của tảo và rong, dẫn đến tình trạng nước xanh và các vấn đề khác.

• Nồng độ muối (salinity): Nồng độ muối trong nước có thể ảnh hưởng đến sự sống còn và sinh trưởng của các loài động vật nuôi. Nếu nồng độ muối quá cao, nó có thể gây ra tình trạng giảm nước cơ thể và các vấn đề khác. • Nhiệt độ (temperature): Nhiệt độ của nước ảnh hưởng lớn đến sự phát triển của các loài động vật nuôi. Nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp có thể gây ra các vấn đề về sinh trưởng và phát triển của các loài động vật nuôi.

Nhiệt độ quá cao có thể làm tăng sự phát triển của tảo và rong, gây ra các vấn đề về oxy hòa tan và các vấn đề về sức khỏe cho các loài động vật nuôi. Nhiệt độ quá thấp có thể làm giảm quá trình trao đổi chất của các loài động vật nuôi, dẫn đến giảm sức đề kháng và tăng nguy cơ bị bệnh. Do đó, giám sát nhiệt độ của nước là rất quan trọng để đảm bảo sức khỏe và phát triển của các loài động vật nuôi trong ao nuôi. Thiết bị đo và giám sát Việc lựa chọn thiết bị đo và giám sát phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của các thông số đo.

Các thiết bị đo và giám sát cần phù hợp với quy mô của ao nuôi và các thông số cần đo. 8 Thiết bị đo và giám sát chất lượng nước trong ao nuôi thuỷ sản được thiết kế để cung cấp thông tin về các thông số quan trọng của nước trong ao nuôi. Các thiết bị này có thể đo và giám sát các thông số như độ pH, nồng độ oxy hòa tan, nồng độ ammoniac, nồng độ nitrit, nồng độ nitrat, nồng độ muối và nhiệt độ. Các thiết bị đo và giám sát chất lượng nước trong ao nuôi có thể được chia thành hai loại chính: thiết bị đo tĩnh và thiết bị đo động.

Thiết bị đo tĩnh bao gồm các thiết bị như bộ đo pH, bộ đo oxy hòa tan, bộ đo ammoniac, bộ đo nitrit và bộ đo nitrat. Các thiết bị này thường được đặt tại một vị trí cố định trong ao nuôi và được giám sát liên tục để theo dõi các thông số nước. Thiết bị đo động bao gồm các thiết bị như máy đo nhiệt độ và máy đo mực nước. Các thiết bị này thường được sử dụng để đo các thông số nước tại nhiều vị trí khác nhau trong ao nuôi.

Thông tin từ các thiết bị đo và giám sát chất lượng nước trong ao nuôi có thể được thu thập và lưu trữ trên một hệ thống giám sát tự động. Các dữ liệu này có thể được xem qua một giao diện trực quan, cho phép nhân viên quản lý theo dõi sự thay đổi của các thông số nước trong ao nuôi và đưa ra quyết định về các biện pháp cần thiết để bảo vệ sức khỏe và phát triển của các loài động vật nuôi. Các phương pháp đo và giám sát Các phương pháp đo và giám sát chất lượng nước trong ao nuôi thuỷ sản phải được thực hiện để đảm bảo sức khỏe của các loài cá được nuôi trong môi trường thích hợp và tối ưu. Sau đây là một số cơ sở lý thuyết về các phương pháp này: • Phương pháp đo vật lý: Phương pháp này đo các thông số như nhiệt độ, độ pH, độ ấm, độ dẫn điện, độ oxy hòa tan và màu sắc của nước.

Điều này 9 giúp xác định mức độ nhiễm bẩn và các tác nhân gây ô nhiễm trong nước. • Phương pháp đo hóa học: Phương pháp này đo hàm lượng các chất hóa học trong nước như amoniac, nitrat, nitrit, photphat và kim loại nặng. Việc đo lường này giúp xác định mức độ ô nhiễm và đưa ra quyết định về việc sử dụng các loại hóa chất để xử lý nước. • Phương pháp đo vi sinh: Phương pháp này đo số lượng vi sinh vật có trong nước, bao gồm vi khuẩn, virus và tảo.

Việc đo lường này giúp phát hiện các tác nhân gây bệnh và tiềm ẩn nguy cơ cho sức khỏe của các loài cá. • Giám sát trực tiếp: Phương pháp này bao gồm việc quan sát và ghi nhận các thay đổi về hành vi và sức khỏe của cá. Việc giám sát này giúp phát hiện các vấn đề liên quan đến chất lượng nước, nhưng cũng có thể phát hiện các vấn đề khác như bệnh tật hoặc cạnh tranh với các loài cá khác. • Sử dụng các thiết bị tự động giám sát: Các thiết bị như máy đo oxy, máy đo nhiệt độ và máy đo pH tự động được sử dụng để giám sát chất lượng nước trong ao nuôi.

Các thiết bị này thường được kết nối với hệ thống điều khiển tự động để điều chỉnh các tham số của nước trong ao. Tất cả các phương pháp trên đều cần được thực hiện định kỳ và kết hợp với nhau để đảm bảo chất lượng nước trong ao nuôi được duy trì ổn định. Trong đó, việc sử dụng các thiết bị tự động giám sát như máy đo oxy, máy đo nhiệt độ và máy đo pH tự động mang lại nhiều lợi ích đáng kể cho quá trình giám sát chất lượng nước trong ao nuôi. Máy đo oxy tự động giúp đo lượng oxy hòa tan trong nước một cách chính xác và nhanh chóng, giúp người nuôi cá có thể kiểm soát mức oxy cần thiết cho sự sống của các loài cá.

Máy đo nhiệt độ tự động giúp người nuôi cá có thể theo dõi và kiểm soát 10 nhiệt độ nước trong ao một cách chính xác và tự động. Điều này giúp tránh được những sai sót trong việc kiểm soát nhiệt độ nước trong ao, góp phần tạo điều kiện môi trường thuận lợi cho sự phát triển của cá. Máy đo pH tự động giúp đo chính xác mức độ pH trong nước. Việc điều chỉnh pH là rất quan trọng trong quá trình nuôi trồng thủy sản, đặc biệt là trong việc tạo điều kiện cho sự phát triển của vi sinh vật có lợi, giúp cân bằng hệ sinh thái trong ao nuôi.

Tất cả các thiết bị tự động giám sát này đều được kết nối với hệ thống điều khiển tự động để thực hiện điều chỉnh các thông số của nước trong ao. Việc sử dụng các thiết bị tự động giám sát cùng với hệ thống điều khiển tự động giúp giảm thiểu sự can thiệp của con người trong việc kiểm soát chất lượng nước trong ao nuôi, từ đó giúp nâng cao hiệu quả trong quản lý, giám sát và nuôi trồng thủy sản. Các sản phẩm đã có trên thị trường Hiện nay, trên thị trường đã có nhiều thiết bị hỗ trợ giám sát tự động môi trường cho ao nuôi tôm công nghiệp. Ngoài nước, có thể nhắc đến một số thiết bị đáng chú ý như “PondGuard” một sản phẩm của Eruvaka Technologies, “Driving Aquaculture Product” sản phẩm của AQ1 Systems,.

Thị trường trong nước, có “Hệ thống mạng cảm biến, giám sát môi trường cho nông nghiệp và ngư nghiệp (AEVisor)” của công ty Farmtech Đà Nẳng.1: Hệ thống giám sát môi trương nước thủy sản E- Sensor Aqua Các sản phẩm kể trên điều có những điểm chung là thu thập thông số môi trường (pH, nhiệt độ, nồng độ oxy hòa tan) cập nhật dữ liệu thu thập được lên Internet người dùng có thể kiểm tra thông số môi trường ao mọi nơi bằng các thiết bị di động hay cố định có kết nối Internet. Để đạt hiểu quả trong việc giám sát môi trường ao nuôi từ 4000m2 đến 5000m2 cần ít nhất bốn bộ thiết bị cùng lúc. Giá thành hiện tại trên thị trường của các sản phẩm trên khá cao từ 160 đến 180 triệu đồng một bộ, người nuôi khó có thể đầu tư. Những khó khăn trên đã thúc đẩy phong trào nghiên cứu khoa học trong sinh viên các trường Đại học để đề xuất các giải pháp có thể ứng dụng trong thực tiễn.

Điển hình như đề tài “Thiết kế hệ thống giám sát môi trường, điều khiển tự động dựa trên kiến trúc Rio trong mô hình nuôi tôm công nghiệp”, “Hệ thống giám sát và quản lý ao nuôi tôm công nghiệp”, các đề tài này đều đạt được giải cao trong các cuộc thi sáng tạo dành cho sinh viên các trường Đại học trong nước. Tuy được đánh giá cao về mặt ý tưởng cũng như về thiết kế nhưng điểm chung của các đề tài chỉ là mô hình trong phòng thí nghiệm chưa thật sự đáp ứng được các yếu tố môi trường tại ao nuôi thực tế và chưa có giải pháp hiệu quả về mặt kinh tế.