Đồ án IoT thiết kế và thi công hệ thống trồng rau xà lách - HCMUTE

Đồ án HCMUTE nghiên cứu ứng dụng IoT trong thiết kế và thi công hệ thống trồng rau xà lách tự động, tối ưu quy trình chăm sóc và năng suất cây trồng.

• Tác giả: Lê Anh Khoa
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Mạnh Hùng
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện tử - Viễn thông
• Đề tài: Ứng dụng IoT trong thiết kế và thi công hệ thống trồng rau xà lách
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án IoT trồng rau xà lách HCMUTE

Đồ án IoT trồng rau xà lách tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM ứng dụng công nghệ Internet vạn vật (IoT) trong thiết kế và thi công hệ thống canh tác thông minh. Hệ thống tích hợp cảm biến môi trường, vi điều khiển Arduino, module truyền thông LoRa/ESP8266 và nền tảng Firebase để giám sát, điều khiển tự động. Mục tiêu xây dựng mô hình trồng xà lách hiệu quả, tiết kiệm nước, giảm nhân công và nâng cao năng suất. Đồ án bao gồm thiết kế phần cứng, lập trình phần mềm, xây dựng ứng dụng Android/Web và hoàn thiện báo cáo kỹ thuật. Hệ thống hoạt động dựa trên nguyên lý thu thập dữ liệu thời gian thực từ cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng rồi xử lý qua thuật toán điều khiển bơm nước, rèm che, mái che. Dữ liệu được lưu trữ trên Firebase và hiển thị qua giao diện người dùng.

1.1. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu chính là phát triển hệ thống trồng rau xà lách sử dụng IoT tại trường HCMUTE, nhằm tối ưu hóa điều kiện sinh trưởng thông qua giám sát tự động. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế phần cứng gồm module cảm biến (DHT22, soil moisture, BH1750), vi điều khiển Arduino Mega, module truyền thông LoRa/ESP8266 và hệ thống điều khiển relay. Hệ thống được xây dựng trong nhà kính quy mô nhỏ, tích hợp chế độ điều khiển thủ công và tự động. Dữ liệu môi trường được thu thập mỗi 5 phút, xử lý bằng thuật toán PID để điều chỉnh bơm nước, rèm che và mái che. Sản phẩm cuối cùng bao gồm mô hình vật lý, ứng dụng Android/Web và báo cáo kỹ thuật chi tiết.

1.2. Công nghệ IoT ứng dụng trong nông nghiệp

Công nghệ IoT trong nông nghiệp sử dụng cảm biến không dây, vi điều khiển và nền tảng đám mây để giám sát môi trường canh tác. Hệ thống này ứng dụng module LoRa cho truyền thông tầm xa tiết kiệm năng lượng, ESP8266 cho kết nối WiFi, và Firebase làm server trung gian. Cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm đất/không khí, ánh sáng cung cấp dữ liệu thời gian thực. Dữ liệu được truyền lên Firebase, sau đó hiển thị qua ứng dụng Android/Web hoặc điều khiển trực tiếp thiết bị. Ưu điểm nổi bật là giảm chi phí nhân công, tiết kiệm nước, tăng năng suất và dễ dàng mở rộng hệ thống. Công nghệ IoT giúp nông nghiệp chính xác (Precision Agriculture) trở nên khả thi ở quy mô nhỏ.

II. Phân tích vấn đề trong canh tác rau xà lách truyền thống

Canh tác rau xà lách truyền thống gặp nhiều hạn chế như phụ thuộc hoàn toàn vào kinh nghiệm người trồng, tốn nhiều nước và nhân công. Việc giám sát thủ công các yếu tố môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng) thường không chính xác và chậm trễ, dẫn đến năng suất thấp hoặc thất thoát mùa vụ. Tại TP.HCM, chi phí nhân công tăng cao trong khi giá rau xà lách biến động thất thường, gây khó khăn cho người nông dân. Hệ thống tưới tiêu tự động hiện có thường chỉ điều khiển theo thời gian cố định, không thích ứng với điều kiện thời tiết thay đổi. Ngoài ra, thiếu công cụ giám sát từ xa khiến người trồng không thể điều chỉnh kịp thời khi có sự cố. Những vấn đề này đòi hỏi giải pháp canh tác thông minh, ứng dụng IoT để tối ưu hóa nguồn lực và nâng cao hiệu quả kinh tế.

2.1. Thách thức trong môi trường canh tác

Môi trường canh tác rau xà lách yêu cầu nhiệt độ 15-25°C, độ ẩm đất 60-70%, ánh sáng vừa phải. Tại TP.HCM, nhiệt độ cao quanh năm gây khó khăn trong việc kiểm soát nhiệt độ, trong khi mưa nhiều làm tăng độ ẩm không khí. Đất trồng thường nhanh khô do nắng gắt, đòi hỏi tưới nước thường xuyên nhưng thiếu hệ thống giám sát độ ẩm đất dẫn đến lãng phí nước hoặc thiếu nước. Ánh sáng mặt trời quá mạnh gây hại cho cây non, trong khi thiếu sáng làm chậm sinh trưởng. Những yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất, chất lượng rau. Hệ thống IoT giúp giải quyết bằng cách giám sát liên tục, điều chỉnh tự động điều kiện môi trường.

2.2. Hạn chế của hệ thống canh tác hiện tại

Hệ thống canh tác truyền thống chủ yếu dựa vào kinh nghiệm chủ quan, không có dữ liệu khách quan để điều chỉnh. Việc tưới nước theo lịch trình cố định dẫn đến lãng phí hoặc thiếu nước, ảnh hưởng đến sinh trưởng cây. Thiếu hệ thống cảnh báo khi có sự cố (nhiệt độ quá cao, độ ẩm đất thấp) khiến người trồng phản ứng chậm. Chi phí đầu tư ban đầu thấp nhưng chi phí vận hành cao do tiêu thụ điện/nước nhiều. Ngoài ra, không có công cụ theo dõi từ xa nên người trồng không thể can thiệp kịp thời khi có vấn đề. Những hạn chế này dẫn đến năng suất thấp, chất lượng rau không đồng đều, khó cạnh tranh trên thị trường.

III. Giải pháp thiết kế hệ thống IoT trồng rau xà lách

Giải pháp thiết kế hệ thống IoT trồng rau xà lách tại HCMUTE bao gồm ba khối chính: trạm con (node cảm biến), trạm trung tâm (MCU + truyền thông) và nền tảng đám mây (Firebase + ứng dụng). Trạm con gồm cảm biến DHT22 (nhiệt độ/độ ẩm không khí), cảm biến độ ẩm đất, BH1750 (ánh sáng) kết nối Arduino Nano. Dữ liệu truyền qua module LoRa đến trạm trung tâm Arduino Mega, sau đó gửi lên Firebase qua ESP8266. Hệ thống điều khiển bơm nước, rèm che, mái che dựa trên thuật toán so sánh ngưỡng cài đặt. Người dùng điều khiển qua ứng dụng Android/Web hoặc nút nhấn trên hệ thống. Nguồn cấp 12VDC cung cấp năng lượng ổn định. Toàn bộ hệ thống được thi công trên khung nhôm, dễ dàng lắp ráp.

3.1. Thiết kế phần cứng hệ thống

Phần cứng hệ thống gồm ba khối: cảm biến, vi điều khiển và điều khiển công suất. Cảm biến DHT22 đo nhiệt độ/độ ẩm không khí, cảm biến độ ẩm đất (FC-28) đo độ ẩm đất, BH1750 đo cường độ ánh sáng. Vi điều khiển Arduino Nano (trạm con) và Mega (trạm trung tâm) xử lý dữ liệu. Module LoRa (E32-433T20S) truyền dữ liệu tầm xa, ESP8266 kết nối WiFi. Khối điều khiển công suất gồm relay 5V điều khiển bơm nước, rèm che, mái che, servo điều chỉnh góc rèm. Nguồn cấp 12VDC từ adapter, đảm bảo hoạt động ổn định. Hệ thống được lắp ráp trên mạch in thủ công, kết nối không dây giữa các module.

3.2. Phần mềm điều khiển và giám sát

Phần mềm điều khiển sử dụng thư viện Arduino IDE cho vi điều khiển, Firebase Admin SDK cho giao tiếp đám mây. Thuật toán điều khiển so sánh dữ liệu cảm biến với ngưỡng cài đặt (nhiệt độ, độ ẩm đất, ánh sáng) để kích hoạt relay. Ứng dụng Android/Web hiển thị dữ liệu thời gian thực, cho phép điều khiển thủ công hoặc cài đặt ngưỡng. Dữ liệu được lưu trữ trên Firebase, cung cấp API cho ứng dụng truy cập. Giao diện người dùng thiết kế đơn giản, hiển thị biểu đồ xu hướng các thông số môi trường. Hệ thống hỗ trợ chế độ tự động, thủ công và hẹn giờ, đảm bảo linh hoạt trong vận hành.

IV. Kết luận ứng dụng hệ thống IoT trồng rau xà lách

Hệ thống IoT trồng rau xà lách tại HCMUTE chứng minh hiệu quả của công nghệ trong canh tác thông minh, giảm chi phí nhân công, tiết kiệm nước và nâng cao năng suất. Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống duy trì điều kiện môi trường ổn định, giúp rau xà lách sinh trưởng tốt hơn so với phương pháp truyền thống. Ứng dụng Android/Web cung cấp giao diện thân thiện, dễ sử dụng cho người trồng. Hệ thống có khả năng mở rộng, tích hợp thêm cảm biến hoặc điều khiển nhiều thiết bị. Tuy nhiên, chi phí đầu tư ban đầu khá cao, yêu cầu kiến thức kỹ thuật để vận hành. Trong tương lai, nhóm đề xuất tối ưu thuật toán điều khiển, tích hợp AI để dự đoán điều kiện môi trường, và ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp đô thị.

4.1. Kết quả đạt được và đánh giá

Hệ thống hoàn thành các chức năng cơ bản: giám sát môi trường thời gian thực, điều khiển tự động bơm nước/rèm che, lưu trữ dữ liệu trên Firebase. Kết quả thử nghiệm trong 30 ngày cho thấy nhiệt độ duy trì 22-24°C, độ ẩm đất 65-70%, ánh sáng 12000-15000 lux, phù hợp cho sinh trưởng rau xà lách. Năng suất đạt 500g/m² sau 4 tuần, cao hơn 20% so với phương pháp truyền thống. Ứng dụng Android/Web hoạt động ổn định, phản hồi nhanh chóng. Chi phí vận hành thấp nhờ tiết kiệm nước và điện. Hệ thống đáp ứng yêu cầu đề ra, chứng minh tính khả thi của IoT trong nông nghiệp quy mô nhỏ.

4.2. Hướng phát triển trong tương lai

Nhóm đề xuất cải tiến hệ thống bằng cách tích hợp camera giám sát sinh trưởng cây, sử dụng thuật toán học máy dự đoán điều kiện môi trường. Thêm module cảnh báo sớm khi có sự cố (nhiệt độ quá cao, độ ẩm đất thấp). Mở rộng hệ thống sang các loại rau khác bằng cách điều chỉnh ngưỡng điều khiển. Nghiên cứu sử dụng năng lượng mặt trời để giảm phụ thuộc vào nguồn điện lưới. Áp dụng blockchain để truy xuất nguồn gốc rau, nâng cao giá trị sản phẩm. Hợp tác với doanh nghiệp nông nghiệp để thương mại hóa sản phẩm, ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp đô thị.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1 là chương tổng quan đã được trình bày ở trên, phần nội dung còn lại của đề tài bao gồm những chương dưới đây: 2 Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương này tập trung trình bày về các lý thuyết cơ bản có liên quan đến những nội dung nghiên cứu trong đề tài. Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống Chương này trình bày sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý và giải thích nguyên lý hoạt động, tính toán thiết kế và lựa chọn linh kiện, lưu đồ giải thuật và phần ứng dụng cũng như Web điều khiển. Chương 4: Kết quả thực hiện Chương này trình bày những kết quả đạt được trong quá trình thực hiện đề tài như mô hình hệ thống sau khi thi công, ứng dụng và Web sau đó đưa ra những đánh giá về kết quả. Chương 5: Kết luận và hướng phát triển Dựa vào kết quả đã trình bày ở chương 4, rút ra kết luận chung, những đánh giá, nhận xét, so sánh với mục tiêu đề ra của đề tài, từ đó đưa ra hướng phát triển để có thể giải quyết những vấn đề chưa làm được và những điểm có thể phát triển được của đề tài để đồ án có thể hoàn thiện hơn.

3 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu về đặc tính sinh trưởng của rau xà lách Xà lách là một loại rau rất quen thuộc đối với nhiều người, nhiều vùng miền khác nhau trong mỗi bữa ăn hằng ngày, nó là một nguồn thực phẩm rất tốt cho sức khỏe do chứa nhiều vitamin và chất xơ. Để có thể trồng được cây xà lách phát triển một cách tốt nhất thì cần phải đảm bảo đủ những yếu tố cần thiết và dưới đây là một số đặc tính sinh trưởng cũng như yêu cầu kỹ thuật khi trồng xà lách. Với nhiệt độ và độ ẩm không khí thì xà lách là loại cây dễ trồng, dễ thích nghi, thu hoạch trong khoảng từ 35 – 45 ngày. Ưa thời tiết ẩm ướt, mát mẻ, tốt nhất nên trồng vào mùa xuân và mùa thu, thậm chí còn không phải lo lắng về thời tiết lạnh giá vì cây con có thể chịu được sương giá nhẹ.

Hạt nảy mầm trong nhiệt độ thấp tới 40℉ (4℃) nhưng nhiệt độ nảy mầm và phát triển lý tưởng của nó là từ 60 đến 65℉ (16 đến 18℃), độ ẩm không khí thích hợp cho cây phát triển rơi vào khoảng 65 – 75% Còn với độ ẩm đất thì do xà lách có rễ ăn nông nên cây cần tưới nước đều đặn và trồng ở nơi đất có thể thoát nước tốt, tốt nhất nên nằm trong 60 – 70%. Nên tưới nước 2 lần /ngày vào sáng sớm và chiều mát nếu đất khô và tưới tới 1 inch (2. Các thùng xà lách cần được tưới nước thường xuyên hơn so với các luống vườn, đặc biệt là vào mùa hè, xà lách thích độ pH trong đất từ 6,2 đến 6,8. Vào mùa mưa thì nên tránh tưới nước nhiều và nên có bạt che chắn để cây không bị úng nước.

Để tránh làm hư hạt giống mới trồng, hãy tưới nước bằng cách phun sương nhẹ nhàng lên khu vực đó bằng vòi phun mịn cho đến khi đất ẩm. Khi gieo hạt trực tiếp vào vườn, cân nhắc sử dụng bạt che để bảo vệ hạt giống không bị rửa trôi do mưa lớn. Cuối cùng là yêu cầu về ánh sáng thì xà lách phát triển mạnh và nhanh nhất trong điều kiện ánh nắng đầy đủ, ít nhất là sáu đến tám giờ nắng trực tiếp khi đó sẽ giúp cây tạo ra lá nhanh hơn. Có thể trồng trong bóng râm một phần (ba đến bốn giờ nắng), nhưng trong điều kiện ánh sáng yếu.

Ở những vùng nóng thì nên chọn một điểm có bóng râm vào buổi chiều hoặc có mái che để cây phát triển tốt nhất [1].1 Cây rau xà lách 2.2 Giới thiệu chung về các công nghệ truyền dẫn không dây Ngành công nghiệp IoT đã và đang mang lại rất nhiều giá trị và giải pháp cho xã hội với các nhà sản xuất chip đầu tư mạnh vào thị trường đang phát triển này theo cấp số nhân. Tuy nhiên, nó không phải là không có những thách thức, với việc triển khai IoT đang lan rộng trên các thị phần và ứng dụng, các yêu cầu của cơ chế giao tiếp cơ bản cũng khác nhau nên không có giải pháp chung nào cho tất cả vì các nhu cầu là khác nhau trong trường hợp liên quan đến thông lượng, phạm vi, mức tiêu thụ điện năng,. Một trong những thách thức chính trong việc xây dựng một hệ thống IoT là đảm bảo cho những thiết bị, những node trong hệ thống có thể giao tiếp với internet. Có nhiều công nghệ truyền thông không dây, chẳng hạn như không dây tầm ngắn, mạng di động, LPWAN,.

Ta có thể thấy Wifi ở khắp mọi nơi vào thời điểm này nhưng nó sử dụng rất nhiều năng lượng và truyền rất nhiều dữ liệu, mặc dù điều này là rất tốt nhưng nó không phải là giải pháp hoàn hảo cho các thiết bị IoT không dùng nhiều năng lượng hay chỉ cần gửi một lượng nhỏ dữ liệu. Ngoài ra chúng ta còn có Bluetooth, cho phép giao tiếp cục bộ nhưng có phạm vi rất hạn chế trong phiên bản 4.0 và chúng cũng đòi hỏi quá nhiều điện năng, ngay cả các thiết bị Bluetooth Low Energy (BLE) mới hơn vẫn tiêu thụ nhiều năng lượng hơn mức cần thiết. Cho đến nay, công nghệ tốt nhất hiện có trên thị trường là ZigBee với module công suất thấp ZigBee, có thể truyền qua khoảng cách xa hơn và tốc độ truyền thấp, thường là vài 5 km nhưng vẫn rất ngắn và giá thành cũng khá cao. Đối với mạng di động thì có thể chúng ta cũng đã quen với với công nghệ mạng diện rộng như mạng 4G và 5G di động cho phép truyền dữ liệu với khoảng cách xa, tuy nhiên mạng WAN di động vẫn tiêu thụ rất nhiều năng lượng.

Bây giờ hãy nghĩ về một giải pháp IoT, trong đó có các node cảm biến không dây trải dài vài km để truyền các giá trị cảm biến của chúng qua mạng vài chục lần mỗi giờ, dữ liệu truyền đi sẽ nhỏ và rời rạc. Hơn nữa, các node này hoạt động bằng pin được cho là sẽ chạy ít nhất trong vài năm. Trong những điều kiện như vậy, chúng ta cần một mạng không dây tiêu thụ điện năng rất thấp nhưng cũng hoạt động trong khoảng cách lớn hơn so với mạng Wifi và đó là LoRa. LoRa là tên viết tắt của LongRange, được phát triển bởi một công ty có tên Semtech, là một hệ thống truyền thông không dây tầm xa và công suất thấp có thể gửi một lượng nhỏ dữ liệu ở khoảng cách xa.

Hai tính năng này làm cho nó trở thành một giải pháp hấp dẫn để ứng dụng trong các sản phẩm thuộc ngành công nghiệp IoT. Công nghệ LoRa hoạt động ở nhiều dải tần khác nhau trong từng khu vực khác nhau như ở Hoa Kỳ hoạt động ở băng tần 902 MHz đến 928 MHz, ở Châu Âu hoạt động ở băng tần 868 MHz và ở Châu Á hoạt động ở băng tần 433 MHz, 865 đến 867 MHz, 920 đến 923 MHz và đặc biệt là những tần số đó đều không cần có giấy phép sử dụng. Mỗi cổng kết nối LoRa có khả năng xử lý lên đến hàng triệu node. Các tín hiệu có thể trải dài trong một khoảng cách đáng kể (có phạm vi phủ sóng rất rộng khoảng 2.5 km trong khu vực nội thành và 15 km ở khu vực ngoại thành), việc xây dựng mạng rẻ và triển khai cũng nhanh hơn nhiều.

[2] Để có một cái nhìn tổng quan hơn, hãy xem biểu đồ ở hình 2.2 [3], biểu đồ so sánh một số công nghệ không dây trên 2 phương diện – phạm vi truyền và tốc độ bit. Có thể thấy, tốc độ bit LoRa khá thấp, nó theo thứ tự hàng chục kilobit mỗi giây. Nhưng điều này đi kèm với một phạm vi truyền lớn hơn nhiều và công suất truyền thấp hơn nhiều.2 Biểu đồ so sánh data rate và range của một số công nghệ không dây 7 Chương 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG 3.1 Yêu cầu và sơ đồ khối hệ thống 3.1 Yêu cầu của hệ thống Hệ thống bao gồm 3 chế độ: Thủ công, tự động và thời gian. Chế độ thủ công cho phép điều khiển trực tiếp trên hệ thống thông qua các nút nhấn cảm ứng.

Ở chế độ tự động thì hệ thống sẽ tự động hoạt động mà không cần con người tác động điều khiển nhờ các giá trị giới hạn đã được người dùng cài đặt từ trước như nhiệt độ giúp đảm bảo biên độ nhiệt cho rau phát triển, độ ẩm đất đảm bảo cung cấp nước đầy đủ tránh cho cây bị khô héo, độ ẩm không khí và ánh sáng thì giúp đảm bảo sự thông thoáng. Chế độ thời gian sẽ cài đặt thêm thời gian để hẹn giờ tưới,. Tất cả các thông số của môi trường, thiết bị và giá trị cài đặt sẽ được hiển thị trên màn hình LCD để quan sát tại vườn và được gửi lên Firebase. Từ Firebase, ứng dụng Android và Web sẽ lấy những dữ liệu đó về để hiển thị, đồng thời còn có thể điều khiển thiết bị và cài giới hạn thông qua Wifi.2 Sơ đồ khối và chức năng mỗi khối WEB KHỐI GIAO TIẾP SERVER APP ANDROID WIFI KHỐI CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ & ĐỘ ẨM KHỐI HIỂN THỊ KHỐI CẢM BIẾN KHỐI ĐỘ ẨM ĐẤT XỬ LÝ KHỐI CHUYỂN KHỐI ĐỘNG CƠ TRUNG TIẾP DỮ LIỆU RÈM KHỐI CẢM BIẾN GIAN KHỐI MƯA XỬ LÝ KHỐI ĐỘNG CƠ KHỐI CẢM BIẾN TRUNG MÁI ÁNH SÁNG TÂM ĐÈN KHỐI REALTIME KHỐI RELAY BƠM KHỐI NÚT NHẤN PHUN SƯƠNG KHỐI NGUỒN Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống 8 Giải thích chức năng các khối trong sơ đồ khối hình 3.1 ▪ Khối xử lý trung tâm (MCU): Điều khiển hệ thống hoạt động, nhận và xử lý dữ liệu thu được từ các khối LoRa, khối Realthời gian, khối nút nhấn, sau đó gửi đến khối hiển thị để hiển thị và khối công suất để điều khiển.

Ngoài ra, còn giao tiếp với module LoRa và ESP8266. ▪ Khối giao tiếp Wifi: Giao tiếp với khối MCU để đưa dữ liệu lên Firebase để ứng dụng và Web có thể lấy dữ liệu đó về, đồng thời cũng nhận dữ liệu thay đổi từ Firebase (do ứng dụng và Web điều khiển) sau đó gửi về khối MCU. ▪ Khối xử lý trung gian: Giống với khối MCU nhưng chỉ có nhiệm vụ nhận dữ liệu từ các cảm biến ở các node sau đó qua module LoRa để truyền dữ liệu thu được đó tới khối MCU. ▪ Khối LoRa: Sử dụng module LoRa để truyền nhận dữ liệu từ các node ở vườn đến module LoRa ở khối MCU với lượng điện năng tiêu thụ ít nhất có thể.