Đồ án: tốt nghiệp thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển tự động cho

Thiết kế Đồ án tốt nghiệp thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển tự động cho trại nấm linh chi đỏ áp dụng công nghệ tiên tiến, tính khả thi cao

• Tác giả: Nguyễn Tiến Đạt
• Người hướng dẫn: ThS. Lê Công Cường
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển & Tự Động Hóa
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Giám Sát Và Điều Khiển Tự Động Cho Trại Nấm Linh Chi Đỏ
• Loại tài liệu: Graduation project
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Đồ Án Tốt Nghiệp Thiết Kế Hệ Thống Giám Sát

Đồ án tốt nghiệp thiết kế hệ thống giám sát là một trong những dự án quan trọng nhất trong chương trình đào tạo kỹ sư điều khiển tự động. Đề tài này tập trung vào thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển tự động cho trại nấm linh chi đỏ, áp dụng công nghệ IoT trong nông nghiệp hiện đại. Hệ thống được phát triển bởi sinh viên Nguyễn Tiến Đạt từ Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, dưới sự hướng dẫn của ThS. Lê Công Cường. Mục tiêu chính của đề tài là xây dựng một giải pháp toàn diện để đo lường và điều khiển các thông số môi trường trong nhà trồng nấm, bao gồm độ ẩm, nhiệt độ và cường độ ánh sáng. Thời gian thực hiện đề tài kéo dài từ tháng 4 đến tháng 8 năm 2022, thể hiện tính nghiêm túc và chuyên sâu của công trình nghiên cứu.

1.1. Mục Tiêu Chính Của Đề Tài

Mục tiêu của đồ án thiết kế hệ thống giám sát là phát triển một giải pháp công nghệ cao cho ngành nông nghiệp nấm linh chi đỏ. Hệ thống cần có khả năng thu thập dữ liệu cảm biến về nhiệt độ (0-50℃), độ ẩm không khí (20-90%) và cường độ ánh sáng (0-65535 lux). Dữ liệu này sẽ được gửi lên Web Server để giám sát từ xa và điều khiển các thiết bị cơ cấu chấp hành một cách tự động, tối ưu hóa điều kiện trồng trọt.

1.2. Ý Nghĩa Ứng Dụng Thực Tế

Hệ thống giám sát tự động có ý nghĩa lớn trong hiện đại hóa nông nghiệp Việt Nam. Ứng dụng công nghệ IoT vào trồng trọt giúp tối ưu hóa năng suất, giảm chi phí nhân công và nâng cao chất lượng sản phẩm. Đặc biệt, trong trồng nấm linh chi đỏ - sản phẩm có giá trị kinh tế cao, hệ thống này cho phép nhà trồng điều chỉnh điều kiện môi trường chính xác, đảm bảo sinh trưởng tối ưu cho nấm.

II. Các Thành Phần Kỹ Thuật Của Hệ Thống

Hệ thống giám sát và điều khiển được xây dựng từ các thành phần phần cứng tiên tiến và được lựa chọn kỹ lưỡng. Phần cứng chính bao gồm vi điều khiển STM32F103C8T6 làm bộ điều khiển trung tâm, ESP32 để kết nối Wi-Fi và truyền dữ liệu lên server. Để đo lường các thông số môi trường, hệ thống sử dụng cảm biến DHT11 đo nhiệt độ và độ ẩm, cảm biến BH1750 đo cường độ ánh sáng, và module NRF24L01 để truyền nhận dữ liệu không dây. Các thành phần này được tích hợp thành một mạch điện toàn diện, cho phép thu thập dữ liệu chính xác và điều khiển các thiết bị ngoại vi một cách hiệu quả.

2.1. Bộ Đo Lường Thông Số Môi Trường

Bộ đo lường là phần thiết yếu của hệ thống, được thiết kế để đo các thông số môi trường quan trọng trong nhà trồng nấm. Cảm biến DHT11 cung cấp dữ liệu về nhiệt độ và độ ẩm với độ chính xác cao. Cảm biến BH1750 chuyên dùng để đo cường độ ánh sáng với phạm vi rộng. Các thông số này được gửi lên Web Server thông qua kết nối Wi-Fi, cho phép giám sát từ xa thông qua giao diện web.

2.2. Bộ Điều Khiển Trung Tâm

Bộ điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6 để xử lý logic điều khiển. Vi điều khiển này nhận dữ liệu từ các cảm biến, xử lý theo các thuật toán được lập trình, và điều khiển các thiết bị cơ cấu chấp hành như quạt, bơm nước, đèn LED. ESP32 được sử dụng để kết nối Wi-Fi và truyền dữ liệu lên Web Server, tạo nên một hệ thống giám sát tích hợp IoT hoàn chỉnh.

III. Quy Trình Nghiên Cứu Và Phương Pháp Thực Hiện

Đồ án tốt nghiệp áp dụng ba phương pháp nghiên cứu chính để đảm bảo tính khoa học và thực tiễn. Đầu tiên, phương pháp tham khảo tài liệu giúp tìm hiểu lý thuyết cơ bản về nấm linh chi đỏ, yếu tố môi trường ảnh hưởng đến sinh trưởng, và công nghệ IoT trong nông nghiệp. Thứ hai, phương pháp quan sát được áp dụng để khảo sát điều kiện trồng trọt thực tế tại các trại nấm. Cuối cùng, phương pháp thực nghiệm được sử dụng để thiết kế, lập trình và kiểm chứng hệ thống. Quá trình này đảm bảo rằng hệ thống không chỉ đúng về lý thuyết mà còn hoạt động hiệu quả trong thực tế, đáp ứng nhu cầu thực tiễn của ngành trồng nấm Việt Nam.

3.1. Tìm Hiểu Về Nấm Linh Chi Đỏ Và Điều Kiện Môi Trường

Nấm linh chi đỏ là loại nấm quý có giá trị kinh tế cao, nhưng đòi hỏi điều kiện môi trường rất khắt khe. Sinh viên cần tìm hiểu đặc điểm sinh học của nấm, quy trình trồng từng giai đoạn, và ảnh hưởng của các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng đến sinh trưởng. Mỗi giai đoạn trồng từ cấy giống đến thu hái đều có yêu cầu điều kiện khác nhau, đòi hỏi hệ thống giám sát phải linh hoạt điều chỉnh.

3.2. Thiết Kế Và Kiểm Chứng Hệ Thống

Quá trình thiết kế hệ thống giám sát bao gồm tính toán kỹ lưỡng các mạch điện, lựa chọn linh kiện phù hợp, và lập trình phần mềm cho cả vi điều khiển STM32 và module ESP32. Sinh viên phải thi công mạch, lập trình lưu đồ giải thuật, và kiểm chứng chức năng của từng thành phần. Cuối cùng, hệ thống được tích hợp hoàn chỉnh với giao diện Web Server để giám sát từ xa, tạo nên một giải pháp công nghệ cao.

IV. Cấu Trúc Nội Dung Và Kết Quả Đạt Được

Đồ án tốt nghiệp thiết kế hệ thống giám sát được chia thành các chương chính với nội dung chi tiết và logic chặt chẽ. Chương 1 cung cấp tổng quan về đề tài, giới thiệu về nấm linh chi đỏ và quy trình trồng. Chương 2 đi sâu vào tính toán và thiết kế hệ thống, bao gồm sơ đồ khối, thiết kế mạch và sơ đồ nguyên lý toàn mạch. Chương 3 trình bày lập trình phần mềm với lưu đồ giải thuật và môi trường lập trình. Cuối cùng, sinh viên cung cấp hướng dẫn sử dụng chi tiết cho hệ thống cả điều khiển trực tiếp và giám sát qua Web, cùng hướng phát triển trong tương lai. Kết quả là một công trình kỹ thuật hoàn chỉnh có thể ứng dụng thực tế ngay.

4.1. Lập Trình Phần Mềm Và Giao Diện Người Dùng

Phần mềm hệ thống được lập trình bằng các ngôn ngữ lập trình chuyên dụng cho từng nền tảng. Vi điều khiển STM32 được lập trình để xử lý logic điều khiển và quản lý các cảm biến. Module ESP32 được lập trình với ESP-IDF để kết nối Wi-Fi và truyền dữ liệu lên Web Server. Hệ thống cung cấp giao diện web trực quan cho phép người dùng giám sát các thông số môi trường và điều khiển các thiết bị từ xa, tạo nên trải nghiệm người dùng hiện đại và tiện lợi.

4.2. Hướng Phát Triển Và Ứng Dụng Mở Rộng

Hệ thống thiết kế có nhiều hướng phát triển trong tương lai. Có thể tích hợp thêm cảm biến để đo các thông số khác như pH, độ dinh dưỡng. Ứng dụng machine learning để dự đoán và tối ưu hóa điều kiện trồng. Mở rộng hệ thống để quản lý nhiều trại nấm đồng thời. Phát triển ứng dụng mobile cho giám sát di động. Những hướng này cho thấy tiềm năng lớn của công nghệ IoT trong nâng cao chất lượng nông nghiệp Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu và bố cục đồ án.  Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trong chương này trình bày về các lý thuyết có liên quan đến các vấn đề mà đề tài sẽ dùng để thực hiện thiết kế.  Chương 3: Tính toán và thiết kế hệ thống Chương này giới thiệu tổng quan về các yêu cầu của đề tài mà mình thiết kế và cách tính toán, thiết kế gồm những phần nào. Như: thiết kế sơ đồ khối hệ thống, sơ đồ nguyên lý toàn mạch, tính toán thiết kế mạch.

 Chương 4: Lập trình phần mềm hệ thống Chương này trình bày về thiết kế lưu đồ giải thuật cho chương trình và viết chương trình cho hệ thống. Hướng dẫn quy trình sử dụng hệ thống.  Chương 5: Kết luận Chương này trình bày về những kết quả mà đồ án đạt được, những hạn chế, từ đó rút ra kết luận và hướng phát triển để giải quyết các vấn đề tồn đọng để đồ án hoàn thiện hơn.1 Tổng quan về nấm linh chi đỏ 2.1 Giới thiệu về nấm linh chi đỏ Nấm linh chi là loại nấm được xếp vào nhóm nấm dược liệu vì có tác dụng trong phòng và điều trị bệnh. Các tên gọi khác của nấm linh chi là: Nấm vạn năm, nấm thần tiên, nấm lim, xích chi, đan chi, tiên thảo, ….1 Nấm linh chi đỏ Nấm linh chi là một loại thuốc quý, giá trị dược liệu của nấm linh chi rất cao.

Nấm linh chi có tính ôn, vị nhạt. Bảo vệ gan, giải độc, cường tâm, trấn tĩnh, bổ tỳ, kiện não, tiêu viêm, lợi tiểu, ích vị, bệnh xơ cứng động mạch…Linh chi còn có thể ngăn ngừa bệnh ung thư, chống lão hoá da. Hiện nay việc sử dụng nấm linh chi không chỉ từ trực tiếp cánh nấm mà còn được chế biến thành các loại thuốc viên, thuốc bột, các dạng trà, rượu linh chi… giúp cho việc sử dụng nấm linh chi tiện dụng hơn.2 Đặc điểm sinh học của nấm linh chi đỏ a. Đặc điểm hình thái của nấm linh chi đỏ Hình 2.2 Cấu tạo của nấm linh chi đỏ - Nấm mọc nhiều ở các rừng có nhiều loại gỗ lớn, đặc biệt trên các núi cao, rừng rậm lâu năm.

- Cấu tạo nấm linh chi: gồm 2 phần cuống nấm và mũ nấm đính liền nhau, dưới mũ nấm là các phiến nấm, nếu nấm linh chi sống càng lâu phiến nấm càng hóa gỗ dày. 3 - Cuống nấm dài hoặc ngắn, đính bên có hình trụ đường kính từ 0,5 - 3cm, cuống nấm ít phân nhánh. - Mũ nấm khi non có hình trứng lớn dần có hình quạt xòe. Trên mặt mũ có vân gạch đồng tâm màu sắc biến đổi từ vàng chanh – vàng nghệ - vàng cam – vàng, cánh gián nhẵn bóng như đánh lớp vecni.

Mũ nấm có đường kính từ 2 – 15cm, độ dày trung bình thường 0,8 – 1,2cm, nếu linh chi trồng càng lâu mũ nấm càng dày. Chu trình sống của nấm linh chi đỏ Chu trình sống của nấm linh chi bắt đầu từ các đảm bào tử. Bào tử nẩy mầm hình thành hệ sợi sơ cấp và thứ cấp. Hệ sợi thứ cấp tích lũy đủ dinh dưỡng hình thành quả thể hoàn chỉnh mang đảm bào tử mới.3 Chu trình sống của nấm linh chi đỏ c.

Các nguồn dinh dưỡng cho nấm linh chi đỏ  Chất đường: Trong quá trình sống, nấm linh chi cần nguồn đường rất lớn, đường là thành phần chính để cấu trúc nên sợi nấm và quả thể nấm linh chi sau này. Nấm linh chi có thể hấp thu nguồn đường ở các dạng đơn giản như: đường glucose, đường saccharose (đường mía) hoặc các hợp chất phức tạp: cellulose (mùn cưa, bông hạt phế thải…), tinh bột (bột cám gạo, bột bắp …). Để hấp thụ các hợp chất phức tạp nấm linh chi phải sinh ra các men phân giải để chuyển về dạng đơn giản dễ hấp thu.  Chất đạm: Chất đạm là nguồn dinh dưỡng không thể thiếu được trong quá trình sống của nấm linh chi.

Chất đạm tham gia vào thành phần chính cấu trúc của tế bào sợi nấm, quả thể nấm, đồng thời hình thành nên các men trong sợi nấm. Nấm linh chi sử dụng nguồn đạm hữu cơ như pepton, acid amin phân giải từ bánh dầu đậu phộng, bã đậu nành…ngoài ra còn có thể sử dụng trực tiếp nguồn đạm trong các hợp chất vô cơ như urê, sunphat amon, diamon phosphat… Trong quá trình trồng 4 nấm linh chi, chúng ta thường bổ sung nguồn đạm dưới dạng các hợp chất vô cơ vì đơn giản, dễ bổ sung, dễ mua ngoài thị trường, giá thành rẻ.  Chất khoáng và vitamin: Nấm linh chi còn cần được cung cấp một số nguyên tố khoáng và vitamin để quá trình sinh trưởng và phát triển. Gồm: - Nguồn khoáng đa lượng: Ca được bổ sung từ bột nhẹ (CaCO3), thạch cao (CaSO4), Kali, photpho, nitơ (được bổ sung từ phân lân, urê, …), và các muối khoáng khác như: MgSO4, K2HPO4, KH2PO4… - Nguồn vitamin như: vitamin B1, vitamin B6, vitamin H, các nguồn vitamin này có trong các loại bột cám bắp hoặc cám gạo.

 Nước Nước là thành phần cơ bản trong tế bào sợi nấm và quả thể nấm, thường chiếm 70 – 80% trọng lượng quả thể nấm. Do vậy trong quá trình trồng nấm linh chi cần cung cấp đủ nhu cầu nước cho nấm sinh trưởng và phát triển. Bào tử nấm linh chi chỉ có khả năng nảy mầm hay sợi nấm chỉ có khả năng sinh trưởng khi độ ẩm cơ chất từ 60 – 65%. Nếu thiếu nước sợi nấm sẽ chết, quả thể nấm không hình thành hoặc hình thành nhưng không lớn.

Chất lượng của nguồn nước cung cấp trong quá trình trồng nấm cũng ảnh hưởng đến sự hình thành và phát triển quả thể, do vậy nước cung cấp cho nuôi trồng phải là nước sạch, không bị nhiễm phèn hoặc nhiễm mặn.3 Ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đến sự sinh trưởng và phát triển của nấm linh chi a. Nhiệt độ Nhiệt độ môi trường ảnh hưởng trực tiếp đến sự sinh trưởng và phát triển của nấm linh chi: - Trong giai đoạn nuôi sợi: + Nhiệt độ thích hợp: 20 - 30° C. + Nhiệt độ dưới 15° C: sợi nấm sinh trưởng yếu. + Nhiệt độ trên 40° C: sợi nấm sẽ chết.

- Trong giai đoạn hình thành quả thể: + Nhiệt độ thích hợp là 22 – 28° C. + Nhiệt độ dưới 15° C và trên 45° C quả thể không hình thành. + Trong giai đoạn này không nên có sự chênh lệch nhiệt độ quá lớn làm nấm linh chi khó phát quả thể mà thường ở dạng sừng hươu. Độ ẩm Độ ẩm cũng ảnh hưởng rất lớn đến sự phát triển hệ sợi và hình thành quả thể nấm linh chi.

Gồm 2 loại độ ẩm: + Độ ẩm của cơ chất: phản ánh lượng nước có trong cơ chất. 5 + Độ ẩm không khí: phản ánh lượng hơi nước có trong môi trường không khí. Độ ẩm không khí có tác dụng điều hòa sự thoát hơi nước từ cơ chất và quả thể nấm ra không khí. - Trong giai đoạn nuôi sợi nấm linh chi: + Độ ẩm cơ chất thích hợp cho sợi nấm sinh trưởng 60 – 65%.

+ Độ ẩm môi trường không khí 70 – 80%. - Trong giai đoạn hình thành quả thể: + Độ ẩm cơ chất thích hợp cho sự hình thành quả thể 60 – 65%. + Độ ẩm môi trường không khí thích hợp 85 – 95%. + Nếu độ ẩm không khí thấp hơn 60% hoặc trên 95%, nấm không hình thành quả thể hoặc quả thể hình thành nhưng không phát triển được.

pH - pH cơ chất thích hợp cho sợi nấm sinh trưởng và phát triển là pH từ trung tính đến axit yếu 5,5 – 7,0. - Trong quá trình phối trộn cơ chất trồng nấm linh chi nên điều chỉnh ở mức pH thích hợp là 5,8 - 6,5. Ánh sáng - Trong giai đoạn nuôi sợi nấm linh chi không cần ánh sáng, nếu cường độ ánh sáng cao có thể gây thoái hóa sợi nấm sớm, như: tiết dịch vàng trong túi giá thể. - Trong giai đoạn hình thành quả thể nấm cần ánh sáng tán xạ và ánh sáng cân đối từ mọi phía để quả thể nấm linh chi phát triển đều.

- Nguồn ánh sáng sử dụng là ánh sáng khuếch tán của mặt trời e. Độ thông thoáng - Độ thông thoáng là phản ánh lượng oxy trong môi trường không khí. - Trong giai đoạn hình thành quả thể cần độ thông thoáng cao hơn giai đoạn nuôi sợi. - Quả thể nấm càng lớn yêu cầu độ thông thoáng càng cao, do cần nhiều oxy cho quá trình hô hấp.4 Điều kiện môi trường làm việc cho nhà trồng nấm linh chi theo từng giai đoạn Từ các thông số môi trường đã nghiên cứu, dưới đây là bảng tóm tắt các thông số môi trường thích hợp của nhà trồng nấm, đây cũng là những thông số mong muốn khi điều khiển: Bảng 2.1 Thông số môi trường làm việc trong nhà trồng nấm linh chi Giai đoạn Nhiệt độ Độ ẩm không khí Ánh sáng (° C ) (% RH) Nuôi sợi 20-30 70-80 Không cần ánh sáng (25-30 ngày tuổi) Hình thành quả thể 22-28 85-95 Cần ánh sáng tán xạ 6 (70-75 ngày tuổi) 2.2 Quy trình trồng nấm linh chi đỏ 2.1 Thời vụ trồng nấm Trồng nấm linh chi hầu như có thể trồng được quanh năm bởi thời tiết để nấm phát triển, thời gian chúng phát triển tốt là tháng 1 đến tháng 9 mỗi năm, vì đến mùa mưa, độ ẩm cao thì việc trồng nấm dễ bị mối mọt, sâu bệnh nên việc cây nấm phát triển không toàn diện và năng suất cũng không đạt được cao.

Đối với những nông trại lâu năm và dày dặn kinh nghiệm, họ vẫn có thể trồng vào tháng 9 trở đi mà vẫn đảm bảo năng suất, còn đối với những người mới trồng thì không nên trồng vào những mùa này để tránh gặp phải những khó khăn dẫn đến mau nản chí và từ bỏ, lỗ vốn… Mỗi năm có thể trồng nấm từ 2 đến 4 vụ tùy vào nguồn giống nuôi trồng và khả năng chăm sóc, và còn tùy vào chủng loại của nấm đó có trưởng thành nhanh hay không, có loại trồng từ 3 tháng là đã có thể thu hoạch, nhưng đối với một số loại cần đến 7 – 8 tháng thậm chí là hơn 1 năm mới có thể thu hoạch. Ở Việt Nam, đa số người nuôi trồng chọn giống nuôi trồng 3 – 4 tháng vì loại nấm này phù hợp với thời tiết của nước ta cũng như cho ra năng suất cao hơn.2 Nguyên liệu Linh chi sử dụng nguyên liệu chủ yếu là mùn cưa tươi, khô của các loại gỗ mềm, không có tinh dầu và độc tố. Ngoài ra còn có thể trồng linh chi từ nguyên liệu là thân gỗ, các cây thuộc họ thân thảo.