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

Dự án Đồ án tốt nghiệp thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển tự động cho trại nấm linh chi ứn có tính sáng tạo và khả năng triển khai

• Tác giả: Chu Kim Khánh
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thị Lan Hương
• 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 Ứng Dụng IoT
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• 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 là một bước ngoặt quan trọng trong quá trình học tập của sinh viên các ngành kỹ thuật. Thiết kế hệ thống giám sát cho trại nấm linh chi đỏ là một đề tài tiên tiến, kết hợp giữa IoT (Internet of Things) và nông nghiệp công nghệ cao. Đề tài này được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, thuộc ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa. Mục đích chính là phát triển một hệ thống có khả năng đo lường và giám sát các thông số môi trường như nhiệt độ, độ ẩm không khí, và cường độ ánh sáng. Hệ thống được thiết kế để giúp nhà trồng nấm có thể điều khiển tự động các yếu tố môi trường nhằm tối ưu hóa năng suất và chất lượng sản phẩm.

1.1. Mục Tiêu Chính Của Đề Tài

Mục tiêu của đồ án thiết kế hệ thống là xây dựng một giải pháp tự động hóa hoàn chỉnh cho trại trồng nấm linh chi. Hệ thống cần đo lường độ ẩm từ 20-90%, nhiệt độ từ 0-50℃, và cường độ ánh sáng từ 0-65535 lux. Thông qua vi điều khiển ESP32, dữ liệu sẽ được truyền lên Web Server để giám sát và điều khiển các thiết bị cơ cấu chấp hành. Điều này giúp tối ưu hóa điều kiện trồng trọt và nâng cao hiệu quả sản xuất.

1.2. Ý Nghĩa Ứng Dụng IoT Trong Nông Nghiệp

IoT trong nông nghiệp mang lại nhiều lợi ích vượt trội cho ngành trồng trọt hiện đại. Với hệ thống giám sát thông minh, nhà trồng có thể theo dõi realtime các chỉ số môi trường từ ứng dụng di động. Công nghệ Wi-Fi và Firebase cho phép truyền dữ liệu nhanh chóng và đáng tin cậy. Hệ thống tự động hóa giảm thiểu can thiệp thủ công, tiết kiệm chi phí nhân công và nâng cao mức độ chính xác trong quản lý môi trường trồng nấm.

II. Kiến Thức Nền Tảng Về Nấm Linh Chi Và Điều Kiện Trồng

Nấm linh chi đỏ là loài nấm có giá trị kinh tế cao, được sử dụng rộng rãi trong y học cổ truyền và chế phẩm sức khỏe. Để trồng nấm linh chi thành công, cần hiểu rõ về đặc điểm sinh học và yêu cầu môi trường của nó. Nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng là ba yếu tố quyết định đến sự sinh trưởng và phát triển của nấm. Nấm linh chi yêu cầu môi trường ẩm ướt, nhiệt độ phù hợp và ánh sáng vừa phải tùy theo giai đoạn phát triển. Quy trình trồng nấm bao gồm nhiều bước từ chuẩn bị nguyên liệu, cấy giống, ươm túi cho đến chăm sóc và thu hái.

2.1. Đặc Điểm Sinh Học Của Nấm Linh Chi

Nấm linh chi là một loài nấm thuộc chi Ganoderma, có cấu tạo đặc biệt với mũi nấm màu đỏ sáng bên ngoài và vàng nhạt bên trong. Chu trình sống của nấm linh chi kéo dài từ 3-6 tháng tùy điều kiện môi trường. Nấm này phát triển chậm nhưng có giá trị dinh dưỡng rất cao. Điều kiện môi trường tối ưu giúp rút ngắn thời gian thu hoạch và nâng cao năng suất.

2.2. Các Yếu Tố Môi Trường Ảnh Hưởng Đến Trồng Nấm

Nhiệt độ môi trường nên duy trì từ 20-28℃ để tăng trưởng tối ưu của nấm linh chi. Độ ẩm không khí cần giữ ở mức 80-95% để nấm phát triển bình thường. Cường độ ánh sáng vừa phải giúp nấm hình thành và phát triển tốc độ nhanh hơn. Thông thoáng không khí cũng rất quan trọng để tránh bệnh tật. Hệ thống giám sát sẽ kiểm soát tự động các thông số này để duy trì điều kiện tối ưu.

III. Thiết Kế Phần Cứng Và Công Nghệ IoT Ứng Dụng

Hệ thống phần cứng của đồ án thiết kế sử dụng vi điều khiển ESP32 làm trung tâm xử lý dữ liệu. Cảm biến DHT11 đo nhiệt độ và độ ẩm, cảm biến MS-CDS05 đo cường độ ánh sáng. Mô-đun NRF24L01 xử lý giao tiếp không dây giữa các bộ đo và bộ điều khiển. Màn hình LCD1602 hiển thị thông số realtime. Toàn bộ hệ thống IoT được thiết kế theo sơ đồ khối chuẩn, với bộ đo lường thu thập dữ liệu cảm biến, và bộ điều khiển trung tâm xử lý và truyền dữ liệu lên Web Server thông qua kết nối Wi-Fi.

3.1. Các Thành Phần Chính Của Hệ Thống Phần Cứng

Vi điều khiển ESP32 là bộ não của hệ thống, có khả năng xử lý dữ liệu nhanh chóng và hỗ trợ kết nối Wi-Fi. Cảm biến DHT11 được lựa chọn vì độ chính xác cao và giá thành rẻ. Cảm biến MS-CDS05 đo ánh sáng với độ nhạy phù hợp. Mô-đun NRF24L01 cho phép truyền dữ liệu không dây đến bộ điều khiển từ xa. Bộ cấp nguồn được thiết kế để cung cấp điện ổn định cho tất cả thành phần.

3.2. Công Nghệ IoT Và Kết Nối Web Server

Firebase Realtime Database được sử dụng để lưu trữ dữ liệu từ các cảm biến. Giao thức Wi-Fi giúp truyền dữ liệu nhanh chóng từ hệ thống phần cứng lên máy chủ đám mây. Ứng dụng di động cho phép nhà trồng giám sát tình trạng trại nấm từ bất kỳ nơi đâu. Điều khiển tự động các thiết bị như quạt, máy phun sương dựa trên dữ liệu cảm biến được lập trình sẵn trên vi điều khiển.

IV. Lập Trình Phần Mềm Và Hướng Dẫn Sử Dụng Hệ Thống

Lập trình phần mềm cho hệ thống giám sát bao gồm hai phần chính: mã lập trình cho vi điều khiển (C/C++ trên Arduino IDE) và ứng dụng di động (Android hoặc iOS). Lưu đồ giải thuật được xây dựng để điều khiển logic của bộ đo lường và bộ điều khiển trung tâm. Bộ đo lường liên tục đọc dữ liệu từ các cảm biến, xử lý dữ liệu và truyền lên Web Server. Bộ điều khiển nhận dữ liệu từ máy chủ và điều khiển các thiết bị như bơm nước, quạt thông gió. Hướng dẫn sử dụng chi tiết giúp người dùng dễ dàng vận hành hệ thống mà không cần kiến thức kỹ thuật cao.

4.1. Quy Trình Lập Trình Và Thuật Toán Điều Khiển

Mã lập trình vi điều khiển sử dụng ngôn ngữ C/C++ trên nền tảng Arduino IDE. Thuật toán được thiết kế để đọc cảm biến định kỳ (mỗi 5-10 giây), xử lý dữ liệu lọc nhiễu, và gửi dữ liệu lên Firebase. Hàm điều khiển tự động so sánh giá trị đo được với ngưỡng đặt sẵn, nếu vượt ngưỡng sẽ kích hoạt thiết bị chấp hành. Lưu đồ giải thuật rõ ràng giúp dễ dàng sửa chữa và nâng cấp hệ thống sau này.

4.2. Hướng Dẫn Sử Dụng Và Vận Hành Thực Tế

Hệ thống giám sát có hai cách sử dụng: điều khiển trực tiếp qua máy chủ nội bộ hoặc thông qua ứng dụng di động kết nối Firebase. Nhà trồng nấm có thể đặt các ngưỡng tùy chỉnh cho nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng theo nhu cầu. Giao diện ứng dụng thân thiện cho phép xem biểu đồ dữ liệu lịch sử và nhận thông báo khi có bất thường. Hướng phát triển tương lai bao gồm thêm các cảm biến khác, tích hợp AI để dự báo bệnh tật.

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 2 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 2.1 Giới thiệu về nấm linh chi 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 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 a. Đặc điểm hình thái của nấm linh chi đỏ Hình 2.2 Cấu tạo của nấm linh chi - Nấm mọc nhiều ở các rừng có nhiều loại gỗ lớn, đặc biệt trên các núi cao, rừng rậm lâu năm.

3 - 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. - 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 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  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 4 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 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: 5 + Độ ẩm của cơ chất: phản ánh lượng nước có trong cơ chất. + 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) 6 Hình thành quả thể 22-28 85-95 Cần ánh sáng tán xạ (70-75 ngày tuổi) 2.2 Quy trình trồng nấm linh chi 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.