Toàn văn Đồ án: Điều khiển và giám sát trang trại trồng rau (ĐH SPKT)

Tham khảo đồ án tốt nghiệp điều khiển và giám sát trang trại trồng rau thông minh. Ứng dụng công nghệ IoT, Arduino và Node-RED để tự động hóa.

• Tác giả: Nguyễn Thái Châu
• Người hướng dẫn: TS. Vũ Quang Huy
• Trường học: Trường đại học Sư phạm kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện - Điện Tử
• Đề tài: Đồ án: Trang trại trồng rau thông minh (Ứng dụng IoT)
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về trang trại trồng rau thông minh với công nghệ IoT

Trang trại trồng rau thông minh là một giải pháp hiện đại kết hợp công nghệ IoT vào nông nghiệp để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Hệ thống này sử dụng các cảm biến thông minh để giám sát và điều khiển các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và độ ẩm đất. Thông qua việc áp dụng công nghệ vườn rau nhà kính, người nông dân có thể tối ưu hóa điều kiện sinh trưởng của cây trồng, giảm thiểu dịch bệnh và tăng hiệu quả kinh tế. Đồ án điều khiển và giám sát trang trại trồng rau được thực hiện bởi sinh viên trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, nhằm tạo ra một mô hình thực tế khả thi với chi phí thấp nhưng hiệu quả cao, có thể áp dụng rộng rãi vào thực tiễn sản xuất nông nghiệp hiện đại.

1.1. Khái niệm và ý nghĩa của trang trại thông minh

Trang trại thông minh là hệ thống nông nghiệp hiện đại áp dụng Internet of Things (IoT) để tự động hóa quá trình sản xuất. Hệ thống này cho phép nông dân giám sát từ xa các điều kiện môi trường, điều khiển thiết bị tự động và ra quyết định dựa trên dữ liệu thực tế. Ý nghĩa chính là giải phóng sức lao động, tăng năng suất, giảm chi phí và bảo vệ môi trường bền vững.

1.2. Tình hình nông nghiệp Việt Nam và nhu cầu ứng dụng công nghệ

Nông nghiệp Việt Nam đang phải đối mặt với những thách thức về biến đổi khí hậu, dịch bệnh cây trồng và lao động thiếu hụt. Việc ứng dụng công nghệ IoT vào trang trại trồng rau giúp người nông dân đối phó với những thách thức này một cách hiệu quả, nâng cao chất lượng sản phẩm và sự bền vững của nông nghiệp Việt Nam.

II. Cơ sở lý thuyết và các thành phần hệ thống giám sát

Hệ thống giám sát trang trại trồng rau được xây dựng trên nền tảng công nghệ IoT với các thành phần chính bao gồm Arduino làm khối điều khiển trung tâm, ESP8266 đóng vai trò client thu thập dữ liệu, và các module cảm biến chuyên dụng. Các cảm biến này đo lường những thông số quan trọng như nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất và ánh sáng. Dữ liệu thu thập được gửi qua giao thức MQTT đến Node-RED để xử lý và đưa ra các quyết định điều khiển. Mô hình này cho phép điều khiển tự động bật tắt máy bơm nước, đèn chiếu sáng, quạt hút và những thiết bị khác dựa trên các thông số cảm biến để tạo môi trường sinh trưởng tối ưu cho cây trồng.

2.1. Các yếu tố môi trường cần giám sát trong vườn rau nhà kính

Các yếu tố môi trường quan trọng cần giám sát bao gồm: nhiệt độ (duy trì 25-35°C), độ ẩm không khí (tối ưu từ 50-80%), độ ẩm đất (phù hợp với từng loại rau), ánh sáng (cần thiết cho quá trình quang hợp) và lưu thông gió (đảm bảo trao đổi khí). Việc giám sát liên tục những thông số này giúp tạo môi trường sinh trưởng lý tưởng, giảm dịch bệnh và tăng năng suất cây trồng.

2.2. Công nghệ cảm biến và thiết bị điều khiển sử dụng

Hệ thống cảm biến bao gồm cảm biến nhiệt độ-độ ẩm (DHT22), cảm biến độ ẩm đất, cảm biến ánh sáng (LDR) và các thiết bị điều khiển như máy bơm nước, đèn LED, quạt hút và máy phun sương. Các relay module dùng để chuyển mạch điều khiển thiết bị, tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh cho việc giám sát và điều khiển tự động.

III. Phương pháp thiết kế và cách thức hoạt động của hệ thống

Đồ án trang trại trồng rau thông minh sử dụng kiến trúc phân tán với Arduino làm bộ điều khiển trung tâm và nhiều module ESP8266 làm client thu thập dữ liệu. Dữ liệu từ các cảm biến được ESP8266 đọc và gửi tới Node-RED qua giao thức MQTT để xử lý và phân tích. Dựa trên dữ liệu nhận được, Node-RED sẽ đưa ra các quyết định điều khiển và gửi lệnh về ESP8266 để kích hoạt các thiết bị tương ứng. Giao diện người dùng được xây dựng bằng Node-RED cho phép nông dân quan sát dữ liệu cảm biến realtime, điều khiển thiết bị ở chế độ Auto (tự động) hoặc Manual (thủ công), và lưu trữ dữ liệu vào cơ sở dữ liệu để phục vụ việc phân tích và tối ưu quy trình sản xuất.

3.1. Kiến trúc hệ thống giám sát và điều khiển

Kiến trúc hệ thống bao gồm ba tầng: tầng sensing (các cảm biến), tầng gateway (ESP8266 và Node-RED), và tầng application (giao diện người dùng). Arduino đóng vai trò bộ điều khiển nhận lệnh từ Node-RED và điều khiển các relay. Cấu trúc này đảm bảo khả năng mở rộng, độ tin cậy cao và dễ bảo trì.

3.2. Quy trình hoạt động tự động và chế độ điều khiển

Quá trình hoạt động bắt đầu khi cảm biến đo lường các thông số môi trường và gửi dữ liệu tới Node-RED. Nếu ở chế độ Auto, hệ thống sẽ so sánh dữ liệu với giá trị ngưỡng đã cài đặt và tự động bật/tắt thiết bị để duy trì điều kiện tối ưu. Chế độ Manual cho phép người dùng điều khiển trực tiếp các thiết bị qua giao diện Node-RED.

IV. Kết quả thực hiện đồ án và ứng dụng thực tiễn

Mô hình trang trại trồng rau thông minh đã được xây dựng và thử nghiệm thành công, với khả năng giám sát và điều khiển đầy đủ các thông số môi trường. Kết quả cho thấy nhiệt độ trong vườn rau nhà kính được duy trì ở khoảng 25-35°C, độ ẩm được điều chỉnh tự động, và các thiết bị như máy bơm nước, đèn chiếu sáng, quạt hút hoạt động hiệu quả. Giao diện Node-RED hiển thị dữ liệu realtime và cho phép điều khiển theo hai chế độ Auto/Manual. Mô hình thực tế này khả thi về khả năng thi công, chi phí thấp nhưng mang lại hiệu quả cao, có thể áp dụng rộng rãi vào các trang trại nông nghiệp thực tế, giúp tăng năng suất, giảm dịch bệnh và nâng cao chất lượng sản phẩm rau sạch.

4.1. Kết quả thực hiện mô hình và kiểm chứng hiệu quả

Mô hình hoạt động ổn định, dữ liệu cảm biến được truyền tải chính xác, và hệ thống điều khiển phản ứng kịp thời. Kiểm chứng thực tế cho thấy độ ẩm đất được duy trì ổn định, nhiệt độ không dao động quá lớn, và lưu thông gió được điều chỉnh phù hợp. Kết quả sinh trưởng của cây trồng có chất lượng tốt và năng suất cao hơn so với phương pháp trồng truyền thống.

4.2. Tiềm năng ứng dụng và phát triển trong tương lai

Đồ án này có tiềm năng ứng dụng cao vào các trang trại thực tế, đặc biệt là nông nghiệp đô thị và sản xuất rau sạch. Trong tương lai, hệ thống có thể mở rộng với thêm cảm biến, tích hợp AI để tối ưu hóa, và sử dụng điện năng tái tạo để bền vững hơn về mặt môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tình hình nông nghiệp Việt Nam: Nông nghiệp luôn là vấn đề trọng yếu của mỗi quốc gia trong việc bảo đảm an ninh lương thực, nó là một trong hai ngành sản xuất vật chất quan trọng của nền kinh tế. Là khu vực sản xuất chủ yếu, đảm bảo đời sống cho xã hội, là thị trường rộng lớn cung cấp nguyên liệu và tiêu thụ sản phẩm của nền kinh tế và tích lũy cho công nghiệp. Việt Nam là một quốc gia đang phát triển, vẫn còn là một nước sản xuất chủ yếu về nông nghiệp với trên 67% dân số cả nước tập trung sống ở vùng nông thôn[i], lao động nông nghiệp chiếm tới 42% lao động trong toàn xã hội[ii].

Nông nghiệp vẫn giữ vai trò quan trọng trong nền kinh tế. Tuy nhiên, sản xuất nông nghiệp Việt Nam đang phải đối mặt với nhiều thách thức: Dân số tăng nên nhu cầu lương thực không ngừng tăng lên; diện tích đất nông nghiệp bị thu hẹp do quá trình đô thị hóa nên đòi hỏi phải nâng cao năng suất nông nghiệp để đáp ứng an ninh lương thực; biến đổi khí hậu đang diễn ra mạnh mẽ tạo ra sức ép rất lớn cho nông nghiệp nước ta; quá trình hội nhập quốc tế đòi hỏi chất lượng nông sản càng cao. Bên cạnh đó, nước ta cũng đang hướng tới xây dựng một nền công nghiệp phát triển, điều đó mang lại nhiều lợi ích cho đất nước nhưng cũng kèm theo nhiều hệ lụy, đặc biệt là ô nhiễm môi trường, một trong những mảng chịu thiệt hại rất lớn từ vấn đề trên chính là ngành nông nghiệp. Lý do chọn đề tài: Nông nghiệp công nghệ cao không chỉ là xu hướng của thời đại mà còn là một trong những giải pháp cấp thiết hiện nay.

Khi hiện tượng thời tiết cực đoan ngày càng diễn biến phức tạp do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu toàn cầu, diện tích đất nông nghiệp đang thu hẹp đáng kể, tình trạng dịch bệnh lây lan nhanh làm ảnh hưởng to lớn đến năng suất cũng như chất lượng các sản phẩm từ nông nghiệp. Với những lợi thế đã nêu ở trên, nông nghiệp CNC đang dần làm thay đổi bộ mặt nông nghiệp của thế giới. Việc áp dụng mô hình nông nghiệp CNC khiến các thành phẩm của 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP quá trình trồng trọt, chăn nuôi có chất lượng cao hơn và đảm bảo năng suất phục vụ cho con người. Chính vì thế nhóm em chọn đề tài “Điều khiển và giám sát hệ thống chăm sóc vườn rau dùng IoT” nhằm góp phần nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm, đảm bảo hiệu quả kinh tế ổn định cho người nông dân.

Bên cạnh đó là nghiên cứu thêm về các ứng dụng công nghệ điện tử được đưa vào nhành trồng trọt nói riêng và nông nghiệp nói chung.1: Mô hình trồng trọt công nghệ cao thực tế 1. Mục tiêu nghiên cứu: Xây dựng được một hệ thống điều khiển và giám sát trang trại có khả năng giám sát nhiệt độ, độ ẩm, quản lý tiểu khí hậu, tự động hóa một vài chức năng như bật tắt đèn khi điều kiện ánh sang thấp, quản lí hệ thống cấp nước,…Hệ thống này cho phép thực hiện các thao tác giám sát – điều khiển tự động hoặc bằng tay trên một trang website thông qua 2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP WiFi sử dụng trên các thiết bị smartphone cũng như máy tính. Bên cạnh đó cũng có thể bật tắt các thiết bị bằng tay thông qua một bảng điều khiển.2: Hệ thống IoT trong nông nghiệp 1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 1.

Đối tượng: Trồng trọt đang đóng vai trò quan trọng mang tính chiến lược trong sự phát triển nông nghiệp nước ta. Trồng trọt ứng dụng công nghệ cao để nâng chất lượng sản phẩm, tăng năng suất và sản lượng đáp ứng nhu cầu thị trường là hết sức cần thiết. Vì thế đối tượng nghiên cứu đề tài là tập trung nghiên cứu, thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển vườn rau nhà kính. 3 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 1.3: Vườn rau nhà kính 1.

Phạm vi: Để đạt được mục tiêu nghiên cứu như trên, nhóm tiến hành khảo sát thực tế: + Về nội dung: - Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến việc trồng rau để có thể thiết kế mô hình vườn rau và các cảm biến, thiết bị cần thiết. - Nghiên cứu về các thiết bị có trong vườn rau cần điều khiển như quạt hút, bơm nước, đèn chiếu sáng,… - Nghiên cứu về các cảm biến cần thiết sử dụng cho vườn rau như cảm biến nhiệt độ và độ ẩm không khí, cảm biến chất lượng không khí, cảm biến độ ẩm đất. - Nghiên cứu giao tiếp giữa các client và server điều khiển trung tâm. - Nghiên cứu tạo giao diện hiển thị các thông số cảm biến và giao diện điều khiển + Về phạm vi không gian: - Khảo sát một số vườn rau ở quận 9 thành phố Hồ Chí Minh.

Từ đó xem xét một số thông số cần giám sát khi trồng rau trong vườn và các thiết bị sử dụng trong quá trình trồng rau tại vườn. - Khảo sát một vài hệ thống giám sát và điều khiển bằng Internet. Tình hình ứng dụng công nghệ cao vào nông nghiệp: 1. Ngoài nước: Nghề trồng trọt ra đời rất sớm.

Cách đây mười một ngàn năm canh tác trồng trọt quy mô lớn đã xuất hiện. Sau đó dân số thế giới càng ngày càng tăng đồng nghĩa với việc cần lượng lương thực ngày càng lớn hơn, do đó đất canh tác để trồng trọt được mở rộng hơn và những dụng cụ dùng để hỗ trợ cho việc trồng trọt càng lúc càng hiện đại để tăng năng suất và sản lượng. Vào thời trung cổ ở châu Âu máy cày được phát minh để tăng năng suất. Đến cuộc cách mạng công nghiêp ở thế kỷ 19 đã mang lại những tiến bộ về kĩ thuật công nghệ tác động tích cực tới sự phát triền của ngành trồng trọt như: động cơ hơi nước, động cơ đốt trong, công thức xử lý phân bón được ra đời.

Cho đến nay với công nghệ kĩ thuật hiện với sự hỗ trợ của internet, IoT, các thiết bị cảm biến,… việc trồng trọt trở nên hiệu quả và thân thiện với môi trường hơn. [iii] Đánh giá tình hình ứng dụng khoa học công nghệ trong quá trình trồng trọt ở nước ngoài cho thấy các hệ thống giám sát và điều khiển trang trại bao gồm nhiều loại cảm biến như cảm biến IoT Giám sát khí hậu, Tự động hóa nhà kính, quản lý độ ẩm đất, Giám sát và quản lý chất lượng cây trồng, quản lý lưu trữ, hậu cần,. Việc vận chuyển và trao đổi dữ liệu của các thiết bị này có thể sử dụng các công nghệ truyền thông tầm gần và xa bao gồm: [iv]  Công nghệ mạng diện rộng công suất thấp (LPWAN): Sigfox, LoRa, NB-IOT.  Các công nghệ di động: 2G, 3G, 4G, 5G.

 Các công nghệ không dây tầm ngắn: Wifi, Bluetooth, Zigbee và nhiều công nghệ khác.  Các công nghệ vệ tinh: VSAT, BGAN và LPWAN dựa trên vệ tinh.  Các trang trại nước ngoài thường là các trang trại trồng trọt trên quy mô lớn, theo hướng công nghiệp nên khoảng cách giữa cảm biến và trung tâm xử lý dữ liệu là rất xa. Do đó, cần kết nối công nghệ cảm biến từ xa như sử dụng công nghệ mạng diện rộng: Sigfox, LoRa,…Hầu hết ở dạng quy mô trạng trại lớn, 5 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP trồng trọt theo hướng công nghiệp, sử dụng các thiết bị có độ chính xác cao nhưng giá thành đầu tư rất lớn.4: Mô hình trồng cây tưới công nghệ nhỏ giọt ở Israel 1.

Trong nước: Nước ta là nước có bề dày trong sản xuất nông nghiệp, đối với ngành trồng trọt người Việt đã bắt đâu từ cách đây khoảng 1 vạn năm trước, vì vậy sẽ là một nền móng vững chắc để phát triển ứng dụng công nghệ cũng như IoT vào trong sản xuất nông nghiệp. Đã có một số công ty, dự án nông nghiệp được triển khai các dự án như dự án Next Farm. Giải pháp ứng dụng CNTT vào Nông nghiệp thuộc Công ty Cổ phần HOSCO[v] là một trong số các công ty hoạt động trong lĩnh vực công nghệ phần mềm đã có nhiều sản phẩm thương mại hóa thành công. Next Farm cho phép hệ thống tưới được vận hành từ xa dựa vào việc phân tích các dữ liệu về môi trường, loại cây và giai đoạn sinh trưởng của cây và người dùng có thể theo dõi các thông số này theo thời gian thực.

Tại Việt Nam các hoạt động hỗ trợ đào tạo cải tiến công nghệ trong nông nghiệp cũng đang được nói nhiều hơn. Điển hình như “Tại Nghị quyết 30/NQ-CP ngày 07/3/2017, Chính phủ giao Ngân hàng Nhà nước chỉ đạo các ngân hàng thương mại, chủ lực là các ngân hàng thương mại, ngân hàng Nhà nước, dành ít nhất 100.000 tỷ đồng từ nguồn vốn huy động để thực hiện chương trình cho vay khuyến khích phát triển nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao (CNC), nông nghiệp sạch với lãi suất phù hợp”[vi]. 6 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Việc áp dụng khoa học kỹ thuật vào sản xuất ngày càng được áp dụng rộng rãi vào ngành trồng trọt nói riêng và nông nghiệp nói chung. Tuy nhiên để áp dụng được các thành tựu khoa học kỹ thuật vào sản xuất hiện nay được áp dụng chủ yếu ở các trang trại có quy mô đầu tư lớn với vốn đầu tư nước ngoài, chưa xuất hiện nhiều trong các quy mô nhỏ hộ gia đình.

Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu: 1. Cách tiếp cận: Nghiên cứu tìm hiểu các hệ thống giám sát và điều khiển ở trong và ngoài nước trong trồng trọt. Tìm hiểu các tiêu chuẩn trồng trọt trong nước VIETGAP[vii] và nước ngoài GlobalGAP[viii],. Tiến hành đánh giá phân tích lại các phương án phù hợp và cần thiết, ít chi phí và đem lại hiệu quả cao.

Phương pháp nghiên cứu: Xác định vấn đề cần nghiên cứu, thiết kế từ vườn rau thực tế tại việt nam. Nghiên cứu tổng quan trong và ngoài nước cũng như khảo sát các phương án thiết kế mô hình điều khiển các thiết bị, lấy dữ lệu cảm biến. Liệt kê, đánh giá các phương án, cảm biến và thiết bị có tính hiệu quả và khả thi để thực hiện làm mô hình. Nghiên cứu các quy định quy trình thực hành trồng trọt tốt cho việc trồng rau sạch tại việt nam (VIETGAP) để thiết kế ra mô hình.

Xây dựng các thuật toán, phương pháp tính toán về các yêu cầu thực tế như lưu lượng lưu thông gió, nhiệt độ độ ẩm ,. Bắt đầu thực hiện thiết kế mô hình, lắp đặt các thiết bị. Các yếu tố quan trọng trong trồng rau sạch: 1.