Đồ án HCMUTE: Điều khiển và giám sát mô hình nhà kính qua Internet

Khám phá đồ án HCMUTE về điều khiển và giám sát mô hình nhà kính qua internet, ứng dụng công nghệ hiện đại trong nông nghiệp thông minh.

• Tác giả: Nguyễn Thanh Hải
• Người hướng dẫn: TS. Ngô Văn Thuyên
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Ðiện Tử Công Nghiệp
• Đề tài: Điều khiển và giám sát mô hình nhà kính qua Internet
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Mục tiêu
• 1.3. Nội dung nghiên cứu
• 1.4. Giới hạn
• 1.5. Bố cục
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Hệ thống nhà kính
• 2.2. Giới thiệu nhà kính
• 2.3. Cấu trúc nhà kính
• 2.4. Điều kiện canh tác
• 2.5. Các chuẩn giao thức sử dụng trong thiết kế đề tài
• 2.6. Bộ điều khiển trung tâm
• 2.6.1. Thiết bị thu – phát Wifi
• 2.6.2. Thiết bị thu – phát Bluetooth
• 2.7. Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm không khí
• 2.8. Cảm biến độ ẩm đất
• 2.9. Cảm biến ánh sáng
• 2.10. Màn hình hiển thị
• 2.11. Hệ thống chiếu sáng
• 2.12. Hệ thống bơm tưới
• 2.13. Hệ thống quạt thông gió
• 2.14. Hệ thống sưởi ấm nhiệt độ
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
• 3.1. Yêu cầu thiết kế
• 3.2. Tính toán và thiết kế hệ thống
• 3.3. Sơ đồ khối hệ thống
• 3.4. Thiết kế các khối
• 3.5. Lựa chọn vật liệu sử dụng trong hệ thống nhà kính
• 4. CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG
• 4.1. Thi công hệ thống
• 4.2. Thi công Board mạch
• 4.3. Lắp ráp và kiểm tra
• 4.4. Đóng gói và thi công mô hình
• 4.5. Đóng gói bộ điều khiển
• 4.6. Thi công mô hình
• 4.7. Lập trình hệ thống
• 4.7.1. Phần mềm lập trình Arduino IDE
• 4.7.2. Phần mềm lập trình Android
• 4.7.3. Phần mềm lập trình Website
• 4.7.4. Hướng dẫn sử dụng
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ _ NHẬN XÉT _ ĐÁNH GIÁ
• 5.1. Kết quả đạt được
• 5.1.1. Biết cách sử dụng các cảm biến
• 5.1.2. Biết cách sử dụng Arduino Mega 2560
• 5.1.3. Biết cách sử dụng Module Wifi ESP8266 và Module Bluetooth HC-05
• 5.1.4. Biết cách viết App Android và trang Web đơn giản
• 5.1.5. Biết cách truyền - nhận thông tin bằng Wifi
• 5.1.6. Biết cách truyền – nhận thông tin bằng Bluetooth
• 5.2. Nhận xét và đánh giá
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. Hướng Phát Triển

Tóm tắt

I. Tổng Quan

Đề tài 'Giám sát nhà kính qua Internet: Đồ án HCMUTE' tập trung vào việc ứng dụng công nghệ Internet of Things (IoT) trong nông nghiệp, đặc biệt là trong việc giám sát và điều khiển môi trường nhà kính. Mô hình nhà kính không chỉ giúp tăng năng suất mà còn tối ưu hóa điều kiện phát triển cho cây trồng. Việc áp dụng công nghệ giám sát nhà kính qua Internet cho phép người dùng theo dõi và điều chỉnh các thông số như nhiệt độ, độ ẩm, và ánh sáng từ xa, mang lại sự tiện lợi và hiệu quả cao trong quản lý nông nghiệp. Đề tài này không chỉ đáp ứng nhu cầu thực tiễn mà còn góp phần vào sự phát triển của nông nghiệp thông minh.

1.1. Đặt Vấn Đề

Trong bối cảnh hiện nay, việc áp dụng công nghệ vào nông nghiệp là rất cần thiết. Hệ thống giám sát nhà kính qua Internet giúp người trồng có thể theo dõi và điều chỉnh môi trường một cách hiệu quả. Các cảm biến như DHT11 cho phép thu thập dữ liệu về nhiệt độ và độ ẩm, trong khi các thiết bị điều khiển như quạt và đèn có thể được điều chỉnh từ xa. Điều này không chỉ tiết kiệm thời gian mà còn nâng cao độ chính xác trong việc quản lý môi trường nhà kính. Như một chuyên gia đã nói: 'Công nghệ không chỉ là công cụ, mà còn là chìa khóa mở ra cánh cửa cho tương lai của nông nghiệp'.

1.2. Mục Tiêu Nghiên Cứu

Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế và thi công một hệ thống giám sát nhà kính thông minh, cho phép điều khiển và theo dõi từ xa qua Internet. Hệ thống sẽ bao gồm các cảm biến để thu thập dữ liệu môi trường và một giao diện người dùng trên Website và ứng dụng Android. Việc này không chỉ giúp người dùng dễ dàng quản lý mà còn nâng cao hiệu quả sản xuất nông nghiệp. Hệ thống sẽ được kiểm tra và đánh giá để đảm bảo tính khả thi và hiệu quả trong thực tế. 'Chúng ta không thể thay đổi hướng gió, nhưng có thể điều chỉnh cánh buồm để đạt được đích đến'.

II. Cơ Sở Lý Thuyết

Chương này trình bày các khái niệm cơ bản về hệ thống nhà kính và các công nghệ liên quan. Nhà kính là một công trình được thiết kế để bảo vệ cây trồng khỏi các yếu tố môi trường bất lợi, đồng thời tối ưu hóa điều kiện phát triển. Việc sử dụng cảm biến để theo dõi các thông số như nhiệt độ, độ ẩm, và ánh sáng là rất quan trọng. Các công nghệ như IoT agriculture cho phép kết nối và điều khiển các thiết bị từ xa, mang lại sự tiện lợi cho người trồng. 'Công nghệ không chỉ là một phần của cuộc sống, mà còn là một phần của tương lai'.

2.1. Giới Thiệu Về Nhà Kính

Nhà kính là một mô hình sản xuất nông nghiệp hiện đại, giúp kiểm soát các yếu tố môi trường như ánh sáng, nhiệt độ, và độ ẩm. Việc sử dụng nhà kính giúp tăng năng suất và chất lượng sản phẩm. Các nhà kính hiện đại có thể được trang bị các thiết bị cảm biến và điều khiển tự động, cho phép người trồng dễ dàng quản lý môi trường. 'Nhà kính không chỉ là nơi trồng cây, mà còn là nơi tạo ra giá trị cho nông nghiệp'.

2.2. Các Thiết Bị Cảm Biến

Các thiết bị cảm biến như DHT11 và cảm biến độ ẩm đất đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập dữ liệu môi trường. Những dữ liệu này sẽ được gửi đến hệ thống điều khiển để thực hiện các điều chỉnh cần thiết. Việc sử dụng cảm biến giúp nâng cao độ chính xác trong việc giám sát và điều khiển môi trường nhà kính. 'Cảm biến là đôi mắt của hệ thống, giúp chúng ta nhìn thấy những gì đang xảy ra trong nhà kính'.

III. Thiết Kế Hệ Thống

Chương này trình bày chi tiết về thiết kế hệ thống giám sát nhà kính qua Internet. Hệ thống bao gồm các khối cảm biến, bộ điều khiển trung tâm và giao diện người dùng. Việc thiết kế giao diện trên Website và ứng dụng Android giúp người dùng dễ dàng theo dõi và điều chỉnh các thông số môi trường. 'Thiết kế không chỉ là hình thức, mà còn là chức năng'.

3.1. Sơ Đồ Khối Hệ Thống

Sơ đồ khối hệ thống thể hiện mối quan hệ giữa các thành phần trong hệ thống. Các cảm biến sẽ thu thập dữ liệu và gửi về bộ điều khiển trung tâm, nơi xử lý và đưa ra các quyết định điều chỉnh. Giao diện người dùng sẽ hiển thị thông tin và cho phép người dùng điều khiển các thiết bị. 'Một hệ thống tốt là một hệ thống dễ hiểu'.

3.2. Giao Diện Người Dùng

Giao diện người dùng được thiết kế đơn giản và dễ sử dụng, cho phép người dùng theo dõi và điều chỉnh các thông số môi trường một cách nhanh chóng. Việc sử dụng công nghệ công nghệ thông tin trong thiết kế giao diện giúp nâng cao trải nghiệm người dùng. 'Giao diện tốt là cầu nối giữa người dùng và công nghệ'.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh nền nông nghiệp hiện đại đang chuyển dịch mạnh mẽ sang xu hướng ứng dụng công nghệ cao, việc xây dựng mô hình nhà kính tự động hóa đóng vai trò thiết yếu nhằm tối ưu hóa năng suất và chất lượng nông sản. Nhà kính cho phép loại bỏ những tác động bất lợi của thời tiết (mưa to, gió bão, sương muối, thời tiết lạnh) và sâu bệnh hại, đồng thời thiết lập môi trường vi khí hậu tối ưu giúp mở rộng mùa vụ canh tác và nâng cao sản lượng gấp 3 đến 4 lần so với canh tác lộ thiên truyền thống.

Tuy nhiên, các hệ thống giám sát môi trường nhà kính trước đây thường chỉ ứng dụng các công nghệ kết nối tầm gần (như Bluetooth) hoặc gửi cảnh báo qua tin nhắn SMS thông qua module SIM. Các giải pháp này bộc lộ hạn chế là chỉ mang tính cục bộ trong phạm vi hẹp; khi triển khai trên diện tích lớn hoặc yêu cầu điều hành từ xa, chi phí thiết bị và vận hành sẽ tăng cao. Xuất phát từ thực tế đó, đề tài "Điều khiển và giám sát mô hình nhà kính qua Internet" được tác giả thực hiện nhằm cung cấp một giải pháp tự động hóa chi phí thấp, cho phép theo dõi và điều chỉnh vi khí hậu nhà kính linh hoạt qua nền tảng Web và thiết bị di động.

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của đồ án bao gồm:

1. Thiết kế và thi công mô hình phần cứng nhà kính nông nghiệp kích thước thu nhỏ.
2. Thiết kế mạch điều khiển trung tâm và tích hợp các cảm biến đo lường môi trường (nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất, cường độ ánh sáng).
3. Lập trình vi điều khiển để tự động kích hoạt hoặc điều khiển thủ công các cơ cấu chấp hành (đèn chiếu sáng, quạt thông gió, máy bơm nước, hệ thống sưởi).
4. Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển trên nền tảng Website (sử dụng Node.js, HTML) và ứng dụng di động Android.
5. Thiết lập hệ thống truyền nhận dữ liệu đồng bộ qua giao thức mạng Internet (Wifi) và tích hợp kết nối Bluetooth cục bộ làm phương án dự phòng.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống nhúng điều khiển và các thông số môi trường vi khí hậu trong nhà kính (nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất, ánh sáng). Phạm vi không gian thực nghiệm là mô hình nhà kính kích thước 60 cm x 40 cm x 50 cm; thời gian thực hiện nghiên cứu từ ngày 03/10/2017 đến ngày 10/01/2018 tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y sinh, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài kết hợp cơ sở lý thuyết về nông nghiệp công nghệ cao và kỹ thuật điều khiển tự động, điện tử viễn thông và công nghệ thông tin:

• Lý thuyết vi khí hậu nhà kính: Phân tích nhu cầu sinh trưởng của hai đối tượng cây trồng điển hình:
  • Cây cà chua: Nhiệt độ thích hợp từ 24°C đến 30°C; thời gian chiếu sáng từ 11 đến 13 giờ/ngày; độ ẩm đất thích hợp từ 70% đến 80% (đất úng khi độ ẩm từ 65% - 70% nếu thoát nước kém); độ pH thích hợp từ 5,5 đến 7,0.
  • Cây rau cải bắp: Nhiệt độ thích hợp từ 18°C đến 20°C; thời gian chiếu sáng từ 10 đến 12 giờ/ngày; độ ẩm đất thích hợp từ 75% đến 85% (nguy cơ yếm khí và nhiễm độc rễ nếu đất quá ẩm trên 90% kéo dài từ 3 đến 5 ngày); độ ẩm không khí duy trì từ 80% đến 90%.
• Giao thức truyền thông và mạng kết nối:
  • Giao thức MQTT (Message Queuing Telemetry Transport): Hoạt động theo mô hình Publish/Subscribe qua máy chủ trung gian (Broker), tối ưu hóa việc truyền nhận dữ liệu IoT đa thiết bị.
  • Mô hình M2M (Machine-to-Machine): Giao tiếp tự động giữa các khối thiết bị phần cứng qua mạng không dây.
  • Giao tiếp I2C (Inter-Integrated Circuit): Chuẩn giao tiếp nối tiếp 2 dây (SCL, SDA) theo cấu trúc Master-Slave với các tốc độ: chuẩn (100 kbps), nhanh (400 kbps), cao tốc (1,7 Mbps - 3,4 Mbps).
  • Chuẩn nối tiếp UART: Truyền thông nối tiếp không đồng bộ với cấu trúc khung truyền (Start bit, Data, Parity bit, Stop bit) và các chuẩn Baudrate định sẵn.
  • Chuẩn không dây Bluetooth: Băng tần 2,4 GHz, khoảng cách truyền từ 10 m đến 100 m, tốc độ đạt 720 kbps đến 1 Mbps.
• Phương pháp nghiên cứu:
  • Phương pháp thiết kế và chế tạo kỹ thuật: Tính toán phụ tải điện, vẽ sơ đồ nguyên lý và layout mạch in (PCB) bằng phần mềm Proteus; gia công mạch bằng phương pháp ủi nhiệt và ăn mòn hóa học.
  • Phương pháp thực nghiệm kiểm thử: Lắp ráp mô hình thực tế, lập trình nhúng C/C++ trên Arduino IDE, lập trình giao diện Android qua MIT App Inventor 2, lập trình Website điều khiển trên Visual Studio Code.
  • Nguồn dữ liệu: Tài liệu kỹ thuật phần cứng của nhà sản xuất (Arduino, ESP8266, DHT11, HC-05), giáo trình lập trình Android, tài liệu chuẩn giao thức MQTT và số liệu nông học về điều kiện canh tác cây trồng.

---

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được tổ chức thành các khối chức năng liên kết chặt chẽ xung quanh khối xử lý trung tâm:

1. Kiến trúc phần cứng và linh kiện

• Khối xử lý trung tâm: Sử dụng board mạch Arduino Mega 2560 (vi điều khiển ATmega2560, 54 chân Digital I/O với 15 chân PWM, 16 chân Analog, 4 cổng UART phần cứng, thạch anh 16 MHz, bộ nhớ Flash 256 KB, SRAM 8 KB, EEPROM 4 KB).
• Khối cảm biến thu thập dữ liệu:
  • Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm không khí: DHT11 (chuẩn giao tiếp 1-wire, điện áp 5 VDC, tầm đo độ ẩm 20% - 80% RH với sai số ±5% RH, tầm đo nhiệt độ 0 - 50°C với sai số ±2°C, tần số lấy mẫu 1 Hz).
  • Cảm biến độ ẩm đất: Module đo điện dung (điện áp hoạt động 3,3 V - 5,5 VDC, dòng tiêu thụ tối đa 2,5 mA, ngưỡng đo 20% - 80%, sai số ±5%).
  • Cảm biến ánh sáng: Quang trở CDS kết hợp mạch so sánh Op-amp và biến trở vi chỉnh, xuất tín hiệu Digital.
• Khối truyền thông và hiển thị:
  • Module Wifi ESP8266 NodeMCU Lua tích hợp IC nạp và chuyển đổi UART CP2120.
  • Module Bluetooth HC-05 (băng tần 2,4 GHz, cấu hình qua tập lệnh AT, hoạt động ở chế độ Half-Duplex).
  • Màn hình LCD 16x02 xanh dương kết hợp module chuyển đổi I2C để tiết kiệm chân vi điều khiển.
• Khối cơ cấu chấp hành và công suất:
  • Module Relay 4 kênh cách ly quang (điện áp kích 5 VDC, chịu tải AC 220V/10A hoặc DC 30V/10A).
  • Hệ thống chiếu sáng: Đèn LED chuyên dụng cung cấp dải quang phổ đỏ - xanh kích thích diệp lục tố.
  • Hệ thống thông gió: Quạt hút và quạt thổi điều hòa không khí.
  • Hệ thống bơm tưới: Bơm nước nhỏ giọt kết hợp tưới phun sương.
  • Hệ thống sưởi ấm: Hệ thống cấp nhiệt bằng điện/lò sưởi kết hợp ống dẫn chịu nhiệt.

2. Tính toán nguồn cấp

Hệ thống sử dụng nguồn điện một chiều 5 VDC cho khối điều khiển và 12 VDC cho khối cơ cấu chấp hành. Dòng điện tiêu thụ của khối điều khiển được tính toán chi tiết như sau:

STT	Tên linh kiện / Khối chức năng	Số lượng	Dòng điện định mức (mA)	Tổng dòng điện (A)
1	Board Arduino Mega 2560	1	500	0,50
2	Cảm biến ánh sáng quang trở	1	40	0,04
3	Cảm biến độ ẩm đất	1	40	0,04
4	Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11	1	40	0,04
5	Module Bluetooth HC-05	1	40	0,04
6	Màn hình LCD 16x02 + Module I2C	1	40	0,04
7	Khối Module Relay 4 kênh	4 (kênh)	80	0,32
Tổng	Toàn bộ hệ thống điều khiển và chấp hành	--	--	1,52 A

Từ kết quả tính toán $I_{tổng} = I_{điều_khiển} + I_{relay} = 1,2\text{ A} + 0,32\text{ A} = 1,52\text{ A}$, nhóm tác giả lựa chọn bộ nguồn 5V/2A để đảm bảo hệ thống vận hành ổn định và có hệ số dự phòng an toàn.

3. Quy cách thi công và đóng gói

• Hộp điều khiển: Vỏ hộp nhựa chống cháy chuyên dụng kích thước 16 cm x 16 cm x 5 cm, khoan bắt cố định lên khung thép; mặt trước bố trí đèn LED báo trạng thái và nút Reset.
• Khung mô hình nhà kính: Khung xương bằng sắt hàn cố định, kích thước tổng thể $60\text{ cm} \times 40\text{ cm} \times 50\text{ cm}$. Vách bao quanh và mái che sử dụng vật liệu Mica trong suốt gia công bằng dao cắt chuyên dụng và cố định bằng vít.
• Vị trí bố trí cảm biến: Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11 và cảm biến ánh sáng được lắp đặt sát phần mái trên cao nhằm tránh hơi nước trực tiếp từ hệ thống phun sương; cảm biến độ ẩm đất cắm trực tiếp tại vùng rễ cây trồng gần hộp điều khiển.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng Quan

Chương 1 giới thiệu tổng quan về vai trò của tự động hóa và kỹ thuật điện tử trong nông nghiệp hiện đại. Tác giả phân tích tính cấp thiết của mô hình nhà kính công nghệ cao, chỉ rõ hạn chế về cự ly và chi phí của các phương thức điều khiển cục bộ truyền thống (Bluetooth, SMS/SIM). Từ đó, xác định mục tiêu thiết kế hệ thống giám sát - điều khiển đa kênh (Web, Android, Bluetooth), phân chia 9 nội dung nghiên cứu chi tiết, giới hạn phạm vi đề tài vào mô hình kích thước $60\text{ cm} \times 40\text{ cm} \times 50\text{ cm}$ sử dụng vi điều khiển Arduino Mega 2560.

Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Chương 2 cung cấp nền tảng lý thuyết toàn diện phục vụ thiết kế:

• Phân loại nhà kính theo nhiệt độ (nhiệt độ cao 18-32°C, nhiệt độ thấp 6-18°C, nhà kính lạnh 6°C), theo công năng (tham quan, sinh sản, sản xuất, trồng cây lớn) và kết cấu mái.
• Yêu cầu nông học đối với cây cà chua và bắp cải.
• Nguyên lý hoạt động của các giao thức MQTT, M2M, I2C, UART và truyền thông Bluetooth.
• So sánh các bộ điều khiển vi xử lý (PIC 16F887/AT89C52 cấu hình phức tạp, Raspberry Pi giá thành cao, Arduino Mega 2560 phù hợp và tối ưu cho đề tài).
• Đặc tính kỹ thuật của các loại cảm biến (DHT11, quang trở CDS, cảm biến độ ẩm đất), màn hình hiển thị LCD HD44780, và các thiết bị chấp hành (đèn LED đỏ-xanh quang phổ, hệ thống quạt thông gió, máy bơm phun sương/nhỏ giọt, lò sưởi nhiệt).

Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế

Chương 3 trình bày các yêu cầu thiết kế hệ thống ở cả hai chế độ điều khiển tự động (Auto) và thủ công (Manual). Tác giả xây dựng sơ đồ khối chi tiết (Khối điều khiển trung tâm, Khối cảm biến đầu vào, Khối thiết bị đầu ra, Khối hiển thị, Khối nguồn, Khối truyền thông). Lập bảng thông số kỹ thuật chi tiết cho từng linh kiện, đưa ra các phương án mở rộng quy mô thực tế (nhà kính thể tích 600 m³ dùng 5 bóng đèn sợi đốt 90W, 2 quạt hút 1380 mm, 2 quạt thổi 900 mm). Thực hiện bảng tính toán phụ tải dòng điện và lựa chọn bộ nguồn 5V/2A cho hệ thống điều khiển.

Chương 4: Thi Công Hệ Thống

Chương 4 mô tả quy trình hiện thực hóa mô hình từ bản vẽ đến thực nghiệm:

• Chế tạo PCB: Thiết kế layout bằng Proteus, ủi nhiệt lên phíp đồng, ăn mòn bằng dung dịch axit, phủ nhựa thông chống oxy hóa, khoan lỗ linh kiện (mũi khoan 0,8 mm cho điện trở/IC, 1,0 mm cho chân cắm Jump, 3,0 mm cho ốc bắt vít) và kiểm tra thông mạch bằng đồng hồ VOM.
• Lắp ráp và đóng gói: Đóng gói bo mạch vào hộp nhựa chống cháy 16 cm x 16 cm x 5 cm; hoàn thiện khung nhà kính mica - sắt kích thước 60 cm x 40 cm x 50 cm.
• Lập trình hệ thống: Lập trình giải thuật cho Arduino Mega 2560 và ESP8266; xây dựng ứng dụng Android bằng MIT App Inventor 2 xuất file cài đặt .apk (giao tiếp Bluetooth HC-05 mã PIN mặc định 1234); xây dựng giao diện Website quản lý phân quyền (người quản trị và công nhân) trên nền tảng Visual Studio Code.

Chương 5: Kết Quả _ Nhận Xét _ Đánh Giá

Chương 5 tổng kết các kết quả kỹ thuật thu được sau quá trình chế tạo và chạy thử:

• Nắm vững nguyên lý hoạt động và làm chủ kỹ thuật lập trình giao tiếp các loại cảm biến môi trường (DHT11, độ ẩm đất, quang trở).
• Làm chủ cấu hình và lập trình điều khiển trung tâm với Arduino Mega 2560.
• Ứng dụng thành công module truyền nhận dữ liệu Wifi ESP8266 NodeMCU và Bluetooth HC-05.
• Xây dựng hoàn chỉnh ứng dụng di động Android và trang Web điều khiển, đảm bảo dữ liệu môi trường và trạng thái thiết bị được cập nhật đồng thời, liên tục.
• Hệ thống vận hành chính xác ở cả chế độ tự động theo ngưỡng cài đặt và chế độ can thiệp thủ công từ xa.

Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển

Chương 6 khẳng định đề tài đã hoàn thành đúng mục tiêu thiết kế và thi công mô hình nhà kính tự động hóa qua Internet. Đồng thời, tác giả vạch ra các hướng nâng cấp trong tương lai: tích hợp camera giám sát hình ảnh trực tiếp, mở rộng hệ thống cảm biến công nghiệp độ bền cao (như SHT10 chống nước), và ứng dụng các thuật toán điều khiển thông minh phục vụ sản xuất nông nghiệp quy mô lớn.

---

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả chính đạt được

• Chế tạo thành công mô hình vật lý hoàn chỉnh với kích thước $60\text{ cm} \times 40\text{ cm} \times 50\text{ cm}$, khung sắt kiên cố, vách bao che bằng mica trong suốt, tích hợp đầy đủ hệ thống cấp thoát gió, chiếu sáng LED, bơm tưới và sưởi ấm.
• Mạch điều khiển trung tâm Arduino Mega 2560 kết nối đồng bộ 3 loại cảm biến đầu vào và điều khiển 4 kênh relay công suất hoạt động ổn định với nguồn cấp tính toán 5V/2A (dòng tiêu thụ thực tế 1,52A).
• Thiết lập kênh truyền thông kép: Giao tiếp Internet qua Wifi ESP8266 truyền dữ liệu lên Web Server và kênh Bluetooth HC-05 cục bộ (tốc độ truyền nhận ổn định, mã kết nối 1234, tầm hoạt động hiệu dụng dưới 50 m).
• Xây dựng giao diện phần mềm hoàn chỉnh: Web điều khiển phân quyền (Admin và Công nhân) cùng ứng dụng Android đóng gói .apk cho phép cài đặt các ngưỡng nhiệt độ, độ ẩm tối đa/tối thiểu và bật/tắt thiết bị theo thời gian thực.

2. Giải pháp và đề xuất kỹ thuật

• Đề xuất bố trí cảm biến nhiệt độ - độ ẩm và ánh sáng lên vị trí sát mái để ngăn ngừa hiện tượng đọng sương làm sai lệch tín hiệu hoặc hư hại linh kiện.
• Đề xuất kết hợp hệ thống tưới nhỏ giọt (cho mô hình nhỏ) và tưới phun sương (cho nhà kính diện tích lớn) nhằm tối ưu hóa lượng nước tưới và điều hòa vi khí hậu.
• Đưa ra phương án tính toán công suất thiết bị cho nhà kính quy mô thực tế diện tích $144\text{ m}^2$ (thể tích $600\text{ m}^3$): Sử dụng 5 bóng đèn sợi đốt 90W, 2 quạt hút đường kính 1380 mm và 2 quạt thổi 900 mm.

3. Đóng góp của đề tài

Đồ án đã giải quyết được hạn chế của các hệ thống điều khiển nhà kính cục bộ trước đó (vốn phụ thuộc hoàn toàn vào sóng Bluetooth cự ly ngắn hoặc cước phí tin nhắn SIM). Giải pháp tích hợp song song cả Internet và Bluetooth giúp người vận hành vừa có thể quản trị từ xa không giới hạn khoảng cách, vừa có phương án kết nối dự phòng tại chỗ khi hệ thống mạng gặp sự cố.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế của đồ án:
  • Các cảm biến sử dụng trên mô hình (DHT11, cảm biến độ ẩm đất dạng điện dung, quang trở CDS) là linh kiện dùng cho mô hình thử nghiệm, độ bền cơ học và khả năng chống chịu ẩm thấp, chưa đáp ứng được môi trường khắc nghiệt ngoài trời lâu dài.
  • Khoảng cách điều khiển của kênh kết nối dự phòng Bluetooth bị giới hạn (dưới 50 m).
  • Hệ thống chưa tích hợp camera để quan sát trực quan sự phát triển của cây trồng và phát hiện sâu bệnh.
• Hướng nghiên cứu tiếp:
  • Thay thế các cảm biến mô hình bằng cảm biến công nghiệp chuyên dụng (như cảm biến nhiệt độ - độ ẩm SHT10 có vỏ bảo vệ chống nước, chống bụi).
  • Tích hợp module camera truyền hình ảnh trực tiếp về Website và App di động.
  • Nghiên cứu ứng dụng các giải pháp truyền thông không dây diện rộng công suất thấp (như LoRa, ZigBee) để mở rộng hệ thống cho các khu nhà kính quy mô hàng héc-ta.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo thực tế và hữu ích cho:

• Sinh viên các ngành Kỹ thuật Điện tử, Điện tử Công nghiệp, Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, và Công nghệ Thông tin đang thực hiện đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp về IoT nông nghiệp.
• Các nội dung đáng tham khảo bao gồm: Sơ đồ phối ghép phần cứng vi điều khiển Arduino Mega 2560 với module ESP8266/HC-05; bảng tính toán phụ tải dòng điện chọn nguồn; quy trình thiết kế thi công mạch in bằng Proteus; và phương pháp kết nối dữ liệu giữa phần cứng nhúng với nền tảng Web và ứng dụng di động qua giao thức mạng.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Khối xử lý trung tâm và các module truyền thông nào được sử dụng trong hệ thống?
Hệ thống sử dụng board vi điều khiển Arduino Mega 2560 làm bộ xử lý trung tâm. Hệ thống tích hợp hai module truyền thông: Module Wifi ESP8266 NodeMCU Lua để truyền nhận dữ liệu qua Internet và Module Bluetooth HC-05 đóng vai trò kết nối dự phòng cục bộ.

2. Tổng dòng điện tiêu thụ của mạch điều khiển được tính toán là bao nhiêu và nhóm tác giả chọn nguồn cấp thông số nào?
Tổng dòng điện cực đại tính toán cho toàn bộ mạch điều khiển và các cảm biến là 1,2 A, kết hợp với dòng định mức của 4 kênh relay (0,32 A), cho tổng nhu cầu là 1,52 A. Nhóm tác giả đã lựa chọn bộ nguồn 5 VDC có dòng định mức 2 A để cấp nguồn cho toàn hệ thống.

3. Kích thước mô hình nhà kính và hộp điều khiển được thi công thực tế là bao nhiêu?
Mô hình nhà kính được thi công bằng khung sắt và vỏ bọc mica trong suốt với kích thước chiều dài 60 cm, chiều rộng 40 cm, chiều cao 50 cm. Hộp bảo vệ mạch điều khiển được làm bằng nhựa chống cháy có kích thước cạnh vuông 16 cm và chiều cao 5 cm.

4. Ứng dụng di động Android kết nối với mô hình qua giao thức nào và mã PIN mặc định là gì?
Ứng dụng di động (được lập trình bằng MIT App Inventor 2 và xuất file .apk) kết nối với vi điều khiển qua module Bluetooth HC-05 với mật khẩu (pass) kết nối mặc định là 1234.

5. Nhóm tác giả đề xuất thông số trang thiết bị như thế nào đối với nhà kính thực tế thể tích 600 m³?
Với nhà kính thực tế kích thước $15\text{ m} \times 8\text{ m} \times 5\text{ m}$ (thể tích $600\text{ m}^3$), nhóm tác giả đề xuất bố trí 5 bóng đèn sợi đốt loại 90W để chiếu sáng, 2 quạt hút loại 1380 mm, 2 quạt thổi loại 900 mm và các quạt nhỏ 700 mm bên trong để luân chuyển không khí đồng đều.

---

Kết luận

Đồ án "Điều khiển và giám sát mô hình nhà kính qua Internet" của sinh viên Nguyễn Thanh Hải và Nguyễn Xuân Đồng đã thiết kế và chế tạo thành công một mô hình nhà kính nông nghiệp công nghệ cao hoàn chỉnh. Hệ thống làm chủ kỹ thuật thu thập dữ liệu vi khí hậu thông qua các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng, kết hợp điều khiển linh hoạt các cơ cấu chấp hành qua Internet và Bluetooth. Toàn bộ giải pháp phần cứng và phần mềm được tính toán, kiểm thử thực tế chặt chẽ, mang lại giá trị thực tiễn và tính ứng dụng cao trong lĩnh vực tự động hóa nông nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nôi dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đề tài. - Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Chương này trình bày giới thiệu phần cứng của hệ thống điều khiển và giám sát, giới thiệu hệ thống Webserver và app Android. - Chương 3: Thiết kế và tính toán.

Chương này trình bày về cách tính toán, sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý của các board mạch của hệ thống: mạch điều khiển trung tâm, mạch điều khiển các thiết bị ngõ ra có sử dụng relay, mạch nguồn cung cấp điện áp – dòng điện cho cả hệ thống. - Chương 4: Thi công hệ thống. Chương này trình bày về sơ đồ mạch in PCB, cách lập trình, cách kiểm tra các mạch của toàn hệ thống. Bên cạnh đó là hình ảnh thực tế, cũng như các kết quả mà hệ thống có tính tới thời điểm hiện tại.

- Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá. Chương này trình bày các kiến thức, cũng như các kỹ năng mà nhóm có được sau khi thực hiện đề tài như: sử dụng các cảm biến, truyền – nhận thông tin qua Wifi hay qua Bluetooth, điều khiển các thiết bị bằng board Arduino Mega 2560 và giám sát – điều khiển trên Website, trên ứng dụng chạy bằng hệ điều hành Android. - Chương 6: Kết luận và hướng phát triển. Chương này trình bày những kết quả mà đề tài đạt được, đồng thời đưa ra hướng phát triển để có được một đề tài hoàn thiện và đáp ứng được nhu cầu cho cuộc sống hiện đại như ngày nay.

B Bộ môn Điện tử công nghiệp – Y sinh Trang 4 do an 2. Cơ Sở Lý Thuyết Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết 2. Hệ thống nhà kính [5] 2. Giới thiệu nhà kính Nhà kính (greenhouse) là công trình thường có cạnh (vách bao che xung quanh) và mái làm bằng nilon (film), bằng màng nhựa (plastic), hoặc bằng kính (hoặc vật liệu tương tự) dùng để trồng rau hoa quả để tránh tác động nhất thời của thời tiết như mưa to gió mạnh và sự thâm nhập của côn trùng gây hại.

Nhà kính là một trong những mô hình hiệu quả trong sản xuất nông nghiệp theo hướng công nghệ cao. Sử dụng nhà kính để trồng hoa, rau, cây cảnh và cây thuốc đang ngày càng trở nên phổ biến trên thế giới, do ưu điểm chế ngự được các hạn chế của thiên nhiên như đất, khí hậu, nước, gió mạnh, bão… cho năng suất cao gấp 3 – 4 lần so với trồng ngoài trời theo phương thức cũ. Nhà kính phù hợp với yêu cầu để phát triển nông nghiệp bền vững, cho phép kiểm soát đầy đủ và chặt chẽ hầu hết các thông số của quá trình sản xuất như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, khí carbonic, khí ôxy…, kể cả việc sử dụng tối ưu đất canh tác để đáp ứng cho sự sinh trưởng, phát triển tốt nhất của cây trồng và kiểm soát được sâu bệnh hại để đạt sản lượng cao nhất.1: Hình ảnh thực tế bên trong nhà kính Bộ môn Điện tử công nghiệp – Y sinh Trang 5 do an 2. Cơ Sở Lý Thuyết Hiện nay, ở nhiều nước phát triển trên thế giới như Hà Lan, Israel, Nhật Bản, Pháp, Mỹ và mới đây là Trung Quốc, … đã và đang phát triển ứng dụng rất rộng rãi các mô hình nhà kính trồng rau, hoa…Các nhà kính hiện đại có các dạng cấu trúc và kết cấu khác nhau phù hợp với điều kiện khí hậu, kinh tế mỗi nước.

Ở Việt Nam, với hơn 70% dân số làm nông nghiệp, ngành nông nghiệp là một trong những ngành kinh tế mũi nhọn. Trong hơn 10 năm qua, sản xuất nông nghiệp ở nước ta đã đạt được những thành tựu trong các lĩnh vực chọn tạo giống, kỹ thuật canh tác…tạo ra khối lượng sản phẩm, hàng hoá đáng kể góp phần thúc đẩy tăng trưởng nền kinh tế quốc dân. Việc áp dụng mô hình nhà kính trong sản xuất nông nghiệp mang lại hiệu quả kinh tế cao, đảm bảo chất lượng và số lượng. Nhà kính là một khu sản xuất bậc cao của vườn ươm.

Nước ta cần có nhà kính để sản xuất cây hoa nhiệt đới và sản xuất cây cảnh cắt hoa mùa đông. Nhà kính có nhiều loại, thông thường dựa vào yêu cầu sử dụng, nhiệt độ, kết cấu kiến trúc để phân loại: a. Dựa vào nhiệt độ mà chia ra các nhà kính nhiệt độ cao, vừa, thấp và lạnh: - Nhà kính nhiệt độ cao để trồng các loại cây nhiệt đới, đòi hỏi nhiệt độ từ 18-320C, thích hợp nhất là 240C. Nhà kính này có thể gieo hạt cây hoa thân cỏ 1 đến 2 năm.

- Nhà kính nhiệt độ thấp để trồng các loại cây nhiệt đới và một phần cây nguyên sản ôn đới. Nhiệt độ trong nhà này thường từ 6-180C, thích hợp nhất là 140C. - Ngoài ra còn có nhà kính lạnh ở nhiệt độ 60C để bảo quản các loài cây hoa. Các nhà kính nhỏ tùy theo kinh phí mà lập chung với các điều kiện nhiệt độ khác nhau.

Dựa vào nhu cầu cây trồng mà chia ra: - Nhà kính để tham quan, thường dùng cho công viên, vườn thực vật, viện nghiên cứu thực vật, trường đại học, yêu cầu phải đẹp, lối đi rộng, bố trí các giá cao thấp khác nhau trong nhà kính, đồng thời bố trí các loài cây có nhiệt độ, độ ẩm khác nhau mà trưng bày các loài cây thích hợp. - Nhà kính sinh sản để cung cấp cho gieo hạt, giâm cành, chăm sóc cây con. Luống thường bố trí trên đất. Luống giâm cành có thể có thể có thiết bị ấm để tăng cường nhiệt độ mặt đất.

- Nhà kính sản xuất dùng để sản xuất và nuôi dưỡng các loài hoa chậu vào mùa đông. Do chậu hoa có kích thước khác nhau, nhà kính nên có bờ tường cao 2,5 – 3m Bộ môn Điện tử công nghiệp – Y sinh Trang 6 do an 2. Cơ Sở Lý Thuyết để tiện cho việc lắp đặt chậu. Trong nhà có thể đặt các giá bậc thang để lợi dụng không gian.

- Nhà kính trồng cây lớn dùng để trồng các loài hoa mùa đông, cung cấp thỏa mãn nhu cầu ngày tết và các ngày lễ lớn. Nhiệt độ trong nhà kính dần dần được nâng cao theo sinh trưởng của nụ hoa, kết cấu nhà kính tùy theo nhu cầu, không nên quá to. Dựa vào các loài thực vật: - Chia ra các loại nhà kính khác nhau như nhà kính hoa lan, nhà kính hoa cúc, nhà kính các loài cây cọ, nhà kính các loài cây ăn quả nhiệt đới, nhà cây họ quyết, nhà cây họ hoa hồng, … d. Dựa vào kết cấu nhà kính: - Chia ra nhà một mái, nhà hai mái, nhà hai mái không bằng nhau.

Ngoài ra còn có nhà hình yên ngựa, nhà hình tam giác, nhà hình trò, … - Những ưu điểm của trồng rau theo mô hình nhà kính trồng rau sạch:  Khắc phục được điều kiện khí hậu và thời tiết.  Mở rộng mùa vụ trồng trọt.  Tăng năng suất cây trồng.  Kiểm soát được khí hậu và sâu bệnh.

Cấu trúc nhà kính a. Ý tưởng thiết kế Điều khiển các thiết bị trong nhà kính từ xa bằng Điện thoại di động và máy tính thông qua module truyền nhận Wifi và module Bluetooth, giá thành thấp hiệu suất cao rất phù hợp với sản xuất nông nghiệp. Xây dựng phần mềm điều khiển trên Điện thoại di động và Website giúp chúng ta có thể tự động điều khiển và giám sát môi trường nhà kính một cách chủ động và tiện lợi và đặc biệt là ở một khoảng cách xa thông qua hệ thống cơ cấu chấp hành và hệ thống cảm biến. Thiết kế nhà kính Nhà kính được cấu tạo gồm: khung nhà kính và các thiết bị điện.

Ở đây, chúng ta tập trung đề cập đến các thiệt bị điện bao gồm: hệ thống cảm biến, hệ thống cơ cấu chấp hành và hệ thống cấp nguồn. Bộ môn Điện tử công nghiệp – Y sinh Trang 7 do an 2. Cơ Sở Lý Thuyết Hình 2.2: Khung nhà kính Mô hình nhà kính bao gồm 2 phần: nhà chính và các phần phụ. Nhà chính có kích thước theo yêu cầu.

Đây là phần để nuôi trồng và lắp đặt các hệ thống cảm biến và các thiết bị trong nhà kính. Ngoài ra, còn có thêm một số thành phần phụ như động cơ, bồn nước… 2. Điều kiện canh tác a. Điều kiện canh tác cà chua - Nhiệt độ thích hợp cho cây cà chua là trong khoảng 24 – 300C - Cây ưa ánh sáng, thời gian chiếu sáng thích hợp từ 11 – 13giờ/ngày, thiếu ánh sáng cây mọc vóng, yếu ớt, thời gian hình thành quả kéo dài, tỉ lệ rụng hoa cao.

- Cà chua đòi hỏi đất trồng thoáng khí, thoát thủy tốt, cây tương đối chịu hạn, nhưng yêu cầu nước nhiều nhất là ra hoa rộ và lúc quả tăng trưởng. Độ ẩm thích hợp cho cây khoảng 70% – 80%, khi độ ẩm đất khoảng 65% - 70% cây sẽ bị úng nước. Nếu ẩm độ không khí qúa thấp, lá quăn lại làm quang hợp giảm, rút ngắn thời gian sinh trưởng, ảnh hưởng năng suất. Ẩm độ không khí cao, cây chống chịu với sâu bệnh kém.

- Cà chua thích hợp đất thịt pha cát, nhiều mùn hay đất phù sa hữu cơ. pH thích hợp 5,5 – 7,0. Điều kiện canh tác rau cải bắp - Nhiệt độ thích hợp cho cải bắp là trong khoảng 180C – 200C. - Ánh sáng trung bình từ 10 giờ đến 12 giờ mỗi ngày rất thuận lợi để cây phát triển.

- Độ ẩm đất thích hợp cho cây khoảng 75% - 85%. Đất quá ẩm (trên 90%) kéo dài. Bộ môn Điện tử công nghiệp – Y sinh Trang 8 do an 2. Cơ Sở Lý Thuyết - Từ 3 – 5 ngày sẽ làm rễ nhiễm độc, vì vậy cây hoạt động trong môi trường yếm khí.

- Độ ẩm không khí thích hợp cho cây khoảng 80% - 90%. - Cây thích hợp với loại đất thịt nhẹ, tốt nhất là đất phù sa bồi. Các chuẩn giao thức sử dụng trong thiết kế đề tài a. Giao thức MQTT [7] Giao thức MQTT, là viết tắt của cụm từ “Message Queuing Telemetry Transport”.

MQTT là một giao thức truyền dữ liệu giữa nhiều thiết bị thông qua một trạm trung gian (gọi là Broker – là một application chạy trên máy tính Server/Cloud).3: Tổng quan về giao thức MQTT - Khái niệm cơ bản của MQTT  Client: là thiết bị IoT muốn gửi/nhận dữ liệu trong Network.  Broker: là thiết bị trung gian nhận dữ liệu từ các Client muốn gửi và gửi dữ liệu đó tới các Client muốn nhận.  Topic: tượng trưng cho loại dữ liệu mà các thiết bị Client gửi/nhận thông tin qua MQTT. Topic là 1 chuỗi UTF-8 text tượng trưng cho tên loại dữ liệu.