Đồ án HCMUTE: Điều khiển và giám sát vườn rau thông minh theo tiêu chuẩn VietGAP

Khám phá đồ án HCMUTE về điều khiển và giám sát vườn rau thông minh tiêu chuẩn VietGAP bằng Arduino và SIM900. Tìm hiểu công nghệ hiện đại.

• Tác giả: Nguyễn Hoàng Anh
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.Hcm
• Chuyên ngành: Cơ Điện Tử
• Đề tài: Giám sát vườn rau thông minh tiêu chuẩn VietGAP bằng Arduino và SIM900
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu đề tài
• 1.2. Lý do chọn đề tài
• 1.3. Yêu cầu và giới hạn đề tài
• 1.4. Đối tượng nghiên cứu
• 1.5. Mục tiêu – Nhiệm vụ nghiên cứu
• 1.6. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Tổng quan về nhà vườn và các tiêu chuẩn liên quan
• 2.1.1. Tổng quan về nhà vườn (nhà kính) thông minh
• 2.1.2. Giới thiệu về tiêu chuẩn VietGAP
• 2.1.3. Các yếu tố được khai thác trong đề tài
• 2.2. Đối tượng khảo sát và nghiên cứu của đề tài
• 2.2.1. Đặc trưng của cây cà chua
• 2.2.2. Phương pháp canh tác cà chua trong nhà kính hiện nay
• 3. CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ VƯỜN RAU THÔNG MINH
• 3.1. Các chỉ tiêu kĩ thuật của khu vườn thông minh
• 3.1.1. Chỉ tiêu về ánh sáng
• 3.1.2. Chỉ tiêu độ ẩm đất
• 3.1.3. Chỉ tiêu độ ẩm không khí
• 3.1.4. Chỉ tiêu nhiệt độ
• 3.1.5. Chỉ tiêu về an toàn
• 3.2. Các thành phần của khu vườn thông minh
• 3.3. Nguyên lý hoạt động
• 4. CHƯƠNG 4: CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG
• 4.1. Giới thiệu chung về Arduino
• 4.1.1. Giới thiệu về board Arduino Mega2560
• 4.1.2. Cổng giao tiếp
• 4.1.3. Tổ chức bộ nhớ
• 4.1.4. USB bảo vệ quá dòng
• 4.2. Module cảm biến siêu âm HC-SR04
• 4.3. Module cảm biến cường độ ánh sáng (LUX) BH1750
• 4.4. Module GSM/GPRS SIM 900
• 4.4.1. Giới thiệu tổng quan về GSM
• 4.4.1.1. Khái niệm GSM
• 4.4.1.2. Lịch sử phát triển của GSM
• 4.4.1.3. Cấu trúc mạng di động
• 4.4.2. Giới thiệu về module sim 900
• 4.4.2.1. Tổng quan về sim 900
• 4.4.2.2. Các chế độ hoạt động của module sim 900
• 4.4.2.3. Các tập lệnh AT test module sim 900
• 4.4.3. Tổng quan về tin nhắn SMS
• 4.5. Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11
• 4.6. Cảm biến độ ẩm đất
• 4.7. Động cơ tạo hơi nước
• 5. CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH
• 5.1. Thiết kế phần cứng mô hình
• 5.2. Chức năng các khối
• 5.2.1. Khối cảm biến độ ẩm đất
• 5.2.2. Khối cảm biến tín hiệu tương tự
• 5.2.3. Khối cảm biến ánh sáng
• 5.2.4. Khối cơ cấu chấp hành
• 5.3. Phần mềm arduino
• 6. CHƯƠNG 6: LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT
• 6.1. Lưu đồ giải thuật khối chương trình chính
• 6.2. Lưu đồ giải thuật của các cảm biến
• 7. CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu đề tài

Đề tài 'Giám sát vườn rau thông minh tiêu chuẩn VietGAP bằng Arduino và SIM900' tập trung vào việc ứng dụng công nghệ hiện đại trong nông nghiệp, đặc biệt là trong việc giám sát và điều khiển các yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển của cây trồng. Giám sát vườn rau không chỉ giúp nâng cao năng suất mà còn đảm bảo chất lượng sản phẩm đạt tiêu chuẩn VietGAP. Việc sử dụng Arduino và SIM900 cho phép người nông dân có thể theo dõi và điều chỉnh các thông số như nhiệt độ, độ ẩm, và ánh sáng từ xa, tạo điều kiện thuận lợi cho cây trồng phát triển. Đề tài này không chỉ mang tính ứng dụng cao mà còn góp phần vào việc hiện đại hóa nông nghiệp Việt Nam.

1.1. Lý do chọn đề tài

Nhu cầu về việc tự động hóa trong nông nghiệp ngày càng tăng cao, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu và sự khan hiếm tài nguyên. Việc áp dụng công nghệ vào sản xuất nông nghiệp không chỉ giúp tiết kiệm thời gian và công sức mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm. Nông nghiệp thông minh đang trở thành xu hướng tất yếu, và việc giám sát vườn rau thông minh theo tiêu chuẩn VietGAP là một bước đi quan trọng. Đề tài này nhằm mục tiêu phát triển một hệ thống giám sát hiệu quả, giúp người nông dân dễ dàng quản lý vườn rau của mình, từ đó nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.

II. Cơ sở lý thuyết

Để thực hiện đề tài, cần nắm vững các kiến thức về cảm biến và hệ thống giám sát. Các cảm biến như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, và ánh sáng sẽ thu thập dữ liệu cần thiết để điều chỉnh môi trường vườn rau. Arduino là nền tảng chính để xử lý dữ liệu từ các cảm biến này. Hệ thống sẽ được kết nối với SIM900 để gửi thông tin và nhận lệnh từ xa qua tin nhắn SMS. Việc hiểu rõ về tiêu chuẩn VietGAP cũng rất quan trọng, vì nó sẽ định hướng cho các yêu cầu kỹ thuật và tiêu chí cần đạt được trong quá trình sản xuất. Hệ thống này không chỉ giúp giám sát mà còn tự động hóa các quy trình chăm sóc cây trồng, từ đó nâng cao hiệu quả sản xuất.

2.1. Các tiêu chí của vườn rau thông minh

Vườn rau thông minh cần đáp ứng các tiêu chí như độ ẩm đất, nhiệt độ không khí, và cường độ ánh sáng. Các yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển của cây trồng. Hệ thống giám sát sẽ liên tục theo dõi và điều chỉnh các thông số này để đảm bảo môi trường tối ưu cho cây trồng. Việc áp dụng công nghệ IoT trong nông nghiệp không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn giảm thiểu rủi ro do các yếu tố môi trường gây ra. Hệ thống này sẽ giúp người nông dân có thể quản lý vườn rau của mình một cách hiệu quả hơn, từ đó nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.

III. Thiết kế và thi công mô hình

Mô hình vườn rau thông minh được thiết kế dựa trên các tiêu chí đã nêu. Việc lựa chọn linh kiện như Arduino Mega2560, cảm biến DHT11 cho nhiệt độ và độ ẩm, và cảm biến ánh sáng BH1750 là rất quan trọng. Hệ thống sẽ được lắp đặt và kết nối với SIM900 để thực hiện chức năng giám sát từ xa. Quá trình thi công sẽ bao gồm việc lắp ráp các linh kiện, lập trình cho Arduino để xử lý dữ liệu từ cảm biến và điều khiển các thiết bị như bơm nước và quạt. Mô hình này không chỉ giúp kiểm soát môi trường mà còn tạo điều kiện thuận lợi cho việc chăm sóc cây trồng, từ đó nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.

3.1. Lập trình và kết nối hệ thống

Lập trình cho hệ thống giám sát vườn rau thông minh là một phần quan trọng trong quá trình thực hiện đề tài. Các lệnh điều khiển sẽ được viết trên nền tảng Arduino, cho phép thu thập dữ liệu từ các cảm biến và điều khiển các thiết bị như bơm nước và quạt. Kết nối với SIM900 sẽ giúp người nông dân có thể nhận thông tin và gửi lệnh từ xa qua tin nhắn SMS. Việc lập trình cần đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy cao, nhằm đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả trong mọi điều kiện thời tiết.

IV. Kết quả và kiến nghị

Kết quả của đề tài cho thấy hệ thống giám sát vườn rau thông minh hoạt động hiệu quả, đáp ứng được các tiêu chí của VietGAP. Hệ thống đã giúp người nông dân dễ dàng theo dõi và điều chỉnh các yếu tố môi trường, từ đó nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu và cải tiến hệ thống để mở rộng khả năng giám sát và điều khiển, bao gồm việc tích hợp thêm các cảm biến khác và phát triển ứng dụng di động để người nông dân có thể quản lý vườn rau một cách thuận tiện hơn. Đề tài này không chỉ có giá trị thực tiễn mà còn góp phần vào việc hiện đại hóa nông nghiệp Việt Nam.

4.1. Đề xuất hướng phát triển

Để nâng cao hiệu quả của hệ thống giám sát vườn rau thông minh, cần nghiên cứu thêm về việc tích hợp các công nghệ mới như machine learning để dự đoán và tối ưu hóa các yếu tố môi trường. Việc phát triển ứng dụng di động cũng sẽ giúp người nông dân dễ dàng quản lý vườn rau của mình hơn. Ngoài ra, cần mở rộng nghiên cứu để áp dụng hệ thống này cho các loại cây trồng khác nhau, từ đó tạo ra một mô hình nông nghiệp thông minh và bền vững hơn.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu và thời tiết diễn biến ngày càng phức tạp, hoạt động sản xuất nông nghiệp tại Việt Nam chịu nhiều ảnh hưởng tiêu cực. Việc áp dụng khoa học kỹ thuật và tự động hóa vào sản xuất nông nghiệp công nghệ cao trở thành yêu cầu cấp thiết nhằm ổn định năng suất, giảm chi phí nhân công, tiết kiệm tài nguyên và nâng cao năng lực cạnh tranh của nông sản trên thị trường. Mô hình canh tác trong nhà kính đã chứng minh hiệu quả tại các quốc gia như Israel hay Hà Lan nhờ khả năng kiểm soát chặt chẽ các thông số vi khí hậu. Tuy nhiên, tại Việt Nam, phần lớn nhà vườn vẫn vận hành theo phương pháp thủ công, đòi hỏi nhiều sức lao động và chưa khai thác tối đa hiệu quả đầu tư cơ sở hạ tầng.

Nhóm tác giả thuộc Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã thực hiện đồ án tốt nghiệp "Điều khiển và giám sát vườn rau thông minh tiêu chuẩn VietGAP bằng Arduino và SIM900" nhằm giải quyết bài toán tự động hóa điều hòa môi trường sinh trưởng cho cây trồng và cung cấp khả năng tương tác giám sát từ xa cho người nông dân.

Mục tiêu tổng quát của đồ án là thiết kế hoàn thiện mô hình nhà kính nông nghiệp, ứng dụng vi điều khiển Arduino thu nhận và xử lý tín hiệu cảm biến để điều khiển cơ cấu chấp hành, đồng thời tích hợp module SIM900 nhằm thực hiện tương tác điều khiển, cảnh báo từ xa qua mạng viễn thông di động.

Đồ án đặt ra 5 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

1. Nghiên cứu các dạng nhà vườn phổ biến trong thực tế để thiết kế và gia công mô hình nhà vườn trồng rau chính xác, có khả năng áp dụng thực tiễn.
2. Nghiên cứu tiêu chuẩn VietGAP cùng các tiêu chí canh tác bắt buộc để định hình giải pháp kỹ thuật cho hệ thống.
3. Tìm hiểu tập tính sinh lý, nhu cầu về nước, ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm và dinh dưỡng của giống cây trồng thử nghiệm nhằm thiết kế hệ thống thứ cấp.
4. Lập trình hệ thống tự động điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và chế độ tưới nước thích ứng với biến đổi thời tiết bên ngoài.
5. Lập trình giao tiếp viễn thông cho phép người canh tác giám sát và tương tác với hệ thống qua tin nhắn SMS trên điện thoại di động khi không có mặt trực tiếp tại vườn.

Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài là bộ điều khiển và giám sát tự động vi khí hậu dựa trên nền tảng vi điều khiển Arduino Mega 2560, module truyền thông SIM900, các mạch giao tiếp điện tử và cơ cấu chấp hành. Đối tượng cây trồng được lựa chọn khảo sát thực nghiệm là cây cà chua.

Phạm vi nghiên cứu:

• Không gian: Khảo sát thực địa lấy số liệu canh tác tại các hộ dân trồng rau trong nhà kính ở TP. Bảo Lộc, tỉnh Lâm Đồng; thi công và thử nghiệm mô hình thực nghiệm tại Bộ môn Cơ điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
• Thời gian thực hiện: Từ ngày 24/09/2015 đến ngày 08/01/2016.
• Giới hạn kỹ thuật: Hệ thống tập trung điều khiển và giám sát bốn thông số môi trường cốt lõi gồm nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất, cường độ ánh sáng và đo mức nước dự trữ; chưa tích hợp định lượng dinh dưỡng hòa tan và điều khiển luồng gió thông gió cơ khí tự động.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng trên khung tiêu chuẩn thực hành nông nghiệp tốt VietGAP (Vietnamese Good Agricultural Practices) ban hành ngày 28/01/2008 bởi Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn. Hệ thống bám sát 10 quy định kỹ thuật của VietGAP:

1. Chọn đất trồng: Đất cao, thoát nước tốt, cách ly khu công nghiệp và bệnh viện tối thiểu 2 km, cách nguồn rác thải sinh hoạt đô thị tối thiểu 200 m, không tồn dư hóa chất độc hại.
2. Nguồn nước tưới: Dùng nước giếng khoan hoặc nước sông không ô nhiễm; dùng nước sạch pha phân bón lá và thuốc bảo vệ thực vật.
3. Quản lý giống cây: Có lý lịch xuất xứ rõ ràng, xử lý nhiệt hoặc hóa chất trước khi gieo để diệt mầm bệnh.
4. Phân bón: Ưu tiên phân hữu cơ hoai mục, không dùng phân tươi pha loãng; ngừng bón phân hóa học trước thu hoạch tối thiểu 15 ngày.
5. Phòng trừ sâu bệnh: Áp dụng quản lý dịch hại tổng hợp (IPM), ưu tiên chế phẩm vi sinh và thảo mộc.
6. Sử dụng biện pháp che chắn: Dùng nhà kính, nhà lưới và màng phủ nilon để giảm sâu bệnh, tiết kiệm nước tưới và giảm phụ thuộc thuốc hóa học.
7. Thu hoạch: Thu hoạch đúng độ chín, loại bỏ quả sâu bệnh, rửa bằng nước sạch và chứa trong bao túi sạch.
8. Sơ chế và kiểm tra: Phân loại, đóng gói trong phòng sơ chế chuyên dụng.
9. Vận chuyển: Niêm phong và vận chuyển đến điểm tiêu thụ trong vòng 2 giờ.
10. Bảo quản và sử dụng: Bảo quản tại quầy kệ ở nhiệt độ 20°C, thời gian lưu kho không quá 2 ngày.

Cơ sở sinh lý học cây trồng tập trung vào đặc tính cây cà chua:

• Nhiệt độ: Dải sinh trưởng 15–35°C; nhiệt độ thích hợp nhất từ 22–24°C; nảy mầm tối ưu ở 29°C (khoảng 25–30°C); đậu quả tốt ở 18–20°C; quả chín từ 24–30°C; khi nhiệt độ vượt quá 35°C sắc tố lycopene bị phân giải.
• Ánh sáng: Cây trung tính với quang kỳ (thời gian chiếu sáng 11–13 giờ/ngày; thời kỳ ra hoa cần chiếu sáng từ 9–10 giờ/ngày trở lên).
• Nhu cầu nước và độ ẩm: Nhu cầu độ ẩm đất tối ưu dao động 70–80%; độ ẩm không khí phù hợp là 50–60%. Khi độ ẩm không khí vượt quá 60%, cà chua dễ bị nấm bệnh tấn công, đặc biệt ở giai đoạn cây con.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết, khảo sát thực tế và thực nghiệm kỹ thuật:

• Phương pháp phân tích tài liệu: Nghiên cứu cấu trúc vi điều khiển AVR, tập lệnh AT điều khiển modem GSM, tài liệu kỹ thuật cảm biến và quy chuẩn VietGAP.
• Phương pháp khảo sát thực địa: Thu thập kinh nghiệm và yêu cầu thực tế từ các hộ nông dân canh tác nông nghiệp công nghệ cao tại Bảo Lộc, Lâm Đồng.
• Phương pháp tính toán và thiết kế hệ thống: Tính toán phối ghép trở kháng, phân chia nguồn cấp và thiết kế layout mạch in.
• Phương pháp thực nghiệm và tinh chỉnh (trial and error): Lắp ráp kiểm tra từng khối chức năng trên breadboard, thử nghiệm giải thuật đo lường và xử lý sai số trước khi lắp đặt lên mô hình khung hoàn chỉnh.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc điều khiển phân tán gồm ba khối chính: khối xử lý trung tâm, khối cảm biến thu thập tín hiệu đầu vào và khối cơ cấu chấp hành đầu ra.

Phân hệ	Thiết bị / Linh kiện	Thông số kỹ thuật danh định	Chức năng trong hệ thống
Xử lý trung tâm	Arduino Mega 2560	ATmega2560 8-bit, 16 MHz, 54 Digital I/O (15 PWM), 16 Analog In, Flash 256 KB, SRAM 8 KB, EEPROM 4 KB	Tiếp nhận dữ liệu cảm biến, thực thi giải thuật logic, xuất lệnh điều khiển và giao tiếp UART
Truyền thông	Module SIM900	Băng tần 850/900/1800/1900 MHz, nguồn 3,5–4,5V, dòng đỉnh 2A, tập lệnh chuẩn AT	Gửi tin nhắn SMS cảnh báo và nhận lệnh điều khiển cưỡng bức từ điện thoại di động
Cảm biến khí quyển	DHT11	Dải đo ẩm 20–80% RH (sai số ±5%), dải đo nhiệt 0–50°C (sai số ±2°C), tần số lấy mẫu 1 Hz	Giám sát nhiệt độ và độ ẩm không khí bên trong nhà kính
Cảm biến ánh sáng	BH1750	Dải đo 1–65.535 lux, giao tiếp I2C, sai số quang học ±20%, chống nhiễu 50/60 Hz	Đo cường độ rọi sáng thực tế trong vườn rau
Cảm biến đất	Module cảm biến điện trở kèm LM393	Nguồn 3,3–5V, ngõ ra Digital (DO) và Analog (AO), chỉnh ngưỡng qua biến trở	Đo lường độ ẩm của lớp đất canh tác
Cảm biến mức nước	HC-SR04	Tần số siêu âm 40 kHz, tầm quét 2–450 cm, độ chính xác 0,3 cm, góc quét <15°	Đo khoảng cách mặt nước bồn chứa để xác định thể tích nước tưới còn lại
Cơ cấu chấp hành 1	Motor Driver Shield L293D	Tích hợp 2 IC cầu H L293D và IC ghi dịch 74HC595, chịu áp 36V, dòng 600 mA/kênh	Điều khiển đóng ngắt và chiều quay của motor bơm nước
Cơ cấu chấp hành 2	Máy bơm nước DC	Kích thước motor 2,7 cm, dài 5,2 cm, vòi 3,8 mm, điện áp 3–6V DC, dòng 1,5A	Bơm nước tưới vào gốc khi đất bị khô
Cơ cấu chấp hành 3	Cụm tạo ẩm siêu âm	Công suất 19W, tần số 1.700 ± 50 kHz, điện áp AC 24V / DC 28V	Tạo sương mịn tăng độ ẩm không khí và hạ nhiệt độ
Cơ cấu chấp hành 4	Relay 2 kênh & Bóng đèn 11W	Relay kích mức thấp (0V), tải max 250VAC-10A; Đèn 11W, quang thông 650 lm, amalgam rắn	Đóng ngắt thiết bị điện lưới và chiếu sáng bổ sung cho cây trồng

Mô hình nhà kính được thiết kế theo dạng nhà kính nhiệt đới mái hở thông gió cố định với kích thước vật lý cụ thể:

• Chiều rộng: 600 mm
• Chiều dài: 1000 mm
• Chiều cao: 650 mm

Quy trình vận hành phần mềm được chia làm hai chế độ chính:

1. Chế độ tự động (Auto Mode): Vi điều khiển liên tục quét các cảm biến theo chu kỳ. Khi cảm biến đất báo khô (chân DO lên mức cao), bộ điều khiển kích hoạt driver L293D bật bơm tưới nước. Khi DHT11 báo nhiệt độ vượt ngưỡng hoặc độ ẩm không khí dưới mức cài đặt, relay đóng điện kích hoạt cụm tạo hơi nước. Khi BH1750 báo cường độ lux dưới ngưỡng quy định của thời kỳ quang hợp, hệ thống kích hoạt đèn chiếu sáng 11W.
2. Chế độ cảnh báo và can thiệp từ xa: Khi cảm biến siêu âm phát hiện bồn chứa cạn nước (khoảng cách phản hồi vượt mức an toàn) hoặc nhiệt độ nhà kính tăng cao bất thường vượt ngoài khả năng điều hòa tự động, SIM900 kích hoạt lệnh AT+CMGS gửi tin nhắn SMS khẩn cấp tới số điện thoại của người quản lý. Người dùng có thể nhắn tin truy vấn tình trạng hoặc điều khiển đóng ngắt cưỡng bức các thiết bị phụ tải.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 thiết lập tính cấp thiết của đề tài, trình bày các thách thức của biến đổi khí hậu và thực trạng phụ thuộc lao động thủ công trong canh tác nhà kính tại Việt Nam. Tác giả khảo sát các công trình liên quan trên thế giới, tiêu biểu là nền nông nghiệp công nghệ cao của Israel (với năng suất cà chua đạt 500 tấn/ha/vụ và giá trị xuất khẩu nông nghiệp trên 3,5 tỷ USD/năm) và mô hình dịch vụ thông tin nông nghiệp FarmDrive tại Kenya (sử dụng SMS quản lý trang trại cho nông hộ nhỏ). Tác giả tổng hợp thực trạng trong nước tại các vùng chuyên canh như Đà Lạt và Bảo Lộc, từ đó xác lập mục tiêu thiết kế hệ thống điều khiển tự động kết hợp truyền thông viễn thông GSM/SMS.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương tập trung làm rõ hai trụ cột lý thuyết:

• Tổng quan về kết cấu nhà kính (so sánh giữa nhà lưới chi phí thấp và nhà kính nhiệt đới thông gió đỉnh) cùng 10 quy định khắt khe của tiêu chuẩn VietGAP phục vụ sản xuất rau an toàn.
• Sinh lý học cây cà chua: Khảo sát chi tiết các mốc nhiệt độ sinh trưởng (15–35°C), nhiệt độ nảy mầm (25–30°C), nhiệt độ tạo quả (18–20°C); nhu cầu nước (để tạo 1 tấn chất khô cần 570–600 m³ nước; năng suất 50 tấn/ha cần khoảng 6.000 m³ nước); yêu cầu độ ẩm đất (70–80%) và độ ẩm không khí (50–60%); chế độ chiếu sáng và phương pháp xử lý thụ phấn bằng rung động cưỡng bức trong canh tác nhà kính thương phẩm.

Chương 3: Tổng quan về vườn rau thông minh

Chương này xác định các chỉ tiêu kỹ thuật cần đáp ứng cho khu vườn thông minh:

• Chỉ tiêu ánh sáng: Đảm bảo độ rọi đồng đều và cung cấp nguồn sáng bổ sung bằng đèn khi thời tiết âm u hoặc kéo dài quang kỳ.
• Chỉ tiêu độ ẩm đất và không khí: Duy trì ẩm độ đất ổn định thông qua hệ thống tưới tự động; cân bằng ẩm độ không khí qua máy tạo sương và quạt gió.
• Chỉ tiêu an toàn: Tự động phát hiện lỗi cảm biến, thiếu hụt nguồn nước tưới hoặc nhiệt độ vượt ngưỡng báo động để phát cảnh báo tức thời qua cuộc gọi hoặc tin nhắn SMS. Chương 3 cũng mô tả sơ đồ nguyên lý tổng thể kết nối giữa ba khối: xử lý trung tâm, thiết bị đầu vào và thiết bị đầu ra.

Chương 4: Các linh kiện sử dụng

Chương 4 đóng vai trò là bảng đặc tả kỹ thuật chi tiết của toàn bộ phần cứng trong đồ án:

• Phân tích cấu trúc phần cứng của Arduino Mega 2560 (vi điều khiển ATmega2560, tổ chức bộ nhớ, hệ thống bảo vệ quá dòng cổng USB bằng cầu chì tự phục hồi polyfuse 500 mA, dải nguồn ngoài khuyên dùng 7–12V).
• Cảm biến siêu âm HC-SR04: Nguyên lý phát chùm 8 chu kỳ sóng 40 kHz từ chân Trigger (độ rộng xung kích 10 µs), tính toán khoảng cách qua thời gian phản xạ xung Echo theo công thức $d = t / 58$ (cm).
• Cảm biến ánh sáng số BH1750: Giao tiếp I2C, xuất trực tiếp giá trị lux không qua biến đổi ADC trung gian, dải đo 1–65.535 lux.
• Module SIM900: Phân tích kiến trúc mạng viễn thông di động GSM/GPRS, cấu trúc tập lệnh AT cho tin nhắn văn bản ngắn (SMS 140 bytes), cấu hình các chế độ hoạt động (SLEEP, IDLE, TALK, GPRS STANDBY, GPRS DATA).
• Các thiết bị khác: Cảm biến DHT11 (đo nhiệt độ, độ ẩm); cảm biến độ ẩm đất dùng op-amp LM393; shield công suất L293D tích hợp IC dịch bit 74HC595; động cơ bơm nước 5V; đầu phun sương siêu âm 19W tần số 1.700 kHz; relay cách ly quang và bóng đèn compact 11W sử dụng công nghệ viên amalgam thủy ngân rắn.

Chương 5: Thiết kế và thi công mô hình

Chương 5 trình bày toàn bộ tiến trình gia công cơ khí và kết nối điện tử:

• Bản vẽ thiết kế hình chiếu mô hình nhà kính nhiệt đới thu nhỏ với kích thước khung 600 × 1000 × 650 mm.
• Sơ đồ bố trí các thiết bị chấp hành, khay trồng, bồn chứa nước và vị trí lắp đặt đầu đo cảm biến bên trong không gian nhà kính.
• Thiết kế sơ đồ phân phối nguồn cấp (nguồn chính và nguồn dự phòng) đảm bảo cung cấp ổn định mức điện áp 5VDC cho Arduino, 3,5–4,5VDC (dòng đỉnh 2A) cho SIM900, và đường nguồn phụ tải cho máy tạo ẩm (AC 24V / DC 28V) cùng bơm nước DC.
• Đấu nối phần cứng giữa các chân tín hiệu của Arduino Mega 2560 với module LM393, BH1750 (chân SDA/SCL), DHT11, HC-SR04 và module SIM900 qua cổng UART nối tiếp.

Chương 6: Lưu đồ giải thuật

Chương 6 hệ thống hóa toàn bộ logic xử lý của phần mềm nhúng:

• Xây dựng sơ đồ khối thuật toán chương trình điều khiển chính (vòng lặp quét cảm biến, so sánh ngưỡng tham chiếu, phân nhánh điều khiển tự động hoặc chuyển tiếp chế độ giám sát từ xa).
• Lưu đồ thuật toán phân hệ đo mức nước bằng sóng siêu âm HC-SR04.
• Lưu đồ thuật toán phân hệ đo độ ẩm đất và cảm biến cường độ ánh sáng BH1750.
• Lưu đồ thuật toán đọc, giải mã dữ liệu thời gian thực từ cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11 và cơ chế định dạng chuỗi tin nhắn SMS cảnh báo gửi qua SIM900.

Chương 7: Kết quả và kiến nghị

Chương cuối cùng tổng hợp các kết quả thực nghiệm đạt được trên mô hình:

• Khả năng tự động điều hòa các yếu tố nhiệt độ, độ ẩm đất, độ ẩm không khí và bổ sung ánh sáng hoạt động ổn định đúng kịch bản đề ra.
• Hệ thống viễn thông GSM/SIM900 thực hiện thành công chức năng truyền nhận SMS hai chiều giữa nhà kính và điện thoại người dùng.
• Tác giả đưa ra các đề xuất cải tiến kỹ thuật cho các giai đoạn phát triển tiếp theo của đề tài.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã chế tạo thành công một mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh về cả cơ khí, điện tử và phần mềm nhúng điều khiển:

• Về cơ khí: Chế tạo hoàn thiện mô hình nhà kính thu nhỏ kích thước 600 × 1000 × 650 mm mô phỏng kết cấu thông gió của nhà kính nhiệt đới.
• Về điều khiển tự động: Hệ thống đọc và xử lý chính xác dữ liệu từ các cảm biến DHT11 (nhiệt độ, độ ẩm), BH1750 (cường độ sáng 1–65.535 lux), LM393 (độ ẩm đất) và HC-SR04 (mực nước 2–450 cm). Các cơ cấu chấp hành (bơm DC 5V, tạo sương siêu âm 19W, bóng đèn 11W) vận hành nhịp nhàng theo đúng ngưỡng sinh học của cây cà chua.
• Về truyền thông viễn thông: Module SIM900 tích hợp thành công trên Arduino Mega 2560, cho phép truyền tin nhắn SMS phản hồi trạng thái môi trường và cảnh báo tức thời khi bồn nước cạn hoặc nhiệt độ vượt mức cho phép.

Hệ thống thiết lập các ngưỡng điều khiển vi khí hậu thực tế cho cây cà chua:

Thông số môi trường	Ngưỡng sinh trưởng thực tế	Giải pháp công nghệ điều khiển trong đồ án
Nhiệt độ không khí	22–24°C (thích hợp)	Cảm biến DHT11 đo lường; tự động bật cụm tạo ẩm siêu âm để hạ nhiệt khi quá nóng
Độ ẩm không khí	50–60% RH	Cảm biến DHT11 giám sát; kích hoạt máy tạo ẩm 19W (1.700 kHz) khi độ ẩm thấp
Độ ẩm của đất	70–80%	Cảm biến điện trở kèm LM393 đo lường; kích hoạt motor bơm nước 5V qua shield L293D
Cường độ ánh sáng	Đảm bảo quang kỳ 9–10h	Cảm biến số BH1750 giám sát lux; tự động đóng relay bật đèn 11W (650 lm) khi thiếu sáng
Mực nước dự trữ	Đảm bảo an toàn cấp nước	Cảm biến siêu âm HC-SR04 đo mức nước; gửi SMS cảnh báo qua SIM900 khi cạn nước

Đóng góp của đề tài so với các nghiên cứu trước đó:

• Đa phần các nghiên cứu trong nước trước thời điểm 2016 chỉ tập trung vào việc đa dạng hóa giống cây trồng hoặc các giải pháp tưới nhỏ giọt tiết kiệm nước đơn lẻ. Đồ án này đã tích hợp toàn diện giải pháp điều khiển đa thông số (nhiệt độ, độ ẩm đất, độ ẩm không khí, ánh sáng) trong một khối điều khiển tập trung.
• Triển khai thành công giải pháp giám sát và cảnh báo từ xa qua mạng viễn thông di động (GSM/SMS) không phụ thuộc vào hạ tầng mạng Internet (vốn còn nhiều hạn chế tại các vùng canh tác nông thôn vào năm 2015–2016), giúp người nông dân nắm bắt kịp thời các sự cố nguy hại đến sinh trưởng của cây trồng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài được xác định từ phạm vi nghiên cứu và quá trình vận hành mô hình:

• Hệ thống chỉ mới dừng lại ở việc kiểm soát bốn thông số môi trường cơ bản; chưa tích hợp cơ chế tự động đo lường và pha trộn dung dịch dinh dưỡng (chỉ số pH, EC của đất và nước tưới).
• Chưa thiết kế cơ cấu chấp hành tự động đóng/mở mái che hoặc quạt thông gió công suất lớn để kiểm soát luồng không khí theo thời gian thực.
• Các cảm biến sử dụng như DHT11 và cảm biến độ ẩm đất dạng điện trở tiếp xúc có độ bền công nghiệp chưa cao, dễ bị ăn mòn và oxy hóa khi làm việc lâu dài trong môi trường đất ẩm ướt và hóa chất phân bón.
• Giao thức truyền thông qua tin nhắn SMS phát sinh chi phí viễn thông cho từng bản tin gửi đi và phụ thuộc vào chất lượng phủ sóng của nhà mạng di động.

Hướng phát triển tiếp theo được tác giả đề xuất:

• Mở rộng thêm hệ thống điều khiển dinh dưỡng khoáng tự động và điều chỉnh tốc độ gió lưu thông bên trong nhà kính.
• Nâng cấp cảm biến sang các dòng chuyên dụng có độ bền cao, hoạt động ổn định trong môi trường công nghiệp nông nghiệp khắc nghiệt.
• Phát triển giao tiếp dữ liệu qua GPRS/Internet hoặc các chuẩn IoT không dây tầm xa nhằm truyền dữ liệu liên tục lên máy chủ Web/Cloud, giúp người dùng theo dõi biểu đồ diễn biến môi trường trực quan trên máy tính hoặc ứng dụng di động thay vì chỉ nhận tin nhắn SMS định kỳ.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị học thuật và thực tiễn cụ thể:

• Đối tượng tham khảo: Sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Nông nghiệp Công nghệ cao hoặc Kỹ thuật Máy tính đang thực hiện các đề tài về hệ thống nhúng nông nghiệp.
• Phần kiến trúc phần cứng đáng tham khảo: Tài liệu cung cấp bản vẽ thiết kế cơ khí chi tiết của mô hình nhà kính 600 × 1000 × 650 mm, sơ đồ đấu nối chân toàn diện giữa bo mạch vi điều khiển công suất thấp Arduino Mega 2560 với các module ngoại vi (SIM900, L293D, DHT11, BH1750, HC-SR04).
• Phần lập trình điều khiển đáng tham khảo: Cung cấp giải thuật đo lường đa cảm biến và kỹ thuật giao tiếp tập lệnh AT qua cổng nối tiếp (UART) để xử lý chuỗi tin nhắn SMS phục vụ điều khiển và phát cảnh báo từ xa.
• Tài liệu quy chuẩn: Tổng hợp cô đọng 10 chỉ tiêu sản xuất rau an toàn theo tiêu chuẩn VietGAP và các chỉ số sinh lý chi tiết của cây cà chua trong môi trường nhà kính nhiệt đới.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển trung tâm trong đồ án sử dụng loại bo mạch nào và có những đặc tính kỹ thuật gì nổi bật?
Hệ thống sử dụng bo mạch Arduino Mega 2560 tích hợp vi điều khiển 8-bit ATmega2560 hoạt động ở tần số thạch anh 16 MHz. Bo mạch có 54 chân vào/ra số (trong đó có 15 chân xuất xung PWM), 16 chân ngõ vào tương tự (Analog), 4 bộ giao tiếp UART phần cứng, bộ nhớ Flash 256 KB (với 8 KB dùng cho Bootloader), 8 KB SRAM và 4 KB EEPROM. Mạch được trang bị cầu chì tự phục hồi polyfuse bảo vệ cổng USB khi dòng vượt quá 500 mA và hoạt động tối ưu ở dải nguồn ngoài 7–12V.

2. Module SIM900 đảm nhận vai trò gì và giao tiếp với Arduino qua phương thức nào?
Module SIM900 đóng vai trò là khối truyền thông viễn thông không dây tầm xa, hoạt động trên 4 băng tần GSM (850/900/1800/1900 MHz). Module giao tiếp với Arduino Mega 2560 thông qua chuẩn truyền thông nối tiếp UART TTL (các chân TXD, RXD) bằng tập lệnh chuẩn AT (như AT+CMGS để gửi tin nhắn, AT+CMGR để đọc tin nhắn). Thiết bị dùng để tự động gửi tin nhắn SMS cảnh báo khi cạn nước hoặc nhiệt độ vượt ngưỡng, đồng thời nhận tin nhắn từ người dùng để điều khiển thiết bị từ xa.

3. Độ ẩm đất và độ ẩm không khí tối ưu cho cây cà chua theo nghiên cứu trong đồ án là bao nhiêu?
Theo số liệu sinh lý học cây trồng được trình bày trong Chương 2 của đồ án, độ ẩm đất thích hợp nhất cho cây cà chua sinh trưởng và phát triển là từ 70% đến 80% (khi độ ẩm đất đạt 70% thì tỷ lệ hạt nảy mầm đạt cao nhất). Độ ẩm không khí thích hợp nằm trong khoảng 50% đến 60%; nếu độ ẩm không khí vượt quá 60%, cây cà chua rất dễ bị nhiễm các loại nấm và sâu bệnh hại, đặc biệt trong giai đoạn cây con.

4. Cảm biến siêu âm HC-SR04 được ứng dụng vào mục đích gì và tính toán khoảng cách bằng công thức nào?
Cảm biến HC-SR04 được bố trí trên nắp bồn chứa nước để đo lường khoảng cách đến mặt nước, qua đó xác định thể tích nước tưới còn lại và cảnh báo nguy cơ cạn bồn. Sau khi cấp xung kích 10 µs vào chân Trigger, cảm biến phát chuỗi 8 xung siêu âm tần số 40 kHz và đo độ rộng xung phản hồi trên chân Echo. Khoảng cách được tính toán theo công thức: Khoảng cách (cm) = Thời gian nhận tín hiệu (µs) / 58.

5. Kích thước hình học của mô hình nhà kính thực nghiệm là bao nhiêu?
Theo bản vẽ thiết kế kỹ thuật tại Chương 5 (do sinh viên Huỳnh Kim Tùng thực hiện, GVHD PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh thông qua), mô hình nhà kính nhiệt đới thu nhỏ có các thông số kích thước chính xác gồm: chiều rộng 600 mm, chiều dài 1000 mm và chiều cao 650 mm.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Điều khiển và giám sát vườn rau thông minh tiêu chuẩn VietGAP bằng Arduino và SIM900" đã giải quyết thành công bài toán tự động hóa vi khí hậu và cảnh báo từ xa cho nhà kính nông nghiệp quy mô thực nghiệm. Nhóm tác giả đã chế tạo hoàn chỉnh mô hình nhà kính nhiệt đới kích thước 600 × 1000 × 650 mm, kết hợp đồng bộ bo mạch Arduino Mega 2560 cùng module viễn thông SIM900 và các cảm biến chuyên dụng để giám sát chặt chẽ các chỉ tiêu nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng theo yêu cầu sinh lý của cây cà chua. Công trình mang tính ứng dụng thực tiễn cao, cung cấp tài liệu kỹ thuật hữu ích cho sinh viên và kỹ sư cơ điện tử trong việc phát triển các giải pháp tự động hóa nông nghiệp công nghệ cao phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu đề tài 1.1 Lý do chọn đề tài Với những yêu cầu về ứng dụng khoa học kỹ thuật vào sản xuất, đặc biệt tự động hoá quá trình sản xuất đang là vấn đề bức bách nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm nông nghiệp, giảm công lao động, tiết kiệm năng lượng, hạ giá thành sản phẩm, tăng cường sức cạnh tranh nội địa cũng như trên thị trường thế giới thì việc áp dụng sản xuất Nông nghiệp công nghệ cao là điều cần thiết. Nhà kính là một hệ thống cơ sở rất hữu ích và quan trọng trong việc sản xuất nông nghiệp theo hướng nông nghiệp công nghệ cao. Đặc biệt là ở các nước có điều kiện môi trường bất thuận (Như Hà Lan và vùng Bắc Âu), hay những quốc gia có điều kiện tự nhiện khó khăn (như Israel). Đây là những nước nổi tiếng với sự phát triển nông nghiệp vượt trội về cả số lượng và chất lượng; cây trồng sinh trưởng và phát triển rất tốt trong nhà kính với điều kiện được điều khiển tự động như: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng… hay cả chế độ tưới nước và hàm lượng các chất khí có hại và có lợi cho cây trồng.

Nhà kính có vai trò rất quan trọng trong việc sản xuất rau, hoa cho năng suất hiệu quả kinh tế cao, sản phẩm đạt được tiêu chuẩn xuất khẩu và có thể sản xuất theo kiểu công nghiệp. Nhà kính cho phép kiểm soát đầy đủ và chặt chẽ hầu hết các thông số quá trình sản xuất, kể cả việc sử dụng tối ưu đất canh tác và sản lượng cây trồng trong thời vụ, do nhà kính đáp ứng được yêu cầu cho sự sinh trưởng phát triển tốt nhất của cây trồng (như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, khí carbonic, khí oxy…) và kiểm soát được sâu bệnh hại cho cây. Hiện nay ở các nước phát triển trên thế giới như Hà lan, Ixrel, Nhật bản, Pháp, Mỹ và Trung quốc.đã và đang phát triển ứng dụng rất rộng rãi các mô hình nhà kính trồng rau, hoa quy mô tăng nhanh trong các năm gần đây, các nhà kính tuơng đối hiện đại có các dạng cấu trúc và kết cấu khác nhau phù hợp với điều kiện khí hậu, kinh tế mỗi nước. Hiện nay với những tác động của con người thì mẹ thiên nhiên đang dần khắc nghiệt với chúng ta.

Hiện tượng nóng lên toàn cầu cũng như các hiện tượng thiên nhiên bất thường ảnh hưởng rất nhiều đến quá trình sản xuất của người dân đồng thời còn gây thiệt hại rất nhiều đối với nông nghiệp nước ta. Cũng như đã đề cập về những ưu điểm của phương pháp canh tác trong nhà kính. Nhưng hiện tại bà con nông dân chỉ dừng lại ở phương pháp canh tác thủ công thì vẫn chua mang lại nhiều lợi ích khi đã phải đầu tư chi phí không ít cho nhà kính nhưng vẫn phải sử dụng quá nhiều sức lao động cũng như các phương pháp thủ công làm ảnh hưởng đến năng suất cũng như lợi nhuận. Với những kiến thức đã được học cũng như sự định hướng của giáo viên hướng dẫn và niềm đam mê và thôi thúc mong muốn được ứng dụng những kiến thức đã học vào thực tiễn thì nhóm của chúng em đã chọn đề tài “Điều khiển và giám sát vườn rau thông minh tiêu chuẩn VietGAP bằng andruino và Sim900“ với mong muốn mang những kiến thức vào thực tiễn để cải thiện cuộc sống cho người nông dân.2 Yêu cầu và giới hạn đề tài Đề tài thực hiện nghiên cứu, thiết kế và thi công bộ điều khiển và giám sát vườn rau thông minh theo tiêu chuẩn VietGAP bằng Arduino và Kit SIM900, trong đó: - Nghiên cứu về các dạng nhà vườn hiện tại đang được bà con sử dụng phổ biến để tiến hành thiết kế và gia công mô hình nhà vườn trồng rau thật chính xác để kết quả thực hiện trên mô hình có thể ứng dụng tốt nhất khi đưa vào thực tế.

- Nguyên cứu về tiêu chuẩn VietGAP những yêu cầu, tiêu chí cảu tiêu chuẩn đối với quá trình canh tác qua đó sẽ đưa ra những giải pháp cho quá trình nghiên cứu. - Tìm hiểu về các giống cây trồng phổ biến hiện tại.Thông qua quá trình tìm hiểu về các tập tính, nhu cầu về nước, ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm cũng nhu chất dinh dưỡng để đưa ra phương pháp thiết kế hệ thống thứ cấp cho vườn. - Lập trình hoàn thiện cho mô hình có thể điều chỉnh các yếu tố quan trọng cho cây trồng như nhiệt độ, độ ẩm cũng như nước thích hợp cho cây trồng theo sự biến đổi của thời tiết bên ngoài. - Lập trình cho hệ thống có thể giúp người nông dân có thể tương tác tốt hơn với vườn rau của mình dù không có mặt tại vườn thông qua chiếc điện thoại di động cảu mình.

Vì thời gian thực hiện đề tài có hạn nên nhóm chỉ thiết kế và điều khiển các yếu tố quan trọng nhất đối với cây trồng, trên thực tế đề tài có thể điều khiển thêm các yếu tố khác như ánh sáng, gió, chất dinh dưỡng cho cây trồng.3 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài là Bộ điều khiển, giám sát thông minh cho vườn rau tiêu chuẩn VietGAP (tập trung vào việc điều khiển các yếu tố liên quan đến sự sinh trưởng của cây trồng thông qua bộ điều khiển Arduino), khả năng điều khiển hệ thống từ xa (cụ thể dùng module SIM900), và các vấn đề liên quan đến việc thiết kế mạch điện tử cho bộ điều khiển.4 Mục tiêu – Nhiệm vụ nghiên cứu a. Mục tiêu của đề tài Thiết kế hoàn thiện phần mô hình của một nhà kính theo đúng tiêu chuẩn. Tìm hiểu lý thuyết và ứng dụng Andruino vào đề tài. - Thu nhận tín hiệu từ các sensor và xử lý.

- Kết nối bộ điều khiển với kit SIM900 để thực hiện tương tác từ xa thông qua SMS. Nhiệm vụ nghiên cứu Đồ án nghiên cứu phương pháp điều khiển hệ thống phun sương, tưới nước để giữ độ ẩm đất, nhiệt độ, độ ẩm không khí, cường độ ánh sáng theo yêu cầu của từng loại cây trồng khác nhau. Các cảm biến sẽ thu dữ liệu và gửi về vi điều khiển. Tùy từng loại dữ liệu từ cảm biến mà vi điều khiển sẽ đưa ra hướng giải quyết phù hợp.

Nhiệm vụ chính của đồ án là xây dựng giải thuật điều khiển cho mạch arduino theo sơ đồ sau: Hình 1.1 : Sơ đồ khối tổng quan đề tài 1.5 Phương pháp nghiên cứu Tìm hiểu tài liệu: nhóm tìm hiểu các tài liệu liên quan đến Andruino, thiết kế cơ khí và gia công nhà kính, thiết kế điện tử cho bộ điều khiển, tài liệu về nhu cầu và ảnh hường của các yếu tố thiết yếu đối với cây trồng, cách kết nối hệ thống với Kit mở rộng SIM900. Tham khảo từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm: các đồ án, các thiết kế mạch có liên quan đã được thi công đưa vào sử dụng ổn định, và sự tham vấn trực tiếp của các giảng viên chuyên ngành thuộc Bộ môn Cơ điện tử. Phương pháp thực nghiệm, thử và sửa sai: qua những lần thử nghiệm trên test board, kết hợp với tính toán giải tích mạch để rút ra giải pháp mạch điện tốt nhất. Cơ sở lý thuyết và các số liệu thực tế từ kết quả những lần thực nghiệm.2 Các công trình nghiên cứu liên quan 1.1 Các công trình nghiên cứu ở nước ngoài Khi mà khí hậu đang thay đổi theo một chiều hướng khắc nghiệt cùng với thực trạng các nguồn tài nguyên thiên nhiên đang dần cạn kiệt đi.

Trong khi nông nghiệp vẫn chiếm tỉ trọng lớn trong cơ cấu kinh tế của hầu hết các nước thì vấn đề ứng dụng công nghệ vào trong nông nghiệp đang nước phần lớn các nước trên thế giới hướng đến với rất nhiều giải pháp cũng như đề tài để cải tiện nền nông nghiệp giúp nền nông nghiệp phát triển bền vững tránh các ảnh hưởng của thời tiết đến nền sản xuất cũng như sử dụng tốt nguồn tài nguyên.  Nhà kính tại Israel Israel là một quốc gia nhỏ bé (với diện tích 21.000 km2), nổi tiếng với khí hậu và địa hình phức tạp, có nơi cận nhiệt đới nơi lại khô cằn, có khu vực thấp hơn mực nước biển 400m, lại có những vùng là đụn cát, gò đất phù sa…. Hơn nửa diện tích đất đai của quốc gia này là hoang mạc và bán hoang mạc, nửa còn lại là rừng và đồi dốc; trong đó, chỉ 20% diện tích đất đai (khoảng 4.100 km2) là có thể trồng trọt. Trước áp lực từ việc dân số tăng nhanh lại thêm lượng người nhập cư đổ về ồ ạt từ cuối những năm 1980 dẫn đến nhu cầu về các sản phẩm nông nghiệp gia tăng đáng kể, Israel đã không ngừng nghiên cứu, đẩy mạnh ứng dụng công nghệ cao trong nông nghiệp.

Kết quả là chỉ trong thời gian ngắn quốc gia này đã chuyển từ tình trạng thiếu lương thực đến tự túc lương thực, thực phẩm và trong 5 năm gần đây, giá trị sản xuất nông nghiệp luôn vượt con số 3,5 tỷ USD/năm, trong đó xuất khẩu chiếm trên 20%. Luôn đi đầu trong ứng dụng khoa học vào sản xuất nông nghiệp, Israel đã trở thành một điển hình nông nghiệp của thế giới. Và canh tác nhà kính được xem như một giải pháp công nghệ chìa khoá trong phát triển nông nghiệp công nghệ cao của Israel. Theo các nhà khoa học nông nghiệp nước này, nhà kính nông nghiệp công nghệ cao (Hi-tech greenhouses) là loại hình nhà kính ứng dụng các công nghệ cao, hiện đại để tạo lập ra một môi trường sinh thái thuận lợi nhất có thể cho cây trồng sinh trưởng phát triển; để thực hiện các công nghệ thâm canh cao; để tối thiểu hoá thậm chí có thể loại trừ các yếu tố ngoại cảnh bất lợi cho sản xuất; để sản xuất ra loại nông sản thực phẩm mà thiên nhiên không ưu đãi (trái vụ), thậm chí không sản xuất được ngoài môi trường tự nhiên (như sản xuất nấm mỡ trên sa mạc); để tối đa hoá năng suất chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất; tối thiểu hoá các khoản chi phí sản xuất và đặc biệt là để tiết kiệm nước.

Ngoài mục tiêu sản xuất ra các nông sản thực phẩm “sạch” an toàn cho sử dụng, canh tác nhà kính đã tạo ra một cuộc cách mạng về năng suất cho các loại cây trồng. Nhờ canh tác nhà kính mà năng suất cà chua ở Israel đã đạt mốc 500 tấn. ha/ vụ hay 3 triệu bông hồng/ ha; cũng nhờ công nghệ canh tác nhà kính mà Israel đã biến sa mạc Negev toàn cát đá (chiếm 65% diện tích đất nước) trở thành một “cánh đồng xanh công nghệ cao” có năng suất cây trồng cao nhất thế giới.