Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Ngành nông nghiệp Việt Nam đang trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, tuy nhiên tại nhiều địa phương, các quy trình canh tác và chăm sóc cây trồng vẫn còn mang tính thủ công, phụ thuộc nặng nề vào điều kiện thời tiết tự nhiên và kinh nghiệm chủ quan. Trong kỹ thuật nông học, tưới tiêu là một trong những khâu trọng yếu quyết định sự sinh trưởng, năng suất và chất lượng nông sản. Việc cung cấp không đủ hoặc dư thừa lượng nước tưới không chỉ gây lãng phí tài nguyên, rửa trôi chất dinh dưỡng trong đất mà còn tạo điều kiện cho sâu bệnh phát triển, làm tăng lượng thuốc bảo vệ thực vật cần sử dụng. Bên cạnh đó, tại các đô thị, việc duy trì cây xanh công cộng bằng xe bồn tưới lưu động vẫn còn gây cản trở giao thông và tiêu tốn nhân công.
Ở các khu vực canh tác xa xôi, vùng đất khô hạn hoặc hải đảo, hệ thống lưới điện quốc gia chưa thể phủ tới hoặc nguồn điện không ổn định, gây cản trở lớn cho việc triển khai các trạm bơm tự động hóa. Trước thực trạng biến đổi khí hậu, hiện tượng xâm nhập mặn và suy thoái nguồn tài nguyên nước và năng lượng, việc xây dựng các hệ thống tưới tự động tận dụng nguồn năng lượng tái tạo tại chỗ trở thành một nhu cầu cấp thiết.
Đề tài "Thiết kế, chế tạo hệ thống bơm tưới tiêu sử dụng năng lượng mặt trời" do sinh viên Lê Cao Trình thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Vũ Lân (ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, 01/2021) được triển khai nhằm giải quyết các vấn đề trên.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án bao gồm:
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về nhu cầu cấp nước nông học của cây trồng, công nghệ tưới tiết kiệm nước và hệ thống pin năng lượng mặt trời.
- Tính toán, thiết kế và gia công khung cơ khí mô hình nhà màng trồng cây có mái che đóng mở.
- Tính toán thủy lực, áp lực đường ống và lựa chọn công suất máy bơm phù hợp với diện tích mô hình.
- Thiết kế mạch điều khiển trung tâm sử dụng Raspberry Pi, tích hợp cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11, màn hình LCD1602 qua giao tiếp I2C và camera quan sát.
- Xây dựng giao diện web server và kết nối mạng cục bộ nhằm giám sát thông số môi trường, truyền phát hình ảnh trực tiếp và điều khiển máy bơm từ xa qua thiết bị di động hoặc theo bộ định thời gian (timer).
- Thi công lắp ráp hoàn chỉnh mô hình thực nghiệm và đo đạc, đánh giá các thông số vận hành thực tế.
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống bơm tưới tiêu tự động kết hợp hệ thống điện mặt trời độc lập. Phạm vi nghiên cứu được giới hạn ở quy mô mô hình thực nghiệm với diện tích canh tác mẫu $1{,}2\text{ m}^2$, đối tượng cây trồng tính toán là rau cải thảo, sử dụng nguồn điện mặt trời lưu trữ qua ắc quy và xử lý điều khiển bằng máy tính nhúng Raspberry Pi.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án xây dựng dựa trên các cơ sở lý thuyết liên ngành bao gồm kỹ thuật nông học, thủy lực học, vật lý chất bán dẫn và kỹ thuật điều khiển nhúng:
- Lý thuyết nông học và thủy lực tưới tiêu: Áp dụng các tiêu chuẩn tính toán chế độ tưới tăng sản theo Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 9170:2012 về hệ thống tưới phun mưa; nguyên lý phân phối lưu lượng và áp lực của các công nghệ tưới phun sương, tưới phun mưa và tưới nhỏ giọt; phương trình cân bằng nước để xác định lượng nước tưới $m_i$, lượng nước hao $W_{hi}$ và lượng nước trữ yêu cầu trong đất $W_{ci}$.
- Lý thuyết vật lý chất bán dẫn và quang điện: Nguyên lý biến đổi quang năng thành điện năng của pin mặt trời dựa trên hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn Silic (tinh thể đơn, đa tinh thể và dải silic vô định hình); cấu trúc lớp chuyển tiếp p-n; nguyên lý điều khiển sạc thông minh theo phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) 4 trạng thái để bảo vệ ắc quy chì.
- Lý thuyết kỹ thuật điều khiển và IoT: Kiến trúc phần cứng và hệ điều hành Raspbian trên nền Linux của máy tính nhúng Raspberry Pi (SoC Broadcom BCM2835); giao thức truyền dữ liệu 1-Wire của cảm biến DHT11; giao thức truyền thông nối tiếp 2 dây I2C điều khiển màn hình LCD; kiến trúc Web Server truyền luồng hình ảnh MJPEG từ camera.
Phương pháp nghiên cứu được triển khai bao gồm:
- Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Nghiên cứu các tài liệu kỹ thuật, tiêu chuẩn ngành, giáo trình cơ khí, bản vẽ và thông số kỹ thuật linh kiện điện tử từ nhà sản xuất.
- Phương pháp tính toán thiết kế kỹ thuật: Tính toán các phương trình cân bằng nước nông học, tổn thất cột áp thủy lực theo chiều dài ống dẫn và cân bằng công suất điện năng giữa tấm pin quang điện, ắc quy và động cơ bơm.
- Phương pháp thực nghiệm chế tạo: Gia công cơ khí khung sắt tráng kẽm; đấu nối mạch điện tử, lập trình hệ thống trên Raspberry Pi; vận hành thử nghiệm mô hình thực tế và ghi nhận chuỗi số liệu nhiệt độ, độ ẩm và lưu lượng nước theo thời gian.
Nguồn dữ liệu của đồ án xuất phát từ các số liệu khí tượng thực tế (nhiệt độ trung bình $32^\circ\text{C}$), hệ số cây trồng cải thảo ($K_c = 0{,}3$), dung trọng khô của đất ($\gamma_k = 1{,}4\text{ t/m}^3$), độ ẩm đất ($10%$), các thông số kỹ thuật của thiết bị đo và bảng số liệu thực nghiệm đo đạc trực tiếp trên mô hình hoàn thiện.
Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật
Hệ thống được thiết kế thành một khối tích hợp hoàn chỉnh gồm ba phân hệ chính: kết cấu cơ khí - thủy lực, hệ thống cấp nguồn năng lượng mặt trời và hệ thống điều khiển - giám sát IoT.
1. Kết cấu cơ khí và hệ thống thủy lực
- Khung mô hình: Được gia công bằng sắt hộp mạ kẽm nhằm đảm bảo độ bền cơ học, khả năng chịu lực và chống ăn mòn trong môi trường có độ ẩm cao. Khung được phân chia thành 3 tầng chức năng:
- Tầng trên: Bố trí giá đỡ tấm pin năng lượng mặt trời ở góc nghiêng tối ưu để thu nhận bức xạ quang năng lớn nhất.
- Tầng giữa: Khu vực lắp đặt hộp điều khiển trung tâm, mạch sạc, ắc quy và máy bơm nước.
- Tầng đáy: Bố trí bồn chứa nước, hệ thống đường ống và các đầu vòi phun tưới cây.
- Hệ thống đường ống và phân phối nước:
- Đường ống chính sử dụng ống nhựa đường kính $21\text{ mm}$ (tiết diện ngang tính toán theo hệ số sức cản TCVN $A = 0{,}028$).
- Các đường ống nhánh và ống nối ra béc phun sử dụng kết hợp ống PE $16\text{ mm}$ và PE $4\text{ mm}$.
- Đầu phun được thiết kế phân tầng cột áp: chiều cao đầu phun ở vị trí giữa là $16{,}3\text{ cm}$ (tổn thất $H_{tt} = 0{,}037\text{ m}$) và chiều cao đầu phun ở vị trí cuối là $12{,}6\text{ cm}$ (tổn thất $H_{tt} = 0{,}074\text{ m}$) để duy trì phân bổ lưu lượng đồng đều tại các điểm tưới.
2. Hệ thống cung cấp điện mặt trời
- Tấm pin quang điện (Solar Panel): Hấp thụ quang năng chuyển đổi thành dòng điện một chiều DC.
- Bộ điều khiển sạc NLMT (Dual USB Solar Charge Controller LCD 30A): Tự động nhận diện điện áp hệ thống ($12\text{V}/24\text{V}$ DC), kiểm soát quá trình sạc ắc quy theo thuật toán PWM 4 giai đoạn, ngắt khi ắc quy đầy và bảo vệ quá dòng, ngắn mạch; công suất tải tối đa đạt $360\text{W}$.
- Bộ lưu trữ: Bình ắc quy chì $12\text{V}$ tích trữ điện năng phục vụ vận hành máy bơm và bộ vi điều khiển.
- Mạch hạ áp 5V: Module hạ áp nhận nguồn đầu vào từ $8\text{V} - 35\text{V}$ DC từ ắc quy và chuyển đổi thành dòng ra ổn định $5\text{V} - 2\text{A}$ qua các cổng USB (tổng dòng cung cấp đạt $8\text{A}$) để cấp nguồn cho Raspberry Pi và các module cảm biến.
3. Phân hệ điều khiển, cảm biến và truyền thông
- Khối xử lý trung tâm: Sử dụng bo mạch Raspberry Pi Model B tích hợp vi xử lý Broadcom BCM2835 xung nhịp $700\text{MHz}$, bộ nhớ RAM $512\text{MB}$, chạy hệ điều hành Raspbian. Thiết bị đảm nhận vai trò máy chủ web cục bộ, xử lý logic điều khiển, đọc tín hiệu cảm biến và phát luồng video trực tiếp.
- Khối cảm biến và hiển thị tại chỗ:
- Cảm biến DHT11: Đo nhiệt độ môi trường ($0 - 50^\circ\text{C} \pm 2^\circ\text{C}$) và độ ẩm không khí ($20 - 70%\text{ RH} \pm 5%$) với tần số lấy mẫu $1\text{Hz}$, giao tiếp với Raspberry Pi qua 1 chân tín hiệu kỹ thuật số (1-Wire).
- Màn hình LCD1602: Hiển thị 2 dòng x 16 ký tự, kết nối qua module chuyển đổi I2C (địa chỉ mặc định
0x27) sử dụng driver HD44780 giúp rút gọn số chân kết nối với Raspberry Pi xuống còn 2 chân tín hiệu (SDA, SCL).
- Khối cơ cấu chấp hành: Động cơ máy bơm mini $12\text{V} - 24\text{V}$ DC công suất $150\text{W}$, lưu lượng định mức $60\text{ l/phút}$, được đóng cắt thông qua một module Relay kết nối với chân GPIO của Raspberry Pi.
- Khối giám sát hình ảnh và điều khiển từ xa:
- Camera Raspberry: Ghi hình ảnh thực tế tại khu vực tưới, truyền phát luồng dữ liệu hình ảnh trực tiếp lên trang giao diện web thông qua mã nguồn Python viết trên thư viện
picamera, socketserver và http.server.
- Giao diện điều khiển: Người dùng sử dụng điện thoại di động hoặc máy tính kết nối vào mạng cục bộ của Raspberry Pi, truy cập trình duyệt web theo địa chỉ IP/tên miền để quan sát video thời gian thực và nhấn nút bật/tắt máy bơm thủ công hoặc cấu hình thời gian chạy theo bộ định thời gian (timer).
+--------------------------------+
| Tấm pin năng lượng mặt trời |
+---------------+----------------+
| (Điện áp DC)
v
+--------------------------------+
| Bộ sạc năng lượng mặt trời |
| (PWM 30A) |
+---------------+----------------+
|
+--------------+--------------+
| |
v v
+---------------+ +---------------+
| Bình Ắc quy | | Mạch hạ áp 5V |
| (12V) | +-------+-------+
+-------+-------+ |
| v
| (Nguồn 12V) +---------------+
| | Raspberry Pi |<---+ Cảm biến DHT11
v | (Web Server)|<---+ Module I2C + LCD1602
+---------------+ +-------+-------+<---+ Camera quan sát
| Module Relay |<--------------------+ (GPIO)
+-------+-------+
|
v
+---------------+
| Máy bơm 150W | ===> [ Hệ thống đường ống & béc phun ]
+---------------+
Nội dung chính theo từng chương
Mở đầu
Phần mở đầu xác lập tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ thực trạng sản xuất nông nghiệp thủ công, sự thiếu hụt mạng lưới điện tại các vùng sâu vùng xa, vấn đề biến đổi khí hậu và xâm nhập mặn. Tác giả giới thiệu khái quát giải pháp tưới thông minh sử dụng điện mặt trời, phương pháp nghiên cứu kế thừa và kiểm chứng thực nghiệm, cùng kết cấu tổng quan của khóa luận gồm 6 chương và phần phụ lục.
Chương 1: Giới thiệu chung
Chương 1 đi sâu vào bối cảnh khan hiếm tài nguyên đất và năng lượng trên toàn cầu cũng như tại Việt Nam. Đặt vấn đề về việc tận dụng các khoảng không gian trống trong đô thị (ban công, sân vườn) và các vùng canh tác thiếu điện lưới để phát triển nông nghiệp sạch tự động hóa. Đề tài xác định phạm vi nghiên cứu do 1 sinh viên thực hiện, hướng đến việc chế tạo một mô hình mẫu có khả năng cấp nước tự động, phân chia đều lượng nước và vận hành hoàn toàn bằng năng lượng mặt trời.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 2 trình bày tổng quan các công nghệ tưới tiêu hiện đại (phun sương, phun mưa, tưới nhỏ giọt) và ưu nhược điểm của từng phương pháp trong việc duy trì độ ẩm và tiết kiệm nước. Tác giả phân tích nguyên lý hoạt động của một hệ thống tưới có lọc và hòa tan chất dinh dưỡng; thuyết minh kết cấu nhà màng mái che thông gió đóng mở tự động bằng sắt hộp mạ kẽm phù hợp với khí hậu nhiệt đới gió mùa. Phần điện tử giới thiệu các ứng dụng nền tảng của bo mạch máy tính nhúng Raspberry Pi (làm máy chủ web, an ninh, camera giám sát).
Chương 3: Thiết kế
Chương 3 là chương trọng tâm về tính toán kỹ thuật:
- Quy trình 5 bước khảo sát và lắp đặt hệ thống tưới thực tế: Khảo sát diện tích $\rightarrow$ Chuẩn bị thiết bị $\rightarrow$ Lắp thiết bị hút/bơm $\rightarrow$ Đi đường ống chính $\rightarrow$ Nối ống nhánh ra gốc cây.
- Tính toán cân bằng nước nông học: Với nhiệt độ trung bình $32^\circ\text{C}$, cây cải thảo ($K_c = 0{,}3$), dung trọng khô đất $\gamma_k = 1{,}4\text{ t/m}^3$, độ ẩm đất $10%$, chiều sâu rễ $H_i = 50\text{ mm}$:
- Lượng nước hao: $W_{hi} = 10 \times K_c \times T_i = 10 \times 0{,}3 \times 32 = 96\text{ m}^3/\text{ha}$.
- Lượng nước trữ yêu cầu: $W_{ci} = 19\text{ m}^3/\text{ha}$ (thỏa mãn $W_{\beta\min} = 9{,}5 < 19 < W_{\beta\max} = 28{,}5\text{ m}^3/\text{ha}$).
- Tổng lượng nước cần tưới trên 1 ha: $m_i = 96 + 19 = 115\text{ m}^3/\text{ha}$.
- Quy đổi cho diện tích mô hình $1{,}2\text{ m}^2$: Lượng nước tưới tối thiểu là $13{,}8\text{ lít}$.
- Tính toán cơ khí và động cơ bơm: Lựa chọn vật liệu sắt tráng kẽm; tính toán tổn thất cột áp đường ống nhựa đường kính $21\text{ mm}$ để xác định chiều cao béc phun tại điểm giữa ($16{,}3\text{ cm}$) và điểm cuối ($12{,}6\text{ cm}$); chọn máy bơm mini công suất $150\text{W}$, lưu lượng $60\text{ l/phút}$.
- Lý thuyết pin mặt trời và thiết bị điện: Trình bày chi tiết lịch sử phát triển của pin mặt trời từ năm 1839 (Becquerel) đến các nghiên cứu của Einstein (1905), Russell Ohl (1946) và Bell Labs (1954); cấu tạo bán dẫn p-n từ tinh thể Silic; thông số kỹ thuật bộ sạc PWM 30A, ắc quy lưu trữ, cảm biến DHT11, mạch chuyển đổi I2C và bảng gán 16 chân của màn hình LCD1602.
| Chân LCD1602 |
Ký hiệu |
Mô tả chức năng |
Giá trị điện áp / Trạng thái |
| 1 |
VSS |
Chân nối đất |
0V |
| 2 |
VCC |
Cấp nguồn dương |
5V |
| 3 |
V0 |
Điều chỉnh độ tương phản |
Biến trở |
| 4 |
RS |
Lựa chọn thanh ghi lệnh hoặc dữ liệu |
RS=0 (Lệnh), RS=1 (Dữ liệu) |
| 5 |
R/W |
Lựa chọn chế độ Đọc/Ghi dữ liệu |
R/W=0 (Ghi), R/W=1 (Đọc) |
| 6 |
E |
Chân cho phép (Enable) |
Xung kích hoạt |
| 7 - 14 |
DB0 - DB7 |
8 chân truyền bus dữ liệu 8-bit |
Mức logic 0V / 5V |
| 15 |
A |
Cực dương đèn nền LED |
0V đến 5V |
| 16 |
K |
Cực âm đèn nền LED |
0V |
Chương 4: Thiết kế phần điều khiển
Chương 4 trình bày sơ đồ bố trí tổng thể các thiết bị điều khiển và giải thuật vận hành:
- Nguyên lý điều khiển: Khi bật nguồn, cảm biến DHT11 thu thập nhiệt độ và độ ẩm không khí rồi gửi về Raspberry Pi để hiển thị lên màn hình LCD1602. Hệ thống thực hiện kích hoạt relay bật máy bơm theo giá trị timer cài đặt sẵn trong mã nguồn hoặc nhận lệnh cưỡng bức từ giao diện web trên điện thoại. Khi hết thời gian hoặc đạt lượng nước định mức, máy bơm tự động ngắt.
- Cân bằng năng lượng điện:
- Thời gian nắng bức xạ cực đại tính toán: $3\text{ giờ}$.
- Điện năng pin mặt trời thu được: $A_n = 0{,}035\text{ kW} \times 3\text{ h} = 0{,}105\text{ kWh}$.
- Thời gian máy bơm chạy để cấp đủ $13{,}8\text{ lít}$ nước (với lưu lượng thực tế $8\text{ l/phút}$): $t = 13{,}8 / 8 = 1{,}725\text{ phút} = \frac{23}{800}\text{ giờ}$.
- Điện năng tiêu thụ của động cơ bơm $150\text{W}$: $A_{sd} = 0{,}15\text{ kW} \times \frac{23}{800}\text{ h} \approx 0{,}0043\text{ kWh}$.
- Kết luận: Lượng điện năng pin mặt trời sinh ra hoàn toàn đáp ứng đủ nhu cầu tiêu thụ của hệ thống mà không cần cấp thêm nguồn điện lưới.
- Phần mềm giám sát: Lập trình mã nguồn Python streaming hình ảnh từ Raspberry Camera trực tiếp lên trang web theo chuẩn phân giải $640 \times 480$, cho phép người dùng giám sát vườn và điều khiển máy bơm qua mạng nội bộ.
Chương 5: Thực nghiệm, thu thập kết quả
Chương 5 trình bày quá trình thi công mô hình thực tế và ghi nhận dữ liệu chạy thử nghiệm. Sau khi lắp ráp hoàn thiện khung cơ khí, đường ống và hệ thống mạch điện, tác giả tiến hành chạy thử nghiệm hệ thống tưới trong thời gian $90\text{ giây}$ (lấy mẫu mỗi $10\text{ giây}$) để theo dõi sự thay đổi của nhiệt độ môi trường, độ ẩm và lưu lượng nước đã bơm.
Chương 6: Kết luận
Tổng hợp các hạng mục đã hoàn thành của đồ án (gia công khung cơ khí, tích hợp mạch điều khiển, đọc cảm biến, streaming camera và điều khiển qua web/điện thoại). Đồng thời, tác giả thẳng thắn chỉ ra các mặt tồn tại kỹ thuật và đưa ra các giải pháp khắc phục trong quá trình vận hành thực tế.
Kết quả và đóng góp
1. Kết quả thực nghiệm cụ thể
Hệ thống đã được chế tạo hoàn chỉnh và vận hành thực nghiệm trong chu kỳ $90\text{ giây}$. Bảng số liệu thực nghiệm đo đạc thực tế trên mô hình được ghi nhận như sau:
| Thời gian (s) |
Nhiệt độ ($^\circ\text{C}$) |
Độ ẩm (% RH) |
Lượng nước tích lũy (lít) |
| 0 |
30 |
41 |
0{,}0 |
| 10 |
30 |
41 |
1{,}5 |
| 20 |
29{,}5 |
42 |
2{,}9 |
| 30 |
29 |
44 |
4{,}5 |
| 40 |
29 |
46 |
6{,}0 |
| 50 |
28 |
47 |
7{,}3 |
| 60 |
28 |
47 |
8{,}8 |
| 70 |
28 |
48 |
10{,}2 |
| 80 |
27 |
49 |
11{,}7 |
| 90 |
27 |
50 |
13{,}6 |
Quá trình thực nghiệm cho thấy:
- Sau $90\text{ giây}$ tưới liên tục, hệ thống đã cung cấp được tổng cộng $13{,}6\text{ lít}$ nước (tiệm cận mức tính toán lý thuyết tối thiểu $13{,}8\text{ lít}$ cho diện tích $1{,}2\text{ m}^2$).
- Nhiệt độ môi trường xung quanh khu vực tưới giảm dần từ $30^\circ\text{C}$ xuống $27^\circ\text{C}$ (giảm $3^\circ\text{C}$).
- Độ ẩm không khí tăng từ $41%$ lên $50%$ (tăng $9%$), chứng minh hiệu quả làm mát và cân bằng ẩm của hệ thống tưới phun.
2. Đóng góp kỹ thuật của đề tài
- Tự chủ năng lượng: Ứng dụng thành công hệ thống nguồn quang điện độc lập kết hợp bộ điều khiển sạc PWM 30A và ắc quy, giúp hệ thống vận hành hoàn toàn không phụ thuộc vào lưới điện quốc gia, phù hợp cho vùng sâu, vùng xa, hải đảo hoặc đất canh tác biệt lập.
- Tích hợp liên ngành Cơ - Điện tử - IoT: Chế tạo thành công mô hình phần cứng hoàn chỉnh kết hợp giữa kết cấu cơ khí chịu lực bằng sắt tráng kẽm, hệ thống thủy lực tính toán phân tầng cột áp và bộ điều khiển trung tâm Raspberry Pi hỗ trợ giao diện web và camera giám sát trực tiếp.
- Tưới tiêu khoa học: Đưa công thức tính toán nhu cầu nước sinh trưởng nông học ($K_c$, độ ẩm, dung trọng đất) vào việc xác định thời gian và lưu lượng tưới thực tế, thay thế phương thức tưới ước lượng cảm tính truyền thống.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Dựa trên quá trình chế tạo và vận hành thực nghiệm, đồ án ghi nhận các hạn chế kỹ thuật và đề xuất các giải pháp khắc phục cụ thể:
1. Các hạn chế kỹ thuật còn tồn tại
- Sai số công suất bơm: Trong quá trình chạy thực tế, máy bơm gặp hiện tượng sụt giảm nhẹ về lưu lượng so với tính toán lý thuyết, dẫn đến sau $90\text{ giây}$ mới đạt $13{,}6\text{ lít}$ (thay vì đạt đúng định mức thiết kế trong thời gian ngắn hơn).
- Độ ổn định truyền dữ liệu hình ảnh: Việc truyền luồng video từ camera của Raspberry Pi lên giao diện web qua mạng cục bộ đôi khi còn xảy ra hiện tượng trễ hoặc ngắt quãng tín hiệu khi băng thông mạng không ổn định.
- Độ bền môi trường của linh kiện điện tử: Hệ thống tích hợp nhiều mạch điện tử, module cảm biến và bộ vi xử lý đặt trong môi trường nhà trồng có độ ẩm cao, tiềm ẩn nguy cơ oxy hóa hoặc chập mạch nếu hoạt động ngoài trời trong thời gian dài.
2. Giải pháp và định hướng hoàn thiện
- Bảo vệ phần cứng: Bố trí hộp bảo vệ chống nước, cách ly hoàn toàn các bo mạch xử lý và linh kiện điện tử khỏi các khu vực có nguy cơ rò rỉ nước hoặc ngưng tụ ẩm cao.
- Cấu hình vận hành: Thiết lập lịch trình hẹn giờ (timer) tưới cố định vào các khung giờ thích hợp trong ngày (sáng sớm hoặc chiều mát) để tối ưu hiệu quả hấp thụ nước của cây và kéo dài tuổi thọ động cơ.
- Bảo trì hệ thống: Định kỳ kiểm tra hiện tượng tắc nghẽn tại các béc phun, đường ống dẫn nước và kiểm tra dung lượng lưu trữ của ắc quy chì.
- Vị trí lắp đặt pin: Luôn đảm bảo tấm pin năng lượng mặt trời được đặt ở vị trí thông thoáng, đón trực tiếp ánh nắng mặt trời mà không bị che khuất bởi bóng râm để duy trì công suất sạc tối đa.
Giá trị tham khảo
Đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo kỹ thuật và thực tiễn cho nhiều đối tượng:
- Sinh viên ngành Cơ điện tử, Tự động hóa, Nông nghiệp công nghệ cao và Kỹ thuật Điện: Có thể sử dụng đồ án làm tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình tích hợp máy tính nhúng Raspberry Pi với các cảm biến công nghiệp/môi trường (DHT11, LCD1602 qua I2C), kỹ thuật lập trình streaming camera qua giao diện web bằng Python và phương pháp tính toán cân bằng công suất hệ thống điện mặt trời độc lập.
- Người làm đề tài hoặc dự án về nhà kính, nhà màng thông minh: Tham khảo công thức tính toán nhu cầu nước sinh trưởng cho cây trồng cạn theo tiêu chuẩn TCVN 9170:2012, phương pháp tính toán tổn thất áp lực đường ống để phân bổ chiều cao đầu phun và quy trình 5 bước khảo sát, thi công đường ống tưới thực tế.
- Kỹ sư phát triển hệ thống nông nghiệp đô thị: Tham khảo kết cấu khung cơ khí bằng sắt mạ kẽm tối ưu không gian 3 tầng (tầng pin mặt trời, tầng điều khiển, tầng bồn chứa/vòi phun) để ứng dụng cho mô hình trồng rau sạch trên sân thượng, ban công hoặc trang trại quy mô nhỏ.
Câu hỏi thường gặp
1. Hệ thống sử dụng bo mạch điều khiển trung tâm nào và thông số kỹ thuật ra sao?
Hệ thống sử dụng máy tính nhúng Raspberry Pi Model B chạy hệ điều hành Linux (bản phân phối Raspbian). Bo mạch trang bị vi xử lý SoC Broadcom BCM2835 xung nhịp $700\text{MHz}$, bộ nhớ RAM $512\text{MB}$, tích hợp giao diện chân GPIO, cổng kết nối mạng LAN Ethernet, cổng HDMI, RCA video và các cổng USB.
2. Phương pháp tính toán nhu cầu cấp nước cho cây trồng trong đồ án dựa trên công thức nào?
Nhu cầu cấp nước một đợt tưới được tính theo phương trình cân bằng nước:
$$m_i = (W_{hi} + W_{ci}) - W_{0i}$$
Trong đó lượng nước sẵn có ban đầu $W_{0i} = 0$, lượng nước hao $W_{hi} = 10 \times K_c \times T_i = 10 \times 0{,}3 \times 32 = 96\text{ m}^3/\text{ha}$ (với cây cải thảo có hệ số $K_c = 0{,}3$, nhiệt độ trung bình $T = 32^\circ\text{C}$), và lượng nước cần trữ $W_{ci} = 19\text{ m}^3/\text{ha}$ (thỏa mãn điều kiện $9{,}5 < W_{ci} < 28{,}5$). Tổng lượng nước cần tưới là $115\text{ m}^3/\text{ha}$, tương đương mức tưới tối thiểu $13{,}8\text{ lít}$ cho mô hình diện tích $1{,}2\text{ m}^2$.
3. Làm thế nào để điều khiển máy bơm và xem hình ảnh từ xa?
Raspberry Pi được cấu hình làm máy chủ web nội bộ. Camera Raspberry ghi lại hình ảnh trực tiếp và truyền phát video streaming qua mã nguồn Python viết trên thư viện picamera và socketserver. Người dùng sử dụng điện thoại hoặc máy tính kết nối vào cùng mạng cục bộ với Raspberry Pi, truy cập vào trình duyệt theo địa chỉ IP/tên miền của thiết bị để xem hình ảnh thời gian thực và nhấn các nút điều khiển đóng/ngắt máy bơm hoặc thiết lập bộ timer.
4. Khả năng tự chủ năng lượng của hệ thống được tính toán như thế nào?
Với thời gian nắng cực đại là $3\text{ giờ}$, tấm pin mặt trời thu được điện năng $A_n = 0{,}035 \times 3 = 0{,}105\text{ kWh}$. Trong khi đó, để bơm đủ lượng nước $13{,}8\text{ lít}$ cho mô hình với lưu lượng bơm $8\text{ l/phút}$, máy bơm $150\text{W}$ chỉ cần hoạt động trong thời gian $1{,}725\text{ phút}$ ($\frac{23}{800}\text{ giờ}$), tiêu thụ một lượng điện năng là $A_{sd} = 0{,}15 \times \frac{23}{800} \approx 0{,}0043\text{ kWh}$. Vì lượng điện thu được lớn hơn rất nhiều so với năng lượng tiêu thụ nên hệ thống hoàn toàn tự chủ mà không cần cấp điện lưới.
5. Kết quả thực nghiệm sau 90 giây tưới liên tục ghi nhận được những số liệu gì?
Sau $90\text{ giây}$ thử nghiệm, hệ thống đã bơm được tổng cộng $13{,}6\text{ lít}$ nước. Đồng thời, nhiệt độ môi trường xung quanh giảm từ $30^\circ\text{C}$ xuống $27^\circ\text{C}$ và độ ẩm không khí tăng từ $41%$ lên $50%$.
Kết luận
Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Lê Cao Trình đã hoàn thành mục tiêu thiết kế và chế tạo thành công mô hình hệ thống bơm tưới tiêu tự động vận hành hoàn toàn bằng nguồn năng lượng mặt trời độc lập. Đề tài đã giải quyết trọn vẹn bài toán liên ngành từ tính toán thủy lực nông học, gia công kết cấu cơ khí sắt tráng kẽm phân tầng, đến xây dựng mạch nhúng IoT trên nền tảng Raspberry Pi hỗ trợ điều khiển qua web và giám sát bằng camera. Các kết quả thực nghiệm đo đạc lưu lượng, nhiệt độ và độ ẩm đã chứng minh tính khả thi, hiệu quả cấp nước chính xác và khả năng ứng dụng thực tiễn của mô hình tại những vùng sản xuất nông nghiệp chưa có điện lưới hoặc trong không gian nông nghiệp đô thị.
