Đặt vấn đề Hiện nay ngành khoa học - công nghệ không ngừng phát triển và hướng tới đô thị hóa, hiện đại hóa đất nước tuy nhiên nó cũng tạo ra nhiều tác nhân gây hại cho sức khỏe con người như chất lượng không khí kém, ô nhiễm tiếng ồn, gia tăng ô nhiễm không khí, tắc nghẽn giao thông và nhiệt độ quá cao. Sự gia tăng của không gian xanh cho thấy những tác động tích cực đối với các thành phố cũng như sức khỏe của người dân vì nó có thể giảm thiểu các tác nhân gây hại. Theo nghiên cứu được thực hiện bởi NASA vào năm 1989, cho thấy rễ và đất của cây trồng trong nhà làm giảm đáng kể độc tố trong không khí. Nghiên cứu này cho thấy tán lá của các loại cây thông thường làm giảm mức độ các chất ô nhiễm như formaldehyde và carbon monoxide lên đến 87% chỉ trong 24 giờ.
Nghiên cứu sâu hơn đã xác nhận rằng thực vật loại bỏ nhiều chất ô nhiễm không khí trong nhà như ozon và benzen. Vì vậy cây trồng trong nhà không chỉ tạo ra oxy mà còn giúp hạn chế các chất độc có hại trong môi trường. Không những thế cây trồng trong nhà làm giảm mức độ căng thẳng và mang lại cảm giác thư giãn. Một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Physiological Anthropology đã cho thấy những lợi ích sinh lý của việc tương tác với cây trồng trong nhà và phát hiện ra rằng cây cối có thể giúp cảm thấy thoải mái, nhẹ nhàng và tự nhiên hơn [1].
Do đó, ngày càng nhiều thành phố đang phát triển theo hướng xanh hóa đô thị. Việc phát triển theo xu hướng này làm các loại cây trồng trong nhà đang được nhiều người quan tâm và số lượng người mua cũng tăng lên từng ngày.Theo thống kê cây trồng ở Mỹ vào năm 2019 cho thấy 66% người dân ở nước Mỹ sở hữu ít nhất một cây trồng trong nhà. Tại Úc, doanh số bán cây trồng trong nhà tăng khoảng 13% trong ngành công nghiệp ươm cây tương đương 2,6 tỷ đô la, nhưng ngay cả trước đại dịch covid, doanh số bán hàng vẫn tăng [1]. Ở Việt Nam, việc trồng cây trong nhà cũng là một xu hướng phổ biến hiện nay vì vừa để trang trí cũng như cung cấp một phần thực phẩm hằng ngày cho con người.
Có nhiều loại cây trồng trong nhà như: cây cảnh (cây phong thủy, hoa, cây thân leo…), cây nông nghiệp (rau xà lách, rau cải, củ cải, dưa chuột … các loại rau thơm), cây dược liệu, cây ăn quả. Các loại cây này trong tự nhiên thường được trồng ở các 1 khu vực rộng lớn như vườn, ruộng, khu nông trại, nhà kính… được cung cấp đầy đủ các loại chất dinh dưỡng và sử dụng các loại sản phẩm hóa học trong quá trình phát triển của cây cũng như được những người có kinh nghiệm theo dõi, chăm sóc nên cây có tỉ lệ sống và mang lại hiệu quả năng suất cao. Tuy nhiên khi mang các loại cây này vào trong nhà thì thường không áp dụng được các phương pháp như khi trồng ngoài tự nhiên và gặp một số vấn đề như: (i) Khó khăn trong việc kiểm soát và cung cấp lượng nước tối ưu cho cây trồng. Tưới cây với lượng nước phù hợp rất quan trọng vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến sự sinh trưởng và phát triển của cây, việc tưới thiếu nước hoặc tưới quá nhiều nước có thể làm cho cây bị khô hoặc thối rữa và không mang lại năng suất cao.
Tuy nhiên trong lịch trình bận rộn của cuộc sống hàng ngày, nhiều người quên tưới nước hoặc tưới quá nhiều nước cho cây làm cho thực vật bị rối loạn và chết, vì vậy việc xác định được thời điểm tưới cây và lượng nước phù hợp với từng loại cây là rất cần thiết. (ii) Theo dõi môi trường sống của cây cũng là một vấn đề nên được chú ý. Những loài cây thường sinh trưởng và phát triển ở ngoài tự nhiên nên chịu ảnh hưởng rất lớn của các yếu tố như: ánh sáng, độ ẩm, nhiệt độ, độ pH…. Vì vậy khi trồng trong nhà người trồng cây phải đảm bảo cung cấp cho cây trồng một môi trường sống phù hợp.
Để làm được điều này, theo dõi môi trường sống của cây là rất quan trọng, nó giúp cho người trồng cây có thể đưa ra hành động xử lý kịp thời khi các yếu tố môi trường đang không thích hợp cho sự sinh trưởng và phát triển của cây. (iii) Khó khăn và vất vả trong việc theo dõi và chăm sóc cây trồng ở các vị trí khác nhau. Vì tận dụng các khoảng trống để trồng cây nên các khu vực trồng cây thường phân tán ở những địa điểm khác nhau trong nhà, thường phải dành rất nhiều thời gian để có thể theo dõi và ghi nhớ được điều kiện sống cũng như lượng nước thích hợp cho mỗi loại cây trồng ở những vị trí khác nhau. Các giải pháp hiện tại và hạn chế Ứng dụng IoT vào trong nông nghiệp hiện nay là một xu hướng chung của toàn thế giới, IoT trong nông nghiệp số là các thiết bị thông minh, các cảm biến kết nối và điều khiển tự động.
Có nhiều giải pháp sử dụng các loại cảm biến và vi mạch điện tử đã được xây dựng để nâng cao năng suất, chất lượng cây trồng và giảm chi phí sản xuất. 2 Mỗi loại cây trồng có những đặc tính và đặc điểm khác nhau, tác động từ môi trường đến sự sinh trưởng của các loại cây trồng cũng không giống nhau. Để đạt được chất lượng thu hoạch cao, đã có nghiên cứu thực hiện theo dõi môi trường sống của cây bằng cách sử dụng các cảm biến điện tử để thu thập dữ liệu sau đó hiển thị trên màn hình hoặc ứng dụng nhằm trực quan hóa môi trường sống của cây dưới dạng số liệu có thể đọc được [2]. Nhưng chỉ nắm bắt được thông tin môi trường sống của cây vẫn chưa thể thực sự nâng cao hiệu suất cây trồng.
Kiểm soát nước cung cấp cho cây cũng là một vấn đề rất được quan tâm, cây trồng không thể phát triển tốt nếu không được cung cấp nước đầy đủ. Một số nghiên cứu khác đề xuất giải pháp kiểm soát lượng nước tưới cho cây bằng việc thiết lập các ngưỡng giá trị về độ ẩm đất, nếu độ ẩm của đất chưa đạt ngưỡng cho phép thì sẽ tự động kích hoạt máy bơm để cung cấp nước và tự động tắt máy bơm khi độ ẩm đất đã ở mức ổn định [3] [4] [5]. Hoạt động cung cấp nước thông qua dữ liệu độ ẩm đất thu được từ cảm biến cũng gặp một số vấn đề như: trong thời điểm giữa trưa nắng với nhiệt độ môi trường cao, độ ẩm đất giảm mạnh nhưng nếu tưới nước vào thời điểm này cây sẽ rất dễ bị chết. Để giải quyết vấn đề cung cấp nước đúng thời điểm cho cây, giải pháp lập lịch tưới cây được thực hiện, một số nghiên cứu xác định cây trồng cần phải được tưới nước hai lần một ngày vào sáng và tối, kết hợp thời gian tưới với việc so sánh dữ liệu thu được từ cảm biến với ngưỡng độ ẩm đất để ra quyết định bật/tắt máy bơm [6].
Điều này chỉ thực sự đúng với một số loại cây trồng, vì có những loại cây cần nhiều hoặc ít hơn hai lần tưới trong ngày và không cố định vào thời điểm sáng và tối. Hầu hết các giải pháp được đưa ra đều chỉ tập trung theo dõi và chăm sóc cây trồng ở một khu vực nhất định và chưa có giải pháp nào cho việc theo dõi nhiều khu vực trồng cây khác nhau. Mục tiêu và định hướng giải pháp Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu và đưa ra giải pháp nhằm giải quyết các vấn đề: theo dõi môi trường sống của cây, kiểm soát lượng nước tưới cho cây và kiểm soát cây trồng ở nhiều vị trí khác nhau. 3 Giải pháp hướng tới là sử dụng các thiết bị nhúng kết nối tới ứng dụng di động thông qua internet để giải quyết các vấn đề trong việt trồng và chăm sóc cây trồng tại nhà.
Tổng quan giải pháp được minh họa trên Hình 1.1: Mô hình giải pháp Để theo dõi môi trường sống của cây cần phải sử dụng các cảm biến có chức năng chuyên biệt, ví dụ: cảm biến độ ẩm để đo độ ẩm đất, cảm biến nhiệt độ để đo nhiệt độ môi trường, cảm biến độ pH để đo độ chua của đất,. các cảm biến này sẽ được lắp đặt tại các khu vực trồng cây, có nhiệm vụ thu thập các thông số môi trường sống của cây sau đó xử lý và lưu trữ vào CSDL đồng thời hiển thị trên ứng dụng di động dưới dạng số liệu để người dùng dễ dàng theo dõi. Các loại cây trồng khác nhau thường có thời gian tưới cây và lượng nước cần cung cấp khác nhau. Trong các hệ thống chăm sóc cây trồng, máy bơm là dụng cụ được sử dụng để bơm nước tưới cho cây, vì các loại máy bơm khác nhau có khả năng hoạt động không giống nhau nên để kiểm soát được lượng nước tưới cho cây cần kiểm soát được thời gian hoạt động của máy bơm.
Đối với thời gian tưới cây trong ngày, cần phải có lịch trình tưới cây chi tiết và có thể thay đổi để áp dụng lên nhiều loại cây trồng. Trong một hệ thống chăm sóc cây trồng thông minh, sẽ có nhiều bộ xử lý trung tâm được sử dụng, mỗi bộ xử lý trung tâm được lập trình để thu thập dữ liệu và đảm nhiệm việc theo dõi cũng như kiểm soát một khu vực trồng cây nhất định. Với mục tiêu kiểm soát được nhiều khu vực trồng cây khác nhau, cần phải kiểm soát được các bộ xử lý trung tâm tại mỗi vị trí. Để làm được điều đó cần phải định danh các bộ xử lý và dữ liệu thu về bằng các mã thiết bị riêng biệt, sau đó quản lý các khu vực trồng cây thông qua mã thiết bị trên ứng dụng di động.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung vào nghiên cứu ứng dụng của IoT trong hoạt động chăm sóc cây trồng; tìm hiểu về cách thức hoạt động của Arduino, cảm biến độ ẩm đất và cảm biến nhiệt độ. Từ đó áp dụng vào việc xây dựng lên hệ thống hỗ trợ cho việc chăm sóc cây trồng thông minh. Phạm vi của hệ thống tập trung vào việc giải quyết các vấn đề phát sinh trong hoạt động chăm sóc cây trồng tại nhà; theo dõi các thông số môi trường sống của cây tại một hoặc các địa điểm khác nhau trong nhà; xây dựng lịch trình tưới cây tự động, hỗ trợ cho việc kiểm soát và điều phối nước phù hợp cho nhiều loại cây trồng.