Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành nông nghiệp Việt Nam đang trong giai đoạn chuyển dịch mạnh mẽ theo định hướng ứng dụng công nghệ cao nhằm nâng cao năng suất, chất lượng nông sản và thích ứng với biến đổi khí hậu. Cùng với sự phê duyệt của Thủ tướng Chính phủ về Chương trình phát triển nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao, việc ứng dụng các thành tựu của cuộc Cách mạng công nghiệp 4.0 và công nghệ Internet vạn vật (IoT) vào sản xuất nông nghiệp đã trở thành xu hướng tất yếu.

Trong thực tế canh tác, việc quản lý và chăm sóc đồng thời nhiều phân khu vườn trồng rau có khoảng cách địa lý xa nhau gặp nhiều trở ngại về mặt nhân lực, thời gian và chi phí vận hành. Các phương pháp tưới tiêu truyền thống và giám sát thủ công thường tiêu tốn nhiều nước, không kiểm soát chính xác độ ẩm và nhiệt độ vi khí hậu, đồng thời làm tăng nguy cơ sâu bệnh hoặc dập nát rau khi gặp thời tiết bất lợi. Để giải quyết triệt để vấn đề này, đề tài "Thiết kế và chế tạo hệ thống chăm sóc cây trồng tự động" được thực hiện nhằm xây dựng một hệ thống tích hợp giám sát từ xa qua mạng không dây và điều khiển tự động tại chỗ cho các khu vườn phân tán.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định qua các nhiệm vụ cụ thể sau:

  1. Tìm hiểu cơ chế hoạt động của hệ thống tưới cây và chăm sóc cây trồng tự động.
  2. Phân tích sơ đồ nguyên lý của các khối chức năng trong hệ thống điều khiển và truyền thông.
  3. Nâng cao kỹ năng lập trình vi điều khiển, thiết kế mạch phần cứng và xử lý tín hiệu cảm biến.
  4. Phát triển tư duy kỹ thuật trong việc giải quyết bài toán tự động hóa nông nghiệp thực tế.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài bao gồm:

  • Đối tượng cây trồng: Các loại rau ăn lá hàng ngày canh tác trong nhà vườn.
  • Các thiết bị đo lường và cảm biến: Cảm biến độ ẩm đất (Soil Moisture Sensor), cảm biến lượng mưa (Raindrop Sensor), cảm biến nhiệt độ - độ ẩm không khí (DHT11).
  • Hệ sinh thái phần cứng và phần mềm: Vi điều khiển ESP32, chuẩn truyền thông RS485, nền tảng ứng dụng Blynk IoT 2.0 trên thiết bị di động.
  • Hệ thống cơ điện chấp hành: Hệ thống tưới phun sương bằng máy bơm áp lực, quạt thông gió làm mát công nghiệp và động cơ kéo cuốn mái che tự động.

Phạm vi nghiên cứu được xác định cụ thể:

  • Không gian: Thiết kế và tính toán kỹ thuật áp dụng cho 2 khu vườn trồng rau có diện tích mỗi vườn là 10m x 30m (300 $m^2$), đặt cách nhau trong phạm vi 1 km; đồng thời chế tạo mô hình thực nghiệm để kiểm chứng nguyên lý hoạt động.
  • Thời gian thực hiện: Đồ án được hoàn thành vào tháng 06/2024 tại Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết về hệ thống nhúng IoT, kỹ thuật truyền thông công nghiệp và tự động hóa quá trình canh tác nông nghiệp:

  • Vi điều khiển ESP32: Nền tảng SoC 32-bit lõi kép Xtensa LX6 của Espressif Systems với xung nhịp 160–240 MHz, tích hợp sẵn kết nối Wi-Fi chuẩn 802.11 b/g/n và Bluetooth v4.2 BR/EDR & BLE. ESP32 cung cấp 38 chân GPIO, tích hợp bộ chuyển đổi ADC 12-bit (18 kênh), DAC 8-bit (2 kênh), các giao diện SPI, I2C, UART, PWM và khả năng tiết kiệm năng lượng ở các chế độ ngủ sâu (Deep Sleep).
  • Chuẩn truyền thông nối tiếp RS485 (TIA/EIA-485): Giao thức truyền thông vi sai trên cặp dây xoắn, cho phép truyền dữ liệu khoảng cách xa lên đến 1200 m, khả năng chống nhiễu điện từ vượt trội trong môi trường công nghiệp/nông nghiệp và cho phép kết nối tối đa 32 thiết bị trên cùng một bus truyền dẫn.
  • Nền tảng Blynk IoT 2.0: Hệ thống máy chủ đám mây và giao diện ứng dụng di động cho phép kết nối, đồng bộ dữ liệu cảm biến và gửi lệnh điều khiển từ xa thông qua giao thức API và mã định danh xác thực (Auth Token).
  • Lý thuyết thủy lực và vi khí hậu nhà màng: Các công thức tính toán lưu lượng thông khí, công suất máy bơm tưới sương và mô-men kéo cơ khí cho hệ thống bạt che PE.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được tác giả triển khai bao gồm:

  • Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tổng hợp tài liệu về vi xử lý, chuẩn giao tiếp RS485, lý thuyết thiết kế mạch và thư viện Blynk cho Arduino IDE.
  • Phương pháp khảo sát và tính toán thiết kế: Tính toán các thông số kỹ thuật thực tế cho nhà vườn diện tích 300 $m^2$, bao gồm lưu lượng khí cần trao đổi, công suất kéo của động cơ mái che, áp suất và mật độ phân bố béc tưới phun sương, tính toán phụ tải điện của hệ thống mạch điều khiển.
  • Phương pháp thiết kế quy trình công nghệ và thuật toán: Thiết lập lưu đồ điều khiển hai chế độ (Auto/Manual) và cơ chế xử lý sự cố mất kết nối mạng.
  • Phương pháp thực nghiệm và kiểm thử: Chế tạo mô hình phần cứng gồm 1 trạm Master và 2 trạm Slave, lập trình nạp code, chạy thử nghiệm đo đạc tốc độ kết nối Wi-Fi và độ trễ phản hồi lệnh điều khiển.

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu xuất phát từ các bảng thông số kỹ thuật (Datasheet) của nhà sản xuất linh kiện, các công thức kỹ thuật chuyên ngành và dữ liệu đo kiểm thực tế trong quá trình vận hành mô hình.

Thiết kế kỹ thuật và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc điều khiển phân tán gồm 1 bộ điều khiển trung tâm (ESP32 Master) và 2 bộ điều khiển tại chỗ (ESP32 Slave 1 và ESP32 Slave 2) đặt tại 2 khu vườn cách nhau 1 km.

[Ứng dụng Blynk (Smartphone)]
      [ESP32 MASTER]
[ESP32 SLAVE 1 (Vườn 1)]        [ESP32 SLAVE 2 (Vườn 2)]
  - 3 Cảm biến độ ẩm đất          - 3 Cảm biến độ ẩm đất
  - Cảm biến mưa (Raindrop)       - Cảm biến mưa (Raindrop)
  - Cảm biến DHT11                - Cảm biến DHT11
  - Màn hình LCD I2C              - Màn hình LCD I2C
  - Relay điều khiển Bơm          - Relay điều khiển Bơm
  - Relay điều khiển Quạt         - Relay điều khiển Quạt
  - Relay điều khiển Mái che      - Relay điều khiển Mái che

Tính toán và lựa chọn thiết bị phần cứng

  1. Mạch nguồn điều khiển: Tổng dòng điện tiêu thụ của các linh kiện trong mạch điều khiển 5 VDC được tác giả thống kê nhằm chọn nguồn cấp phù hợp.
Tên linh kiện Điện áp hoạt động Dòng điện tiêu thụ
ESP32-WROOM-32E 5 VDC 200 mA
Các cảm biến (Độ ẩm đất, Mưa, DHT11) 2,7 V – 6 VDC 50 mA x 3 = 150 mA
Module chuyển đổi MAX485 5 VDC 250 mA
Module Relay 5V (4 kênh) 5 VDC 80 mA x 4 = 320 mA
Màn hình LCD I2C 5 VDC 50 mA
Tổng cộng 5 VDC 970 mA

Dựa trên tổng dòng điện tính toán $I_{tong} = 970\text{ mA}$, tác giả lựa chọn bộ chuyển đổi nguồn xoay chiều sang một chiều 220 VAC – 5 VDC có dòng định mức 2 A (dòng đỉnh 3 A, công suất định mức 10 W, tối đa 15 W).

  1. Hệ thống quạt thông gió làm mát:
  • Diện tích vườn: $10\text{ m} \times 30\text{ m} = 300\text{ }m^2$.
  • Nhu cầu lưu thông khí tối thiểu: 50 lần/giờ.
  • Lưu lượng khí yêu cầu: $300\text{ }m^2 \times 50\text{ lần/giờ} = 15.000\text{ }m^3/\text{giờ}$.
  • Thiết bị lựa chọn: Quạt thông gió công nghiệp KVF 3076 (Taiwan), điện áp 220V/50Hz, công suất 450 W, lưu lượng gió đạt $24.300\text{ }m^3/\text{giờ}$, tốc độ gió 612 m/phút, tốc độ quay 880 vòng/phút, cấp bảo vệ IP55.
  1. Hệ thống động cơ kéo mái che:
  • Mái che sử dụng bạt PE, chiều rộng 10 m, chiều dài 30 m, trọng lượng riêng $0,3\text{ kg}/m^2$, hệ số ma sát $\mu = 0,3$.
  • Khối lượng bạt: $10\text{ m} \times 30\text{ m} \times 0,3\text{ kg}/m^2 = 90\text{ kg}$.
  • Lực kéo: $F = 90\text{ kg} \times 0,3 = 27\text{ kg} \approx 270\text{ N}$.
  • Vận tốc cuốn mong muốn (cuốn 30 m trong 1 phút): $v = 0,5\text{ m/s}$.
  • Mô-men cần thiết: $M = 270\text{ N} \times 0,5\text{ m} = 135\text{ Nm}$.
  • Công suất tính toán: $P = (270\text{ N} \times 0,5\text{ m/s}) / 9550 \approx 0,7\text{ kW}$.
  • Thiết bị lựa chọn: Động cơ giảm tốc Panasonic 1 pha có tụ điện, công suất 0,75 kW, điện áp 220V, dòng điện 3,4 A, tốc độ 1400 vòng/phút, mô-men xoắn 5,3 Nm, hộp giảm tốc trục vít bánh vít tỉ số 1:10, cấp bảo vệ IP55.
  1. Hệ thống máy bơm nước tưới sương:
  • Bố trí 8 luống rau (rộng 1 m, dài 30 m, cách nhau 0,2 m). Bán kính tưới của béc là 1 m, sử dụng tổng cộng 240 béc tưới phun sương trên diện tích thực $240\text{ }m^2$ (mật độ 1 béc/$m^2$).
  • Lưu lượng mỗi béc: 5 lít/giờ $\rightarrow$ Tổng lưu lượng tưới: $240 \times 5 = 1200\text{ lít/giờ}$.
  • Ở áp suất 1 bar, công suất yêu cầu tính toán $P > 1,6\text{ kW}$.
  • Thiết bị lựa chọn: Để phù hợp lưới điện sinh hoạt 1 pha và tối ưu kinh tế, hệ thống sử dụng 2 máy bơm Lepono công suất 1,1 kW (1,5 HP), lưu lượng 180 lít/phút, cột áp 42 m, cấp bảo vệ IPX4. Mỗi máy bơm vận hành độc lập 120 béc tưới.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Chương này phân tích bối cảnh nông nghiệp công nghệ cao tại Việt Nam và tính cấp thiết của việc tự động hóa khâu chăm sóc cây trồng. Tác giả so sánh chi tiết hai phương pháp tưới tiêu tự động phổ biến:

  • Tưới phun sương: Hạt nước mịn, phân bố đều, tiết kiệm nước, thích hợp cho hoa và rau mỏng manh, tuy nhiên nước dễ bốc hơi.
  • Tưới phun mưa: Thấm sâu tốt nhưng hạt nước lớn dễ gây dập nát các loại rau nhỏ, tiêu tốn lưu lượng nước lớn và dễ văng nước ra lối đi.

Từ 4 tiêu chí đề ra (độ chuẩn xác và ổn định, chất lượng và hiệu quả, mức độ tự động hóa cao, chu trình khép kín chi phí hợp lý), tác giả quyết định lựa chọn phương pháp tưới phun sương. Chương này cũng xác định kiến trúc tổng quan kết hợp truyền thông có dây RS485 và không dây Wi-Fi/Blynk, cùng với mục tiêu, đối tượng, phương pháp và giới hạn của đề tài.

Chương 2: Tổng quan về vi điều khiển và Blynk

Nội dung chương tập trung trình bày chi tiết cơ sở lý thuyết về các thành phần cốt lõi:

  • Vi điều khiển ESP32: Cấu tạo vi xử lý Xtensa Dual-Core LX6, bảng phân bố chân GPIO, các chân chỉ đầu vào (GPIO 34–39), các chân kết nối SPI Flash (GPIO 6–11), 10 chân cảm ứng điện dung (Touch pins), 18 kênh ADC 12-bit (0–4095), 2 kênh DAC 8-bit (0–255), 16 kênh PWM, các chân RTC đánh thức Deep Sleep, cổng giao tiếp I2C mặc định (SDA: GPIO 21, SCL: GPIO 22) và chuẩn SPI (VSPI, HSPI).
  • Nền tảng Blynk IoT 2.0: Kiến trúc phần mềm, quy trình tạo dự án, thiết lập Auth Token, cấu hình Widget Box gán chân Virtual/Digital Pin và cách cài đặt thư viện Blynk trên Arduino IDE.
  • Chuẩn truyền thông RS485: Nguyên lý truyền vi sai qua 2 dây xoắn bán song công (Half-duplex) và 4 dây toàn song công (Full-duplex), đánh giá ưu điểm chống nhiễu, khoảng cách truyền 1200 m và khả năng kết nối bus 32 thiết bị.

Chương 3: Thiết kế hệ thống và chế tạo mô hình

Chương 3 trình bày toàn bộ quá trình tính toán, lựa chọn linh kiện và so sánh quy trình công nghệ:

  • Tính toán điện áp, dòng điện chọn nguồn 5V 2A; lựa chọn module MAX485 TTL-RS485; lựa chọn cảm biến đất Soil Moisture Sensor (3 cảm biến/vườn lấy giá trị trung bình cộng), cảm biến mưa Raindrop Sensor và cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11; tính chọn quạt KVF 3076 (450W), động cơ cuốn mái Panasonic (0,75 kW), 2 máy bơm Lepono (1,1 kW) và module Relay 5V 1 kênh.
  • So sánh hai quy trình công nghệ:
    • Quy trình 1: Khi mất kết nối Wi-Fi quá 1 phút, hệ thống dừng hoạt động và phải khởi động lại nguồn thủ công.
    • Quy trình 2: Khi mất kết nối Wi-Fi, hệ thống vẫn duy trì đọc cảm biến, hiển thị LCD, vận hành chế độ Auto độc lập tại chỗ và tự động thăm dò kết nối lại Wi-Fi sau mỗi 5 giây.
  • Tác giả quyết định lựa chọn Quy trình công nghệ 2 nhằm đảm bảo tính liên tục và an toàn cho cây trồng.

Chương 4: Lập trình điều khiển

Chương 4 mô tả thiết kế phần mềm nhúng và cấu trúc điều khiển:

  • Xây dựng sơ đồ đấu nối chi tiết cho ESP32 Master, ESP32 Slave 1 và ESP32 Slave 2.
  • Lập bảng phân công đầu vào/đầu ra (I/O) kết nối màn hình LCD, cảm biến DHT11, cảm biến mưa, cảm biến độ ẩm đất và các rơle điều khiển động cơ.
  • Xây dựng các lưu đồ thuật toán:
    • Lưu đồ chương trình chính: Khởi tạo hệ thống, thiết lập giao tiếp RS485 và Wi-Fi/Blynk.
    • Lưu đồ điều khiển Smartphone: Nhận lệnh từ ứng dụng Blynk để chuyển chế độ hoặc bật/tắt cưỡng bức các cơ cấu chấp hành.
    • Lưu đồ điều khiển trực tiếp: Quét nút nhấn vật lý tại tủ điều khiển khi vận hành bằng tay.
    • Lưu đồ điều khiển tự động (Auto): Điều khiển tải theo ngưỡng logic cảm biến đã cài đặt.

Chương 5: Thử nghiệm, phân tích, đánh giá và kết quả

Chương cuối cùng tiến hành thử nghiệm mô hình thực tế để đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật:

  • Thiết lập điều kiện thử nghiệm và quy trình kiểm thử khả năng kết nối mạng, khả năng truyền dữ liệu RS485 giữa Master và 2 Slave.
  • Đo đạc và thống kê tốc độ kết nối Wi-Fi của các bộ vi điều khiển.
  • Đánh giá tốc độ phản hồi lệnh điều khiển từ ứng dụng Blynk đến các cơ cấu chấp hành trên mô hình.
  • Phân tích nguyên nhân sai số và tính ổn định của các cảm biến trong quá trình vận hành thực tế.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  1. Hệ thống điều khiển hai chế độ hoàn chỉnh:
  • Chế độ tự động (Auto): Vận hành chính xác theo các ngưỡng thông số môi trường đã thiết lập:
    • Độ ẩm đất $< 50%$: Tự động bật máy bơm tưới sương; khi độ ẩm đất $> 60%$: Tự động tắt máy bơm.
    • Cảm biến mưa phát hiện có mưa: Tự động kích hoạt động cơ đóng mái che; khi trời tạnh mưa: Mở mái che.
    • Nhiệt độ môi trường $> 35^\circ\text{C}$: Tự động bật quạt thông gió làm mát; khi nhiệt độ giảm xuống $< 32^\circ\text{C}$: Tự động tắt quạt.
  • Chế độ bằng tay (Manual): Cho phép người dùng chuyển chế độ và can thiệp bật/tắt độc lập máy bơm, quạt gió, đóng/mở mái che thông qua giao diện Blynk trên điện thoại hoặc các nút nhấn cơ học trực tiếp tại trạm.
  1. Thông số kỹ thuật tổng hợp của mô hình:
Hạng mục Thông số kỹ thuật lựa chọn Cơ sở tính toán / Chức năng
Vi điều khiển ESP32-WROOM-32E (3 bộ) 1 Master kết nối Blynk, 2 Slave quản lý 2 vườn
Truyền thông RS485 qua module MAX485 Cấu hình 2 dây bán song công, tầm xa thiết kế 1 km
Nguồn cấp 220 VAC sang 5 VDC / 2 A Đáp ứng tổng tải mạch điều khiển 970 mA
Đo độ ẩm đất Soil Moisture Sensor (3 cảm biến/vườn) Lấy giá trị trung bình cộng 3 điểm đo
Đo nhiệt độ/ẩm khí DHT11 Dải đo $0-50^\circ\text{C}$ ($\pm 2^\circ\text{C}$), 20-80%RH ($\pm 5%$)
Cảm biến mưa Raindrop Sensor Module So sánh mức tín hiệu số qua IC LM358
Hệ thống thông gió Quạt KVF 3076 (450 W, 220 V) Lưu lượng $24.300\text{ }m^3/\text{h}$ (nhu cầu: $15.000\text{ }m^3/\text{h}$)
Hệ thống mái che Động cơ Panasonic 0,75 kW, giảm tốc 1:10 Kéo bạt PE 90 kg với lực 270 N, vận tốc 0,5 m/s
Hệ thống tưới 2 Máy bơm Lepono 1,1 kW + 240 béc sương Tổng lưu lượng 1200 l/h, mỗi bơm phụ trách 120 béc
  1. Tính ổn định của thuật toán xử lý sự cố mạng: Việc áp dụng Quy trình công nghệ 2 giúp hệ thống không bị treo hay gián đoạn khi mất kết nối Wi-Fi; các trạm Slave vẫn tự động kiểm soát cây trồng theo ngưỡng cảm biến và tự động đồng bộ lại với Master sau mỗi chu kỳ quét 5 giây khi có mạng trở lại.

Đóng góp của đề tài

  • Đề xuất giải pháp kiến trúc mạng lai (Hybrid Network) kết hợp giữa chuẩn truyền thông công nghiệp có dây RS485 (chống nhiễu, cự ly dài 1 km) và kết nối không dây Wi-Fi/Blynk IoT (giám sát di động), giải quyết hiệu quả bài toán quản lý nông nghiệp phân tán với chi phí đầu tư thấp.
  • Đưa ra phương pháp tính toán kỹ thuật hoàn chỉnh và bài bản từ khâu tính toán tải động học bạt che, lưu lượng thủy lực béc phun, trao đổi khí nhà màng cho đến phụ tải điện tử vi mạch.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Hệ thống mới dừng lại ở mức độ chế tạo mô hình thực nghiệm quy mô nhỏ, chưa được triển khai và kiểm chứng dài hạn trên điều kiện trang trại thực tế diện tích 300 $m^2$.
  • Các dòng cảm biến sử dụng trong mô hình (Soil Moisture dạng chân cắm điện trở, DHT11) là dòng phổ thông phục vụ nghiên cứu, độ bền và độ chính xác dễ bị suy giảm khi làm việc lâu dài trong môi trường ngoài trời có độ ẩm cao và hóa chất nông nghiệp.
  • Hệ thống chưa được tích hợp giao diện giám sát trung tâm trên máy tính (SCADA hoặc Web Dashboard chuyên dụng) mà chỉ phụ thuộc vào ứng dụng di động Blynk.
  • Độ ổn định toàn diện của hệ thống cơ điện và mạch truyền thông khi mở rộng quy mô lớn cần được tối ưu hóa thêm.

Hướng phát triển tiếp theo

  • Triển khai lắp đặt và hiệu chuẩn hệ thống trên diện tích đất canh tác thực tế với quy mô 2 vườn rau $10\text{ m} \times 30\text{ m}$.
  • Thay thế các cảm biến phổ thông bằng các cảm biến chuyên dụng chuẩn công nghiệp (cảm biến độ ẩm đất dạng điện dung chống ăn mòn, cảm biến nhiệt độ SHT30/PT100).
  • Xây dựng phần mềm quản trị và giám sát SCADA trên máy tính để thu thập, lưu trữ cơ sở dữ liệu canh tác theo thời gian thực và hỗ trợ phân tích dữ liệu lớn.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo giá trị đối với:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Điện tử – Viễn thông, Cơ điện tử và Nông nghiệp công nghệ cao: Cung cấp tài liệu mẫu về quy trình thiết kế hệ thống nhúng điều khiển phân tán Master - Slave.
  • Người thực hiện các đề tài về IoT và Nông nghiệp thông minh: Tham khảo phương pháp tính toán cơ điện thực tế (chọn quạt thông gió, tính chọn bơm tưới sương, tính mô-men động cơ kéo bạt mái che) và thiết kế mạch chuyển đổi TTL sang RS485 dùng IC MAX485.
  • Kỹ sư phát triển hệ thống nhúng: Tham khảo cấu trúc thuật toán dự phòng sự cố mất kết nối mạng Wi-Fi và phương thức ánh xạ cổng I/O trên vi điều khiển ESP32.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tác giả lựa chọn chuẩn truyền thông RS485 để kết nối giữa trạm Master và các trạm Slave thay vì các chuẩn không dây như LoRa hay UART?
Trả lời: Theo tính toán trong đồ án, 2 vườn rau nằm cách xa nhau trong phạm vi 1 km. Chuẩn UART chỉ hỗ trợ cự ly ngắn (dưới 15 m), giao tiếp I2C chỉ trong phạm vi 1 m. Trong khi đó, chuẩn RS485 hỗ trợ truyền dữ liệu khoảng cách lên đến 1200 m (phù hợp cự ly 1 km của đề tài), sử dụng tín hiệu vi sai trên cặp dây xoắn giúp chống nhiễu điện từ vượt trội trong môi trường nông nghiệp, hỗ trợ tối đa 32 thiết bị trên cùng một bus và có chi phí linh kiện thấp hơn so với module không dây LoRa.

2. Điểm khác biệt mấu chốt giữa Quy trình công nghệ 1 và Quy trình công nghệ 2 được đề xuất trong đồ án là gì?
Trả lời: Ở Quy trình công nghệ 1, nếu hệ thống mất kết nối Wi-Fi quá 1 phút, toàn bộ hệ thống sẽ dừng hoạt động và bắt buộc phải tắt mở nguồn để khởi động lại thủ công. Ở Quy trình công nghệ 2, khi mất kết nối Wi-Fi, hệ thống vẫn duy trì đọc cảm biến, hiển thị thông số lên màn hình LCD, thực hiện bình thường chế độ tưới tự động (Auto) hoặc nhận nút bấm cơ học tại chỗ, đồng thời định kỳ mỗi 5 giây sẽ tự động kiểm tra và kết nối lại Wi-Fi mà không cần can thiệp thủ công.

3. Cơ sở tính toán nào dẫn đến việc lựa chọn 2 máy bơm Lepono 1,1 kW thay vì dùng 1 máy bơm công suất lớn duy nhất?
Trả lời: Hệ thống phân bổ 240 béc tưới phun sương (lưu lượng 5 lít/giờ/béc), tổng lưu lượng nước yêu cầu là 1200 lít/giờ. Ở áp suất 1 bar, công suất tính toán yêu cầu phải lớn hơn 1,6 kW. Để phù hợp với điều kiện lưới điện 1 pha tại các hộ nông dân và tiết kiệm chi phí đầu tư, tác giả chọn phương án chia đôi hệ thống thành 2 nhánh, mỗi nhánh sử dụng 1 máy bơm Lepono 1,1 kW (1,5 HP) vận hành độc lập cho 120 béc tưới.

4. Các ngưỡng giá trị cảm biến được cài đặt trong chương trình điều khiển tự động (Auto) là bao nhiêu?
Trả lời: Trong chế độ Auto:

  • Bơm nước: Tự động BẬT khi độ ẩm đất $< 50%$ và TẮT khi độ ẩm đất $> 60%$.
  • Mái che: Tự động ĐÓNG khi cảm biến mưa phát hiện có mưa và MỞ khi trời tạnh mưa.
  • Quạt thông gió: Tự động BẬT khi nhiệt độ môi trường $> 35^\circ\text{C}$ và TẮT khi nhiệt độ hạ xuống $< 32^\circ\text{C}$.

5. Nguồn điện 5 VDC 2 A của tủ điều khiển được lựa chọn dựa trên mức tiêu thụ dòng điện của các linh kiện nào?
Trả lời: Tổng dòng điện tiêu thụ tính toán của mạch điều khiển là 970 mA, bao gồm: vi điều khiển ESP32-WROOM-32E (200 mA), 3 cảm biến (độ ẩm đất, mưa, DHT11 tiêu thụ $3 \times 50\text{ mA} = 150\text{ mA}$), module MAX485 (250 mA), module 4 rơle 5V ($4 \times 80\text{ mA} = 320\text{ mA}$) và màn hình LCD I2C (50 mA). Do đó, bộ nguồn chuyển đổi 220 VAC sang 5 VDC 2 A (công suất 10 W, dòng đỉnh 3 A) đảm bảo cung cấp đủ công suất và hệ số an toàn cho mạch.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo hệ thống chăm sóc cây trồng tự động" của sinh viên Lê Danh Anh đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống nông nghiệp thông minh phân tán. Đề tài đã kết hợp thành công công nghệ truyền thông công nghiệp RS485 cự ly xa 1 km với nền tảng IoT Blynk 2.0 trên vi điều khiển ESP32 để tự động hóa toàn diện quy trình tưới phun sương, thông gió làm mát và che mưa cho 2 vườn rau. Các kết quả tính toán cơ điện bài bản và thử nghiệm thực nghiệm đã chứng minh tính khả thi, độ tin cậy và giá trị ứng dụng cao của giải pháp trong thực tiễn hiện đại hóa nông nghiệp.