Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế đô thị hóa nhanh chóng và gia tăng dân số, việc đảm bảo nguồn thực phẩm sạch, an toàn và bền vững trở thành vấn đề cấp bách tại các khu đô thị. Canh tác nông nghiệp truyền thống đang chịu áp lực lớn từ biến đổi khí hậu, sự suy thoái tài nguyên đất, nguồn nước và tính bất ổn định của thời tiết. Tại Việt Nam, tình trạng suy thoái môi trường nông nghiệp khiến nhu cầu tự sản xuất rau sạch tại chỗ của cư dân đô thị ngày càng gia tăng.

Mô hình nông nghiệp trong nhà (indoor farm) được xem là giải pháp tiềm năng nhờ khả năng kiểm soát chủ động các thông số vi khí hậu như ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm và dinh dưỡng. Tuy nhiên, rào cản lớn nhất của các hệ thống canh tác trong nhà truyền thống là mức tiêu thụ điện năng rất lớn cho hệ thống đèn chiếu sáng nhân tạo và thiết bị điều hòa môi trường. Việc ứng dụng hệ thống canh tác trong nhà tại ban công căn hộ chung cư kết hợp với nguồn năng lượng mặt trời là giải pháp kỹ thuật khả thi, giúp giảm chi phí vận hành, giảm lượng phát thải carbon và khai thác tối đa nguồn bức xạ mặt trời dồi dào của khu vực nhiệt đới tại Việt Nam.

Đồ án tốt nghiệp xác định các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể như sau:

  • Mục tiêu chung:
    1. Phát triển hệ thống tự động hóa toàn diện: Thiết kế và xây dựng mô hình nông trại trong nhà thông minh, tự động điều chỉnh ánh sáng và tưới tiêu bằng năng lượng mặt trời, phục vụ nhu cầu tự trồng rau sạch tại ban công chung cư.
    2. Đánh giá hiệu suất và khả năng ứng dụng: Phân tích khả năng cung cấp, lưu trữ và sử dụng năng lượng mặt trời; đánh giá hiệu suất năng lượng, tính liên tục trong vận hành và tối ưu hóa chi phí đầu tư.
    3. Hướng đến phát triển nông nghiệp đô thị bền vững: Cung cấp giải pháp nông nghiệp đô thị hiện đại, giảm phụ thuộc vào phương thức canh tác truyền thống, góp phần xây dựng lối sống xanh.
  • Mục tiêu cụ thể:
    1. Thiết kế hệ thống quy mô nhỏ, công suất và kích thước phù hợp với không gian ban công căn hộ.
    2. Lựa chọn đối tượng thực nghiệm là cây rau ngắn ngày, dễ thích nghi, có giá trị sử dụng cao: thử nghiệm chính trên rau xà lách (bên cạnh định hướng cho rau cải và rau gia vị như húng).
    3. Tối ưu hóa công nghệ trong giới hạn chi phí: sử dụng đèn LED DC, tưới nhỏ giọt, vi điều khiển cơ bản và tấm pin mặt trời công suất nhỏ nhằm đảm bảo tính khả thi kinh tế.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là mô hình hệ thống chăm sóc vườn tự động độc lập (standalone) gồm khối cấp nguồn điện mặt trời, khối lưu trữ, khối vi điều khiển cảm biến và cơ cấu chấp hành (bơm nước, đèn chiếu sáng). Phạm vi nghiên cứu tập trung vào không gian ban công căn hộ đô thị; thực nghiệm sinh trưởng được tiến hành đối chứng trên cây xà lách trồng trong môi trường đất (địa canh); thời gian hoàn thành nghiên cứu vào tháng 1 năm 2025.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài được xây dựng trên sự giao thoa giữa sinh học cây trồng, công nghệ tự động hóa và kỹ thuật năng lượng tái tạo:

  • Nguyên lý sinh học và quang hợp: Quá trình quang hợp của thực vật hấp thụ mạnh dải ánh sáng xanh dương và đỏ. Cường độ bức xạ quang hợp tối ưu cho sự sinh trưởng của cây xà lách được xác định là $190\ \mu\text{mol}/(\text{m}^2\cdot\text{s})$. Nhu cầu nước của cây phụ thuộc vào độ ẩm của đất, là cơ sở để thiết lập hệ thống tưới nhỏ giọt chính xác vào vùng rễ.
  • Lý thuyết nông nghiệp đô thị và tự động hóa: Khái niệm nông trại thẳng đứng được khởi xướng bởi Giáo sư Dickson Despommier (Đại học Columbia, 1999). Ứng dụng điều khiển nhúng thời gian thực sử dụng các cảm biến môi trường (quang trở LDR, cảm biến độ ẩm đất) kết hợp vi điều khiển giúp tối ưu hóa không gian hẹp và tiết kiệm tài nguyên.
  • Nguyên lý hệ thống điện mặt trời độc lập (Standalone PV): Quá trình chuyển đổi quang - điện dựa trên hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn (với lớp tiếp giáp P-N của tấm pin đơn tinh thể - monocrystalline). Năng lượng điện sinh ra được quản lý qua bộ điều khiển sạc theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT) nạp vào khối pin lưu trữ, cung cấp trực tiếp cho phụ tải một chiều (DC) để triệt tiêu hao phí nghịch lưu DC-AC.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Khảo sát các mô hình quốc tế (AeroFarm, Plenty United tại Mỹ; Spread tại Nhật Bản; A Go-Grow tại Singapore) và các mô hình tại Việt Nam (VinEco, Rau Sạch VF, Dalat Hasfarm, Fargreen) để xác định ưu, nhược điểm của các phương thức canh tác thủy canh, khí canh và địa canh.
  • Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật: Xác định công suất phụ tải (đèn LED DC, bơm tưới DC), tính toán dung lượng pack pin lưu trữ, công suất tấm pin quang điện và chọn bộ điều khiển sạc phù hợp.
  • Phương pháp mô phỏng số học: Sử dụng phần mềm chuyên ngành PVsyst để mô phỏng hệ thống độc lập (Standalone), phân tích biểu đồ phụ tải, tính toán bức xạ theo góc nghiêng tấm pin và xác định sơ đồ tổn thất năng lượng (loss diagram).
  • Phương pháp thực nghiệm đối chứng: Thiết lập 2 chậu thử nghiệm song song đặt cùng vị trí ban công, sử dụng cùng loại đất, cùng đợt hạt giống xà lách và cùng loại chậu: một chậu chăm sóc tự động bằng hệ thống điện mặt trời và một chậu canh tác theo phương pháp tự nhiên.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc phần cứng độc lập hoàn toàn với lưới điện quốc gia, tối ưu hóa theo dòng điện một chiều (DC) nhằm giảm suy hao năng lượng.

[Tấm pin mặt trời Monocrystalline]
     [Đèn LED DC]   [Bơm tưới DC]      [Cảm biến LDR / Độ ẩm đất / RTC DS1307]

Kiến trúc phần cứng và thiết bị lựa chọn

  • Tấm pin năng lượng mặt trời: Sử dụng tấm pin đơn tinh thể (monocrystalline) lắp đặt trên mái nhà hoặc ban công đón nắng, cung cấp nguồn phát chính và nạp điện cho hệ thống lưu trữ.
  • Bộ điều khiển sạc MPPT: Quản lý điện áp và dòng sạc từ tấm pin vào ắc quy/pin lưu trữ, bảo vệ chống sạc quá mức hoặc xả quá sâu, duy trì nguồn DC ổn định.
  • Pin lưu trữ: Tích trữ năng lượng điện phục vụ cấp nguồn liên tục cho phụ tải vào ban đêm hoặc trong điều kiện nhiều mây, mưa.
  • Bộ điều khiển trung tâm (Arduino UNO R3):
    • Vi điều khiển: ATmega328P họ 8-bit, tần số hoạt động 16 MHz.
    • Điện áp hoạt động: 5V DC; điện áp đầu vào khuyên dùng: 7–12V DC.
    • Bộ nhớ: Flash 32 KB (0.5 KB cho bootloader), SRAM 2 KB, EEPROM 1 KB.
    • Giao tiếp I/O: 14 chân Digital (gồm 6 chân PWM), 6 chân Analog (độ phân giải 10-bit), dòng ra tối đa 500 mA tại 5V.
  • Cảm biến ánh sáng LDR: Dùng quang trở có độ nhạy cao kết hợp IC so sánh LM393, cung cấp đầu ra số (DO) và đầu ra tương tự (AO), điện áp làm việc 3.3V–5V DC.
  • Cảm biến độ ẩm đất: Sử dụng que đo điện trở đất tích hợp IC LM393, kích thước PCB $3.4\ \text{cm}$, điện áp làm việc 3.3V–5V DC.
  • Mô-đun thời gian thực (RTC DS1307): Kết nối giao tiếp I2C với Arduino, tích hợp pin backup duy trì thời gian và IC EEPROM AT24C32.
  • Cơ cấu chấp hành: Module Relay 2 kênh cách ly kích hoạt bơm nước DC và hệ thống đèn LED DC chuyên dụng cho cây trồng.

Thuật toán và lưu trình vận hành

Hệ thống hoạt động theo chu trình tự động khép kín dựa trên dữ liệu thời gian thực:

  1. Kiểm tra trạng thái an toàn: Cảm biến độ ẩm kiểm tra dải giá trị $0% - 100%$; cảm biến ánh sáng kiểm tra dải bức xạ $0 - 500\ \mu\text{mol}/(\text{m}^2\cdot\text{s})$. Nếu nằm ngoài khoảng logic, hệ thống gửi cảnh báo và tạm dừng vận hành.
  2. Quản lý phân phối điện: Nếu công suất tấm pin đủ lớn, hệ thống ưu tiên cấp nguồn trực tiếp cho tải và nạp phần dư vào khối pin lưu trữ. Khi bức xạ suy giảm, hệ thống tự động chuyển sang lấy điện từ pin lưu trữ.
  3. Kiểm soát chiếu sáng: Cảm biến LDR đo cường độ bức xạ môi trường. Nếu cường độ ánh sáng tự nhiên nhỏ hơn ngưỡng quang hợp tối ưu của xà lách ($190\ \mu\text{mol}/(\text{m}^2\cdot\text{s})$), Arduino đóng relay bật đèn LED DC; khi cường độ ánh sáng tự nhiên đạt từ $190\ \mu\text{mol}/(\text{m}^2\cdot\text{s})$ trở lên, đèn LED được ngắt để tiết kiệm năng lượng.
  4. Kiểm soát tưới tiêu: Cảm biến độ ẩm đất theo dõi liên tục. Khi độ ẩm xuống dưới $40% - 50%$, vi điều khiển kích hoạt relay bật bơm DC tưới nhỏ giọt. Khi độ ẩm đạt ngưỡng tối ưu từ $75% - 80%$, bơm tự động ngắt.

Bố trí mô hình thực tế

  • Đèn LED DC được lắp cách mặt chậu khoảng $20\ \text{cm}$, phía trên có chụp che mưa để đảm bảo an toàn khi lắp ngoài ban công.
  • Đường ống nước tưới nhỏ giọt được đi trực tiếp vào vùng rễ cây trồng.
  • Dây dẫn nối từ tấm pin trên cao xuống bộ sạc, pack pin lưu trữ và hộp bo mạch điều khiển được bố trí gọn gàng, cách ly chống ẩm.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa lịch sử phát triển của nông nghiệp trong nhà (indoor farm) từ đề xuất canh tác thẳng đứng năm 1999 của Dickson Despommier. Tác giả phân tích bước nhảy vọt công nghệ khi đèn LED quang phổ chọn lọc và cảm biến thông minh ra đời, hỗ trợ quá trình tự động hóa và tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI).

Chương này trình bày các mô hình điển hình trên thế giới như AeroFarm (tiết kiệm 95% nước, năng suất hơn 900 tấn/năm), Plenty United (năng suất gấp 350 lần), Spread (thu hoạch 21.000 cây xà lách/ngày) và A Go-Grow (tháp rau cao 9m sản xuất 2 tấn/ngày). Tại Việt Nam, các mô hình của VinEco, Rau Sạch VF, Dalat Hasfarm và Fargreen được phân tích như minh chứng cho xu hướng nông nghiệp công nghệ cao.

Tác giả so sánh ba phương pháp canh tác: thủy canh, khí canh và địa canh; qua đó khẳng định việc ứng dụng năng lượng mặt trời cho mô hình địa canh tại ban công chung cư là giải pháp tối ưu về tính kinh tế, độ bền và mức độ thân thiện với người dùng gia đình.

Chương 2: Cơ sở lí thuyết

Chương 2 trình bày cơ sở lý thuyết về sinh lý quang hợp của cây trồng, nhấn mạnh vai trò của bước sóng ánh sáng xanh và đỏ trong việc kích hoạt diệp lục, đồng thời phân tích cơ chế cân bằng ẩm vùng rễ.

Về mặt năng lượng, chương này làm rõ nguyên lý hiệu ứng quang điện trong cấu trúc lớp bán dẫn P-type và N-type của pin quang điện, phân tích chức năng của bộ điều khiển sạc MPPT trong việc bảo vệ ắc quy và tối ưu hóa điểm công suất. Ưu thế của mạng điện một chiều (DC) được tác giả phân tích chi tiết nhằm chứng minh tính hiệu quả vượt trội khi loại bỏ khối biến tần nghịch lưu (Inverter).

Chương 3: Thiết kế mô hình đồ án

Chương 3 trình bày chi tiết quy trình tính toán kỹ thuật phần cứng và lưu đồ thuật toán điều khiển. Các thông số vận hành được lượng hóa: ngưỡng quang hợp xà lách là $190\ \mu\text{mol}/(\text{m}^2\cdot\text{s})$, dải độ ẩm duy trì là $70% - 80%$.

Tác giả mô tả chi tiết thông số kỹ thuật của vi điều khiển Arduino UNO R3 (ATmega328P), cảm biến quang trở LDR sử dụng IC so sánh LM393, cảm biến độ ẩm đất LM393, mạch thời gian thực RTC DS1307 kết hợp bộ nhớ EEPROM AT24C32 và module Relay 2 kênh. Các phép tính phụ tải chiếu sáng, lưu lượng bơm, dung lượng pin lưu trữ và công suất tấm pin monocrystalline được trình bày có hệ thống nhằm đảm bảo hệ thống tự cấp điện độc lập.

Chương 4: Mô hình thực tế

Chương 4 thể hiện toàn bộ sơ đồ nối dây điều khiển, sơ đồ cấp nguồn và bố trí cấu trúc vật lý của hệ thống thực nghiệm. Tác giả tiến hành mô phỏng kỹ thuật trên phần mềm PVsyst ở chế độ Standalone. Dữ liệu phụ tải thực tế được nhập từ bảng tính Excel để chạy đồ thị công suất và sơ đồ phân tích tổn thất (loss diagram).

Mô hình thực nghiệm được lắp đặt với khoảng cách đèn đến chậu cây là $20\ \text{cm}$ có chụp che mưa, đường ống tưới nhỏ giọt kết nối với bơm DC. Hai chậu thí nghiệm đối chứng (hệ thống tự động sử dụng điện mặt trời và hệ thống trồng tự nhiên) được bố trí song song trong cùng điều kiện ngoại cảnh để phục vụ đo đạc thực nghiệm.

Chương 5: Kết quả mô hình thực tế

Chương 5 phân tích toàn bộ số liệu thu thập được từ thực nghiệm sinh trưởng và mô phỏng năng lượng. Tác giả đối chiếu các chỉ số nông học của cây xà lách giữa hai hệ thống thông qua các bảng dữ liệu và biểu đồ: độ phủ của cây (Bảng 2, Hình 49), chiều cao cây (Bảng 3, Hình 50) và độ rộng tán lá (Bảng 4, Hình 51).

Về kỹ thuật năng lượng, chương này tổng hợp Bảng 1 (so sánh các phương án thiết kế), Bảng 5 (hiệu suất khi thay đổi công suất pin mặt trời) và Bảng 6 (hiệu suất khi thay đổi công suất pin lưu trữ). Tác giả thiết lập Bảng 7 (bảng trọng số chọn phương án) để lựa chọn cấu hình tối ưu, đồng thời lập Bảng 8 hạch toán chi phí đầu tư linh kiện và tính toán thời gian hoàn vốn kinh tế cho mô hình.

Chương 6: Kết luận và kiến nghị

Chương 6 tổng kết các kết quả đạt được về mặt kỹ thuật và sinh học, khẳng định tính đúng đắn của việc kết hợp năng lượng mặt trời với tự động hóa chăm sóc vườn hộ gia đình. Tác giả đưa ra các kiến nghị cải tiến: mở rộng thực nghiệm trên các giống cây trồng khác, tối ưu hóa chi phí sản xuất và bổ sung module truyền thông không dây để giám sát dữ liệu từ xa.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm sinh học và kỹ thuật

Quá trình theo dõi thực nghiệm đối chứng giữa hệ thống tự động sử dụng điện mặt trời và hệ thống trồng tự nhiên cho thấy sự khác biệt rõ rệt về tốc độ sinh trưởng của cây xà lách:

Tiêu chí đo đạc Hệ thống tự động dùng điện mặt trời Hệ thống trồng tự nhiên Ghi chú kỹ thuật
Độ phủ của cây (Hình 49, Bảng 2) Tăng trưởng nhanh, diện tích phủ bề mặt chậu đồng đều Tăng trưởng chậm, độ phủ phân tán không đều Nhờ bù sáng kịp thời khi bức xạ $< 190\ \mu\text{mol}/(\text{m}^2\cdot\text{s})$
Chiều cao thân cây (Hình 50, Bảng 3) Chiều cao phát triển ổn định, thân cứng cáp Cây có xu hướng vươn dài do thiếu sáng cục bộ Đèn LED DC đặt cách 20 cm cung cấp quang phổ tối ưu
Độ rộng tán lá (Hình 51, Bảng 4) Tán lá xòe rộng, bản lá dày, màu sắc đồng đều Tán hẹp, bản lá mỏng, tốc độ phát triển chậm Độ ẩm đất luôn được giữ trong khoảng $70% - 80%$

Về mặt năng lượng, mô phỏng PVsyst và vận hành thực tế khẳng định cấu hình hệ thống điện mặt trời độc lập đảm bảo cung cấp đủ điện năng cho tải tiêu thụ (đèn LED và bơm DC). Phân tích hiệu suất kỹ thuật thể hiện rõ:

  • Khi thay đổi công suất tấm pin (Bảng 5) và công suất lưu trữ (Bảng 6), hệ thống đạt điểm làm việc tối ưu tại cấu hình được lựa chọn qua Bảng trọng số (Bảng 7).
  • Sơ đồ tổn thất hệ thống (loss diagram) trong PVsyst chứng minh việc sử dụng tải DC trực tiếp giúp giảm thiểu triệt để tổn thất năng lượng so với các hệ thống có bộ nghịch lưu AC thông thường.
  • Hạch toán tài chính (Bảng 8) cho thấy chi phí đầu tư phần cứng ở mức hợp lý đối với quy mô hộ gia đình, có thời gian hoàn vốn rõ ràng thông qua giá trị rau sạch tự cung cấp và tiết kiệm tiền điện.

Đóng góp của đề tài

  • Xây dựng hoàn chỉnh mô hình hệ thống chăm sóc cây trồng độc lập quy mô nhỏ, phù hợp với kiến trúc ban công chung cư tại các đô thị Việt Nam.
  • Tích hợp thành công thuật toán điều khiển nhúng thời gian thực dựa trên ngưỡng quang hợp sinh học ($190\ \mu\text{mol}/(\text{m}^2\cdot\text{s})$) và độ ẩm đất ($70% - 80%$) vào phần cứng vi điều khiển ATmega328P.
  • Ứng dụng thành công phần mềm chuyên ngành PVsyst trong việc tính toán, mô phỏng và kiểm nghiệm hệ thống điện mặt trời độc lập công suất nhỏ cho nông nghiệp đô thị.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Hệ thống phụ thuộc vào điều kiện đón nắng cục bộ của ban công từng căn hộ; diện tích lắp đặt tấm pin mặt trời và chậu cây bị giới hạn bởi không gian sống.
    • Chi phí đầu tư ban đầu cho tấm pin chất lượng cao, bộ sạc MPPT và pin lưu trữ vẫn là rào cản đối với các hộ gia đình có thu nhập thấp.
    • Thực nghiệm mới chỉ tiến hành trên một loại cây duy nhất là rau xà lách; chưa có số liệu thực tế kéo dài trên các loại cây khác như rau cải hay rau gia vị.
    • Hệ thống chưa tích hợp giao diện điều khiển và giám sát từ xa qua mạng Internet (mới dừng lại ở việc thiết kế phần cứng có khả năng giao tiếp nối tiếp).
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Mở rộng đối tượng thử nghiệm sang các loại rau ăn lá khác (rau cải, rau thơm) để chuẩn hóa dải thông số vi khí hậu cho từng loại cây.
    • Nâng cấp bo mạch vi điều khiển kết nối mạng không dây (tích hợp vi điều khiển ESP8266 qua giao tiếp UART) để truyền dữ liệu lên nền tảng đám mây, cho phép người dùng giám sát và điều khiển tưới tiêu qua ứng dụng điện thoại.
    • Nghiên cứu ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) trong việc phân tích ảnh cây trồng để tự động phát hiện sâu bệnh và điều chỉnh dinh dưỡng tưới chính xác hơn.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án có giá trị tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên và học viên: Thuộc các ngành Năng lượng tái tạo, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điện - Điện tử, và Nông nghiệp Công nghệ cao đang thực hiện các đề tài tốt nghiệp hoặc dự án nghiên cứu về trạm nguồn độc lập (standalone microgrid).
  • Kỹ sư thiết kế hệ thống IoT nông nghiệp: Tham khảo cách thức ghép nối các linh kiện phần cứng (Arduino UNO R3, module LM393, RTC DS1307, relay) và thuật toán điều khiển tự động theo ngưỡng sinh học.
  • Nội dung đáng tham khảo nhất:
    • Quy trình tính toán, lựa chọn thiết bị phần cứng điện mặt trời và lưu đồ thuật toán điều khiển tại Chương 3.
    • Quy trình thiết lập dự án Standalone, nhập phụ tải và phân tích biểu đồ tổn thất trên phần mềm PVsyst tại Chương 4.
    • Bảng trọng số đánh giá lựa chọn phương án kỹ thuật và phương pháp thiết lập thí nghiệm đối chứng sinh trưởng tại Chương 5.

Câu hỏi thường gặp

1. Ngưỡng cường độ ánh sáng kích hoạt hệ thống đèn LED DC được thiết lập ở giá trị nào và dựa trên cơ sở gì?

Ngưỡng cường độ ánh sáng được cài đặt ở mức $190\ \mu\text{mol}/(\text{m}^2\cdot\text{s})$. Đây là giá trị cường độ quang hợp tối ưu cho sự sinh trưởng của cây xà lách. Khi cảm biến LDR đo được cường độ ánh sáng tự nhiên thấp hơn $190\ \mu\text{mol}/(\text{m}^2\cdot\text{s})$, hệ thống tự động bật đèn LED DC; khi ánh sáng tự nhiên đạt hoặc vượt ngưỡng này, đèn sẽ tự động tắt.

2. Thuật toán điều khiển hệ thống tưới nước tự động vận hành theo các mốc độ ẩm nào?

Hệ thống sử dụng cảm biến độ ẩm đất để đo lường liên tục. Khi độ ẩm đất giảm xuống dưới ngưỡng $40% - 50%$, vi điều khiển sẽ kích hoạt relay bật máy bơm DC tưới nhỏ giọt. Bơm sẽ tiếp tục hoạt động cho đến khi độ ẩm trong đất đạt ngưỡng tối ưu từ $75% - 80%$ thì tự động ngắt để tránh úng rễ và tiết kiệm nước.

3. Khối điều khiển và giám sát trung tâm của mô hình sử dụng những vi điều khiển và linh kiện bán dẫn nào?

Khối điều khiển trung tâm sử dụng bo mạch Arduino UNO R3 trang bị vi điều khiển ATmega328P họ 8-bit (tần số 16 MHz, bộ nhớ Flash 32 KB, SRAM 2 KB). Các khối cảm biến ánh sáng LDR và cảm biến độ ẩm đất đều sử dụng IC so sánh điện áp LM393. Khối thời gian thực sử dụng module RTC DS1307 giao tiếp qua chuẩn I2C, tích hợp IC nhớ EEPROM AT24C32.

4. Tại sao hệ thống lại sử dụng trực tiếp nguồn điện một chiều (DC) mà không sử dụng bộ nghịch lưu Inverter sang xoay chiều (AC)?

Hệ thống sử dụng trực tiếp nguồn điện DC từ pin lưu trữ để cấp cho đèn LED DC và bơm nước DC nhằm loại bỏ quá trình chuyển đổi năng lượng trung gian (DC sang AC rồi lại từ AC sang DC). Thiết kế này giúp triệt tiêu hoàn toàn tổn thất công suất do bộ nghịch lưu (Inverter) gây ra, nâng cao hiệu suất tổng thể và tăng độ bền cho hệ thống điện mặt trời công suất nhỏ.

5. Phần mềm nào được tác giả sử dụng để mô phỏng và kiểm nghiệm hệ thống điện mặt trời?

Tác giả sử dụng phần mềm chuyên ngành PVsyst. Trong phần mềm, tác giả cấu hình dự án ở chế độ độc lập (Standalone), lựa chọn góc nghiêng tấm pin, nhập dữ liệu phụ tải tiêu thụ từ file Excel, khai báo thông số tấm pin monocrystalline, ắc quy lưu trữ, bộ điều khiển sạc MPPT và trích xuất sơ đồ tổn thất năng lượng (loss diagram) để kiểm nghiệm mô hình.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình hệ thống chăm sóc vườn tự động quy mô nhỏ cho ban công căn hộ, vận hành hoàn toàn độc lập bằng nguồn năng lượng mặt trời. Hệ thống kiểm soát chính xác chế độ tưới nhỏ giọt và chiếu sáng bổ sung bằng đèn LED DC theo dữ liệu cảm biến thời gian thực, giúp cây xà lách đạt tốc độ sinh trưởng vượt trội so với phương pháp trồng tự nhiên. Sự kết hợp chặt chẽ giữa tính toán kỹ thuật, mô phỏng chuyên sâu trên phần mềm PVsyst và thực nghiệm đối chứng đã khẳng định tính khả thi của mô hình. Đây là giải pháp kỹ thuật thiết thực, góp phần thúc đẩy phát triển nông nghiệp đô thị bền vững và nâng cao chất lượng cuộc sống cho cư dân tại các khu chung cư hiện đại.