Đồ án HCMUTE: Hệ thống điều khiển và giám sát trang trại trồng rau

• Tác giả: Nguyễn Thái Châu
• Người hướng dẫn: TS. Vũ Quang Huy
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Hệ Thống Điều Khiển Và Giám Sát Trang Trại Rau
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tình hình nông nghiệp Việt Nam
• 1.2. Lý do chọn đề tài
• 1.3. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Tình hình ứng dụng công nghệ cao vào nông nghiệp
• 1.6. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
• 1.6.1. Cách tiếp cận
• 1.6.2. Phương pháp nghiên cứu
• 1.7. Các yếu tố quan trọng trong trồng rau sạch
• 1.7.1. Các yếu tố ảnh hưởng quá trình sinh trưởng của rau
• 1.7.2. Đảm bảo vệ sinh môi trường
• 1.8. Nội dung nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Tổng quan IoT
• 2.2. Ứng dụng của IoT
• 2.3. Tiềm năng của IoT
• 2.4. Định nghĩa vườn rau thông minh
• 2.5. Tổng quan vườn rau - thiết kế vườn rau
• 2.6. Ưu điểm của trồng cây rau sạch
• 2.7. Các chuẩn truyền dữ liệu, chuẩn kết nối
• 2.7.1. Chuẩn giao tiếp UART
• 2.7.2. Truyền dữ liệu theo chuẩn I2C
• 2.8. Phương thức giám sát, điều khiển
• 2.8.1. Kết nối bằng Wifi
• 2.8.2. Giao tiếp thông qua giao thức MQTT
• 2.8.3. Node-Red tạo điều khiển trung tâm và giao diện
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
• 3.1. Yêu cầu thiết kế
• 3.2. Thiết kế mô hình
• 3.2.1. Thiết kế mô hình vườn rau
• 3.2.2. Thiết kế bảng mạch điện điều khiển bằng tay
• 3.2.3. Thiết kế nguyên lý mạch điện cho hệ thống
• 3.3. Giám sát nhiệt độ, độ ẩm, lượng nước bình tưới, điều khiển quạt hút, quạt làm mát, máy phun sương
• 3.4. Giám sát ánh sáng và độ ẩm trong đất, điều khiển đèn quang hợp và máy bơm tưới
• 3.5. Điều khiển trực tiếp tại tủ điện
• 4. CHƯƠNG 4: THI CÔNG - THỰC NGHIỆM
• 4.1. Thi công giám sát nhiệt độ, độ ẩm và mực nước bình tưới
• 4.2. Giám sát độ ẩm đất và cảm biến ánh sáng
• 4.3. Viết phần mềm cho Node MCU trung gian nhận dữ liệu từ Node-Red và truyền qua Arduino Mega cùng màn hình cảm ứng ở tủ điều khiển
• 4.4. Viết phần mềm cho Arduino và màn hình cảm ứng
• 4.5. Kết quả thi công
• 4.5.1. Mô hình hoàn thiện
• 4.5.2. Hoạt động của cơ cấu chấp hành khi bấm nút
• 4.5.3. Hiển thị dữ liệu trên Node-Red
• 5. CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
• 5.1. Thực hiện và đánh giá kết quả thực nghiệm
• 5.2. Quá trình điều khiển thiết bị giảm nhiệt độ vườn bằng động cơ phun sương
• 5.3. Quá trình điều khiển thiết bị, giám sát thông số môi trường
• 5.4. Đánh giá kết quả đề tài
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan

Nông nghiệp Việt Nam đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế, với hơn 67% dân số sống ở vùng nông thôn. Tuy nhiên, ngành nông nghiệp đang đối mặt với nhiều thách thức như biến đổi khí hậu, đô thị hóa và nhu cầu lương thực ngày càng tăng. Đề tài 'Hệ thống điều khiển và giám sát trang trại rau tại HCMUTE' được chọn nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm nông nghiệp thông qua ứng dụng công nghệ IoT. Nhóm nghiên cứu đã thiết kế một hệ thống giám sát có khả năng theo dõi nhiệt độ, độ ẩm và tự động hóa các chức năng như bật tắt đèn và quản lý cấp nước.

1.1. Tình hình nông nghiệp Việt Nam

Nông nghiệp là ngành sản xuất chủ yếu, đảm bảo an ninh lương thực cho quốc gia. Tuy nhiên, sản xuất nông nghiệp Việt Nam đang phải đối mặt với nhiều thách thức như dân số tăng, diện tích đất nông nghiệp thu hẹp và biến đổi khí hậu. Những yếu tố này đòi hỏi phải nâng cao năng suất nông nghiệp để đáp ứng nhu cầu lương thực. Việc áp dụng công nghệ cao vào nông nghiệp là một giải pháp cần thiết để cải thiện chất lượng sản phẩm và năng suất.

1.2. Lý do chọn đề tài

Nông nghiệp công nghệ cao không chỉ là xu hướng mà còn là giải pháp cấp thiết trong bối cảnh hiện nay. Việc áp dụng mô hình nông nghiệp CNC giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và đảm bảo năng suất. Đề tài 'Hệ thống điều khiển và giám sát trang trại rau tại HCMUTE' được chọn nhằm nghiên cứu và phát triển các ứng dụng công nghệ điện tử trong nông nghiệp, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế cho người nông dân.

II. Cơ sở lý thuyết

Công nghệ IoT đã trở thành một phần không thể thiếu trong nông nghiệp hiện đại. Hệ thống IoT cho phép giám sát và điều khiển các yếu tố môi trường trong vườn rau, từ đó tối ưu hóa quá trình sản xuất. Đề tài này nghiên cứu các ứng dụng của IoT trong nông nghiệp, bao gồm việc sử dụng cảm biến để theo dõi nhiệt độ, độ ẩm và các yếu tố khác. Hệ thống được thiết kế để hoạt động tự động hoặc bằng tay thông qua giao diện người dùng trên smartphone và máy tính.

2.1. Tổng quan về IoT

IoT là một mạng lưới các thiết bị kết nối với nhau, cho phép thu thập và trao đổi dữ liệu. Trong nông nghiệp, IoT giúp giám sát các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng. Việc sử dụng IoT trong nông nghiệp không chỉ giúp tăng năng suất mà còn giảm thiểu rủi ro do biến đổi khí hậu và dịch bệnh. Hệ thống IoT có thể tự động điều chỉnh các yếu tố môi trường để tạo ra điều kiện tối ưu cho cây trồng.

2.2. Ứng dụng của IoT trong nông nghiệp

Các ứng dụng của IoT trong nông nghiệp bao gồm giám sát khí hậu, quản lý độ ẩm đất và tự động hóa nhà kính. Hệ thống cảm biến IoT có thể thu thập dữ liệu về môi trường và gửi về trung tâm điều khiển để xử lý. Việc sử dụng công nghệ này giúp nông dân có thể theo dõi và điều chỉnh các yếu tố môi trường từ xa, tiết kiệm thời gian và công sức. Hệ thống cũng cho phép lưu trữ dữ liệu để phân tích và cải thiện quy trình sản xuất.

III. Thiết kế và thực hiện

Quá trình thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát trang trại rau bao gồm việc xác định các yêu cầu kỹ thuật và lựa chọn thiết bị phù hợp. Nhóm nghiên cứu đã thiết kế mô hình vườn rau nhà kính với các cảm biến để theo dõi nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng. Hệ thống sử dụng Arduino làm trung tâm điều khiển và ESP8266 để truyền dữ liệu. Giao diện người dùng được xây dựng bằng Node-RED, cho phép người dùng theo dõi và điều khiển hệ thống từ xa.

3.1. Yêu cầu thiết kế

Yêu cầu thiết kế hệ thống bao gồm khả năng giám sát và điều khiển các yếu tố môi trường trong vườn rau. Hệ thống cần có khả năng tự động hóa các chức năng như bật tắt đèn, quản lý cấp nước và theo dõi nhiệt độ. Ngoài ra, hệ thống cũng cần có giao diện thân thiện với người dùng để dễ dàng theo dõi và điều chỉnh các thông số. Việc lựa chọn thiết bị cảm biến và công nghệ truyền dữ liệu cũng rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả hoạt động của hệ thống.

3.2. Thiết kế mô hình

Mô hình vườn rau nhà kính được thiết kế với các cảm biến để theo dõi nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng. Hệ thống sử dụng Arduino làm trung tâm điều khiển, kết nối với các cảm biến qua giao thức I2C. Dữ liệu từ cảm biến được gửi về ESP8266 để truyền về máy chủ. Giao diện người dùng được xây dựng bằng Node-RED, cho phép người dùng theo dõi và điều khiển hệ thống từ xa. Mô hình này không chỉ giúp tăng năng suất mà còn giảm thiểu rủi ro do biến đổi khí hậu.