Khóa luận thiết kế và thi công hệ thống giám sát môi trường và chăm sóc cá cảnh - ĐH CNKT TP.HCM

Nghiên cứu thiết kế và thi công hệ thống giám sát môi trường nước và chăm sóc cá cảnh tự động qua vi điều khiển ESP32, kết nối IoT tiện lợi và hiệu quả.

• Tác giả: Nguyễn Tiến Đạt
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Văn Phúc
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử - viễn thông
• Đề tài: Thiết kế và thi công hệ thống giám sát môi trường và chăm sóc cá cảnh
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2026
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan hệ thống giám sát môi trường và chăm sóc cá cảnh

Nuôi cá cảnh là thú vui đòi hỏi sự tỉ mỉ cao. Các yếu tố môi trường nước thay đổi thất thường dễ khiến sinh vật suy giảm miễn dịch. Đề tài nghiên cứu tại ĐH CNKT TP.HCM mang đến giải pháp toàn diện bằng công nghệ số. Hệ thống giám sát môi trường và chăm sóc cá cảnh tích hợp nhiều module đo lường hiện đại. Mô hình kết nối thiết bị qua vi điều khiển ESP32 mạnh mẽ. Bộ xử lý lõi kép Tensilica Xtensa LX6 xử lý dữ liệu cảm biến liên tục. Tần số hoạt động 240 MHz bảo đảm khả năng phản hồi tức thời. Thiết bị tự động ghi nhận nhiệt độ và chất lượng nước. Mọi thông tin hiển thị trực tiếp trên giao diện quản trị. Người nuôi dễ dàng theo dõi tình trạng bể từ xa qua mạng Wi-Fi 2.4 GHz. Quá trình vận hành giúp giảm thiểu tối đa sự can thiệp thủ công. Nền tảng IoT tạo nên môi trường sống an toàn cho các loài cá. Đề tài mở ra hướng tiếp cận mới trong việc hiện đại hóa nông nghiệp đô thị và thú chơi thủy sinh.

1.1. Bối cảnh đề tài tại ĐH CNKT TP.HCM

Cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 thúc đẩy ứng dụng Internet of Things vào đời sống sinh hoạt thường nhật. Tại ĐH CNKT TP.HCM, sinh viên ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông đã bắt nhịp xu thế công nghệ này. Việc nuôi cá cảnh hiện nay đòi hỏi sự chăm sóc kỹ lưỡng mỗi ngày. Người chơi bận rộn thường gặp khó khăn trong việc kiểm soát môi trường bể nước. Sự thay đổi đột ngột về nhiệt độ nước dẫn đến nguy cơ bùng phát dịch bệnh. Khóa luận tốt nghiệp tập trung giải quyết bài toán thực tiễn nêu trên. Hệ thống kết hợp kiến thức phần cứng vi mạch cùng công nghệ phần mềm nhúng. Nghiên cứu tạo ra bước đệm cho các sản phẩm chăm sóc sinh vật thông minh.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu và phạm vi ứng dụng

Đề tài hướng tới việc xây dựng mô hình quản lý thủy sinh khép kín. Mục tiêu cốt lõi là duy trì môi trường sống an toàn và ổn định cho cá. Thiết bị thực hiện đo đạc liên tục các thông số nhiệt độ môi trường nước. Bộ điều khiển tự động bật tắt máy sưởi và quạt tản nhiệt khi có biến động. Cơ chế cho cá ăn được lập trình theo khung giờ định sẵn. Người nuôi có thể kích hoạt bơm oxy hoặc thay nước trực tiếp qua ứng dụng. Phạm vi ứng dụng bao gồm bể cá gia đình, hồ cá cảnh phong thủy và các cơ sở ươm giống quy mô nhỏ. Sản phẩm đem lại sự an tâm tuyệt đối khi chủ nhà vắng mặt dài ngày.

II. Phân tích khó khăn khi vận hành hệ thống chăm sóc cá cảnh

Phương pháp nuôi cá truyền thống bộc lộ rất nhiều hạn chế nghiêm trọng. Người chăm sóc thường phải đo đạc thông số nước bằng mắt thường hoặc thuốc thử hóa học. Quá trình kiểm tra tốn thời gian và thiếu độ tin cậy khoa học. Nhiệt độ nước có xu hướng biến đổi mạnh theo thời tiết từng mùa. Sự chênh lệch nhiệt độ khiến hệ vi sinh có lợi suy tàn nhanh chóng. Thức ăn dư thừa phân hủy làm tích tụ độc tố trong môi trường nước. Mặt khác, nhịp sống hiện đại khiến người nuôi thường xuyên vắng nhà. Việc quên cho cá ăn hoặc cho ăn quá liều lượng xảy ra khá phổ biến. Các thiết bị cơ bản như máy sủi oxy hoặc lọc nước hoạt động thiếu tính liên kết. Sự cố mất điện hoặc hỏng hóc thiết bị không được cảnh báo kịp thời. Hậu quả là cá bị suy kiệt, nhiễm bệnh nấm hoặc chết đột ngột. Do đó, nhu cầu tự động hóa khâu giám sát trở nên vô cùng cấp thiết. Một giải pháp IoT thông minh sẽ loại bỏ hoàn toàn các rủi ro phát sinh này.

2.1. Biến động thông số nước và rủi ro sinh học

Môi trường nước đóng vai trò quyết định đến sự sinh tồn của thủy sinh vật. Nhiệt độ nước chỉ cần dao động ngoài ngưỡng 25-28 độ C sẽ làm cá bị sốc nhiệt. Khi nhiệt độ tăng cao, lượng oxy hòa tan trong nước giảm mạnh. Điều này khiến cá dễ ngạt thở và suy giảm hệ miễn dịch tự nhiên. Đồng thời, các vi khuẩn gây bệnh và nấm phát triển rất nhanh trong môi trường bất ổn. Nếu không phát hiện kịp thời, toàn bộ đàn cá có thể bị nhiễm bệnh hàng loạt. Các phương pháp theo dõi thủ công hiện nay hoàn toàn không đáp ứng được tính liên tục và kịp thời của công việc giám sát.

2.2. Hạn chế của thiết bị hẹn giờ cơ học cũ

Nhiều người nuôi hiện nay dùng ổ cắm hẹn giờ dạng cơ học truyền thống. Các bộ hẹn giờ này hoạt động theo chu kỳ cố định và thiếu tính linh hoạt. Chúng không thể phản hồi theo sự biến đổi thực tế của môi trường. Máy sưởi vẫn hoạt động ngay cả khi nhiệt độ nước ngoài trời tăng cao. Tình trạng này gây nguy hiểm trực tiếp đến tính mạng của cá trong bể. Ngoài ra, thiết bị hẹn giờ cũ không có khả năng gửi cảnh báo từ xa khi xảy ra sự cố chập cháy. Khi mất điện lưới, bộ định thời cơ khí thường bị sai lệch mốc thời gian đã cài đặt. Điều đó dẫn đến lịch trình sinh hoạt của cá bị xáo trộn nghiêm trọng.

III. Giải pháp thiết kế hệ thống giám sát môi trường và chăm sóc cá

Khóa luận tại ĐH CNKT TP.HCM đưa ra thiết kế hệ thống dựa trên vi điều khiển ESP32. Thiết bị sở hữu 38 chân GPIO linh hoạt, đáp ứng ghép nối đa dạng cảm biến ngoại vi. Nhóm nghiên cứu chọn lọc các chân cắm cẩn thận, tránh sử dụng các chân từ GPIO6 đến GPIO11 vốn liên kết bộ nhớ flash nội bộ. Hệ thống ứng dụng chuẩn giao tiếp One-Wire tiên tiến của Dallas Semiconductor. Chuẩn giao tiếp này chỉ cần duy nhất một dây tín hiệu để truyền dữ liệu và cấp nguồn. Cơ chế bus One-Wire phân định quan hệ chủ - tớ rõ ràng với các khe thời gian 60 micro giây cực kỳ chuẩn xác. ESP32 làm chủ bus và điều phối việc thu thập chỉ số từ cảm biến nhiệt độ ngâm nước. Khối điều khiển công suất gồm module relay kích hoạt các tải điện áp 220V như máy sưởi, máy bơm sủi oxy và đèn chiếu sáng. Động cơ servo hỗ trợ khâu thả thức ăn theo định lượng chính xác. Dữ liệu sau xử lý truyền qua sóng Wi-Fi 2.4 GHz lên máy chủ đám mây. Người dùng nắm bắt toàn bộ trạng thái bể thủy sinh theo thời gian thực.

3.1. Ứng dụng vi điều khiển ESP32 trong điều khiển IoT

Vi điều khiển ESP32 là hạt nhân xử lý trung tâm của toàn bộ hệ thống. Chip tích hợp vi xử lý 32-bit lõi kép có tốc độ xung nhịp lên tới 240 MHz. Phần cứng hỗ trợ sẵn kết nối Wi-Fi 2.4 GHz chuẩn 802.11 b/g/n ổn định. Mạch nạp trực tiếp qua cổng giao tiếp USB-UART giúp lập trình viên dễ dàng cấu hình mã nguồn. Dung lượng bộ nhớ flash 448 KByte cung cấp không gian lưu trữ chương trình điều khiển tối ưu. ESP32 thực hiện tiếp nhận dữ liệu đo lường, tính toán giải thuật và phát tín hiệu kích hoạt thiết bị phụ trợ. Khả năng hoạt động đa nhiệm với dòng điện chỉ từ 160mA đến 250mA giúp tiết kiệm điện năng vận hành.

3.2. Chuẩn truyền thông One Wire tối ưu đường truyền cảm biến

Chuẩn giao tiếp 1-Wire của Dallas Semiconductor đem lại giải pháp kết nối phần cứng gọn gàng và hiệu quả. Đường truyền chỉ sử dụng một dây dữ liệu duy nhất kèm đường mass chung. Cơ chế bán song công half-duplex cho phép truyền nhận dữ liệu theo khe thời gian 60 micro giây rất khắt khe. Vi điều khiển đóng vai trò master quản lý quá trình khởi động qua thao tác Reset và phát xung Presence. Các thao tác ghi bit 0, ghi bit 1 và đọc dữ liệu diễn ra tuần tự nhờ bộ định thời chính xác cao. Điện trở kéo lên nguồn giữ đường truyền ở mức cao khi bus rảnh rỗi. Giao thức này giúp giảm thiểu số lượng dây nối, tránh nhiễu và tăng độ bền cho hệ thống cảm biến.

IV. Kết luận và tiềm năng ứng dụng hệ thống chăm sóc cá cảnh IoT

Đề tài tốt nghiệp tại ĐH CNKT TP.HCM đã thi công hoàn chỉnh sản phẩm phần cứng lẫn phần mềm. Hệ thống giám sát môi trường và chăm sóc cá cảnh hoạt động ổn định và có độ chính xác cao. Khả năng tự động hóa quy trình nuôi giúp người chơi giảm thiểu đáng kể thời gian và công sức chăm sóc. Thiết bị duy trì nhiệt độ nước luôn ở mức lý tưởng cho các loài thủy sinh nhạy cảm. Thức ăn được phân phối đúng giờ, ngăn ngừa ô nhiễm hữu cơ và dịch bệnh. Sản phẩm có giá thành linh kiện hợp lý và dễ dàng triển khai thực tế. Tiềm năng ứng dụng không dừng lại ở các bể thủy sinh dân dụng trong gia đình. Mô hình hoàn toàn có thể nhân rộng sang các trại sản xuất cá cảnh thương mại lớn. Hệ thống cũng có thể mở rộng cho các trang trại nuôi trồng thủy sản công nghệ cao. Giải pháp khẳng định tính ứng dụng vượt trội của kỹ thuật IoT trong việc hiện đại hóa đời sống đô thị.

4.1. Kết quả thực nghiệm và hiệu quả mang lại

Sản phẩm thực tế đã trải qua nhiều đợt thử nghiệm vận hành liên tục. Kết quả ghi nhận cho thấy mạch ESP32 và các module cảm biến phản hồi rất nhạy. Nhiệt độ bể luôn duy trì trong ngưỡng thiết lập an toàn mà không xảy ra hiện tượng treo vi xử lý. Thiết bị cảnh báo tự động gửi thông báo chuẩn xác khi thông số nước vượt ngưỡng. Việc nạp chương trình và nâng cấp thuật toán thông qua cổng giao tiếp UART diễn ra trơn tru. Bộ cấp thức ăn tự động hoạt động đúng theo chu kỳ định sẵn. Tỷ lệ cá sống sót và khỏe mạnh tăng lên rõ rệt trong suốt thời gian chạy thử nghiệm mô hình.

4.2. Hướng phát triển và mở rộng trong tương lai

Hệ thống sở hữu nền tảng phần cứng vững chắc để tiếp tục mở rộng quy mô. Hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tích hợp thêm các cảm biến đo độ pH và nồng độ oxy hòa tan DO. Khả năng bổ sung camera AI giúp nhận diện hành vi bơi lội và phát hiện sớm cá bị bệnh. Người vận hành có thể tích hợp thuật toán học máy để tự động điều chỉnh lượng thức ăn theo độ tuổi của cá. Việc đồng bộ hóa dữ liệu lên các nền tảng điện toán đám mây hiện đại giúp quản lý nhiều bể cùng lúc. Đề tài mở ra tiềm năng thương mại hóa thành các sản phẩm gia dụng thông minh phổ biến trên thị trường.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa và sự phát triển của cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0, các ứng dụng Internet vạn vật (IoT) ngày càng thâm nhập sâu rộng vào đời sống sinh hoạt. Nuôi cá cảnh hiện là một thú vui phổ biến tại cả khu vực đô thị và nông thôn nhờ giá trị thẩm mỹ và ý nghĩa phong thủy. Tuy nhiên, việc duy trì một hệ sinh thái nước nhân tạo ổn định cho cá cảnh đòi hỏi sự giám sát khắt khe về các thông số hóa lý như nhiệt độ, độ pH, độ đục và nồng độ oxy hòa tan. Bất kỳ sự biến động đột ngột nào ngoài ngưỡng chịu đựng cũng có thể khiến cá bị căng thẳng (stress), suy giảm hệ miễn dịch, mắc bệnh hoặc chết hàng loạt.

Thực tế cho thấy phần lớn người nuôi cá hiện nay vẫn quản lý môi trường nước bằng các phương pháp thủ công, vốn tiêu tốn nhiều thời gian, công sức và thiếu tính liên tục, dẫn đến việc không thể ứng phó kịp thời trước những biến đổi bất lợi. Trong khi đó, các thiết bị giám sát và điều khiển chuyên dụng trên thị trường thường có giá thành cao, cấu hình phức tạp hoặc thiếu tính linh hoạt cho người dùng phổ thông. Qua khảo sát các công trình đi trước, các tác giả nhận thấy phần lớn hệ thống IoT trước đây chỉ đo đạc các thông số đơn lẻ, thiếu cơ cấu chấp hành đồng bộ (đặc biệt là cơ cấu cho ăn tự động), giao diện chưa trực quan, hoặc chỉ dừng lại ở mô phỏng phần mềm mà thiếu kiểm chứng thực nghiệm trên mô hình thực tế.

Nhằm giải quyết các bất cập trên, đề tài khóa luận "Thiết kế và thi công hệ thống giám sát môi trường và chăm sóc cá cảnh" do sinh viên Nguyễn Tiến Đạt và Võ Thị Thanh Thảo thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Văn Phúc tại Trường Đại học Công nghệ Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã được triển khai.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể như sau:

1. Theo dõi các thông số môi trường nước quan trọng như nhiệt độ, độ pH và độ đục thông qua các cảm biến chuyên dụng.
2. Điều khiển tự động các thiết bị phụ trợ như máy bơm nước, máy sục khí, hệ thống làm mát và thiết bị cho cá ăn.
3. Xử lý và hiển thị toàn bộ dữ liệu trên giao diện web, cho phép người dùng theo dõi thông tin và điều khiển hệ thống từ xa một cách linh hoạt và thuận tiện.
4. Hỗ trợ người nuôi duy trì điều kiện sống tối ưu cho cá, giảm thiểu rủi ro, tiết kiệm thời gian và nâng cao hiệu quả chăm sóc trong quá trình nuôi cá.

Nhiệm vụ nghiên cứu bao gồm:

1. Khảo sát và phân tích các thông số môi trường ảnh hưởng đến sức khỏe cá.
2. Lựa chọn và tích hợp các loại cảm biến phù hợp.
3. Thiết kế phần cứng và kết nối các thiết bị với vi điều khiển.
4. Lập trình phần mềm điều khiển; Thiết kế giao diện người dùng trên web.
5. Kiểm tra, đánh giá và hiệu chỉnh hệ thống.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài bao gồm các cảm biến đo môi trường nước (nhiệt độ, pH, độ đục), cảm biến siêu âm đo khoảng cách mực nước, vi điều khiển trung tâm ESP32, các thiết bị phụ trợ (máy bơm, máy sục khí, hệ thống làm mát, thanh sưởi, động cơ cho ăn) và giao diện giám sát điều khiển từ xa. Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong việc áp dụng cho mô hình hồ cá cảnh quy mô nhỏ hoặc vừa, phù hợp với không gian nuôi trong nhà.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về mặt sinh học môi trường, chất lượng nước nuôi cá chịu sự chi phối trực tiếp từ các chỉ số vật lý và hóa học. Nghiên cứu tập trung phân tích 4 thông số trọng yếu:

• Nhiệt độ: Ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ trao đổi chất và hô hấp của cá. Đa số cá cảnh nước ngọt sinh trưởng tối ưu trong khoảng 24°C đến 30°C.
• Độ pH: Thang đo nồng độ ion H⁺ biểu thị tính axit hay kiềm của nước. Ngưỡng pH thích hợp cho đa số cá cảnh nước ngọt nằm trong khoảng trung tính; sự dao động đột ngột dễ gây tổn thương mang, da và hệ tiêu hóa.
• Độ đục: Xác định dựa trên nồng độ các hạt chất rắn lơ lửng (TSS) gây cản trở sự truyền ánh sáng trong nước, làm giảm oxy hòa tan và ảnh hưởng tiêu cực đến chức năng hô hấp của cá.
• Mực nước: Đảm bảo thể tích không gian bơi lội và sự an toàn vận hành cho các thiết bị chìm như máy bơm hay đầu dò cảm biến.

Khóa luận đưa ra bảng tổng hợp điều kiện môi trường sống chuẩn đối với cá chép vàng (loài cá cảnh thích ứng tốt với khí hậu Việt Nam):

Thông số	Giá trị thích hợp
Loại cá	Cá chép vàng
Nhiệt độ (°C)	20 – 24°C
Độ pH	6.5
Độ mặn (%)	0.3%
Hàm lượng Oxy (mg/l)	5 – 6 mg/l

Về nền tảng phần mềm và các chuẩn truyền thông, nghiên cứu ứng dụng:

• Arduino IDE: Môi trường mã nguồn mở dùng để soạn thảo mã nguồn C/C++, biên dịch thành mã máy (tệp Hex) và nạp trực tiếp vào vi điều khiển ESP32.
• Nền tảng IoT Blynk: Bao gồm Blynk App (giao diện điều khiển di động/web), Blynk Cloud (máy chủ đám mây trung gian định tuyến tín hiệu) và Blynk Library (thư viện phần mềm tích hợp trên vi điều khiển).
• Chuẩn giao tiếp Wi-Fi: Tiêu chuẩn IEEE 802.11 b/g/n băng tần 2.4 GHz, hỗ trợ truyền tải dữ liệu vô tuyến giữa vi điều khiển và máy chủ qua điểm truy cập (Router).
• Chuẩn giao tiếp I2C: Giao tiếp nối tiếp đồng bộ 2 dây (SDA cho dữ liệu hai chiều và SCL cho xung đồng hồ) theo mô hình chủ – tớ (Master – Slave), sử dụng điện trở kéo lên nguồn (pull-up resistors) để giao tiếp với khối hiển thị.
• Chuẩn giao tiếp UART: Giao tiếp truyền thông nối tiếp bất đồng bộ thông qua hai chân TX và RX, sử dụng khung dữ liệu chuẩn gồm bit Start, 5–9 bit dữ liệu, bit kiểm tra Parity và bit Stop.
• Chuẩn giao tiếp 1-Wire: Giao thức truyền thông bán song công (half-duplex) của Dallas Semiconductor, sử dụng một dây dữ liệu duy nhất kết hợp điện trở kéo lên (4.7kΩ – 10kΩ), đồng bộ hóa tín hiệu dựa trên các khe thời gian (time slots) 60 µs.

Phương pháp nghiên cứu thực tế là phương pháp thiết kế kỹ thuật kết hợp thực nghiệm: xây dựng sơ đồ khối, thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện, tích hợp module phần cứng, lập trình giải thuật trên vi điều khiển và tiến hành thử nghiệm, đo đạc trực tiếp trên mô hình bể cá thực tế.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa đồng bộ, phân tách thành các khối chức năng tương tác trực tiếp với khối xử lý trung tâm.

Kiến trúc phần cứng và các khối chức năng

Hệ thống gồm 8 khối chính:

1. Khối xử lý trung tâm: Sử dụng vi điều khiển ESP32 lõi kép Tensilica Xtensa LX6 (tốc độ xung nhịp lên đến 240 MHz), bộ nhớ Flash 448 KB, tích hợp Wi-Fi 2.4 GHz, 38 chân GPIO. Khi thiết kế mạch, các chân khởi động/reset (GPIO0, GPIO2, GPIO15) và các chân giao tiếp bộ nhớ flash nội bộ (GPIO6 đến GPIO11) được cô lập, không kết nối ngoại vi để tránh xung đột hệ thống.
2. Khối cảm biến nhiệt độ: Sử dụng cảm biến DS18B20 dạng dây dài 1m có đầu bọc ống thép không gỉ (đường kính 6mm, dài 50mm). Cảm biến hoạt động theo chuẩn 1-Wire với độ phân giải 9–12 bit, dải đo từ -55°C đến +125°C, sai số ±0.5°C, thời gian phản hồi dưới 750 ms.
3. Khối cảm biến độ đục: Sử dụng module DFRobot Gravity Analog Turbidity Sensor, hoạt động dựa trên nguyên lý quang học tán xạ ánh sáng qua hạt lơ lửng, xuất tín hiệu điện áp analog từ 0 đến 4.5V DC gửi về chân ADC của ESP32 để chuyển đổi thành đơn vị NTU.
4. Khối cảm biến độ pH: Sử dụng bộ cảm biến DFRobot Gravity Analog pH Sensor gồm que đo điện cực thủy tinh kết hợp mạch tiền khuếch đại, dải đo 0–14 pH, điện áp hoạt động 5V DC, sai số ±0.1 pH tại 25°C, thời gian đáp ứng ≤ 1 phút.
5. Khối đo khoảng cách/mực nước: Sử dụng cảm biến siêu âm HC-SR04 phát xung 40 kHz qua chân Trigger và nhận sóng phản xạ qua chân Echo. Dải đo từ 2 cm đến 450 cm (chính xác nhất dưới 100 cm), độ chính xác 3 mm, góc quét tối đa 15°.
6. Khối hiển thị tại chỗ: Màn hình tinh thể lỏng LCD 1602 (16 ký tự × 2 dòng) điều khiển bởi chip HD44780, tích hợp board chuyển đổi giao tiếp I2C giúp tiết kiệm chân kết nối, hiển thị trực quan thông số đo và trạng thái thiết bị.
7. Khối điều khiển ngoại vi: Gồm 2 module relay 4 kênh (tổng cộng 8 relay), có cách ly quang (opto-isolation), kích đóng ở mức thấp (Active LOW 0V), chịu tải tối đa 10A tại 250VAC hoặc 30VDC. Khối này điều khiển các phụ tải: máy bơm lọc, van xả, máy sủi khí, quạt tản nhiệt làm mát, thanh sưởi nhiệt và động cơ DC giảm tốc phục vụ cơ cấu cho cá ăn tự động.
8. Khối nút nhấn và khối nguồn: Hệ thống bố trí các nút nhấn vật lý cấu hình điện trở pull-up/pull-down để điều khiển độc lập tại chỗ; khối nguồn hạ áp từ lưới điện 220V xuống 5V DC cung cấp cho vi điều khiển và các thiết bị ngoại vi với dòng tiêu thụ tối đa 10A.

Bảng tổng hợp thông số kỹ thuật của các thành phần phần cứng chính:

Linh kiện / Thiết bị	Thông số kỹ thuật chính	Chuẩn giao tiếp / Tín hiệu	Vai trò trong hệ thống
ESP32 NodeMCU	240 MHz Dual-Core, Flash 448 KB, nguồn 5V DC, dòng 160–250 mA	Wi-Fi 802.11 b/g/n, ADC, I2C, UART, 1-Wire	Xử lý dữ liệu trung tâm, truyền thông
DS18B20	Dải đo -55°C đến 125°C, sai số ±0.5°C, vỏ thép chống nước	Chuẩn Digital 1-Wire (kèm trở kéo 4.7kΩ)	Đo nhiệt độ nước liên tục
DFRobot Turbidity	Nguồn 5V DC, dòng tối đa 40 mA, dải áp ra 0 – 4.5V DC	Tín hiệu Analog đưa vào bộ chuyển đổi ADC	Đo độ đục nước (NTU)
DFRobot pH Kit	Dải đo 0 – 14 pH, sai số ±0.1 pH (25°C), phản hồi ≤ 1 phút	Tín hiệu Analog tương ứng điện áp điện cực	Đo nồng độ ion H⁺ trong nước
HC-SR04	Khoảng cách đo 2 – 450 cm, sai số 3 mm, tần số siêu âm 40 kHz	Tín hiệu xung số (Trigger / Echo)	Đo khoảng cách mực nước bể
LCD 1602 + I2C	16 ký tự × 2 dòng, driver HD44780, nguồn 5V DC	Chuẩn I2C (SDA, SCL)	Hiển thị thông số tại chỗ
Module Relay 4 kênh	8 kênh đóng ngắt cách ly quang, tải max 10A/250VAC hoặc 10A/30VDC	Tín hiệu logic kích mức thấp (Active LOW)	Điều khiển đóng/ngắt 8 thiết bị tải

Xây dựng phần mềm và thuật toán điều khiển

Phần mềm hệ thống được lập trình với 12 lưu đồ giải thuật chuyên biệt:

• Chương trình chính: Khởi tạo các chân GPIO, thiết lập giao tiếp I2C, 1-Wire, kết nối mạng Wi-Fi và đồng bộ máy chủ Blynk; sau đó thực hiện vòng lặp đọc cảm biến, cập nhật màn hình, kiểm tra điều kiện tự động và lắng nghe lệnh điều khiển từ xa.
• Các chương trình con đọc cảm biến: Thuật toán chuyển đổi tín hiệu analog từ cảm biến độ đục sang NTU; giải thuật nội suy tuyến tính điện áp để tính giá trị pH; hàm giao tiếp 1-Wire đọc mã nhiệt độ từ DS18B20; thuật toán đếm thời gian phản hồi mức cao chân Echo để tính khoảng cách mực nước theo vận tốc âm thanh.
• Giải thuật điều khiển tự động: So sánh dữ liệu thời gian thực với ngưỡng an toàn cài đặt sẵn để tự động kích hoạt quạt tản nhiệt khi nhiệt độ tăng cao, bật thanh sưởi khi nước lạnh, bật máy lọc/sục khí hoặc kích hoạt chế độ thay nước khi độ đục và mực nước vượt ngưỡng.
• Giải thuật xử lý nút nhấn và chống dội: Chương trình con đọc trạng thái nút bấm kèm đoạn trễ chống rung phím (debounce), đảm bảo nhận diện chính xác các thao tác bật/tắt thiết bị hoặc xả thức ăn thủ công.
• Giải thuật truyền nhận dữ liệu: Đóng gói và gửi các bản tin đo lường lên Blynk Cloud theo chu kỳ, đồng thời tiếp nhận trạng thái điều khiển từ bảng điều khiển web/app về ESP32.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Chương 1 trình bày bối cảnh ra đời của đề tài trong xu thế tự động hóa nông nghiệp đô thị và ứng dụng IoT. Tác giả phân tích tính cấp thiết xuất phát từ những khó khăn trong việc quản lý thủ công chất lượng nước nuôi cá cảnh, chỉ ra mặt hạn chế của các giải pháp thương mại đắt tiền cũng như các đề tài tiền nhiệm. Từ đó, chương xác lập 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể, 5 nhiệm vụ cần triển khai, xác định rõ đối tượng là hệ thống tích hợp cảm biến - vi điều khiển - cơ cấu chấp hành và phạm vi áp dụng cho các bể cá trong nhà quy mô nhỏ và vừa. Cuối chương là tóm lược bố cục 5 chương của khóa luận.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp nền tảng khoa học cho toàn bộ nghiên cứu. Nội dung mở đầu bằng việc khái quát đặc điểm sinh thái của cá cảnh, đi sâu phân tích cơ chế tác động của nhiệt độ, độ pH, độ đục và mực nước tới sự sống của cá, cụ thể hóa bằng bảng thông số tối ưu cho cá chép vàng (20–24°C, pH 6.5, độ mặn 0.3%, oxy 5–6 mg/l). Phần tiếp theo giới thiệu công cụ lập trình Arduino IDE và kiến trúc nền tảng Blynk (Blynk App, Blynk Cloud, Blynk Library). Cuối chương, tác giả trình bày chi tiết nguyên lý hoạt động, cấu trúc khung truyền và ưu nhược điểm của các chuẩn truyền thông nhúng gồm Wi-Fi (IEEE 802.11), I2C (hai dây SDA/SCL), UART (bất đồng bộ TX/RX) và One-Wire (truyền nhận qua khe thời gian 60 µs).

Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống

Chương 3 là phần trọng tâm về kỹ thuật của khóa luận. Tác giả đưa ra đặc tả yêu cầu kỹ thuật: nguồn cấp hạ áp từ 220V xuống 5V DC, dòng tải tối đa 10A, khả năng điều khiển 8 thiết bị phụ trợ. Sơ đồ khối tổng thể được phân tích rõ với 8 khối chức năng. Tác giả trình bày chi tiết sơ đồ chân, nguyên lý đo đạc và sơ đồ đấu nối vi điều khiển ESP32 với từng linh kiện: cảm biến DS18B20, module độ đục DFRobot, cảm biến pH DFRobot, cảm biến siêu âm HC-SR04, module LCD 1602 qua chip chuyển đổi I2C, 2 module relay 4 kênh và các nút nhấn vật lý. Về phần mềm, chương mô tả chi tiết lưu đồ thuật toán chương trình chính và 11 lưu đồ chương trình nhánh phụ trách đọc cảm biến, chống dội nút nhấn, điều khiển tự động nhiệt độ, mực nước và truyền dữ liệu lên máy chủ Blynk.

Chương 4: Kết quả - Nhận xét – Đánh giá

Chương 4 tổng hợp các kết quả thực nghiệm sau khi hoàn thiện phần cứng và nạp chương trình điều khiển. Về phần cứng, mạch điều khiển trung tâm và khối relay được thi công hoàn chỉnh, kết nối đồng bộ trên mô hình hồ cá thực tế. Về phần mềm, hệ thống vận hành chính xác các chức năng: đo và chuyển đổi dữ liệu nhiệt độ, pH, độ đục, mực nước; hiển thị rõ ràng trên màn hình LCD tại chỗ và giao diện web Blynk theo thời gian thực. Hệ thống đáp ứng tốt các tác vụ tự động như bật quạt làm mát khi nhiệt độ cao, kích hoạt thanh sưởi khi trời lạnh, kích hoạt động cơ cho ăn theo lịch trình và cảnh báo khi thông số vượt ngưỡng. Tác giả đưa ra các nhận xét đánh giá khách quan về độ ổn định của mạch và tính tiện ích khi vận hành thực tế.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương 5 tóm tắt toàn bộ quá trình nghiên cứu, khẳng định nhóm đã hoàn thành mục tiêu thiết kế và thi công một hệ thống IoT hoàn chỉnh cho bể cá cảnh với chi phí hợp lý. Chương cũng nêu rõ những định hướng nâng cấp trong tương lai như mở rộng quy mô cho các trang trại thủy sản lớn hơn, cải tiến độ bền các đầu dò cảm biến trong môi trường ngâm nước dài ngày và tối ưu hóa giao diện điều khiển.

Kết quả và đóng góp

Hệ thống sau khi thi công thực tế đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:

• Thu thập và xử lý tín hiệu đa cảm biến: Đo đạc ổn định dải nhiệt độ từ -55°C đến +125°C (sai số thực nghiệm nằm trong ngưỡng ±0.5°C của DS18B20), dải đo pH từ 0 đến 14 (sai số trong mức ±0.1 pH), độ đục chuyển đổi sang thang đo NTU và mực nước đo đạc chính xác qua khoảng cách sóng siêu âm từ 2 cm đến 450 cm (sai số khoảng 3 mm).
• Khả năng điều khiển chấp hành: Đóng/ngắt an toàn tối đa 8 thiết bị tải công suất lớn thông qua 2 module relay 4 kênh có cách ly quang; vận hành trơn tru cơ cấu phân phối thức ăn tự động sử dụng động cơ DC giảm tốc có mô-men xoắn cao.
• Truyền thông và hiển thị: Dữ liệu môi trường nước được cập nhật song song lên màn hình LCD 1602 tại chỗ qua bus I2C và truyền không dây qua Wi-Fi 2.4 GHz lên nền tảng đám mây Blynk. Người dùng có thể theo dõi biểu đồ thời gian thực và phát lệnh điều khiển từ trình duyệt web hoặc ứng dụng di động.
• Cơ chế điều khiển kép: Vận hành linh hoạt giữa chế độ tự động hóa hoàn toàn (dựa trên các ngưỡng cảm biến lập trình sẵn trong ESP32) và chế độ can thiệp thủ công (qua nút bấm vật lý có chống dội hoặc qua nút ảo trên giao diện Blynk).

Về mặt giải pháp và đóng góp học thuật:

• Khóa luận đã khắc phục được nhược điểm của các nghiên cứu tiền nhiệm vốn chỉ dừng lại ở việc đọc thông số riêng lẻ hoặc mô phỏng lý thuyết, bằng cách tạo ra một sản phẩm vật lý hoàn chỉnh tích hợp trọn vẹn chu trình "Cảm biến – Xử lý – Hiển thị – Chấp hành – Giám sát từ xa".
• Đề tài đề xuất một giải pháp kỹ thuật có chi phí linh kiện thấp, cấu hình gọn gàng nhờ tận dụng các chuẩn truyền thông tiết kiệm chân (I2C, 1-Wire) và năng lực xử lý mạnh mẽ của chip ESP32, mang lại tính khả thi cao cho các hộ gia đình nuôi cá cảnh và làm cơ sở nhân rộng cho ngành thủy sản.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dù đã hoàn thành các mục tiêu kỹ thuật đề ra, khóa luận cũng chỉ rõ một số hạn chế nội tại:

• Phạm vi thử nghiệm: Mô hình thực nghiệm mới chỉ dừng lại ở quy mô hồ cá cảnh nhỏ và vừa phục vụ trong không gian gia đình, chưa được khảo nghiệm trong các môi trường nuôi thủy sản ngoài trời có điều kiện khắc nghiệt.
• Đặc tính linh kiện: Cảm biến pH analog sử dụng que đo điện cực thủy tinh có thời gian phản hồi tương đối dài (lên tới 1 phút) và đòi hỏi quy trình hiệu chuẩn, bảo quản định kỳ để tránh sai số; chuẩn giao tiếp 1-Wire của cảm biến nhiệt độ có tốc độ truyền dữ liệu chậm hơn so với các bus đồng bộ như SPI/I2C.
• Thời gian và kinh nghiệm: Các tác giả thừa nhận do hạn chế về thời gian thực hiện đồ án và kinh nghiệm thực tế, một số khía cạnh tối ưu hóa hệ thống chưa được khai thác triệt để.

Hướng nghiên cứu mở rộng trong tương lai bao gồm:

• Mở rộng ứng dụng và quy mô hệ thống cho các mô hình thủy sinh lớn, bể cá ngoại cảnh hoặc các trang trại nuôi trồng thủy sản quy mô thương mại.
• Nâng cấp các loại cảm biến công nghiệp có độ bền cao hơn, chịu được sự ăn mòn và ngâm nước liên tục trong thời gian dài mà không bị trôi dạt thông số.
• Phát triển và hoàn thiện thuật toán phân tích dữ liệu lịch sử trên máy chủ để dự báo sớm chất lượng nước và tối ưu hóa hơn nữa lượng thức ăn phân phối cho cá.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị thực tiễn và chuyên môn cao đối với sinh viên, học viên thuộc các ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Máy tính, Tự động hóa, Cơ điện tử và Kỹ thuật IoT.

Các nội dung đặc biệt hữu ích phục vụ cho học tập và phát triển đề tài tương tự bao gồm:

• Phương pháp phối ghép các chuẩn giao tiếp phần cứng đa dạng (I2C, One-Wire, UART, ADC) trên một vi điều khiển duy nhất (ESP32) mà không gây xung đột chân GPIO.
• Thiết kế mạch công suất điều khiển tải AC/DC thông qua relay cách ly quang an toàn, kết hợp các giải pháp chống nhiễu cho vi điều khiển.
• Cấu trúc 12 lưu đồ giải thuật hoàn chỉnh, đặc biệt là các thuật toán lọc số, xử lý chống dội nút bấm và lập trình giao tiếp hai chiều với nền tảng IoT Blynk.
• Tài liệu tra cứu thực tế về các chỉ số sinh lý nguồn nước thích hợp cho cá chép vàng tại điều kiện môi trường Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Vi điều khiển ESP32 được cấu hình như thế nào và cần lưu ý những chân GPIO nào trong quá trình thiết kế mạch?
ESP32 sử dụng vi xử lý lõi kép Tensilica Xtensa LX6 tốc độ 240 MHz, nguồn cấp 5V DC, dòng hoạt động 160–250 mA, bộ nhớ Flash 448 KB và tích hợp Wi-Fi 2.4 GHz. Khi thiết kế, cần đặc biệt tránh sử dụng các chân GPIO0, GPIO2 và GPIO15 vì chúng liên quan trực tiếp đến chế độ khởi động (boot mode) và mạch reset; đồng thời các chân từ GPIO6 đến GPIO11 không được dùng cho mục đích ngoại vi do đã được kết nối nội bộ với bộ nhớ flash của chip.

2. Các cảm biến DS18B20, DFRobot pH và HC-SR04 giao tiếp với ESP32 qua những chuẩn tín hiệu nào?
Cảm biến nhiệt độ DS18B20 giao tiếp theo chuẩn kỹ thuật số 1-Wire (chỉ dùng một chân Data duy nhất có nối trở kéo 4.7kΩ hoặc 10kΩ lên nguồn). Cảm biến pH DFRobot xuất tín hiệu điện áp tương tự (Analog) trong khoảng 0–14 pH đưa trực tiếp vào bộ chuyển đổi ADC của ESP32. Cảm biến khoảng cách siêu âm HC-SR04 sử dụng hai chân kỹ thuật số riêng biệt là Trigger (nhận xung kích 40 kHz) và Echo (phát tín hiệu phản hồi để tính toán thời gian truyền sóng).

3. Khối điều khiển ngoại vi có khả năng đóng/ngắt tối đa bao nhiêu thiết bị và chịu mức tải điện áp là bao nhiêu?
Khối điều khiển ngoại vi sử dụng 2 module relay 4 kênh, cho phép đóng/ngắt đồng thời tối đa 8 thiết bị tải. Mỗi kênh relay tích hợp cách ly quang (opto-isolation), kích hoạt ở mức thấp (Active LOW 0V) và có khả năng chịu dòng điện tối đa 10A ở điện áp 250VAC hoặc 30VDC (nhóm tác giả khuyến nghị dùng cho tải dưới 100W để đảm bảo độ bền tối ưu).

4. Bảng thông số kỹ thuật môi trường sống của cá chép vàng trong khóa luận quy định các giá trị nào?
Theo Bảng 2.1 của khóa luận, môi trường tối ưu cho cá chép vàng bao gồm: khoảng nhiệt độ từ 20°C đến 24°C, độ pH duy trì ở mức 6.5, độ mặn đạt 0.3% và hàm lượng oxy hòa tan đạt từ 5 đến 6 mg/l.

5. Cơ cấu cho cá ăn tự động trong hệ thống được thiết kế và vận hành như thế nào?
Cơ cấu cho cá ăn tự động sử dụng một động cơ DC giảm tốc có đặc tính mô-men xoắn cao và tốc độ vòng quay thấp để xoay bộ phận phân phối thức ăn. Động cơ này được điều khiển đóng/ngắt thông qua mạch relay/transistor bởi ESP32, cho phép vận hành theo khung thời gian định kỳ cài đặt sẵn trong chương trình hoặc thông qua nút kích hoạt từ giao diện Blynk và nút bấm vật lý tại chỗ.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Tiến Đạt và Võ Thị Thanh Thảo đã thiết kế và thi công thành công hệ thống giám sát môi trường nước và chăm sóc cá cảnh ứng dụng công nghệ IoT trên nền tảng vi điều khiển ESP32. Sản phẩm hoàn thiện có khả năng đo đạc chính xác các thông số nhiệt độ, độ pH, độ đục, mực nước; tự động hóa việc điều khiển các phụ tải làm mát, sưởi ấm, lọc nước và cho ăn; đồng thời hỗ trợ giám sát trực quan qua màn hình LCD và giao diện Blynk từ xa. Công trình giải quyết tốt bài toán chăm sóc cá cảnh tự động trong không gian gia đình với chi phí hợp lý và đóng vai trò là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cao cho các nghiên cứu ứng dụng nhúng và IoT trong quản lý môi trường nước.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan: trình bày bối cảnh, lý do nghiên cứu đề tài, xác định mục tiêu, nhiệm vụ, đối tượng trong đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết: trình bày các thông tin chi tiết liên quan đến lý thuyết của phần cứng và phần mềm. Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống: mô tả yêu cầu hệ thống, trình bày chức năng, sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý toàn mạch, khai quát về hoạt động hệ thống, giới thiệu từng khối và vẽ lưu đồ giải thuật cho các chương trình trong hệ thống. Chương 4: Kết quả - nhận xét – đánh giá: trình bày các kết quả sau khi hoàn tất từ mạch in, mô hình đến kết quả chạy mạch thực tế.

Từ đó nhận xét và đánh giá kết quả hoạt động thực tế của mạch để đưa ra hạn chế và tối ưu hoá cho hệ thống hơn. Chương 5: Kết luận và hướng phát triển: dựa trên kết quả cuối cùng để kết luận về toàn bộ hệ thống từ khâu thiết kế, thi công và thực nghiệm để đưa ra các hướng phát triển trong tương lai.1 TỔNG QUAN VỀ NUÔI CÁ CẢNH Nuôi cá cảnh hiện nay được xem là một thú vui phổ biến nhờ mang lại giá trị thẩm mỹ cũng như yếu tố phong thủy trong cuộc sống. Tuy nhiên, việc duy trì sự ổn định của môi trường nước nhằm đảm bảo quá trình sinh trưởng và phát triển của cá lại là một thách thức lớn, đặc biệt đối với những người bận rộn hoặc chưa có nhiều kiến thức chuyên môn. Chất lượng nước trong hồ cá chịu tác động bởi nhiều thông số quan trọng, bao gồm: nhiệt độ, độ pH, độ đục, nồng độ oxy hòa tan, cường độ ánh sáng, hiệu quả của hệ thống lọc và tần suất thay nước định kỳ.

Việc áp dụng các phương pháp đo lường và điều khiển tự động các thông số trên không chỉ giúp giảm thiểu rủi ro trong quá trình nuôi mà còn góp phần duy trì điều kiện môi trường tối ưu cho cá cảnh. Bảng dưới đây trình bày các điều kiện môi trường thích hợp đối với một số loài cá cảnh thường được nuôi phổ biến tại Việt Nam: Bảng 2.1: Bảng điều kiện môi trường sống của từng loại cá. Nhiệt độ Hàm lượng Loại cá Độ pH Độ mặn(%) (°C) Oxy(mg/l) Cá chép vàng 20 – 24°C 6.5 Dựa vào bảng 2.1, có thể thấy cá vàng (cá chép vàng) là loài phù hợp để nuôi 22 trong điều kiện khí hậu Việt Nam. Nhiệt độ thích hợp 20 – 24°C và pH 6.5 đều nằm trong khoảng phổ biến của nguồn nước sinh hoạt.

Ngoài ra, yêu cầu về độ mặn thấp (0.3%) và oxy hòa tan (5 – 6 mg/l) dễ dàng được đáp ứng bằng hệ thống lọc và sục khí cơ bản. Nhờ khả năng thích nghi cao và dễ chăm sóc, cá vàng là lựa chọn phù hợp cho cả người mới bắt đầu lẫn người nuôi lâu năm.2 CÁC THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG NƯỚC ẢNH HƯỞNG ĐẾN CÁ Chất lượng môi trường nước đóng vai trò then chốt trong việc duy trì sức khỏe, tốc độ sinh trưởng và khả năng sinh sản của cá cảnh. Trong đó, các yếu tố như nhiệt độ, độ pH, độ đục và mực nước có tác động trực tiếp đến quá trình trao đổi chất, khả năng miễn dịch cũng như hành vi sống của cá.1 Nhiệt độ Nhiệt độ nước là yếu tố có ảnh hưởng lớn đến hoạt động sinh lý và trao đổi chất của cá. Mỗi loài cá có khoảng nhiệt độ tối ưu riêng, thường dao động từ 24°C đến 30°C đối với phần lớn cá cảnh nước ngọt.

Khi nhiệt độ vượt quá mức tối ưu, cá dễ rơi vào tình trạng căng thẳng (stress), giảm khả năng miễn dịch, bỏ ăn hoặc thậm chí chết do sốc nhiệt.