CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU Trong chương một, nhóm sẽ sơ lược tổng quan về tính thời sự của đề tài, tìm ra đưa mục tiêu khi làm project này, cũng như giới hạn, phạm vi và phương pháp cần dùng để nghiên cứu mà có thể áp dụng để giải quyết những rào cản gặp phải trong đồ án. Cuối cùng, nhiệm vụ tổng thể của từng phần sẽ được chia nhỏ thành từng chương để giải quyết. Tính cấp thiết của đề tài Để hiểu rõ sự khai sinh và phát triển những hệ thống thủy canh hiện nay. Trước tiên, ta cần đi qua từng bước phát triển của ngành nông nghiệp.
Ngành này là một ngành đóng góp các nguyên liệu thực phẩm, các thành phẩm nông nghiệp cơ bản trong thương mại, bao gồm lúa mì, gia súc, sữa, sợi và sản xuất thực phẩm. Việc nhu cầu tiêu thụ thực phẩm ngày càng tăng vọt, để mà có thể giải quyết được nhu cầu thị trường, việc chuẩn bị một chiến lược hiệu quả để tăng số lượng và chất lượng cây trồng là vô cùng quan trọng. Để tăng khả năng cho cây trồng sinh trưởng, ta cần cách cải thiện chất lượng đất canh tác. Ví dụ, bằng cách điều chỉnh hàm lượng phân bón và chất hữu cơ thích hợp, ta có thể tăng một số kim loại cần thiết cho đất để cây trồng có thể hút được chất dinh dưỡng tốt nhất.
Tuy nhiên, thành phần đất là phức tạp, điều này đặt ra thách thức để kiểm soát khoáng chất và kim loại trong đất. Trong khi có thể ước lượng phân bố xấp xỉ của chất dinh dưỡng trong đất để sau đó bón phân sau mỗi vụ trồng, nhưng tổng thể, việc kiểm soát và duy trì mức dinh dưỡng lý tưởng trong đất là khó khăn. Vì vậy, cây không thể nhận vào được một lượng dinh dưỡng đủ để cây có thể phát triển bình thường, điều này dẫn việc cây trồng phát triển rất kém. Ngoài ra, một hạn chế khác của việc trồng cây truyền thống trong đất là sự ô nhiễm của các thành phần trong đất như nước thải, khí thải, chất thải.
Ngoài ra, các nguyên tố có thể gây hại cho đất như kim loại nặng, cũng làm chất lượng của đất trồng không được tốt. Nhằm giảm thiểu những vấn đề đã đề cập. Người ta bắt đầu thử nghiệm một phương pháp mới, gọi tên là phương pháp canh tác cây trong môi trường nước, nó được biết là một phương pháp trồng cây mà không cần phải dùng đến đất để nuôi cây. Thay vì dùng đất, cây được trồng trong một hệ thống dựa trên nước hoặc dung dịch chất dinh dưỡng.
Các rễ cây được treo trên nước hoặc ngâm bởi dung dịch đã được pha các chất dinh dưỡng cần thiết cho cây hấp thụ. 1 Khác với phương pháp trồng cây truyền thống trên đất, việc tiếp nhận chất dinh dưỡng từ dung dịch, bổ sung các vật liệu như per-lite, sỏi hoặc sợi khoáng, phương pháp sử dụng giúp giảm sâu bệnh và dịch hại, tạo ra cây khỏe mạnh hơn cây trồng trên đất. Chất dinh dưỡng tác động lên sự lớn lên của cây trồng. Để cây nhận được các kim loại cần thiết tốt nhất thì việc điều chỉnh pH đúng cách có thể cải thiện sự tiếp nhận các kim loại cần thiết cho cây và tăng khả năng cho cây phát triển tốt nhất.
Với bước tiến trong lĩnh vực công nghệ IoT, nó đã giúp máy móc có thể kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm, và điều khiển mức pH trong nước tự động, chính xác và nhanh gọn, để đảm bảo cân bằng dinh dưỡng cho cây. Đầu tiên, Rius-Ruiz và cộng sự (2013) [1] đã cho ra mắt một hệ thống thủy canh trồng cây theo dạng trụ thẳng đứng được điều khiển bởi máy tính để phân tích và xác định hàm lượng khoáng chất cây cần thu nạp để điều chỉnh hàm lượng khoáng chất đúng mức cho cây. Mặt khác, Ibayashi cùng với cộng sự (2016) [2] đã tạo ra một hệ thống thủy canh điều khiển không dây đáng tin cậy cho cây cà chua, tập trung vào mạng cảm biến không dây ở những dải tần số khác nhau. Tuy nhiên, cả hai hệ thống đều thiếu chức năng tự động giám sát các thông số đo được từ môi trường.
Chính vì vậy, Montoya và cộng sự (2017) [3] đã nâng cấp hệ thống trở thành tự động bằng cách dùng Arduino, để có thể đo các thông số pH, độ ẩm, nhiệt độ. Bất cập chỉ đến ở chỗ chi phí xây dựng hệ thống khá đắt đỏ. Do đó, vào năm 2017, Eridani và cộng sự [4] đã cho ra mắt hệ thống NFT tận dụng VĐK, dùng cảm biến TDS và cảm biến tiệm cận để phát hiện độ dẫn điện và tự động cung cấp nước khi mức nước giảm, tuy nhiên việc không sử dụng pH, làm cho hệ thống không thể theo dõi và giám sát pH để điều chỉnh cho cây trồng. Ruengittinun và cộng sự vào năm 2017 [5] sáng tạo một hệ thống NFT có thể điều khiển thông số nhiệt độ, độ dẫn điện, độ ẩm và pH thông qua việc sử dụng IoT, và dùng ứng dụng di động để theo dõi.
Tuy nhiên, hệ thống này đòi hỏi sự can thiệp của người dùng thông qua sử dụng ứng dụng. Thế nên, Palande cùng cộng sự (2018) [6] sử dụng cảm biến và các thiết bị ngoại vi để điều khiển hệ thống. Cũng giống các hệ thống trước đây, hệ thống này cũng đi theo hướng theo dõi, giám sát và thay đổi các giá trị của cảm biến đo từ môi trường. Tuy nhiên, cấu trúc trồng cây lại không phù hợp cho việc trồng cây trong hệ thống ngoài đời mà chỉ là mẫu thử nghiệm để thể hiện cách các cảm biến hoạt động.
Từ những tồn đọng đó, Siriwattanakul và cộng sự (2018) [7] đã triển khai một hệ thống nông trại đứng thông minh kết hợp IoT để điều chỉnh giá trị cảm biến đọc được từ xa. Tuy nhiên, phương pháp này không có được các quy trình thiết kế rõ ràng và thiếu sự đánh giá về hệ thống. 2 Tagle và cộng sự [8] đã xây dựng hệ thống tự động có thể dựa trên các trụ hình tháp để đo các thông số hệ thống. Tuy nhiên, hệ thống này không có thể giám sát từ xa vì không dùng IoT.
Do đó, Cambra và cộng sự [8] đã đề xuất một cảm biến pH tự động có thể hiệu chuẩn và cân bằng lại độ pH của dung dịch pha cho cây. Mặc dù hệ thống này là hệ thống tự động hóa, nhưng nó không bao gồm một hệ thống thủy canh đầy đủ tính năng với nền tảng IoT. Vì vậy mà, Marques cùng cộng sự [9] giới thiệu iHydroIoT kết hợp iOS để thu thập CSDL, tư vấn và phân tích dữ liệu trên thời gian thực. Hệ thống này cho phép theo dõi sự thay đổi thông số khác nhau, bao gồm ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm, CO2, pH, độ dẫn điện và mức nước theo thời gian.
Hầu hết các phương pháp kết hợp IoT vào hệ thống thủy canh gần đây tập trung vào việc điều chỉnh các giá trị cảm biến đo từ môi trường tạo điều kiện tốt nhất để cây trồng có thể thu nạp tối đa các khoáng chất cần thiết. Ưu điểm là như thế, phương pháp này cũng có nhược điểm là thiếu tính chất trực quan về mặt ngữ nghĩa của lá cây. Ví dụ như, khi cây trồng thiếu chất dinh dưỡng như Nitrogen thì trên lá của cây sẽ có màu vàng ở phần góc lá cây. Màu sắc của lá cây cũng có thể phản ánh sự bất thường của cây khi cây thiếu chất dinh dưỡng.
Bằng việc đọc dữ liệu từ cảm biến và hình ảnh, nhóm hy vọng thu thập được thêm thông tin về các yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển của cây. Tuy nhiên, trong thực tế, với một số lượng lớn cây trồng, làm sao để tìm ra được vị trí cây bất thường để hệ thống IoT tự động điều chỉnh pH hoặc các tham số khác như nhiệt độ, độ ẩm, và điều này cũng là điểm hạn chế cho các hệ thống sử dụng IoT hiện nay đang gặp phải. Dựa trên quan sát này, hệ thống của nhóm được xây dựng để giám sát tình trạng cây bất thường cùng với vị trí của cây và đưa lên CSDL. Thông qua web, người sử dụng có thể quan sát được location của cây khi chúng có biểu hiện bất thường và chỉnh mức dinh dưỡng cho phù hợp, tiết kiệm thời gian tìm kiếm, giảm số lượng nhân công để giám sát nhà vườn.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Hệ thống thủy canh kết hợp IoT để phát hiện cây bất thường. cho phép kết nối và trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị và cảm biến để thu thập thông tin quan trọng về môi trường trồng trọt như nhiệt độ, độ ẩm, độ pH và mức dinh dưỡng. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống IoT trong phương pháp canh tác không dùng nước để phát hiện sự thiếu dinh dưỡng của cây, giúp tăng cường chất lượng trồng trọt. Bằng cách phát hiện sự thay đổi màu sắc của lá cây, người trồng cây có thể theo dõi cây có màu bất thường để có thể chỉnh pH và dinh dưỡng để duy trì điều kiện tối ưu cho sự phát triển của cây và ngăn chặn sớm nhiều vấn đề như bệnh tật, thiếu dinh dưỡng và sự suy thoái của cây trồng.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Trong đồ án này, nhóm xây dựng hệ thống tự động giám sát trên một mô hình nhà vườn. Hệ thống cho phép thay đổi pH và ppm đo từ môi trường theo từng giai đoạn phát triển của cây đồng thời nhận diện cây bất thường dựa theo màu sắc của lá cây. Giới hạn đồ án Để hạn chế phạm vi của đề tài, nhóm đặt ra các giới hạn như sau: + Chỉ làm mô hình thu nhỏ có kích thước 1220x740x660mm, + Chỉ phát hiện tình trạng cây bệnh thông qua xử lý màu sắc (HSV), + Chỉ giám sát và đưa ra chuẩn đoán cây bất thường (thiếu chất, vàng lá,…), + Chỉ quan sát cây trồng theo góc nhìn cố định (từ trên xuống). Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu tài liệu: thu thập tài liệu, papers, đọc các công trình liên quan đến việc ứng dụng IoT trong lĩnh vực này.
Từ những thông tin có được, nhóm tìm ra điểm hạn chế hoặc những tồn đọng để tìm ra hướng nghiên cứu cho đồ án Phương pháp tham vấn chuyên gia: Thảo luận với giảng viên hướng dẫn để đánh giá phương hướng nghiên cứu về mặt ý tưởng để có thể đo lường được tính thực tế và khả thi về việc triển khai hệ thống trong thực tế. Phương pháp nghiên cứu khảo sát: Thu thập khảo sát của người dùng để đánh giá về chất lượng website nhóm thiết kế.