I. Giới thiệu Hệ thống giám sát thủy canh IoT tại HCMUTE
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công hệ thống giám sát thủy canh trên nền tảng Internet of Things" tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (HCMUTE) của sinh viên Đỗ Vũ Anh Duy (MSSV: 11941039) dưới sự hướng dẫn của Ths. Tạ Văn Phương (năm 2017) tập trung vào việc xây dựng một hệ thống giám sát và điều khiển quá trình trồng rau thủy canh. Hệ thống sử dụng Arduino Uno, ESP8266 Node MCU, và một website để giám sát các thông số quan trọng như độ pH, thời gian chiếu sáng, và điều khiển các thiết bị như máy bơm, đèn. Đồ án đề cập đến vấn đề cấp thiết về an toàn thực phẩm và nhu cầu rau sạch trong đô thị, đặc biệt tại các thành phố lớn như Thành phố Hồ Chí Minh, nơi diện tích đất canh tác hạn chế. Hệ thống này góp phần giải quyết vấn đề này bằng cách cung cấp một giải pháp đơn giản, dễ sử dụng cho việc trồng rau thủy canh tại nhà.
1.1 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
Mục tiêu chính là thiết kế, chế tạo và kiểm thử một hệ thống giám sát và điều khiển thủy canh sử dụng công nghệ IoT. Hệ thống giám sát các thông số môi trường như độ pH của dung dịch, thời gian chiếu sáng. Nó cho phép điều khiển từ xa các thiết bị như bơm nước, đèn chiếu sáng qua giao diện web. Arduino đảm nhiệm vai trò thu thập và xử lý dữ liệu. ESP8266 đảm nhận việc kết nối không dây với mạng internet. Giao diện người dùng thân thiện, dễ sử dụng. Tuy nhiên, đồ án có một số hạn chế như chưa tích hợp mạch đo độ dẫn điện (EC), chưa áp dụng thuật toán điều khiển tự động tinh chỉnh độ pH, và giao diện điều khiển chưa tương thích với điện thoại di động. Những hạn chế này cho thấy tiềm năng phát triển và hoàn thiện hệ thống trong tương lai.
1.2 Phương pháp nghiên cứu
Đồ án áp dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm. Sinh viên đã nghiên cứu các tài liệu liên quan đến điện tử, vi điều khiển, Arduino, ESP8266, giao thức MQTT, và kỹ thuật thủy canh. Quá trình thiết kế, chế tạo, và thử nghiệm hệ thống được thực hiện cẩn thận. Dữ liệu thu thập được từ các thí nghiệm được phân tích và đánh giá để đánh giá hiệu quả của hệ thống. Sinh viên sử dụng ngôn ngữ lập trình C/C++ cho Arduino và PHP, MySQL cho phần mềm giao diện web. Việc sử dụng JSON cho việc trao đổi dữ liệu giữa các thành phần của hệ thống được đề cập trong báo cáo. Phương pháp này đảm bảo tính khoa học và thực tiễn của đồ án.
II. Phân tích thành phần hệ thống
Hệ thống gồm ba phần chính: phần cứng, phần mềm nhúng, và phần mềm ứng dụng web. Phần cứng bao gồm Arduino Uno làm trung tâm điều khiển, module ESP8266 cho kết nối Wifi, các cảm biến đo độ pH, các rơle điều khiển bơm và đèn, và các thành phần cơ khí của hệ thống thủy canh. Phần mềm nhúng trên Arduino thực hiện thu thập dữ liệu từ cảm biến, xử lý dữ liệu và truyền dữ liệu lên máy chủ. Phần mềm ứng dụng web cho phép người dùng theo dõi dữ liệu, điều khiển các thiết bị từ xa. Giao thức MQTT được sử dụng để truyền tải dữ liệu giữa các thiết bị và máy chủ một cách hiệu quả. Kết nối giữa các phần được thực hiện qua giao tiếp I2C và UART. Mô hình trồng rau thủy canh hồi lưu được lựa chọn. Phần mềm sử dụng HTML, CSS, và Java để tạo giao diện người dùng trực quan và thân thiện.
2.1 Phần cứng
Hệ thống sử dụng Arduino Uno như bộ điều khiển trung tâm, một bo mạch vi điều khiển nhỏ gọn và dễ sử dụng. Module ESP8266 Node MCU cung cấp kết nối Wifi, cho phép điều khiển và giám sát từ xa. Cảm biến DFRobot pH đo độ pH của dung dịch thủy canh. Các rơle điện tử điều khiển bơm nước và hệ thống đèn LED. Hệ thống được thiết kế để vận hành trên nguồn điện 5V. Sơ đồ nguyên lý mạch điện được mô tả chi tiết trong báo cáo. Thiết kế phần cứng đảm bảo tính ổn định, độ tin cậy cao, và dễ dàng lắp ráp, bảo trì.
2.2 Phần mềm
Phần mềm nhúng trên Arduino được viết bằng ngôn ngữ C/C++. Code điều khiển thu thập dữ liệu từ cảm biến pH, xử lý và truyền dữ liệu qua ESP8266 tới máy chủ. Phần mềm web được viết bằng PHP, MySQL và sử dụng JSON để truyền nhận dữ liệu. Giao diện web thân thiện với người dùng, hiển thị dữ liệu trực quan, cho phép người dùng điều khiển các thiết bị. MQTT đảm bảo sự truyền dữ liệu hiệu quả và tiết kiệm băng thông. Phần mềm được thiết kế để dễ dàng mở rộng và tích hợp các tính năng mới trong tương lai. Việc sử dụng ngôn ngữ lập trình phổ biến giúp tăng tính khả năng bảo trì và cập nhật.
III. Đánh giá và ứng dụng
Đồ án mang lại giá trị thực tiễn cao. Hệ thống giám sát thủy canh IoT cung cấp giải pháp đơn giản, hiệu quả cho việc trồng rau sạch tại nhà, đặc biệt phù hợp với điều kiện đô thị. Hệ thống giúp người dùng tiết kiệm thời gian, công sức, và đảm bảo chất lượng rau trồng. Việc sử dụng công nghệ IoT cho phép giám sát và điều khiển từ xa, tăng tính tiện lợi. Tuy nhiên, cần cải thiện thêm một số điểm như tích hợp cảm biến EC, tự động điều chỉnh pH, và ứng dụng di động. Việc nghiên cứu này đóng góp vào sự phát triển của nông nghiệp đô thị, giúp nâng cao chất lượng cuộc sống.
3.1 Ưu điểm
Hệ thống đơn giản, dễ sử dụng. Giám sát và điều khiển từ xa qua internet. Tiết kiệm thời gian và công sức. Đảm bảo chất lượng rau sạch. Ứng dụng công nghệ IoT hiện đại. Giải pháp khả thi cho nông nghiệp đô thị. Dữ liệu được hiển thị trực quan và dễ hiểu. Tiềm năng mở rộng và phát triển thêm các tính năng mới. Arduino và ESP8266 là những nền tảng phổ biến, dễ tìm kiếm linh kiện và tài liệu hỗ trợ.
3.2 Hạn chế và hướng phát triển
Chưa tích hợp cảm biến đo độ dẫn điện (EC). Chưa có thuật toán điều khiển tự động cân bằng độ pH. Giao diện điều khiển chưa có ứng dụng trên điện thoại di động. Phạm vi điều khiển còn hạn chế. Khả năng mở rộng và tích hợp với các hệ thống khác cần được cải thiện. Cần nghiên cứu thêm về tính năng dự báo và cảnh báo sự cố. Tối ưu hóa hệ thống để giảm thiểu tiêu thụ năng lượng. Ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) để nâng cao khả năng tự động hóa và tối ưu hóa quá trình trồng trọt. Phát triển thêm các tính năng quản lý dữ liệu và báo cáo.
