Hệ Thống Giám Sát Tự Động IoT Trong Nông Nghiệp

Hệ thống giám sát tự động IoT trong nông nghiệp đang trở thành một xu hướng quan… 89 trang · Ho Chi Minh City University of Technology and Education · 2022.

• Tác giả: Dao Duy Tung
• Người hướng dẫn: M. Do Duy Tan
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology and Education
• Chuyên ngành: Electronics and Communication Engineering Technology
• Đề tài: Hệ Thống Giám Sát Tự Động IoT Trong Nông Nghiệp
• Loại tài liệu: graduation project
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Mục lục chi tiết

• ACKNOWLEDGMENTS
• 1. CHAPTER 1: INTRODUCTION
• 1.1. PROBLEM STATEMENT
• 1.2. THESIS REPORT OUTLINE
• 2. CHAPTER 2: LITERATURE REVIEW
• 2.1. GREENHOUSE MODEL
• 2.2. INTERNET OF THINGS (IoT)
• 4. CHAPTER 4: EXPERIMENT RESULTS
• 5. CHAPTER 5: CONCLUSION AND RECOMMENDATIONS
• LIST OF FIGURES
• LIST OF TABLES

Tóm tắt

I. Tổng quan về Hệ Thống Giám Sát Tự Động IoT Trong Nông Nghiệp

Hệ thống giám sát tự động IoT trong nông nghiệp đang trở thành một xu hướng quan trọng trong việc nâng cao năng suất và hiệu quả sản xuất. Công nghệ IoT cho phép kết nối và giám sát các thiết bị trong nông nghiệp, từ đó giúp nông dân quản lý tốt hơn các yếu tố môi trường như độ ẩm, nhiệt độ và ánh sáng. Việc áp dụng IoT không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất.

1.1. IoT trong nông nghiệp Khái niệm và ứng dụng

IoT trong nông nghiệp là việc sử dụng các thiết bị kết nối Internet để thu thập và phân tích dữ liệu từ môi trường. Các cảm biến IoT có thể theo dõi độ ẩm đất, nhiệt độ không khí và nhiều yếu tố khác, giúp nông dân đưa ra quyết định chính xác hơn.

1.2. Lợi ích của hệ thống giám sát tự động

Hệ thống giám sát tự động giúp nông dân tiết kiệm thời gian và công sức. Nó cho phép theo dõi tình trạng cây trồng và đất đai từ xa, đồng thời tự động hóa các quy trình như tưới nước và bón phân.

II. Thách thức trong việc triển khai IoT trong nông nghiệp

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc triển khai hệ thống IoT trong nông nghiệp cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như chi phí đầu tư ban đầu cao, độ tin cậy của kết nối Internet và khả năng bảo mật dữ liệu là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Chi phí đầu tư và bảo trì

Chi phí đầu tư cho các thiết bị IoT và hệ thống mạng có thể cao, đặc biệt đối với các nông trại nhỏ. Ngoài ra, việc bảo trì và nâng cấp hệ thống cũng cần được tính toán để đảm bảo hiệu quả lâu dài.

2.2. Vấn đề về kết nối Internet

Kết nối Internet không ổn định có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống giám sát. Nông dân cần có giải pháp dự phòng để đảm bảo hệ thống hoạt động liên tục ngay cả khi mất kết nối.

III. Phương pháp triển khai hệ thống giám sát tự động IoT

Để triển khai hệ thống giám sát tự động IoT trong nông nghiệp, cần thực hiện một số bước quan trọng. Từ việc lựa chọn cảm biến phù hợp đến việc thiết lập mạng lưới kết nối, mỗi bước đều cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo hiệu quả.

3.1. Lựa chọn cảm biến và thiết bị

Việc lựa chọn cảm biến phù hợp là rất quan trọng. Các cảm biến cần phải có độ chính xác cao và khả năng hoạt động trong điều kiện môi trường khắc nghiệt.

3.2. Thiết lập mạng lưới kết nối

Mạng lưới kết nối cần được thiết lập một cách hiệu quả để đảm bảo tất cả các thiết bị có thể giao tiếp với nhau. Sử dụng các giao thức như Wi-Fi hoặc LoRa có thể giúp cải thiện khả năng kết nối.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống IoT trong nông nghiệp

Hệ thống giám sát tự động IoT đã được áp dụng thành công trong nhiều mô hình nông nghiệp. Các ứng dụng này không chỉ giúp tăng năng suất mà còn cải thiện chất lượng sản phẩm nông nghiệp.

4.1. Mô hình nông nghiệp thông minh

Mô hình nông nghiệp thông minh sử dụng các cảm biến IoT để theo dõi và điều chỉnh các yếu tố môi trường, từ đó tối ưu hóa quy trình sản xuất.

4.2. Kết quả nghiên cứu và thực nghiệm

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng IoT trong nông nghiệp có thể tăng năng suất lên đến 30% và giảm thiểu lượng nước sử dụng đến 50%.

V. Kết luận và tương lai của hệ thống giám sát IoT trong nông nghiệp

Hệ thống giám sát tự động IoT trong nông nghiệp hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển và mang lại nhiều lợi ích cho ngành nông nghiệp. Tương lai của nông nghiệp thông minh sẽ phụ thuộc vào việc cải tiến công nghệ và khả năng tiếp cận của nông dân.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ IoT

Công nghệ IoT sẽ tiếp tục phát triển với nhiều cải tiến về cảm biến và kết nối, giúp nông dân dễ dàng hơn trong việc quản lý nông trại.

5.2. Tầm quan trọng của giáo dục và đào tạo

Giáo dục và đào tạo về công nghệ IoT sẽ là yếu tố quyết định trong việc nâng cao nhận thức và khả năng áp dụng công nghệ này trong nông nghiệp.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Dự báo đến năm 2050, dân số thế giới có thể chạm mốc 9,8 tỷ người (tăng 25% so với hiện nay) và tỷ lệ đô thị hóa dự kiến đạt gần 70%. Nhu cầu năng suất nông nghiệp đòi hỏi phải tăng gấp đôi để đáp ứng lượng tiêu thụ lương thực cùng nguyên liệu công nghiệp (bông, cao su) trong điều kiện tài nguyên đất đai và nguồn lực sản xuất ngày càng thu hẹp. Trong bối cảnh đó, việc ứng dụng Internet vạn vật (Internet of Things - IoT) vào nông nghiệp mở ra hướng tiếp cận giúp tự động hóa canh tác, nâng cao năng suất và hạn chế thất thoát mùa màng.

Tại Việt Nam, các mô hình canh tác nhà màng kín (bao phủ hoàn toàn bằng màng nhựa chống côn trùng, tia UV) và nhà màng hở (chỉ che mái để cản mưa gió) đã được triển khai nhưng còn tồn tại nhiều nhược điểm:

• Mô hình nhà kín dễ tích tụ nhiệt độ và độ ẩm cao sinh nấm mốc nếu thiếu kiểm soát chặt chẽ; mô hình nhà hở không ngăn được sâu bệnh hại.
• Chi phí đầu tư lắp đặt thiết bị giám sát thông minh ngoại nhập rất đắt đỏ, khó tiếp cận đối với nông dân quy mô nhỏ hoặc các hộ gia đình đô thị muốn trồng trọt tại nhà.
• Hoạt động chăm sóc và vận hành phần lớn vẫn dựa vào kinh nghiệm thủ công.

Xuất phát từ thực trạng trên, đề tài khóa luận "IoT-Based Automatic Monitoring and Control System for Agriculture" (Hệ thống giám sát và điều khiển tự động trong nông nghiệp dựa trên nền tảng IoT) được thực hiện nhằm xây dựng một mô hình hệ thống tự động hóa chăm sóc vườn cây, tích hợp thu thập dữ liệu môi trường và điều khiển cơ cấu chấp hành từ xa qua ứng dụng di động với chi phí hợp lý.

Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm:

1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về các mô hình nhà kính, chuẩn giao tiếp không dây Wi-Fi, giao thức truyền thông nối tiếp UART và I2C.
2. Nghiên cứu và phân tích hệ thống tự động hóa gieo hạt.
3. Thiết kế hệ thống gieo hạt và tưới nước tự động đến từng vị trí lập trình sẵn trên tọa độ vườn, tích hợp camera giám sát hình ảnh truyền trực tiếp về điện thoại thông minh.
4. Xây dựng cơ chế tự động điều chỉnh môi trường dựa trên việc theo dõi liên tục nhiệt độ, độ ẩm không khí và độ ẩm đất.
5. Thiết kế giao diện giám sát, điều khiển thiết bị trên ứng dụng di động (Blynk App).

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là mô hình giám sát, điều khiển vườn thông minh tích hợp vi điều khiển ESP32, ESP32-CAM, các cảm biến môi trường và cơ cấu truyền động 2 trục (X-Y). Phạm vi không gian nghiên cứu được giới hạn trong mô hình thực nghiệm quy mô nhỏ phục vụ mục đích học tập và ứng dụng hộ gia đình, với thời gian triển khai từ tháng 3/2022 đến tháng 8/2022 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài áp dụng các nền tảng lý thuyết và tiêu chuẩn kỹ thuật điện tử - viễn thông bao gồm:

• Khung lý thuyết IoT: Khái niệm kết nối mạng lưới vạn vật theo định nghĩa của Kevin Ashton (1999) từ MIT, ứng dụng kiến trúc kết nối vi điều khiển và cảm biến gửi dữ liệu về máy chủ đám mây để phân tích, hỗ trợ ra quyết định thời gian thực.
• Giao thức truyền thông UART: Truyền dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ, cấu trúc khung truyền gồm Start bit ('0'), chuỗi dữ liệu 8-bit, Parity bit (chẵn '0' hoặc lẻ '1') và Stop bit. Độ trễ mỗi bit được xác định theo tốc độ baud (ví dụ 9600 baud tương ứng độ trễ 108 µs/bit).
• Giao thức truyền thông I2C: Chuẩn giao tiếp 2 dây (SDA - dữ liệu, SCL - xung nhịp) hỗ trợ kết nối tối đa 128 thiết bị ngoại vi. Khung truyền sử dụng địa chỉ 7-bit cùng 1-bit R/W (0: ghi dữ liệu, 1: đọc dữ liệu), với bit ACK xác nhận ở xung nhịp thứ 9.
• Tiêu chuẩn mạng không dây Wi-Fi (IEEE 802.11): Phân tích các thế hệ Wi-Fi từ 802.11 (1997, 2 Mbps), 802.11b (1999, 11 Mbps), 802.11a (5 GHz, 54 Mbps), 802.11g (2,4 GHz, 54 Mbps), 802.11n (2,4/5 GHz, công nghệ MIMO, 100 Mbps), 802.11ac (5 GHz, 1 Gbps) đến 802.11ad (60 GHz, 70 Gbps). Trong đó, chuẩn 802.11n được chọn làm nền tảng kết nối chính do tính tương thích và phổ biến tại Việt Nam.

Phương pháp nghiên cứu thực hiện bao gồm:

• Phương pháp tính toán và thiết kế mạch phần cứng: Tính toán tổng công suất tiêu thụ của các phần tử chấp hành và khối điều khiển để lựa chọn bộ nguồn tổ ong 12V-5A; thiết kế mạch phân áp hạ áp buck DC-DC LM2596 (nguồn ra 5V); tính toán số xung điều khiển cho động cơ bước di chuyển đầu phun theo tọa độ milimét.
• Phương pháp thực nghiệm mô hình hóa: Gia công cơ khí khung mô hình, bố trí ray trượt trục X-Y, lắp đặt khối trung tâm, khối cảm biến, khối chấp hành và thực hiện thử nghiệm gieo hạt, tưới nước trực tiếp trên mẫu thực tế.
• Phương pháp lập trình nhúng và phát triển ứng dụng: Sử dụng môi trường Arduino IDE lập trình cho ESP32 và ESP32-CAM; cấu hình giao diện điều khiển và máy chủ ảo trên nền tảng Blynk App.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được tổ chức thành 10 khối chức năng tương tác chặt chẽ với nhau: Khối nguồn, Khối vi xử lý trung tâm (CPU), Khối xử lý ảnh (Server/Camera), Khối hiển thị tại chỗ, Khối cảm biến, Khối cơ cấu chấp hành, và Khối ứng dụng điều khiển di động (Blynk Platform).

1. Tính toán khối nguồn và mạch hạ áp

Tổng dòng điện và công suất tiêu thụ tối đa của các linh kiện trong hệ thống được tổng hợp nhằm xác định thông số nguồn cấp:

Tên linh kiện / Thiết bị	Số lượng	Điện áp hoạt động (V)	Dòng điện tiêu thụ (mA)
Vi điều khiển ESP32	1	5	147
Module ESP32-CAM	1	5	96
Động cơ bơm nước mini	1	12	500
Cảm biến DHT22 & Độ ẩm đất	2	5	25
Module Relay 1 kênh	1	5	62
Màn hình LCD I2C	1	5	200
Quạt thông gió làm mát	1	12	500
Đèn sưởi LED nhiệt	1	12	500
Động cơ bước STP-43D2033	2	12	500
Shield Arduino CNC V3	1	5	500
Động cơ RC Servo SG90	1	5	500
Tổng cộng	-	-	~4500 mA

Công suất tiêu thụ cực đại của hệ thống được tính theo công thức: $$P = \sum_{i=1}^{n} U_i \cdot I_i$$

Dựa trên điều kiện đảm bảo an toàn tải ($I_{power} \ge I_{max}$, $P_{power} \ge P_{max}$), nhóm tác giả lựa chọn bộ nguồn tổ ong chuyển đổi 220VAC sang 12VDC - 5A công suất 60W. Đối với các tải 5V, hệ thống sử dụng module Buck LM2596 (hiệu suất 92%, dòng cực đại 3A, công suất 15W). Điện áp ngõ ra của LM2596 được điều chỉnh qua biến trở phản hồi $R_2$ theo công thức: $$V_{out} = 1{,}23 \cdot \left(1 + \frac{R_2}{R_1}\right)$$ Với $R_1$ chọn trong khoảng $1\text{ k}\Omega - 5\text{ k}\Omega$, biến trở $R_2$ được tinh chỉnh bằng tua vít để cố định $V_{out} = 5\text{V}$.

2. Khối vi điều khiển và xử lý hình ảnh

• Khối trung tâm ESP32: Vi xử lý lõi kép Tensilica Xtensa LX6 xung nhịp 240 MHz, bộ nhớ SRAM 520 KB, 39 chân GPIO, tích hợp bộ chuyển đổi ADC 12-bit (18 kênh), DAC 8-bit (2 kênh), 16 kênh PWM, hỗ trợ kết nối Wi-Fi 802.11 b/g/n và Bluetooth v4.2. ESP32 đọc tín hiệu từ cảm biến, điều khiển thiết bị đóng ngắt và truyền dữ liệu lên Blynk qua Wi-Fi.
• Khối Camera ESP32-CAM: Sử dụng vi xử lý ESP32-S kích thước 27 x 40,5 mm, tích hợp cảm biến ảnh OV2640 độ phân giải 2 Megapixel (UXGA 1600x1200 @ 15fps, SVGA @ 30fps), hỗ trợ khe cắm thẻ nhớ TF tối đa 4GB, tốc độ baud mặc định 115200 bps, xuất định dạng ảnh nén JPEG. ESP32-CAM chụp và gửi luồng hình ảnh trực tiếp của khu vườn về ứng dụng Blynk.

3. Khối cảm biến và cơ cấu truyền động

• Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm không khí DHT22: Giao tiếp 1-wire, đo nhiệt độ từ -40°C đến +80°C (độ chính xác ±0,5°C) và độ ẩm từ 0% đến 100% (độ chính xác ±1%), độ phân giải 16-bit.
• Cảm biến độ ẩm đất LM393: Gồm hai que đo cắm vào đất và mạch so sánh tích hợp IC LM393, ngõ ra Digital (0V/5V dựa trên ngưỡng cài đặt bằng biến trở) và ngõ ra Analog (0V - 5V).
• Khối cơ cấu chấp hành di chuyển trục X-Y: Gồm 2 động cơ bước STP-43D2033 (góc bước $\alpha = 1{,}8^\circ$, điện áp 5,6V - 24V, dòng 0,42A) điều khiển qua mạch Arduino CNC Shield V3 gắn module driver A4988 (chế độ Full-step khi thả nổi chân MS1, MS2, MS3).
  • Số xung quay 1 vòng ($360^\circ$): $N = \frac{360}{1{,}8} = 200\text{ xung}$.
  • Dây đai GT2 có bước răng $\lambda = 2\text{ mm}$, puly GT2 có $R = 20\text{ răng}$, quãng đường di chuyển mỗi vòng quay là $20 \times 2 = 40\text{ mm}$.
  • Số xung bước cần thiết để di chuyển $1\text{ mm}$ là $S = \frac{200}{40} = 5\text{ xung/mm}$.
  • Số xung bước cần cấp để di chuyển quãng đường $L\text{ (mm)}$: $$\text{step} = L \times 5$$ (Ví dụ: để đầu gieo/tưới di chuyển $250\text{ mm}$, số xung cần phát là $250 \times 5 = 1250\text{ xung}$).
• Khối gieo hạt và tưới nước: Động cơ servo mini SG90 (góc quay 0° - 180°, lực kéo 2,5 kg/cm, điều khiển bằng xung PWM 50Hz chu kỳ 20ms: 1ms ứng với 0°, 1,5ms ứng với 90°, 2ms ứng với 180°) dùng để đóng mở cửa xả hạt giống. Máy bơm nước mini 12V được điều khiển đóng ngắt thông qua mạch cầu H L298 hoặc module Relay.

4. Chế độ vận hành trên ứng dụng Blynk

Hệ thống hoạt động theo hai chế độ chính:

1. Chế độ thủ công (MANUAL Mode): Người dùng trực tiếp bật/tắt các thiết bị (quạt, đèn sưởi, máy bơm), quan sát hình ảnh từ camera, hoặc chọn tọa độ mong muốn trên sơ đồ vườn ảo để hệ thống tự đưa đầu vòi đến vị trí đó để tưới nước hoặc gieo hạt.
2. Chế độ tự động (AUTO Mode): Khi kích hoạt nút gieo hạt hoặc bơm tự động, hệ thống sẽ tuần tự di chuyển và thực hiện quy trình tại toàn bộ các vị trí đã lập trình trước. Đồng thời, người dùng thiết lập các ngưỡng giới hạn nhiệt độ, độ ẩm không khí và độ ẩm đất trên ứng dụng; hệ thống sẽ tự động bật quạt, đèn hoặc máy bơm khi thông số môi trường vượt ra ngoài phạm vi lý tưởng.

Nội dung chính theo từng chương

Chapter 1: Introduction

Chương mở đầu phân tích bối cảnh áp lực an ninh lương thực và đô thị hóa toàn cầu, trình bày sự cần thiết của việc hiện đại hóa nông nghiệp bằng công nghệ IoT. Tác giả xác định mục tiêu thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển tưới - gieo hạt tự động chi phí thấp cho nông dân và hộ gia đình. Chương 1 cũng chỉ rõ các giới hạn kỹ thuật của đề tài: tốc độ truyền nhận và xử lý ảnh trên ESP32-CAM còn chậm, hệ thống phụ thuộc hoàn toàn vào băng thông mạng Wi-Fi, và mô hình thực hiện dừng lại ở quy mô phục vụ học tập/thực nghiệm giáo dục.

Chapter 2: Literature Review

Chương 2 tổng quan chi tiết về hai mô hình nhà màng truyền thống (nhà kín và nhà hở), phân tích ưu nhược điểm liên quan đến khả năng ngăn côn trùng và hiện tượng đọng ẩm sinh nấm mốc. Tác giả tổng thuật khái niệm IoT, các ứng dụng giám sát nông nghiệp và nhà thông minh. Phần trọng tâm của chương trình bày cơ sở lý thuyết truyền thông viễn thông: định dạng khung truyền UART (Start, Data, Parity, Stop bits), cơ chế truyền nhận 2 dây của bus I2C (điều kiện Start/Stop, địa chỉ 7-bit, bit R/W và bit ACK), cùng bảng so sánh tiến trình phát triển các chuẩn Wi-Fi 802.11 từ năm 1999 đến 2019.

Chapter 3: Methodology

Chương 3 trình bày toàn bộ phương pháp luận tính toán và thiết kế kỹ thuật của đề tài:

• Thiết lập sơ đồ khối hệ thống gồm 10 khối liên kết.
• Bảng thống kê công suất tiêu thụ của 11 nhóm thiết bị phần cứng, từ đó tính toán chọn nguồn tổ ong 12V-5A (60W).
• Tính toán điện áp mạch Buck LM2596 qua mạch chia áp điện trở phản hồi.
• Chi tiết sơ đồ chân, thông số kỹ thuật của vi điều khiển ESP32, module camera ESP32-CAM, cảm biến DHT22, cảm biến độ ẩm đất LM393, IC điều khiển động cơ bước A4988, mạch cầu L298 và servo SG90.
• Xây dựng công thức tính xung bước cho động cơ bước STP-43D2033 kết hợp dây đai GT2 ($\text{step} = L \times 5$).
• Xây dựng lưu đồ giải thuật cho chế độ chọn mode, chế độ thủ công (Manual), chế độ tự động (Auto), lưu đồ xử lý ảnh và thiết kế giao diện trên nền tảng ứng dụng Blynk.

Chapter 4: Experiment Results

Chương 4 công bố các kết quả chế tạo và thử nghiệm vận hành mô hình thực tế:

• Hoàn thiện mô hình nhà vườn thu nhỏ có phủ màng nhựa.
• Kết nối thành công ESP32 và ESP32-CAM với mạng Wi-Fi, truyền dữ liệu cảm biến và hiển thị song song lên màn hình LCD I2C cùng ứng dụng Blynk.
• Kiểm tra tính năng truyền hình ảnh trực tiếp từ camera OV2640 về điện thoại.
• Thử nghiệm chức năng gieo hạt và bơm nước tự động theo tọa độ định sẵn.
• Báo cáo kết quả thử nghiệm trồng cây thực tế trên hệ thống với hình ảnh theo dõi sự phát triển của cây sau 36 giờ gieo hạt và sau 7 ngày gieo hạt.

Chapter 5: Conclusion and Recommendations

Chương cuối tổng kết mức độ hoàn thành nhiệm vụ của đồ án, đánh giá ưu điểm về tính ổn định của mô hình và tính tiện dụng của giao diện điều khiển di động. Tác giả đồng thời nêu rõ các điểm hạn chế về tốc độ xử lý ảnh, độ trễ truyền thông khi tín hiệu mạng yếu và đề xuất các định hướng nâng cấp hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể sau:

• Chế tạo thành công mô hình phần cứng hoàn chỉnh: Tích hợp bộ nguồn 12V-5A, mạch hạ áp LM2596 (5V), vi điều khiển ESP32, module ESP32-CAM, cảm biến DHT22, cảm biến đất LM393, 2 động cơ bước trục X-Y kèm driver A4988/CNC Shield V3, động cơ servo SG90 và hệ thống bơm tưới, quạt, đèn sưởi.
• Xây dựng giải thuật truyền động chính xác: Thiết lập công thức quy đổi $5\text{ xung/mm}$ cho động cơ bước STP-43D2033 với dây đai GT2, cho phép di chuyển đầu gieo/tưới đến chính xác các tọa độ đặt trước (ví dụ $L = 250\text{ mm}$ tương ứng $1250\text{ xung}$).
• Vận hành hệ thống điều khiển đa chế độ: Hệ thống thực thi ổn định chế độ thủ công (Manual) và chế độ tự động (Auto) dựa trên ngưỡng cảm biến cài đặt qua ứng dụng Blynk.
• Thực nghiệm sinh trưởng cây trồng: Thực hiện gieo hạt và tưới nước tự động trên mô hình, ghi nhận hình ảnh nảy mầm và phát triển của cây tại mốc thời gian 36 giờ và 7 ngày sau khi gieo.
• Đánh giá của giảng viên hướng dẫn: Đề án được ThS. Đỗ Duy Tân đánh giá hoàn thành đúng tiến độ, bố cục rõ ràng, đáp ứng các yêu cầu ban đầu và được phê duyệt bảo vệ với điểm số 8,2 (Tám phẩy hai).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên tự đánh giá của nhóm tác giả và nhận xét trong phiếu đánh giá của người hướng dẫn, đề tài còn một số hạn chế:

• Việc sử dụng ESP32 làm bộ điều khiển trung tâm kiêm xử lý ảnh truyền từ ESP32-CAM khiến tốc độ xử lý và truyền tín hiệu hình ảnh còn chậm, chịu ảnh hưởng lớn bởi băng thông đường truyền Internet.
• Phản hồi của hệ thống phụ thuộc hoàn toàn vào cường độ tín hiệu Wi-Fi; nếu mất kết nối mạng, người dùng không thể cập nhật trạng thái vườn từ xa (dù đã có phương án đặt lịch hẹn giờ).
• Đề tài thiết kế mô hình chăm sóc vườn bằng IoT là hướng đi đã được nhiều nhóm nghiên cứu trước đó thực hiện.
• Thiếu bảng số liệu theo dõi, thống kê liên tục các thông số môi trường của vườn trong một khoảng thời gian dài để đánh giá định lượng hiệu quả sinh trưởng.
• Chất lượng một số hình ảnh chụp thực tế trong báo cáo chưa thực sự sắc nét.

Hướng phát triển tiếp theo được đề xuất:

• Tối ưu hóa thuật ngữ và thuật toán nén ảnh để nâng cao tốc độ truyền hình ảnh trực tiếp.
• Bổ sung cơ chế lưu trữ dữ liệu môi trường ngoại tuyến (offline logging) và bảng thống kê chuỗi thời gian nhằm đánh giá toàn diện hiệu quả chăm sóc cây.
• Mở rộng quy mô cơ khí để ứng dụng thử nghiệm trên các diện tích nhà màng thực tế ngoài đồng ruộng.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo thực tế cho sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Máy tính hoặc Công nghệ Thông tin đang thực hiện đồ án tốt nghiệp về hệ sinh thái IoT. Các nội dung có giá trị tham khảo kỹ thuật cao gồm:

• Quy trình tính toán công suất nguồn tổng thể cho hệ thống nhúng tích hợp nhiều động cơ và cảm biến.
• Công thức tính toán xung bước cho cơ cấu truyền động 2 trục CNC Shield V3 / A4988 điều khiển bằng ESP32.
• Phương pháp kết nối và cấu hình luồng truyền thông giữa ESP32, ESP32-CAM với nền tảng đám mây Blynk App.

Câu hỏi thường gặp

1. Khối nguồn của hệ thống được tính toán và lựa chọn với thông số kỹ thuật như thế nào?
Tổng dòng tiêu thụ của toàn bộ 11 linh kiện trong hệ thống (gồm ESP32, ESP32-CAM, động cơ bơm 12V, các cảm biến, LCD, quạt 12V, đèn 12V, 2 động cơ bước 12V, CNC Shield, Servo SG90) đạt khoảng 4500 mA (~4,5A). Nhóm tác giả đã lựa chọn nguồn tổ ong chuyển đổi 220VAC sang 12VDC - 5A với công suất 60W để đảm bảo $I_{power} \ge I_{max}$ và $P_{power} \ge P_{max}$, kết hợp module Buck LM2596 (hiệu suất 92%, dòng cực đại 3A) để hạ áp xuống 5V nuôi vi điều khiển và các module logic.

2. Công thức tính số xung bước cho động cơ bước di chuyển trục X-Y trong đồ án được xác định ra sao?
Động cơ bước STP-43D2033 có góc bước $\alpha = 1{,}8^\circ$ (tương đương 200 bước/vòng). Khi kết hợp với puly GT2 20 răng và dây đai GT2 bước răng 2 mm, quãng đường dịch chuyển mỗi vòng là $20 \times 2 = 40\text{ mm}$. Do driver A4988 hoạt động ở chế độ Full-step (thả nổi chân MS1, MS2, MS3), số bước trên mỗi milimét là $S = \frac{200}{40} = 5\text{ xung/mm}$. Số xung bước cần phát để di chuyển quãng đường $L\text{ (mm)}$ là $\text{step} = L \times 5$ (ví dụ dịch chuyển 250 mm cần phát 1250 xung).

3. Động cơ Servo SG90 thực hiện nhiệm vụ gì và được điều khiển bằng tín hiệu như thế nào?
Động cơ SG90 (gắn cửa xả hạt) được điều khiển bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) tần số 50 Hz (chu kỳ 20 ms). Góc quay từ 0° đến 180° được điều khiển bằng cách thay đổi độ rộng xung mức cao (On-Time) từ 1 ms đến 2 ms: xung 1 ms tương ứng góc 0°, 1,5 ms tương ứng góc 90°, và 2 ms tương ứng góc 180°.

4. Module ESP32-CAM sử dụng cảm biến ảnh nào và có thông số ra sao?
Hệ thống sử dụng module ESP32-CAM tích hợp cảm biến hình ảnh OV2640 độ phân giải 2 Megapixel, hỗ trợ các mảng kích thước ảnh tối đa UXGA (1600 x 1200 @ 15fps), SVGA (@ 30fps), định dạng ảnh xuất ra là JPEG, tốc độ truyền UART mặc định 115200 bps.

5. Giảng viên hướng dẫn đưa ra những nhận xét và đánh giá gì về đồ án?
ThS. Đỗ Duy Tân đánh giá nhóm thực hiện đúng tiến độ, báo cáo rõ ràng, đáp ứng yêu cầu đặt ra và cho phép bảo vệ với điểm số 8,2. Giảng viên cũng chỉ ra các điểm yếu: đề tài chăm sóc vườn bằng IoT đã có nhiều nhóm thực hiện trước đó, cần bổ sung bảng theo dõi môi trường vườn theo chuỗi thời gian để đánh giá hiệu quả, và một số hình ảnh trong báo cáo chưa đạt chất lượng tốt.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "IoT-Based Automatic Monitoring and Control System for Agriculture" của sinh viên Đào Duy Tùng và Võ Bằng Tranh (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, 2022) đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình vườn thông minh tự động hóa khâu gieo hạt, tưới nước theo tọa độ và giám sát thông số môi trường qua Wi-Fi. Hệ thống tích hợp hoàn chỉnh phần cứng gồm ESP32, ESP32-CAM, động cơ bước trục X-Y, cảm biến DHT22, cảm biến độ ẩm đất và giao diện điều khiển di động Blynk. Kết quả nghiên cứu cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về tính toán công suất nguồn, điều khiển động cơ bước và lập trình nhúng IoT trong các ứng dụng nông nghiệp quy mô nhỏ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION GRADUATION PROJECT ELECTRONICS AND COMMUNICATION ENGINEERING TECHNOLOGY IOT-BASED AUTOMATIC MONITORING AND CONTR OL SYSTEM FOR AGRICULTURE LECTURER: DO DUY TAN, M. STUDENT: DAO DUY TUNG VO BANG TRANH SKL009327 Ho Chi Minh City, August, 2022 HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY FOR HIGH QUALITY TRAINING -------------- GRADUATION THESIS IOT-BASED AUTOMATIC MONITORING AND CONTROL SYSTEM FOR AGRICULTURE DAO DUY TUNG Student ID: 17141034 VO BANG TRANH Student ID: 17141146 Major: ELECTRONIC AND COMMUNICATION ENGINEERING TECHNOLOGY Advisor: DO DUY TAN, M. Ho Chi Minh City, August 2022 HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY FOR HIGH QUALITY TRAINING -------------- GRADUATION THESIS IOT-BASED AUTOMATIC MONITORING AND CONTROL SYSTEM FOR AGRICULTURE DAO DUY TUNG Student ID: 17141034 VO BANG TRANH Student ID: 17141146 Major: ELECTRONIC AND COMMUNICATION ENGINEERING TECHNOLOGY Advisor: DO DUY TAN, M. Ho Chi Minh City, August 2022 ii THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- Ho Chi Minh City, July 27th, 2022 ADVISOR’S EVALUATION SHEET Student name: Dao Duy Tung Student ID: 17141034 Student name: Vo Bang Tranh Student ID: 17141146 Major: Electronics and Communication Engineering Technology Project title: IOT-BASED AUTOMATIC MONITORING AND CONTROL SYSTEM FOR AGRICULTURE Advisor: M.

Do Duy Tan EVALUATION 1. Content of the project: - The team implements the content that meets the requirements set out initially 2. Strengths: - The group made the graduation thesis on schedule and reported on the complete process. - The content of the report presents a clear layout.

Weaknesses: -The topic of designing a garden care system using IoT technology has been implemented by many groups before show before - It is recommended to supplement the garden monitoring table in a certain period of time to evaluate the effectiveness - Some images are not good quality. Approval for oral defense? (Approved or denied): APPROVAL 5.2 (in words: Eight point two ) Ho Chi Minh City, ADVISOR (Sign with full name) iii HCMC University of Technology and Socialist Republic of Vietnam Education Faculty for High Quality training Independence - Liberty – Happiness Ho Chi Minh City, July 27th, 2022 PROJECT ASSIGNMENT Name of Members: Dao Duy Tung Student ID: 17141034 Vo Bang Tranh Student ID: 17141146 Training system: Regular university Major: Electronics and communication engineering technology Class: 17141CLA2; 17141CLS I. NAME OF PROJECT: IOT-BASED AUTOMATIC MONITORING AND CONTROL SYSTEM FOR AGRICULTURE II. Content of implementation - Present the theoretical basis of greenhouse models, wifi standards, protocols UART, I2C communication.

- Design block diagrams and schematic diagrams of the entire system. - Present and analyze the operating modes of the system. - Analyze and evaluate the resource usage of the design. - Provide general conclusions and development direction of the topic.

Product - Evaluation results on the real paradigm. DATE OF RECEIVING TASK: IV. DATE OF TASK COMPLETION: V. Do Duy Tan CHAIR OF THE PROGRAM ADVISOR (Sign with full name) (Sign with full name) i HCMC University of Technology and Socialist Republic of Vietnam Education Faculty for High Quality training Independence - Liberty – Happiness Ho Chi Minh City, July 27th, 2022 PROJECT IMPLEMENT SCHEDULE Name of Members: Dao Duy Tung Student ID: 17141034 Vo Bang Tranh Student ID: 17141146 Class: 17141CLA2; 17141CLS Name of project: IOT-BASED AUTOMATIC MONITORING AND CONTROL SYSTEM FOR AGRICULTURE Week/Date Content Lecture Confirm 1st Meet Instructor to disseminate regulations: (7/3-13/3) choose topic, working time.

- Instructor conducts review of the topic. 2st - Write a summary of the requirements of the (14/3-20/3) selected topic: Reasons and objectives of the topic, design content, limited parameters of the topic. 3nd Write the plan and detail outlines for the topic. (21/3-27/3) - Design block diagram.

4rd - Design the principal diagram and explain the (28/3-4/4) function of each block. - Search for knowledge, information about the 5th characteristics, temperature, and humidity of (5/4-11/4) plants. - Find out the sensors used in the subject. ii - Learn about how to program apps on smartphone phone.

6th Calculate the parameter of component and (12/4-18/4) choose the suitable material. 7th Complete schematic and layout of components (19/4-25/4) on the circuit board. 8th Design and construction of central control block. (26/4-2/5) - 9th (3/5-9/5) - Programming to connect operating modules in 10th the system.

(10/5-16/5) - - - Design the interface on Blynk App though 11th smartphone (17/5-23/5) 12th (14/5-30/5) 13th - Implement the circuit board. (31/5-6/6) 14th - Model building. (7/6-13/6) 15th - Implement, test and fix the Project. (14/6-20/6) - Write the report.

Complete the report and send it to Instructor to 16th review and comment for the last time before (21/6-27/6) printing the report. 17th Summit the report and slide PowerPoint. (28/6-4/7) iii DISCLAIMER We guarantee that this project is our research, under M. Do Duy Tan's guidance.

The results published in this project are honest and are not replicated from any other work. STUDENTS Vo Bang Tranh Dao Duy Tung iv ACKNOWLEDGMENTS Foremost, our group would like to express our sincere thanks to the teachers in the Faculty of High Quality Training. During the time studying at the school, the teachers were dedicated to teaching and imparting to their group knowledge, experience and motivation in the learning process. We sincerely thank to my advisor for his continued support and encouragement: M.

Do Duy Tan. We offer our sincere appreciation for the learning opportunities provided by my lecturer. Besides my advisor, we would like to thank our friends who shared knowledge and valuable experiences during the implementation of the project. Finally, we would like to thank our family for giving time to care and supporting us spiritually throughout our life.

Sincerely! STUDENTS Vo Bang Tranh Dao Duy Tung v TABLE OF CONTENTS PROJECT ASSIGNMENT. i PROJECT IMPLEMENT SCHEDULE. v TABLE OF CONTENTS. vi LIST OF FIGURES.

viii LIST OF TABLES. xii Chapter 1: INTRODUCTION. Error! Bookmark not defined. Error! Bookmark not defined.

THESIS REPORT OUTLINE. Error! Bookmark not defined. Chapter 2: LITERATURE REVIEW. INTERNET OF THINGS (IoT).

System block diagram design. Circuit design and calculation. Introduce about BLYNK APP. Design the user interface.

446 Chapter 4: EXPERIMENT RESULTS. PLANTING EXPERIMENTS ON THE SYSTEM. 555 Chapter 5: CONCLUSION AND RECOMMENDATIONS. 656 vii LIST OF FIGURES Fig.

Realistic closed garden model. Realistic opened garden model. Applications of the Internet of Things. UART protocol format.

I2C data transfer bit. The master sends data to slave bit sequence. The master reads data from slave bit sequence. Summary of Wi-Fi standards.

Block diagram of the system. Honeycomb power supply. LM2596 Buck Converter. The schematic of LM2596 Buck Converter.

Pin diagram of ESP32 Module. ESP32-CAM pinout. DHT22 sensor pinout. Soil moisture sensor.

Arduino CNC Shield V3. Attach A4988 module to CNC shield and wire 2 step motors. Module Stepper Motor A4988 schematic. L298 Motor Driver Module.

Schematic of L298 circuit. Servo motor pinout. How to control the motor's direction. TP-43D2033 Step motor.

DC pump motor. I2C converter module for LCD. The schematic diagram of the whole system. Blynk App working diagram.

The application store of the two platforms on smartphones. How to create an account on Blynk App. Create a project and device. Enter auth token, user name and password of Wi-Fi to program.

Where to add widgets. Add the widget to the project. Configure the widget. The information displayed on the App.

Flow chart of selection mode. Manual mode flow chart. Automatic mode flow chart. Flowchart of Image processing.

Automatic Monitoring and Control System in Agriculture based on IoT. The system is covered by plastic film. The system is not connected to the network. The system is connected to the network.

Camera captures live images. The sow seeds system is working. MANUAL Configuration Mode. The garden is in ideal condition.

Set the temperature and humidity. The map of garden. Select plant varieties. Select Auto mode and press the sow seed button.

Seeding system is working. Water pump is working. Image of the garden after 36 hours of sowing. Image of the garden after 7 days of sowing.

61 x LIST OF TABLES TABLE 3. Parameters about power consumption of components. LM2596 buck converter specifications. The pinout configurations of the ESP32 module.

ESP 32 module specifications. ESP 32 CAM specifications. Soil moisture specifications. Module steeper control A4988 specifications.

Number of step control. Pin functions of L298. L298 module technical specifications. SG90 servo specifications.

The step requirement to reach desire length. Water pump specifications. Functions of the LCD’s Pins. 40 xi ABSTRACT Currently, with the development of 4.0, products or systems that remotely monitor and control smart gardens are becoming increasingly popular and appear to be necessary tools for keeping the garden in the best condition.

However, the market price of these gadgets is rather costly, making them difficult to obtain for farmers. As a result, our team created the " Automatic Monitoring and Control System in Agriculture based on IoT" to meet the need to monitor the environmental parameters of the garden, ensuring that the garden is always in the best condition, as well as cost more affordable to farmers and tree enthusiasts. The system has the following capabilities that can be controlled via a smartphone app. Sensor data, device status, and camera images will be captured and continuously updated to the App.

The system has two operating modes: manual and automatic. In MANUAL mode, users can actively control devices, turn them on and off as needed, regardless of environmental conditions, such as watering plants, turning on lights, turning fans on and off, and most importantly, selecting the sowing place and having the app irrigate automatically. In AUTO mode, if the user activates the water pump or seeding button, the system will automatically water or sow seeds at all pre-programmed positions. In addition, the system also allows users to set temperature and humidity limits and from there the devices will operate based on environmental parameters.

In this project, we tackle this problem by collecting data inside the greenhouse using ESP 32 and ESP 32 CAM, sensors, and actuators, signal processing from the sensors using programming, and controlling the actuator to keep the garden in the proper condition. After that, the farmer can get real-time data on the smartphone. The operating model is relatively stable, the operations on the application are easy, and the online image can be observed through the Camera. xii Chapter 1: INTRODUCTION 1.

PROBLEM STATEMENT According to estimation, world population could reach to 9,8 billion in 2050, it would be 25% more than it is at the moment. Urbanization would be increasing in tendency significantly in 2050, nearly 70% of world population are expected to be urbanize (compared to 49%). Agricultural productivity must double by 2050 to support this big metropolitan population [2]. Crop production will become equally vital to industry, not only for food but crops such as cotton and rubber are also essential to the economies of many countries.

These demands place a further strain on already restricted agricultural resources. Internet of Things (IoT) is an important topic at the moment and the future of all thing and it is now changing life of everyone by doing everything smarter. Internet of Things is also known as a vast network in which any computer or practically anything with an IP address is linked to the internet or to another in order to automate operations or minimize human interaction smartphones, lights, watches, machine producing, cars, etc are some examples.