Hệ Thống Giám Sát và Điều Khiển Nhà Kính Thông Minh Qua Web Server

Hệ thống giám sát và điều khiển nhà kính thông minh qua web server đang trở thành… 113 trang · Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh · 2024.

• Tác giả: Trần Gia Huy
• Người hướng dẫn: TS. Trần Mạnh Sơn
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Hệ Thống Giám Sát Và Điều Khiển Nhà Kính Thông Minh Qua Web Sever
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• DANH SÁCH THÀNH VIÊN THỰC HIỆN BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• BẢN CAM KẾT VÀ XÁC NHẬN KẾT QUẢ KIỂM TRA ĐẠO VĂN
• PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
• PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
• LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• LỜI CAM ĐOAN
• TÓM TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.3. Đối tượng nghiên cứu
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Phạm vi nghiên cứu
• 1.6. Nội dung đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Giới thiệu nhà kính
• 2.2. Cấu trúc và phân loại nhà kính
• 2.3. Một số kiểu mô hình nhà kính phổ biến hiện nay
• 2.4. Mô hình nhà kính đóng mở kiểu cánh bướm
• 2.5. Mô hình nhà kính mái vòm
• 2.6. Vật liệu làm nhà kính
• 2.7. Vật liệu làm khung xương cho nhà kính
• 2.8. Vật liệu làm màn nhà kính
• 2.9. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của thực vật bên trong nhà kính
• 2.10. Tổng quan về IOT
• 2.11. Tổng quan về PLC
• 2.11.1. Giới thiệu chung về PLC
• 2.11.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của PLC
• 2.11.3. Giới thiệu chung
• 2.11.4. Các dòng chính của PLC s7-1200
• 2.11.5. Xử lý tín hiệu analog
• 2.12. Tổng quan về Websever
• 2.12.1. Giới thiệu cơ sở dữ liệu Firebase
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG
• 3.1. Yêu cầu của hệ thống
• 3.2. Thiết kế phần cứng
• 3.2.1. Thiết kế phần cơ khí
• 3.2.1.1. Yêu cầu thiết kế
• 3.2.1.2. Lựa chọn vật liệu
• 3.2.1.3. Bản thiết kế nhà kính trên phần mềm Solidworks
• 3.3. Thiết kế phần điện
• 3.3.1. Yêu cầu thiết kế phần điện
• 3.3.2. Sơ đồ khối và chức năng của từng khối
• 3.4. Thiết kế phần mềm
• 3.4.1. Lưu đồ giải thuật của hệ thống
• 4. CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG
• 4.1. Thi công phần cứng
• 4.2. Thi công phần mềm
• 4.3. Giao diện giám sát và điều khiển SCADA
• 4.4. Kết quả giao diện Websever
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ
• 5.1. Kết quả phần cứng
• 5.2. Kết quả phần mềm
• 5.3. Đáp ứng điều kiện trong nhà kính
• 5.4. Quá trình thử nghiệm trồng cây cải ngọt
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Giám Sát Nhà Kính Thông Minh

Hệ thống giám sát và điều khiển nhà kính thông minh qua web server đang trở thành xu hướng trong nông nghiệp hiện đại. Với sự phát triển của công nghệ IoT, việc quản lý nhà kính trở nên dễ dàng và hiệu quả hơn bao giờ hết. Hệ thống này không chỉ giúp theo dõi các thông số môi trường mà còn cho phép điều khiển từ xa, mang lại sự tiện lợi cho người sử dụng.

1.1. Khái Niệm Về Nhà Kính Thông Minh

Nhà kính thông minh là một mô hình nông nghiệp hiện đại, sử dụng công nghệ để tối ưu hóa điều kiện sinh trưởng cho cây trồng. Hệ thống này tích hợp các cảm biến và thiết bị tự động để theo dõi và điều chỉnh môi trường bên trong nhà kính.

1.2. Lợi Ích Của Hệ Thống Giám Sát

Hệ thống giám sát giúp người nông dân theo dõi nhiệt độ, độ ẩm và các yếu tố khác một cách chính xác. Điều này không chỉ nâng cao năng suất mà còn giảm thiểu rủi ro do điều kiện thời tiết bất lợi.

II. Thách Thức Trong Quản Lý Nhà Kính Truyền Thống

Quản lý nhà kính truyền thống gặp nhiều khó khăn như phụ thuộc vào thời tiết, thiếu thông tin chính xác về môi trường và cần nhiều nhân lực. Những thách thức này ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng sản phẩm nông nghiệp.

2.1. Thiếu Thông Tin Về Môi Trường

Việc không có hệ thống giám sát tự động khiến người nông dân khó khăn trong việc theo dõi các yếu tố môi trường, dẫn đến quyết định không chính xác trong chăm sóc cây trồng.

2.2. Chi Phí Vận Hành Cao

Quản lý nhà kính truyền thống yêu cầu nhiều nhân lực và thời gian, làm tăng chi phí vận hành. Điều này không khả thi trong bối cảnh cạnh tranh ngày càng cao trong ngành nông nghiệp.

III. Phương Pháp Giải Quyết Vấn Đề Quản Lý Nhà Kính

Để khắc phục những thách thức trên, việc áp dụng công nghệ IoT và hệ thống tự động hóa là cần thiết. Hệ thống giám sát và điều khiển nhà kính thông minh qua web server sẽ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất.

3.1. Ứng Dụng Công Nghệ IoT

Công nghệ IoT cho phép kết nối các thiết bị trong nhà kính, giúp thu thập và phân tích dữ liệu một cách hiệu quả. Điều này giúp người nông dân có thể đưa ra quyết định kịp thời và chính xác.

3.2. Tự Động Hóa Quy Trình Chăm Sóc Cây Trồng

Hệ thống tự động hóa giúp điều chỉnh các yếu tố như ánh sáng, độ ẩm và nhiệt độ một cách tự động, giảm thiểu sự can thiệp của con người và nâng cao hiệu quả sản xuất.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Hệ Thống Giám Sát Nhà Kính

Hệ thống giám sát và điều khiển nhà kính thông minh đã được áp dụng thành công trong nhiều mô hình nông nghiệp. Các nghiên cứu cho thấy năng suất cây trồng tăng lên đáng kể nhờ vào việc kiểm soát môi trường chính xác.

4.1. Kết Quả Nghiên Cứu Tại Các Mô Hình Nhà Kính

Nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng hệ thống giám sát giúp tăng năng suất cây trồng lên đến 30% so với các phương pháp truyền thống.

4.2. Phản Hồi Từ Người Sử Dụng

Người sử dụng hệ thống giám sát cho biết họ cảm thấy yên tâm hơn khi có thể theo dõi và điều khiển nhà kính từ xa, giúp tiết kiệm thời gian và công sức.

V. Kết Luận Và Hướng Phát Triển Tương Lai

Hệ thống giám sát và điều khiển nhà kính thông minh qua web server không chỉ mang lại lợi ích cho người nông dân mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành nông nghiệp. Hướng phát triển trong tương lai sẽ tập trung vào việc cải tiến công nghệ và mở rộng ứng dụng.

5.1. Cải Tiến Công Nghệ

Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới để nâng cao hiệu quả của hệ thống giám sát, từ đó đáp ứng tốt hơn nhu cầu của người nông dân.

5.2. Mở Rộng Ứng Dụng

Hệ thống có thể được áp dụng không chỉ trong nông nghiệp mà còn trong các lĩnh vực khác như công nghiệp chế biến thực phẩm, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành nông nghiệp giữ vai trò quan trọng trong nền kinh tế Việt Nam, với các sản phẩm nông sản có mặt trên 180 quốc gia và vùng lãnh thổ, đưa Việt Nam lên vị trí thứ 2 về xuất khẩu nông sản tại khu vực Đông Nam Á và thứ 15 trên thế giới. Tuy nhiên, hoạt động canh tác nông nghiệp trong nước phần lớn vẫn phụ thuộc vào sức lao động thủ công, các quy trình chăm sóc cây trồng chưa được tiêu chuẩn hóa và chuyên nghiệp hóa cao. Bên cạnh đó, diễn biến phức tạp của biến đổi khí hậu toàn cầu cùng sự gia tăng của sâu bệnh và điều kiện thời tiết cực đoan gây ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất và chất lượng cây trồng. Trong khi đó, nhu cầu của người tiêu dùng đối với nguồn thực phẩm sạch, an toàn ngày càng khắt khe.

Mô hình nhà kính được xem là giải pháp hiệu quả nhằm che chắn tác động bất lợi của thời tiết, ngăn ngừa sâu bệnh và kiểm soát các yếu tố vi khí hậu. Mặc dù vậy, đa phần các hệ thống nhà kính hiện nay vẫn đòi hỏi nhiều nhân công vận hành, chi phí duy trì cao. Những đề tài nghiên cứu trước đây thường bộc lộ một số giới hạn kỹ thuật:

• Chưa hỗ trợ khả năng giám sát và điều khiển trực tuyến từ xa qua mạng Internet (Web Server).
• Chưa tích hợp công nghệ làm mát bằng tấm cooling pad nhằm hạ nhiệt độ nhanh và tạo ẩm tự nhiên.
• Thiếu tính năng cấu hình và lưu trữ thông số linh hoạt cho nhiều loại cây trồng khác nhau theo từng giai đoạn sinh trưởng.
• Giao diện giám sát chưa trực quan, khó tiếp cận đối với người vận hành phổ thông.

Nhằm giải quyết những hạn chế trên, đề tài "Hệ thống giám sát và điều khiển nhà kính thông minh qua web sever" được thực hiện với các mục tiêu cụ thể:

1. Xây dựng mô hình nhà kính thông minh vận hành tự động, hạn chế tối đa sự can thiệp trực tiếp của con người và tác động bất lợi từ môi trường ngoài.
2. Thu thập liên tục các thông số nhiệt độ, độ ẩm không khí và độ ẩm đất thông qua hệ thống cảm biến chuyên dụng để xử lý và xuất tín hiệu điều khiển chính xác.
3. Thiết kế giao diện Web Server và SCADA trực quan, thân thiện, cho phép người dùng giám sát dữ liệu và tùy chọn chế độ vận hành (tự động hoặc thủ công) từ xa qua Internet.
4. Cung cấp tính năng cài đặt thông số vi khí hậu theo từng giai đoạn phát triển của cây trồng và cho phép người dùng tùy biến, bổ sung nhiều loại cây trồng khác nhau vào hệ thống lưu trữ.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân chia thành các nội dung chính:

• Nhiệm vụ 1: Tìm hiểu tổng quan về nhà kính tự động, các mô hình thực tế hiện hành và các giải pháp cải tiến công nghệ.
• Nhiệm vụ 2: Nghiên cứu cấu trúc, đặc tính kỹ thuật của bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-1200 và phương pháp lập trình điều khiển hệ thống trên phần mềm TIA Portal.
• Nhiệm vụ 3: Nghiên cứu kỹ thuật lập trình Web Server, cấu hình cơ sở dữ liệu Firebase Realtime Database và giao thức truyền thông giữa PLC với Web Server.
• Nhiệm vụ 4: Tính toán, thiết kế cơ khí và lựa chọn các linh kiện, thiết bị điện phù hợp với mô hình thực nghiệm.
• Nhiệm vụ 5: Lập trình chương trình điều khiển, thiết kế giao diện giám sát SCADA và giao diện Web Server.
• Nhiệm vụ 6: Thi công lắp ráp mô hình phần cứng, đấu nối tủ điện, chạy thử nghiệm thực tế, khắc phục lỗi và hiệu chỉnh giải thuật tối ưu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Mô hình hệ thống nhà kính thông minh; bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 (CPU 1214C AC/DC/RLY); các cảm biến môi trường (nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất); các thiết bị chấp hành (quạt hút thông gió, bơm tưới nhỏ giọt, bơm cooling pad, rèm cắt nắng, đèn LED quang hợp); phần mềm lập trình TIA Portal, Visual Studio (ngôn ngữ C#), Visual Studio Code (HTML/CSS/JavaScript); cơ sở dữ liệu Firebase Realtime Database.
• Phạm vi nghiên cứu: Đề tài dừng lại ở quy mô mô hình thực nghiệm phục vụ việc mô phỏng và kiểm chứng giải thuật điều khiển; kiểm tra khả năng đáp ứng vi khí hậu theo thông số thiết lập; thời gian thực hiện từ ngày 15/01/2024 đến ngày 20/06/2024 tại Bộ môn Tự động Điều khiển, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về cơ sở lý thuyết, đề tài tổng hợp các kiến thức chuyên ngành liên quan đến kỹ thuật nhà kính, công nghệ Internet vạn vật (IoT), tự động hóa công nghiệp và phát triển ứng dụng web:

• Lý thuyết nhà kính: Đánh giá phân loại nhà kính theo kết cấu mái (mái phẳng, mái vòm, mái xéo), theo mức độ công nghệ (công nghệ cao, trung bình, thấp), theo chi phí và theo vật liệu che phủ (màng nhựa plastic, tấm kính, tấm polycarbonate, vải dệt nhôm, lưới che). Phân tích chi tiết ưu nhược điểm của mô hình nhà kính mái cánh bướm đóng mở tự động và mô hình nhà kính mái vòm.
• Yếu tố vi khí hậu ảnh hưởng đến thực vật: Phân tích vai trò của ánh sáng (quang phổ và thời gian chiếu sáng của đèn LED), nhiệt độ (cơ chế giảm nhiệt từ 8 đến 10°C của hệ thống làm mát bằng tấm cooling pad kết hợp quạt hút thông gió tạo áp suất âm), độ ẩm không khí và độ ẩm đất (sử dụng hệ thống tưới nhỏ giọt để tiết kiệm nước và tối ưu độ ẩm rễ).
• Tổng quan công nghệ IoT: Dẫn chứng số liệu dự báo thị trường IoT toàn cầu tăng trưởng từ 110 tỷ USD (năm 2017) lên mức 1.567 tỷ USD vào năm 2025 với tốc độ tăng trưởng hàng năm kép (CAGR) đạt 39%; phân tích ứng dụng của IoT trong giám sát nông nghiệp thông minh.
• Bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-1200: Cấu tạo gồm bộ xử lý trung tâm (CPU), bộ nhớ (RAM, ROM, EPROM) và các module I/O tích hợp. Chu kỳ quét (Scan Cycle) của PLC diễn ra trong khoảng từ 1ms đến 100ms gồm các bước: đọc ngõ vào, thực thi chương trình, truyền thông nội bộ, tự kiểm tra lỗi và cập nhật ngõ ra.
• Kỹ thuật xử lý tín hiệu tương tự (Analog): Bộ chuyển đổi A/D của PLC tiếp nhận tín hiệu tiêu chuẩn (4-20mA hoặc điện áp tương ứng) và chuyển đổi thành giá trị số nguyên trong dải 0 – 27648. Việc quy đổi sang đại lượng vật lý thực tế được thực hiện bằng giải thuật nội suy tuyến tính dựa trên định lý Thales về hai tam giác đồng dạng:

$$\frac{Y}{27648} = \frac{X - a}{b - a}$$

Trong đó:

• $Y$: Giá trị số nguyên nhận được từ ngõ vào analog của PLC sau khi chuyển đổi A/D.
• $a, b$: Giới hạn dưới và giới hạn trên của dải đo cảm biến.
• $X$: Giá trị thực tế của đại lượng cần đo (nhiệt độ, độ ẩm).
• Cơ sở dữ liệu và Web Server: Cơ chế hoạt động của Web Server thông qua giao thức HTTP; ứng dụng hệ quản trị cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase Realtime Database của Google dưới dạng NoSQL, lưu trữ dữ liệu theo định dạng JSON, hỗ trợ đồng bộ dữ liệu đa nền tảng và cung cấp chế độ lưu trữ ngoại tuyến (offline mode).

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

• Phương pháp mô hình hóa và thiết kế cơ khí: Ứng dụng phần mềm Solidworks để xây dựng bản vẽ 3D tổng thể khung nhà kính, bố trí vị trí các thiết bị chấp hành, máng nước, quạt hút và rèm cắt nắng.
• Phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển: Xây dựng sơ đồ khối chức năng, thiết kế bản vẽ nguyên lý tủ điện, sơ đồ đấu nối phần cứng I/O cho PLC S7-1200 và mạch động lực.
• Phương pháp lập trình điều khiển tự động: Xây dựng các lưu đồ giải thuật cho chế độ tự động (Auto), chế độ thủ công (Manual) và chế độ sinh trưởng theo giai đoạn; lập trình chương trình điều khiển bằng ngôn ngữ Ladder trên TIA Portal.
• Phương pháp lập trình truyền thông tích hợp: Viết ứng dụng trung gian bằng ngôn ngữ C# trên Visual Studio để đọc/ghi dữ liệu thanh ghi của PLC S7-1200 qua Ethernet và đồng bộ lên Firebase Realtime Database; xây dựng giao diện người dùng Web Server bằng HTML/CSS/JavaScript để kết nối với Firebase.
• Phương pháp thực nghiệm và đánh giá: Tiến hành đo đạc, kiểm thử đáp ứng của hệ thống trong phòng thí nghiệm; thử nghiệm thực tế gieo trồng cây cải ngọt để đánh giá mức độ ổn định của các thông số vi khí hậu.

Nguồn dữ liệu sử dụng:

• Các tài liệu kỹ thuật, datasheet của hãng sản xuất thiết bị (Siemens, các nhà cung cấp cảm biến và động cơ).
• Thông số nông học về điều kiện nhiệt độ, độ ẩm đất và độ ẩm không khí tối ưu cho sự phát triển của cây trồng (đặc biệt là cây cải ngọt).
• Dữ liệu đo đạc thực tế thu thập từ cảm biến nhiệt độ - độ ẩm không khí và cảm biến độ ẩm đất trong suốt quá trình chạy thử nghiệm mô hình.

---

Thiết kế và triển khai hệ thống

Mô hình nhà kính được thiết kế dưới dạng hệ thống kỹ thuật hoàn chỉnh, kết hợp đồng bộ giữa kết cấu cơ khí, mạch điện động lực - điều khiển và hệ thống phần mềm giám sát phân tầng.

Thiết kế phần cứng và cơ khí

Kết cấu mô hình nhà kính được dựng từ khung nhôm định hình kích thước 20x20 cm, bao che xung quanh bằng các tấm mica trong suốt nhằm tối ưu hóa khả năng nhận ánh sáng và hỗ trợ quan sát bên trong. Hệ thống cơ khí bao gồm các cụm chức năng chính:

• Hệ thống làm mát bay hơi: Tấm làm mát cooling pad được lắp đặt cố định tại một mặt bên của mô hình, đi kèm khung bảo vệ, máng hứng nước và máy bơm tuần hoàn cấp nước làm ướt tấm làm mát. Mặt đối diện bố trí quạt hút thông gió để hút không khí nóng ra ngoài, tạo sự chênh lệch áp suất kéo luồng khí mát qua tấm cooling pad đi vào nhà kính.
• Hệ thống rèm che nắng: Rèm cắt nắng lắp đặt ở phần mái, dẫn động bằng động cơ điện kết hợp cơ cấu truyền động dây đai. Vị trí đóng/mở tối đa của rèm được giới hạn an toàn bằng các công tắc hành trình.
• Hệ thống tưới nước: Khay nhựa trồng cây đặt bên trong mô hình, kết hợp mạng lưới ống tưới nhỏ giọt dẫn nước từ máy bơm chìm đặt trong bình chứa.
• Hệ thống chiếu sáng: Đèn LED quang hợp chuyên dụng cho thực vật được bố trí phía trên vòm mái để bổ sung năng lượng ánh sáng.

STT	Thiết bị phần cứng	Thông số kỹ thuật / Đặc tính	Chức năng trong hệ thống
1	PLC Siemens S7-1200	CPU 1214C AC/DC/Relay, tích hợp cổng Ethernet	Bộ điều khiển trung tâm, xử lý logic và tín hiệu I/O
2	Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm không khí	Tín hiệu ngõ ra analog công nghiệp	Thu thập nhiệt độ và độ ẩm không khí bên trong mô hình
3	Cảm biến độ ẩm đất	Đầu dò kim loại chống ăn mòn	Cắm trực tiếp vào đất để đo độ ẩm vùng rễ cây trồng
4	Quạt hút thông gió	Động cơ điện DC, lưu lượng gió phù hợp mô hình	Hút khí nóng, lưu thông không khí và hỗ trợ làm mát
5	Tấm làm mát Cooling Pad	Vật liệu giấy cellulose dạng tổ ong	Hạ nhiệt độ không khí từ 8 - 10°C bằng cơ chế bay hơi
6	Đèn LED quang hợp	Ánh sáng bước sóng chuyên dụng cho thực vật	Bổ sung ánh sáng cho quá trình quang hợp của cây
7	Bơm chìm cấp nước	Động cơ chìm công suất nhỏ	Bơm tưới nhỏ giọt vào đất và bơm tuần hoàn tấm làm mát
8	Động cơ kéo rèm	Động cơ kèm cơ cấu dây đai, công tắc hành trình	Kéo rèm che chắn bức xạ mặt trời khi cường độ nhiệt cao
9	Khung vỏ và vách	Nhôm định hình 20x20 cm, tấm mica trong suốt	Đảm bảo độ bền cơ học và tính thẩm mỹ cho mô hình

Toàn bộ hệ thống điện được bố trí gọn gàng trong tủ điện công nghiệp gồm: PLC S7-1200 CPU 1214C, các rơle trung gian cách ly điều khiển, bộ chuyển đổi nguồn, cầu chì bảo vệ, domino đấu dây và các đèn báo, nút nhấn, công tắc chọn chế độ tại mặt ngoài cánh tủ.

Kiến trúc phần mềm và truyền thông

Hệ thống phần mềm được tổ chức theo cấu trúc đa tầng, bảo đảm tính thời gian thực ở cấp điều khiển và tính linh hoạt ở cấp giám sát từ xa:

• Tầng điều khiển trực tiếp (Firmware PLC): Chương trình Ladder trên TIA Portal thực hiện việc đọc liên tục tín hiệu analog từ các cảm biến, quy đổi giá trị đo theo định lý Thales. Dựa trên các thuật toán so sánh ngưỡng, PLC xuất lệnh điều khiển đóng/ngắt các ngõ ra relay tương ứng với các thiết bị: quạt hút, bơm làm mát, bơm tưới nhỏ giọt, động cơ rèm và đèn LED.
• Tầng kết nối truyền thông trung gian (Visual Studio - C#): Ứng dụng C# chạy trên máy tính kết nối với PLC S7-1200 qua giao thức Ethernet công nghiệp. Ứng dụng này đảm nhận nhiệm vụ đọc các biến nhớ dữ liệu (DB) từ PLC và gửi dữ liệu lên Firebase Realtime Database qua Internet, đồng thời lắng nghe các lệnh điều khiển từ Firebase để ghi ngược về PLC.
• Tầng cơ sở dữ liệu (Firebase Realtime Database): Lưu trữ toàn bộ dữ liệu môi trường (nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất), trạng thái hoạt động của thiết bị và các thông số cài đặt dưới dạng cấu trúc JSON.
• Tầng giao diện người dùng:
  • Giao diện SCADA trên nền tảng TIA Portal (WinCC): Cung cấp các trang màn hình vận hành tại chỗ gồm trang giới thiệu, màn hình điều khiển chế độ Auto, màn hình điều khiển chế độ Manual, màn hình cài đặt giai đoạn sinh trưởng và biểu đồ giám sát dữ liệu cảm biến thời gian thực.
  • Giao diện Web Server (Visual Studio Code): Trang web hiển thị giao diện đồ họa trực quan, cho phép người dùng quan sát biểu đồ nhiệt độ - độ ẩm, theo dõi trạng thái thiết bị, bật/tắt thiết bị thủ công, chọn loại cây trồng, cấu hình ngưỡng điều khiển theo giai đoạn sinh trưởng và truy xuất bảng lịch sử vận hành từ bất kỳ thiết bị nào có trình duyệt web.

Giải thuật điều khiển các chế độ vận hành

Hệ thống hỗ trợ ba chế độ vận hành chính thông qua lưu đồ giải thuật chuyên biệt:

• Chế độ tự động (Auto): PLC liên tục so sánh dữ liệu cảm biến với ngưỡng cài đặt:
  • Nếu nhiệt độ vượt ngưỡng cho phép: Bật quạt thông gió, kích hoạt bơm làm mát cooling pad và kéo rèm che nắng.
  • Nếu độ ẩm không khí vượt ngưỡng cho phép: Bật quạt hút thông gió để giảm ẩm.
  • Nếu độ ẩm đất thấp hơn ngưỡng tối thiểu: Bật máy bơm tưới nhỏ giọt cho đến khi độ ẩm đất đạt ngưỡng trên thì ngắt bơm.
• Chế độ thủ công (Manual): Người vận hành có thể can thiệp cưỡng bức bật/tắt độc lập từng thiết bị (quạt, rèm, đèn, bơm tưới, bơm cooling pad) thông qua các nút bấm ảo trên giao diện SCADA hoặc Web Server mà không phụ thuộc vào trạng thái cảm biến.
• Chế độ sinh trưởng theo giai đoạn: Hệ thống tự động thay đổi các mốc ngưỡng nhiệt độ và độ ẩm tương ứng với từng giai đoạn phát triển của cây trồng (giai đoạn nảy mầm/cây con, giai đoạn phát triển thân lá, giai đoạn trước thu hoạch), bảo đảm môi trường vi khí hậu luôn tương thích với nhu cầu sinh học của thực vật.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh nông nghiệp Việt Nam đang chuyển dịch sang sản xuất nông sản sạch ứng dụng công nghệ cao. Tác giả phân tích những hạn chế của các hệ thống nhà kính hiện hành (vận hành thủ công, chi phí cao, thiếu điều khiển từ xa, thiếu hệ thống làm mát tự nhiên) và xác định rõ mục tiêu chế tạo hệ thống nhà kính thông minh giám sát qua Web Server. Chương này cũng nêu chi tiết đối tượng nghiên cứu (PLC S7-1200, các cảm biến môi trường, hệ thống làm mát cooling pad, nền tảng Web Server/Firebase), phương pháp nghiên cứu và giới hạn phạm vi đề tài ở mức độ mô hình thử nghiệm trong thời gian từ tháng 01/2024 đến tháng 06/2024.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp nền tảng lý thuyết toàn diện phục vụ cho việc thiết kế hệ thống. Nội dung chương bao gồm:

• Khái niệm, cấu trúc khung giàn, màng phủ và phân loại nhà kính theo mái (mái phẳng, mái vòm, mái xéo), theo công nghệ và theo chi phí. Phân tích sâu hai kiểu mô hình: nhà kính đóng mở kiểu cánh bướm và nhà kính mái vòm.
• Đặc tính cơ lý của các vật liệu làm khung (thép, nhôm, ống PVC) và vật liệu làm màng phủ (kính, màng nhựa PVC/polycarbonate, vải dệt nhôm, lưới che).
• Các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến sinh trưởng thực vật (ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất, thông gió) cùng nguyên lý giảm nhiệt từ 8 đến 10°C của hệ thống cooling pad và lợi ích tiết kiệm nước của phương pháp tưới nhỏ giọt.
• Tổng quan công nghệ IoT với dữ liệu dự báo thị trường đạt 1.567 tỷ USD vào năm 2025 (CAGR 39%) và vai trò của IoT trong nông nghiệp.
• Cấu tạo phần cứng, nguyên lý quét vòng (1ms - 100ms) của PLC Siemens S7-1200, các dòng CPU S7-1200 và công thức chuyển đổi tín hiệu analog dựa trên định lý Thales với dải số 0 – 27648.
• Kiến trúc Web Server, máy chủ cơ sở dữ liệu và các đặc tính của Firebase Realtime Database (lưu trữ JSON, đồng bộ hóa thời gian thực, hỗ trợ chế độ ngoại tuyến).

Chương 3: Thiết kế hệ thống

Chương 3 tập trung giải quyết bài toán thiết kế chi tiết cả về cơ khí, phần điện và phần mềm:

• Thiết kế cơ khí: Sử dụng Solidworks thiết kế mô hình nhà kính khung nhôm định hình 20x20 cm bọc mica trong suốt, bố trí khay trồng cây, máng hứng nước, tấm cooling pad, quạt hút thông gió, rèm cắt nắng kéo bằng dây đai.
• Thiết kế phần điện: Lập sơ đồ khối hệ thống gồm khối nguồn, khối cảm biến, khối điều khiển trung tâm (PLC S7-1200 CPU 1214C AC/DC/RLY), khối chấp hành và khối giám sát hiển thị. Lập bảng vẽ chi tiết tủ điện, sơ đồ nối dây ngõ vào/ngõ ra của PLC và sơ đồ mạch động lực.
• Thiết kế phần mềm: Xây dựng sơ đồ khối phương thức truyền nhận dữ liệu giữa TIA Portal, ứng dụng trung gian C#, cơ sở dữ liệu Firebase và Web Server. Xây dựng các lưu đồ giải thuật kiểm tra chế độ vận hành, giải thuật điều khiển chế độ Auto (nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất), chế độ Manual và chế độ sinh trưởng theo giai đoạn.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả kết quả hiện thực hóa các bản vẽ thiết kế vào thực tế:

• Thi công phần cứng: Hoàn thiện lắp ráp khung mô hình nhà kính thực tế bằng nhôm định hình và mica; gia công lắp đặt tủ điện điều khiển với hệ thống dây dẫn đánh số thứ tự; lắp ráp cơ cấu kéo rèm dùng động cơ, dây đai và công tắc hành trình; lắp đặt tấm làm mát cooling pad, máng chứa nước, quạt thông gió, mạng lưới tưới nhỏ giọt, cảm biến nhiệt độ - độ ẩm không khí và cảm biến độ ẩm đất.
• Thi công phần mềm: Lập trình hoàn chỉnh chương trình điều khiển trên TIA Portal; thiết kế các giao diện SCADA trên máy tính (giao diện giới thiệu, giao diện chế độ Auto, giao diện chế độ Manual, giao diện cài đặt thời gian sinh trưởng, giao diện biểu đồ giám sát cảm biến); lập trình giao diện Web Server bao gồm trang vận hành hệ thống trực tuyến, trang điều khiển theo giai đoạn sinh trưởng và trang lưu trữ lịch sử dữ liệu cảm biến/thiết bị.

Chương 5: Kết quả và đánh giá

Chương 5 trình bày các kết quả thử nghiệm và đánh giá thực nghiệm:

• Đánh giá phần cứng: Mô hình hoạt động vững chắc, các cơ cấu động (rèm, quạt, bơm) vận hành êm ái, tủ điện bảo đảm an toàn điện và thẩm mỹ công nghiệp.
• Đánh giá phần mềm: Giao diện SCADA và Web Server phản hồi nhanh, dữ liệu từ cảm biến được đồng bộ lên Firebase và hiển thị trên Web Server với độ trễ thấp; các nút điều khiển chấp hành lệnh chính xác.
• Thử nghiệm đáp ứng các trạng thái vi khí hậu trong nhà kính:
  • Trạng thái nhiệt độ và độ ẩm không khí dưới ngưỡng cho phép.
  • Trạng thái nhiệt độ ổn định và độ ẩm không khí trên ngưỡng cho phép.
  • Trạng thái độ ẩm đất dưới ngưỡng tối thiểu.
  • Trạng thái hệ thống đã đạt các điều kiện môi trường cài đặt.
• Thử nghiệm sinh trưởng thực tế: Tiến hành gieo hạt và theo dõi sự phát triển của cây cải ngọt trong nhà kính qua hai giai đoạn: giai đoạn gieo hạt/cây con và giai đoạn phát triển thân lá sau 10 ngày. Biểu đồ dữ liệu ghi nhận hệ thống duy trì ổn định các thông số môi trường theo đúng giá trị cài đặt, cây cải ngọt phát triển bình thường.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết toàn bộ kết quả đề tài đã đạt được: chế tạo thành công mô hình nhà kính tự động, lập trình điều khiển chính xác bằng PLC S7-1200, xây dựng giao diện giám sát trực tuyến qua Web Server và Firebase, thử nghiệm đáp ứng thành công trên cây cải ngọt. Đồng thời, tác giả xác định các nội dung cần tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện trong tương lai nhằm nâng cao độ tin cậy và khả năng ứng dụng thực tiễn của hệ thống.

---

Kết quả và đóng góp

Đề tài đã hoàn thành toàn bộ khối lượng công việc đặt ra và ghi nhận các kết quả cụ thể:

• Chế tạo thành công mô hình nhà kính thông minh hoàn chỉnh với kết cấu khung nhôm định hình 20x20 cm, vách mica trong suốt; tích hợp đầy đủ hệ thống cơ điện bao gồm: tấm làm mát cooling pad, quạt thông gió, hệ thống tưới nhỏ giọt, rèm cắt nắng động cơ dây đai có công tắc hành trình giới hạn và đèn LED quang hợp.
• Thi công tủ điện điều khiển công nghiệp sử dụng PLC Siemens S7-1200 (CPU 1214C AC/DC/RLY), đấu nối an toàn các ngõ vào/ngõ ra, xử lý chính xác tín hiệu analog từ cảm biến nhiệt độ - độ ẩm không khí và cảm biến độ ẩm đất thông qua công thức chuyển đổi Thales.
• Xây dựng thành công kênh truyền thông dữ liệu hai chiều: PLC S7-1200 giao tiếp với ứng dụng C# qua Ethernet, đồng bộ dữ liệu thời gian thực lên Firebase Realtime Database và kết nối với giao diện Web Server viết bằng HTML/JavaScript.
• Hoàn thiện hệ thống giám sát kép: Giao diện SCADA trên máy tính và giao diện Web Server trực tuyến, cho phép điều khiển linh hoạt ở cả ba chế độ: Auto, Manual và chế độ sinh trưởng theo giai đoạn, đi kèm chức năng hiển thị biểu đồ và lưu trữ dữ liệu lịch sử.
• Thử nghiệm kiểm chứng thành công khả năng đáp ứng vi khí hậu của nhà kính qua 4 kịch bản ngưỡng môi trường và thử nghiệm thực tế quá trình trồng cây cải ngọt từ khi gieo hạt, qua giai đoạn cây con đến 10 ngày phát triển thân lá, chứng minh khả năng duy trì thông số môi trường ổn định của hệ thống.

Các giải pháp và kiến nghị do tác giả đề xuất:

• Ứng dụng giải pháp làm mát kết hợp giữa tấm cooling pad và quạt hút thông gió tạo áp suất âm, mang lại hiệu quả hạ nhiệt từ 8 đến 10°C với chi phí đầu tư và năng lượng tiêu thụ thấp hơn nhiều so với hệ thống điều hòa không khí.
• Sử dụng cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase Realtime Database làm nền tảng trung gian giúp đơn giản hóa việc đưa dữ liệu từ PLC công nghiệp lên môi trường web mà không cần đăng ký địa chỉ IP tĩnh hoặc cấu hình mạng phức tạp.
• Đề xuất giải pháp quản lý vi khí hậu theo chu kỳ sinh trưởng của cây trồng (thay vì áp dụng các thông số cố định) nhằm thích ứng tối đa với từng thời kỳ phát triển sinh học của cây.

Đóng góp so với các nghiên cứu trước đây (theo tác giả tự nêu):

• Khắc phục triệt để nhược điểm của các đề tài trước về việc thiếu khả năng giám sát và điều khiển trực tuyến từ xa qua môi trường mạng Internet.
• Ứng dụng thành công công nghệ làm mát bằng tấm cooling pad giúp hạ nhiệt độ nhanh chóng và cấp ẩm tự nhiên cho nhà kính nông nghiệp.
• Xây dựng cơ chế lưu trữ và tùy biến thông số cho nhiều loại cây trồng khác nhau, cho phép người dùng tùy ý thiết lập điều kiện sống phù hợp cho từng loại cây theo nhu cầu thực tế.
• Xây dựng giao diện Web Server trực quan, thân thiện, dễ vận hành đối với người làm nông nghiệp.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài (dựa trên phạm vi và nội dung văn bản):

• Hệ sinh thái phần cứng mới chỉ dừng lại ở quy mô mô hình thực nghiệm trong phòng thí nghiệm, chưa được thử nghiệm và đánh giá trên diện tích canh tác lớn ngoài đồng ruộng thực tế.
• Hệ thống cảm biến chỉ tập trung đo đạc ba thông số cơ bản (nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất), chưa tích hợp các cảm biến môi trường quan trọng khác như cảm biến nồng độ khí CO2, cảm biến đo cường độ bức xạ quang hợp (PAR), hay cảm biến đo độ pH và độ dẫn điện (EC) của dung dịch dinh dưỡng.
• Thời gian thử nghiệm thực tế trên đối tượng cây cải ngọt mới chỉ kéo dài trong 10 ngày (giai đoạn gieo hạt và cây con phát triển ban đầu), chưa theo dõi xuyên suốt toàn bộ chu kỳ sinh trưởng cho đến giai đoạn thu hoạch thành phẩm để có số liệu toàn diện về năng suất.

Hướng nghiên cứu tiếp theo do tác giả đề xuất:

• Tiếp tục tìm kiếm và cải tiến giải thuật điều khiển nhằm tối ưu hóa hơn nữa khả năng đáp ứng vi khí hậu và tiết kiệm điện năng cho toàn hệ thống.
• Phát triển và nâng cấp mô hình thí nghiệm để có thể ứng dụng, triển khai lắp đặt trên các mô hình nhà kính thực tế ngoài đời sống sản xuất.
• Tích hợp thêm các cảm biến chất lượng cao và mở rộng tính năng phân tích dữ liệu tự động nhằm hoàn thiện giải pháp nhà kính nông nghiệp thông minh.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

• Sinh viên, học viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Cơ điện tử đang thực hiện đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp liên quan đến tự động hóa công nghiệp và ứng dụng PLC.
• Sinh viên và kỹ sư nghiên cứu trong lĩnh vực Nông nghiệp công nghệ cao, IoT trong nông nghiệp, mong muốn tìm kiếm giải pháp kỹ thuật cụ thể để điều khiển vi khí hậu nhà kính.
• Các nhà phát triển hệ thống điều khiển tích hợp muốn tham khảo mô hình kết nối giữa thiết bị điều khiển công nghiệp (PLC Siemens S7-1200) với các nền tảng công nghệ web hiện đại (Firebase Realtime Database, Web Server) thông qua ngôn ngữ lập trình C#.

Các phần nội dung có giá trị tham khảo cao trong đồ án:

• Bản vẽ thiết kế tủ điện điều khiển, sơ đồ đấu nối I/O của PLC S7-1200 CPU 1214C và sơ đồ mạch động lực điều khiển tải AC/DC.
• Phương pháp lập trình chuyển đổi và chuẩn hóa tín hiệu analog từ cảm biến về thang đo đại lượng vật lý thực tế trên TIA Portal dựa trên định lý Thales.
• Kiến trúc giải pháp kết nối trung gian bằng C# để cầu nối dữ liệu giữa cổng Ethernet của PLC với dịch vụ cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase.
• Cấu trúc lưu đồ thuật toán điều khiển nhà kính đa chế độ (Auto, Manual, theo giai đoạn sinh trưởng) có thể tái sử dụng cho các hệ thống kiểm soát môi trường tương tự.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển trung tâm được sử dụng trong hệ thống là thiết bị nào và có cấu hình ra sao?

Bộ điều khiển trung tâm là PLC Siemens SIMATIC S7-1200 với mã CPU 1214C AC/DC/Relay. Thiết bị sử dụng nguồn cấp xoay chiều (AC), ngõ vào số một chiều (DC) và ngõ ra dạng tiếp điểm relay, tích hợp sẵn các ngõ vào analog và cổng truyền thông Ethernet, được lập trình bằng ngôn ngữ Ladder trên phần mềm TIA Portal.

2. Hệ thống thực hiện giải pháp làm mát và giảm nhiệt độ trong nhà kính theo cơ chế nào?

Hệ thống sử dụng cơ chế làm mát bay hơi tự nhiên kết hợp: một mặt nhà kính gắn tấm làm mát cooling pad dạng tổ ong được làm ướt bằng bơm nước tuần hoàn qua máng hứng; mặt đối diện bố trí quạt hút thông gió để hút khí nóng ra ngoài, tạo sự chênh lệch áp suất kéo không khí tươi qua tấm cooling pad ẩm, giúp giảm nhiệt độ không khí bên trong từ 8 đến 10°C.

3. Dữ liệu từ PLC S7-1200 được truyền tải lên Web Server từ xa thông qua phương thức nào?

Dữ liệu từ các thanh ghi của PLC S7-1200 được một phần mềm trung gian viết bằng ngôn ngữ C# (trên Visual Studio) đọc qua cổng mạng Ethernet. Sau đó, phần mềm C# đẩy dữ liệu lên cơ sở dữ liệu đám mây Firebase Realtime Database của Google dưới dạng JSON. Giao diện Web Server (viết bằng HTML/JavaScript trên Visual Studio Code) sẽ đồng bộ dữ liệu thời gian thực từ Firebase để hiển thị lên trình duyệt web của người dùng và gửi lệnh điều khiển ngược lại.

4. Công thức toán học nào được tác giả ứng dụng để chuyển đổi tín hiệu analog từ cảm biến trong PLC?

Tác giả ứng dụng định lý Thales về hai tam giác đồng dạng để quy đổi giá trị số $Y$ (từ 0 đến 27648) do bộ biến đổi A/D của PLC đọc về thành giá trị thực tế $X$ của đại lượng đo theo công thức:

$$\frac{Y}{27648} = \frac{X - a}{b - a}$$

Trong đó $[a, b]$ là dải đo thực tế của cảm biến (ví dụ dải nhiệt độ hoặc độ ẩm).

5. Đề tài đã tiến hành thử nghiệm thực tế trên loại cây trồng nào và kết quả ra sao?

Đề tài đã tiến hành thử nghiệm thực tế trên cây cải ngọt trong thời gian 10 ngày. Quá trình theo dõi từ lúc gieo hạt, cây nảy mầm (giai đoạn cây con) đến khi phát triển thân lá cho thấy hệ thống duy trì ổn định các thông số nhiệt độ, độ ẩm theo đúng kịch bản cài đặt, cây cải ngọt sinh trưởng bình thường trong môi trường mô hình nhà kính.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Hệ thống giám sát và điều khiển nhà kính thông minh qua web sever" do sinh viên Trần Gia Huy và Nguyễn Văn Trường An thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Mạnh Sơn đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu thiết kế và thi công một mô hình nhà kính tự động hóa. Đề tài đã làm chủ kỹ thuật điều khiển vi khí hậu bằng PLC Siemens S7-1200, kết hợp hiệu quả hệ thống làm mát cooling pad, quạt thông gió, tưới nhỏ giọt, rèm che nắng và đèn quang hợp. Điểm nhấn kỹ thuật của đồ án là việc tích hợp thành công tầng truyền thông trung gian C# và Firebase Realtime Database, cho phép giám sát và điều khiển đa chế độ qua giao diện Web Server thời gian thực từ xa. Kết quả thử nghiệm trên mô hình và thực nghiệm 10 ngày trên cây cải ngọt đã chứng minh tính đúng đắn của giải thuật điều khiển và tiềm năng ứng dụng của mô hình trong lĩnh vực nông nghiệp công nghệ cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN giới hạn như: chưa điều khiển được online từ xa, chưa áp dụng công nghệ làm mát cooling để giảm nhiệt nhanh và cấp ẩm một cách tự nhiên cho nhà kính, chưa có chế độ lưu trữ nhiều loại cây trồng khác nhau để người dùng có thể thêm hoặc thay đổi điều kiện trồng cây trong nhà kính theo ý muốn, một trang web với giao diện trực quan và thân thiện với người dùng. Nhà kính ứng dụng điều khiển tự động Với đề tài này nhóm em đặt mục tiêu sẽ tạo ra hệ thống nhà kính thông minh khắc phục được những hạn chế nêu trên, đáp ứng được yêu cầu vừa ứng dụng được sự phát triển của công nghệ kỹ thuật trong sản xuất để nâng cao được năng suất, chất lượng của sản phẩm mà không phụ thuộc nhiều vào các điều kiện ngoại cảnh và nguồn lao động thủ công, vừa đáp ứng được nhu cầu sử dụng thực phẩm sạch của người dân. Việc xây dựng một hệ thống nhà kính hoàn toàn tự động với độ tin cậy cao và có thể theo dõi và vận hành từ xa sẽ giúp đơn giản hóa việc công việc trồng trọt của nhà nông, đồng thời đảm bảo được chất lượng và sản lượng nông sản đáp ứng cho thị trường nông sản sạch đang khá khan hiếm ở nước ta. Tính cấp thiết của đề tài Việt Nam là đất nước có có truyền thống nông nghiệp lâu đời, kinh tế của nước ta cũng phụ thuộc rất lớn vào sản xuất, tiêu thụ và xuất khẩu nông.

Theo thống kê, Nông sản Việt Nam có mặt trên 180 quốc gia và vùng lãnh thổ, xếp vị trí thứ 2 về xuất khẩu nông sản ở khu vực Đông Nam Á và thứ 15 trên toàn thế giới. Điều này vừa là lợi thế, BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN vừa là thách thức đối với Việt Nam. Khi xuất khẩu và tiêu thụ nội địa nông sản càng phát triển, thì những yêu cầu về năng suất và chất lượng sản phẩm cũng ngày càng cao hơn. Do đó, việc phát triển một mô hình nhà kính thông minh ứng dụng khả năng điều khiển tự động với độ tin cậy cao để đáp ứng được các yêu cầu về nông sản sạch cho thị trường nội địa và xuất khẩu là vô cùng cần thiết.

Đồng thời, ứng dụng khoa học kỹ thuật vào quá trình sản xuất cũng là rất quan trọng. Điều này không chỉ giúp tối ưu hóa hoạt động vận hành, mà còn có thể giúp giảm chi phí nhân công cho hoạt động canh tác. Mục tiêu nghiên cứu Tạo ra được một mô hình nhà kính thông minh có thể vận hành một cách tự động, hạn chế tối đa sự can thiệp của con người và các yếu tố ngoại cảnh. Hệ thống có thể thu thập dữ liệu các thông số nhiệt độ, độ ẩm đất, độ ẩm không khí một cách liên tục từ đó đưa ra tín hiệu điều khiển một cách chính xác.

Giao diện web sever trực quan, thân thiện với người dùng có thể theo dõi và cài đặt các thông số cũng như các chế độ điều khiển tự động hay thủ công online từ xa. Ngoài ra, hệ thống web sever còn có chức năng cài đặt đáp ứng của nhà kính theo từng giai đoạn phát triển của cây, cũng như thêm vào nhiều loại cây trồng với các điều kiện sống khác nhau để người sử dụng có thể tùy ý thay đổi hoặc thêm vào loại cây mà mình mong muốn. Đối tượng nghiên cứu - Thiết kế và vận hành hệ thống nhà kính thông minh. - Các cảm biến và thiết bị đáp ứng thông số trong nhà kính như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất, đèn, quạt, bơm tưới, bơm “cooling”, động cơ,… - Tìm hiểu các tính năng PLC siemens S7-1200 và phần mềm TIA portal với ngôn ngữ lập trình Ladder để viết chương trình điều khiển hệ thống.

- Phần mềm Visual Studio Code với ngôn ngữ lập trình HTML để tạo ra giao diện web sever có thể cập nhật các thông số và điều khiển hệ thống từ xa. - Tìm hiểu về cơ sở dữ liệu Firebase làm trung gian để lưu trữ và truyền nhận dữ liệu. BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN - Phần mềm Visual Studio với ngôn ngữ lập trình C# để lập trình giao tiếp và truyền dữ liệu giữa PLC với cơ sở dữ liệu Firebase, và từ Firebase đến giao diện web sever để có thể quan sát và điều khiển từ xa. Phương pháp nghiên cứu Khảo sát những khó khăn của người nông dân nói chung và các hệ thống nhà kính hiện nay nói riêng để đưa ra hướng phát triển thích hợp.

Nghiên cứu ứng dụng PLC s7-1200 vào lập trình nhà kính tự động. Tìm hiểu và lựa chọn các loại cảm biến, các thiết bị vận hành nhà kính thích hợp với mô hình Tham khảo các đề tài nhà kính trước đó, tìm hiểu các hạn chế còn gặp phải, đưa ra giải pháp và hướng phát triển hoàn thiện hơn nữa. Tìm hiểu lập trình web sever có thể theo dõi, thu thập dữ liệu và điều khiển từ xa. Phạm vi nghiên cứu - Đề tài nghiên cứu chỉ dừng ở mức độ mô hình để mô phỏng và điều khiển.

- Kiểm chứng khả đáp ứng của nhà kính theo các điều kiện người dùng thiết lập. - Điều khiển các hệ thống bơm, quạt, đèn, rèm dựa vào các số liệu cảm biến nhiệt độ, độ ẩm đất, độ ẩm không khí trả về. - Tạo ra giao diện web sever thân thiện với người dùng có thể quan sát và điều khiển từ xa. Nội dung đề tài Các phần còn lại của đề tài bao gồm: Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương này sẽ tập trung vào mô hình nhà kính, đồng thời đề cập đến những hình ảnh yếu tố ảnh hưởng đến điều tiết khí hậu trong nhà kính.

Trọng tâm sẽ tìm hiểu nguyên lý hoạt động của các loại cảm biến nhiệt độ, độ ẩm không khí và đất. Bên cạnh đó, chương trình còn giới thiệu ứng dụng trình điều khiển PLC S7-1200 kết hợp với máy chủ web giao tiếp tiếp theo để giúp giám sát và hệ thống điều khiển từ xa. BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Chương 3: Thiết kế hệ thống Chương này sẽ trình bày chi tiết các yêu cầu thiết kế và quy trình vận hành của hệ thống, nhằm hỗ trợ việc thiết kế các chi tiết phần cứng và lựa chọn các thiết bị thích hợp. Phân tích và đánh giá các lựa chọn phần cứng để xác định giải pháp tối ưu; và thiết kế sơ bộ các mô-đun phần cứng cùng các kết nối.

Bên cạnh đó thiết kế giao diện người dùng và thu thập dữ liệu hệ thống. Chương 4: Kết quả và đánh giá Chương này sẽ trình bày chi tiết về các kết quả cả từ phía phần cứng và phần mềm mà nhóm đã đạt được trong quá trình thiết kế và phát triển hệ thống. Đây là phần quan trọng để đánh giá mức độ hoàn thành của dự án và xem liệu các mục tiêu đề ra đã được đáp ứng như mong đợi hay chưa. Chương 5: Kết luận và hướng phát triển Chương này sẽ trình bày những mục tiêu mà đề tài nghiên cứu đã đạt được cũng như những hạn chế mà đề tài còn gặp phải, từ đó đưa ra các hướng phát triển để đề tài nghiên cứu có thể ngày càng hoàn thiện hơn nữa và có thể ứng dụng tốt vào thực tiễn.

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 5 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Giới thiệu nhà kính Nhà kính là một kiểu nhà có tường và mái được làm bằng kính hoặc vật liệu trong suốt tương tự, được dùng để trồng rau, quả. Cấu trúc này giúp che chắn, bảo vệ cây trồng khỏi các tác động bất lợi của thời tiết như mưa to, gió mạnh. Ngoài ra, nhà kính còn tạo một môi trường sống thuận lợi cho cây trồng, ngăn chặn sâu bệnh, tia cực tím và các chất độc hại khác, để cây có thể sinh trưởng và phát triển tốt hơn.

Hệ thống nhà kính trồng cây Nhà kính được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, không chỉ trong nông nghiệp mà còn cả trong nghiên cứu khoa học và công nghiệp. Công nghệ này giúp tạo ra môi trường sống lý tưởng cho việc trồng trọt và chăm sóc thực vật, bằng cách kiểm soát các điều kiện như nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng một cách hiệu quả. Nhờ đó, nó được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực liên quan đến trồng trọt và phát triển thực vật. Cấu trúc và phân loại nhà kính Cấu trúc của một nhà kính thường có là: khung giàn; vật liệu che phủ nhà kính và các vật tư phụ.

Khung giàn: Là bộ khung chính hỗ trợ cấu trúc, thường được làm từ thép mạ kẽm, nhôm, ống nhựa PVC, hoặc gỗ đã qua xử lý. Hệ thống che phủ: Thường là kính hoặc màng nhựa như polyetylen, giúp tạo ra môi trường kiểm soát bên trong nhà kính. BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 6 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Nhà kính được phân loại theo nhiều yếu tố khác nhau, phụ thuộc vào nhu cầu sử dụng và môi trường cụ thể: ❖ Phân loại dựa trên cấu trúc mái: - Nhà kính mái phẳng: dễ dàng thiết kế, xây dựng và bảo trì. Phù hợp với các vùng khí hậu ôn hòa.

- Nhà kính mái vòm: Thiết kế hình vòm cung cấp không gian rộng rãi và tối đa được lượng không khí lưu thông. Phù hợp với các loài cây lớn. - Nhà kính mái xéo: Thiết kế mái nghiêng tối ưu hóa lượng ánh sáng mặt trời nhận được. Phù hợp hầu hết các loại cây trồng.

❖ Phân loại dựa trên công nghệ: - Nhà kính công nghệ cao: Được tích hợp các hệ thống đáp ứng nhiệt độ, độ ẩm, thông gió, ánh sáng tiên tiến. Cho phép kiểm soát môi trường chi tiết. - Nhà kính công nghệ trung bình: Có một số thiết bị điều khiển đơn giản, nhưng không phức tạp như công nghệ cao. - Nhà kính công nghệ thấp: Thiết kế đơn giản, ít hoặc không có hệ thống điều khiển tự động.

thích hợp với ngân sách thấp. ❖ Phân loại dựa trên vật liệu: - Màng nhựa (plastic): Rẻ, nhẹ, dễ lắp đặt nhưng ít bền. - Tấm kính: Bền, trong suốt tối ưu ánh sáng, nhưng giá thành cao hơn. - Tấm polycacbonate: Vừa rẻ vừa bền, khá trong suốt, dễ gia công.

❖ Phân loại dựa trên chi phí: - Nhà kính chi phí cao: Có thiết kế tối ưu với công nghệ tiên tiến, vật liệu cao cấp. - Nhà kính chi phí trung bình: Thiết kế và công nghệ cơ bản, phù hợp với nhiều nhà vườn. - Nhà kính chi phí thấp: Thiết kế đơn giản, vật liệu rẻ tiền, phù hợp với ngân sách hạn chế.