Hệ Thống Giám Sát và Điều Khiển Tự Động IoT Trong Nông Nghiệp

Hệ thống giám sát và điều khiển tự động IoT trong nông nghiệp đang trở thành một… 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: IoT-Based Automatic Monitoring and Control System for Agriculture
• Loại tài liệu: Graduation Thesis
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Mục lục chi tiết

• 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

Tóm tắt

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

Hệ thống giám sát và điều khiển tự động IoT trong nông nghiệp đang trở thành một xu hướng quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả sản xuất nông nghiệp. Công nghệ IoT cho phép kết nối và quản lý các thiết bị thông minh, từ đó giúp nông dân theo dõi và điều chỉnh các yếu tố môi trường trong vườn một cách hiệu quả. Việc áp dụng IoT không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn tối ưu hóa nguồn lực, từ đó nâng cao năng suất cây trồng.

1.1. Khái niệm về IoT trong nông nghiệp

IoT trong nông nghiệp đề cập đến việc sử dụng các thiết bị kết nối Internet để giám sát và điều khiển các hoạt động nông nghiệp. Các cảm biến IoT có thể thu thập dữ liệu về độ ẩm, nhiệt độ và ánh sáng, 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 môi trường từ xa, giảm thiểu rủi ro và tăng cường hiệu quả sản xuất.

II. Vấn đề và Thách thức trong Việc Triển Khai IoT Trong Nông Nghiệp

Mặc dù công nghệ IoT mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc triển khai nó trong nông nghiệp cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như chi phí đầu tư ban đầu cao, sự phụ thuộc vào 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 bảo mật dữ liệu

Bảo mật dữ liệu là một trong những thách thức lớn nhất khi triển khai IoT. Các thiết bị kết nối có thể bị tấn công, dẫn đến rò rỉ thông tin nhạy cảm và ảnh hưởng đến hoạt động sản xuất.

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 có một kế hoạch chi tiết và các bước thực hiện rõ ràng. Việc lựa chọn cảm biến, thiết bị điều khiển và phần mềm quản lý là rất quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động 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 như cảm biến độ ẩm đất, cảm biến nhiệt độ và cảm biến ánh sáng cần được tích hợp để thu thập dữ liệu chính xác.

3.2. Phát triển phần mềm quản lý

Phần mềm quản lý cần được phát triển để xử lý dữ liệu từ các cảm biến và cung cấp giao diện người dùng thân thiện. Điều này giúp nông dân dễ dàng theo dõi và điều khiển hệ thống từ xa.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn của Hệ Thống IoT Trong Nông Nghiệp

Hệ thống giám sát và điều khiển 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 giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.

4.1. Mô hình nông nghiệp thông minh

Mô hình nông nghiệp thông minh sử dụng IoT để tối ưu hóa quy trình sản xuất. Các cảm biến giúp theo dõi tình trạng cây trồng và điều chỉnh các yếu tố môi trường một cách tự động.

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%. Các nông trại sử dụng công nghệ này đã ghi nhận sự cải thiện rõ rệt trong quản lý và sản xuất.

V. Kết Luận và Tương Lai của Hệ Thống IoT Trong Nông Nghiệp

Hệ thống giám sát và điều khiển 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 hiệu suất và khả năng kết nối. Điều này sẽ giúp nông dân dễ dàng hơn trong việc áp dụng công nghệ vào sản xuất.

5.2. Tầm quan trọng của giáo dục và đào tạo

Giáo dục và đào tạo về công nghệ IoT là rất cần thiết để nông dân có thể tận dụng tối đa các lợi ích mà công nghệ này mang lại. Các chương trình đào tạo sẽ giúp nâng cao nhận thức và kỹ năng cho nông dân.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Theo các dự báo được trình bày trong đề tài, dân số thế giới có khả năng chạm mốc 9,8 tỷ người vào năm 2050 (tăng 25% so với hiện tại), đi kèm xu hướng đô thị hóa mạnh mẽ khi gần 70% dân số sẽ sinh sống tại các khu vực đô thị (so với tỷ lệ 49% trước đây). Tình trạng này đòi hỏi năng suất nông nghiệp toàn cầu phải tăng gấp đôi vào năm 2050 nhằm đảm bảo an ninh lương thực và cung cấp nguyên liệu thô (như bông, cao su) cho các ngành công nghiệp. Trong bối cảnh các nguồn tài nguyên nông nghiệp truyền thống ngày càng bị thu hẹp, việc ứng dụng công nghệ Internet vạn vật (IoT) và tự động hóa trong khuôn khổ Cách mạng Công nghiệp 4.0 trở thành một giải pháp quan trọng nhằm tối ưu hóa năng suất cây trồng, giảm lãng phí tài nguyên và cắt giảm nhân công chăm sóc.

Tuy nhiên, các hệ thống giám sát và điều khiển nhà kính thương mại trên thị trường hiện nay thường có chi phí đầu tư rất cao, khó tiếp cận đối với các hộ nông dân quy mô nhỏ hoặc những gia đình muốn phát triển mô hình trồng trọt tại gia đình ở đô thị. Ngoài ra, việc vận hành nhà kính truyền thống (dạng kín hoàn toàn hoặc dạng hở) còn tồn tại nhiều nhược điểm về quản lý vi khí hậu (dễ gây nấm mốc trong nhà kính kín nếu ẩm độ quá cao hoặc dễ bị sâu bệnh xâm nhập trong nhà kính hở) và phụ thuộc nặng nề vào kinh nghiệm thủ công. Xuất phát từ thực tiễn trên, đề tài "Hệ thống giám sát và điều khiển tự động trong nông nghiệp dựa trên IoT" (tên tiếng Anh: IoT-Based Automatic Monitoring and Control System for Agriculture) được thực hiện bởi nhóm sinh viên Đào Duy Tùng và Võ Bằng Tranh dưới sự hướng dẫn của ThS. Đỗ Duy Tân tại Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (hoàn thành vào tháng 8/2022).

Nhiệm vụ và mục tiêu cụ thể của đề tài bao gồm:

1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về cấu trúc nhà kính, các chuẩn giao tiếp không dây Wi-Fi, và các giao thức truyền thông công nghiệp (UART, I2C).
2. Nghiên cứu, phân tích và thiết kế hệ thống gieo hạt tự động theo tọa độ lập trình.
3. Thiết kế hệ thống gieo hạt và tưới nước chính xác theo từng vị trí định sẵn, tích hợp camera giám sát để người dùng theo dõi hình ảnh thực tế từ xa qua điện thoại thông minh.
4. Xây dựng hệ thống tự động kiểm soát môi trường dựa trên việc giám sát liên tục các thông số nhiệt độ, độ ẩm không khí và độ ẩm đất.
5. Thiết kế giao diện ứng dụng Blynk trên điện thoại thông minh (smartphone) nhằm hỗ trợ hai chế độ vận hành: thủ công (MANUAL) và tự động (AUTO).

Phạm vi và giới hạn của đề tài:

• Hệ thống sử dụng vi điều khiển ESP32 làm bộ xử lý trung tâm và module ESP32-CAM để thu thập và truyền tải hình ảnh. Tốc độ xử lý tín hiệu và truyền hình ảnh phụ thuộc đáng kể vào băng thông Internet và chất lượng sóng Wi-Fi cục bộ.
• Toàn bộ cơ chế điều khiển và giám sát từ xa được tích hợp trên nền tảng ứng dụng di động Blynk.
• Mô hình phần cứng và cơ khí được chế tạo ở quy mô mô hình thử nghiệm phục vụ mục đích học tập và nghiên cứu thực nghiệm (educational/paradigm prototype).

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài sử dụng phương pháp kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết, tính toán thiết kế kỹ thuật phần cứng - phần mềm và tiến hành thực nghiệm trên mô hình thực tế.

Khung lý thuyết và mô hình tham chiếu

• Khái niệm và nền tảng IoT: Dẫn xuất từ lý thuyết của Kevin Ashton (1999, Viện Công nghệ Massachusetts - MIT), đề tài ứng dụng kiến trúc mạng các thiết bị vật lý tích hợp vi điều khiển, cảm biến và cơ cấu chấp hành kết nối với máy chủ đám mây (cloud server) để truyền nhận dữ liệu thời gian thực.
• Mô hình nhà kính: Phân tích ưu nhược điểm của hai mô hình phổ biến tại Việt Nam gồm nhà kính kín (Closed greenhouse - phủ hoàn toàn bằng màng nhựa chống tia UV và côn trùng nhưng dễ tích tụ ẩm độ cao gây nấm mốc) và nhà kính hở (Opened greenhouse - chỉ che phần mái nhằm chắn mưa gió nhưng không ngăn được côn trùng phá hoại).
• Giao thức truyền thông UART: Truyền dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ thông qua hai đường truyền tín hiệu TxD (truyền) và RxD (nhận). Cấu trúc khung truyền gồm bit Start ('0'), chuỗi bit dữ liệu 8-bit, bit Parity (chẵn/lẻ) để kiểm tra lỗi toàn vẹn và bit Stop. Tại tốc độ truyền (baud rate) 9600 bps, thời gian trễ giữa mỗi bit là 108 µs.
• Giao thức I2C (Inter-Integrated Circuit): Giao thức truyền thông nối tiếp đồng bộ 2 dây gồm đường dữ liệu SDA (Serial Data) và đường xung nhịp SCL (Serial Clock). Giao thức hỗ trợ cấu trúc đa điều khiển và kết nối tối đa 128 thiết bị ngoại vi thông qua địa chỉ 7-bit kết hợp với bit chỉ định đọc/ghi (R/W bit: mức '0' là ghi dữ liệu, mức '1' là đọc dữ liệu; ví dụ địa chỉ ghi 0xC0 và địa chỉ đọc 0xC1). Quá trình truyền 1 byte dữ liệu yêu cầu 9 xung nhịp SCL (8 bit dữ liệu kèm 1 bit phản hồi ACK/NACK).
• Chuẩn mạng không dây Wi-Fi (IEEE 802.11): Khảo sát các chuẩn mạng không dây từ năm 1999 đến 2019 gồm 802.11, 802.11b, 802.11a, 802.11g, 802.11n (băng tần 2.4GHz và 5GHz, công nghệ đa anten MIMO, băng thông lý thuyết 100Mbps), 802.11ac và 802.11ad. Trong đó, hệ thống lựa chọn chuẩn Wi-Fi 802.11 b/g/n tương thích với chip ESP32.

Phương pháp nghiên cứu và nguồn dữ liệu

• Phương pháp tính toán và thiết kế điện tử: Xác định công suất tổng, lựa chọn linh kiện bán dẫn, IC so sánh, mạch giảm áp DC-DC, mạch công suất cầu H L298N, shield CNC và driver điều khiển động cơ bước.
• Phương pháp lập trình nhúng và ứng dụng di động: Lập trình vi điều khiển ESP32 và ESP32-CAM bằng môi trường Arduino IDE; xây dựng giao diện người dùng và cấu hình luồng dữ liệu trên nền tảng Blynk App.
• Phương pháp thực nghiệm sinh học: Bố trí thực nghiệm gieo hạt, tưới tiêu tự động và theo dõi quá trình sinh trưởng của cây trồng trong mô hình tại các mốc thời gian 36 giờ và 7 ngày sau khi gieo.

---

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa gồm 10 khối chức năng liên kết chặt chẽ: Khối nguồn (Power Supply), Khối xử lý trung tâm (CPU), Khối xử lý hình ảnh (Camera/Server), Khối cảm biến (Sensor), Khối chấp hành (Actuator), Khối hiển thị tại chỗ (Display LCD) và Khối ứng dụng di động (Platform Blynk App).

Nhóm chức năng	Tên linh kiện / Thiết bị	Thông số kỹ thuật chính	Vai trò trong hệ thống
Nguồn cấp	Nguồn tổ ong AC-DC	Điện áp vào: 110/220VAC; Điện áp ra: 12VDC - 5A; Công suất: 60W	Cung cấp nguồn tổng cho toàn bộ hệ thống
Hạ áp	Mạch Buck DC-DC LM2596	Điện áp vào: 3V - 30V; Điện áp ra: 1.5V - 30V (điều chỉnh); Dòng max: 3A; Hiệu suất: 92%; Công suất: 15W	Hạ áp từ 12VDC xuống 5VDC cấp cho vi điều khiển và cảm biến
Xử lý trung tâm	Module ESP32	Vi xử lý 32-bit Tensilica Xtensa LX6 (240MHz); SRAM 520KB; 39 chân GPIO; 18 kênh ADC 12-bit; 2 kênh DAC 8-bit; Wi-Fi 802.11 b/g/n; Bluetooth v4.2	Đọc cảm biến, xử lý thuật toán điều khiển, truyền dữ liệu lên Blynk qua Wi-Fi
Thu nhận hình ảnh	Module ESP32-CAM (kèm Camera OV2640)	Kích thước: 27 x 40.5 mm; Cảm biến ảnh OV2640 2 Megapixel; Độ phân giải UXGA (1600x1200); Tốc độ: 15fps (UXGA) / 30fps (SVGA); Định dạng ảnh: JPEG	Chụp ảnh thực tế khu vườn và truyền tải về ứng dụng di động
Cảm biến môi trường	Cảm biến DHT22	Giao tiếp 1-wire; Dải nhiệt độ: -40°C đến 80°C (±0.5°C); Dải độ ẩm: 0% đến 100% RH (±1%); Độ phân giải: 16-bit	Đo nhiệt độ và độ ẩm không khí trong nhà kính
Cảm biến đất	Cảm biến độ ẩm đất (LM393)	Điện áp: 3.3V - 5V; Dòng: 15mA; Ngõ ra: Digital (0/5V) và Analog (0 - 5V)	Đo hàm lượng nước trong đất trồng
Truyền động trục X-Y	Động cơ bước STP-43D2033	Điện áp: 5.6V - 24V; Dòng: 0.42A; Bước góc $\alpha = 1.8^\circ$ (200 bước/vòng)	Dẫn động đầu gieo hạt và vòi tưới theo trục tọa độ X và Y
Điều khiển bước	Arduino CNC Shield V3 + Driver A4988	Điện áp động cơ: 8V - 35V; Dòng cực đại: 2A/pha; Chế độ vi bước: Full step, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16	Nhận xung điều khiển từ ESP32 để kích hoạt động cơ bước
Cơ cấu nhả hạt	Động cơ Servo SG90	Điện áp: 5V; Góc quay: 0° - 180°; Tốc độ: 0.1s/60°; Mô-men xoắn: 2.5 kg/cm; Trọng lượng: 9g	Đóng/mở van nhả hạt giống xuống vị trí gieo
Cơ cấu chấp hành khác	Bơm nước DC 12V, Quạt 12V, Đèn LED 12V, Module Relay, Driver L298N	Bơm nước: 12V - 500mA; Quạt: 12V - 500mA; LED: 12V - 500mA; L298N: Max 46V/2A	Bơm tưới nước, thông gió hạ nhiệt, chiếu sáng quang hợp và sưởi ấm
Hiển thị	Màn hình LCD tích hợp module I2C	Điện áp: 5V; Dòng tiêu thụ: 200mA; Giao tiếp 2 dây I2C (SDA, SCL)	Hiển thị trực tiếp các thông số nhiệt độ, độ ẩm tại phần cứng

Tính toán kỹ thuật và thiết kế mạch

1. Tính toán chọn nguồn điện: Tổng dòng điện tiêu thụ tối đa của toàn bộ các linh kiện trong hệ thống được xác định: $$I_{\text{max}} = \sum I_i \approx 4500\text{ mA} = 4.5\text{ A}$$ Công thức tính công suất: $P = U \times I$. Để đảm bảo nguồn hoạt động an toàn và không bị sụt áp, nhóm nghiên cứu chọn bộ nguồn tổ ong 12VDC - 5A công suất $P_{\text{nguồn}} = 60\text{ W}$, thỏa mãn điều kiện $I_{\text{nguồn}} \ge I_{\text{max}}$ và $P_{\text{nguồn}} \ge P_{\text{max}}$.
2. Tính toán mạch giảm áp LM2596-ADJ: Mạch sử dụng điện áp tham chiếu $V_{\text{ref}} = 1.23\text{ V}$. Điện áp ngõ ra được tính theo công thức phân áp: $$V_{\text{out}} = 1.23 \times \left(1 + \frac{R_2}{R_1}\right)$$ Trong đó, điện trở $R_1$ được chọn trong dải từ $1\text{ k}\Omega$ đến $5\text{ k}\Omega$, điện trở biến thiên $R_2$ được tinh chỉnh bằng tuốc nơ vít để thu được điện áp ngõ ra cố định $V_{\text{out}} = 5\text{ V}$ cấp cho vi điều khiển và các module cảm biến.
3. Tính toán số xung điều khiển động cơ bước di chuyển trục tọa độ:
   • Động cơ bước có góc bước $\alpha = 1.8^\circ$, số bước trên một vòng quay $360^\circ$ là $N = \frac{360^\circ}{1.8^\circ} = 200\text{ bước}$.
   • Dây đai GT2 có bước răng $\lambda = 2\text{ mm}$, puly GT2 có số răng $R = 20\text{ răng}$. Khi puly quay 1 vòng, quãng đường di chuyển đạt: $$S_{\text{vòng}} = \lambda \times R = 2\text{ mm} \times 20 = 40\text{ mm}$$
   • Module A4988 được thả nổi các chân MS1, MS2, MS3 để hoạt động ở chế độ bước đủ (Full-step mode, $m=1$). Do đó, số xung cần thiết để cơ cấu di chuyển quãng đường $1\text{ mm}$ là: $$\text{Số bước/mm} = \frac{N}{S_{\text{vòng}}} = \frac{200}{40} = 5\text{ bước/mm}$$
   • Để di chuyển đầu gieo/tưới một khoảng cách $L = 250\text{ mm}$, số xung cần phát ra từ vi điều khiển là: $$\text{Số bước} = L \times 5 = 250 \times 5 = 1250\text{ bước}$$
4. Điều khiển góc quay Servo SG90: Sử dụng tín hiệu điều chế độ rộng xung PWM tần số $50\text{ Hz}$ (chu kỳ $T = 20\text{ ms}$). Thời gian mở xung (On-Time):
   • $\text{On-Time} = 1.0\text{ ms}$: Góc quay $0^\circ$ (khóa hạt giống).
   • $\text{On-Time} = 1.5\text{ ms}$: Góc quay $90^\circ$.
   • $\text{On-Time} = 2.0\text{ ms}$: Góc quay $180^\circ$ (mở vị trí nhả hạt giống).

---

Nội dung chính theo từng chương

Chapter 1: Introduction

Chương này trình bày bối cảnh gia tăng dân số và đô thị hóa toàn cầu, tầm quan trọng của việc hiện đại hóa nông nghiệp thông qua công nghệ IoT, cùng với việc xác định mục tiêu, đối tượng, phương pháp và các giới hạn kỹ thuật của đề tài. Nhóm tác giả nhấn mạnh mục đích tạo ra một hệ thống tự động hóa có chi phí hợp lý, phục vụ nhu cầu trồng trọt gia đình và giáo dục thực hành.

Chapter 2: Literature Review

Chương 2 tổng hợp cơ sở lý thuyết chuyên sâu về:

• Cấu trúc và đặc tính kỹ thuật của hai loại mô hình nhà kính phổ biến: nhà kính kín (phủ màng nhựa chống UV, khung sắt/bê tông) và nhà kính hở.
• Nền tảng Internet of Things (IoT), lịch sử hình thành từ năm 1999 và các ứng dụng tiêu biểu trong nông nghiệp chính xác và nhà thông minh.
• Phân tích chi tiết nguyên lý hoạt động của các giao thức truyền thông: giao thức truyền thông nối tiếp bất đồng bộ UART (định dạng khung truyền, tính toán trễ bit), giao thức nối tiếp đồng bộ 2 dây I2C (cơ chế truyền nhận dữ liệu, điều kiện Start/Stop, địa chỉ hóa 7-bit) và quá trình phát triển của các chuẩn kết nối không dây Wi-Fi IEEE 802.11 từ 802.11 nguyên bản đến 802.11n, 802.11ac và 802.11ad.

Chapter 3: Methodology (Hardware Design & System Design)

Chương 3 đi sâu vào quy trình thiết kế, tính toán thông số và lựa chọn linh kiện cho 10 khối chức năng của hệ thống. Nội dung bao gồm:

• Tính toán cân bằng công suất và lựa chọn bộ nguồn tổ ong 12V - 5A (60W), mạch hạ áp LM2596.
• Thiết kế sơ đồ chân kết nối của vi điều khiển ESP32, module camera ESP32-CAM và cảm biến ảnh OV2640.
• Khảo sát đặc tính kỹ thuật của cảm biến nhiệt - ẩm DHT22 và cảm biến độ ẩm đất LM393.
• Tính toán động học cơ cấu chuyển động cơ khí sử dụng động cơ bước STP-43D2033, dây đai GT2, driver A4988 và Arduino CNC Shield V3; điều khiển góc quay động cơ Servo SG90 bằng xung PWM; điều khiển đóng ngắt bơm nước, quạt, đèn sưởi qua Relay và mạch cầu H L298N.
• Thiết kế giao diện người dùng trên ứng dụng Blynk App và xây dựng lưu đồ thuật toán cho chế độ thủ công (Manual mode) và chế độ tự động (Automatic mode).

Chapter 4: Experiment Results

Trình bày các kết quả thi công mô hình phần cứng thực tế được bọc màng nhựa, kiểm tra tính năng kết nối mạng Wi-Fi, thu nhận luồng hình ảnh trực tiếp từ ESP32-CAM truyền về ứng dụng Blynk, cũng như đánh giá các chế độ vận hành gieo hạt và tưới nước tự động. Chương này ghi nhận kết quả thử nghiệm thực tế quá trình nảy mầm và phát triển của hạt giống cây trồng trong mô hình tại các thời điểm sau 36 giờ và sau 7 ngày gieo hạt.

Chapter 5: Conclusion and Recommendations

Tổng kết các kết quả đạt được về mặt thiết kế phần cứng, lập trình điều khiển và ứng dụng IoT; chỉ ra các ưu điểm về mức độ đáp ứng, tính ổn định và tính tiện dụng của giao diện; đồng thời nêu rõ các hạn chế về chất lượng truyền ảnh, độ ổn định của mạng không dây và định hướng phát triển, nâng cấp hệ thống trong tương lai.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm chính

• Xây dựng hoàn chỉnh mô hình phần cứng: Chế tạo thành công mô hình nhà kính thu nhỏ có khung bọc màng nhựa bảo vệ, tích hợp đầy đủ hệ thống cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm không khí DHT22; độ ẩm đất LM393), cơ cấu chấp hành (quạt làm mát, đèn LED sưởi ấm/quang hợp, bơm nước DC) và cơ cấu truyền động 2 trục tọa độ (X-Y) điều khiển bằng động cơ bước STP-43D2033 kết hợp đầu gieo hạt dùng Servo SG90.
• Tính toán và điều khiển vị trí chính xác: Thiết lập chính xác công thức điều khiển bước với tỷ lệ $5\text{ bước/mm}$, cho phép di chuyển đầu gieo và vòi tưới đến tọa độ chính xác trên khay trồng (ví dụ di chuyển khoảng cách 250mm với 1250 bước xung).
• Vận hành linh hoạt 2 chế độ trên ứng dụng Blynk:
  • Chế độ Manual: Người dùng chủ động bật/tắt máy bơm, đèn chiếu sáng, quạt gió và chọn vị trí gieo hạt/tưới nước trên bản đồ mô phỏng của ứng dụng.
  • Chế độ Auto: Hệ thống tự động so sánh dữ liệu cảm biến với ngưỡng giới hạn nhiệt độ, độ ẩm được cài đặt trước để kích hoạt quạt, đèn và máy bơm; tự động thực hiện chu trình gieo hạt và tưới nước tại tất cả các điểm đã được lập trình sẵn.
• Giám sát trực quan qua hình ảnh: Module ESP32-CAM chụp và truyền tải thành công hình ảnh thời gian thực về giao diện ứng dụng Blynk trên smartphone.
• Hiệu quả thực nghiệm sinh học: Thử nghiệm gieo trồng trên mô hình cho thấy hạt giống nảy mầm ổn định sau 36 giờ và cây con phát triển tốt sau 7 ngày chăm sóc tự động.
• Kết quả đánh giá học thuật: Đề tài được ThS. Đỗ Duy Tân đánh giá thông qua với điểm số 8.2 (Tám phẩy hai).

Đóng góp thực tiễn của đề tài

• Đề xuất một mô hình nông nghiệp thông minh khép kín tích hợp đồng thời 3 chức năng: giám sát thông số môi trường, tự động điều tiết vi khí hậu/tưới tiêu, và tự động hóa khâu gieo hạt cơ học theo tọa độ.
• Tối ưu hóa chi phí sản xuất phần cứng thông qua việc sử dụng các vi điều khiển và module thương mại giá rẻ (ESP32, ESP32-CAM, LM2596, A4988, CNC Shield V3), giúp mô hình có tính khả thi cao khi ứng dụng cho quy mô hộ gia đình đô thị hoặc làm giáo cụ trực quan trong đào tạo kỹ thuật.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

• Việc sử dụng vi điều khiển ESP32 và ESP32-CAM để xử lý và truyền tải hình ảnh khiến tốc độ truyền khung hình bị chậm, có độ trễ nhất định và phụ thuộc nhiều vào băng thông cũng như độ ổn định của đường truyền Wi-Fi.
• Toàn bộ cơ chế điều khiển phụ thuộc hoàn toàn vào kết nối mạng không dây và ứng dụng di động; nếu mất kết nối Wi-Fi, việc cập nhật trạng thái khu vườn bị gián đoạn (mặc dù đã có cơ chế hẹn giờ tưới cục bộ).
• Một số hình ảnh ghi nhận trong báo cáo thực nghiệm có chất lượng chưa cao.
• Chưa có bảng số liệu thống kê liên tục về các thông số môi trường và sinh trưởng của cây trồng trong một khoảng thời gian dài hạn để định lượng chi tiết hơn hiệu quả sinh học (theo nhận xét của giảng viên hướng dẫn).

Hướng phát triển tiếp theo

• Bổ sung chức năng thu thập, ghi nhật ký dữ liệu (data logging) và biểu đồ theo dõi thông số môi trường theo chuỗi thời gian dài hạn để đánh giá toàn diện hiệu quả chăm sóc cây trồng.
• Nâng cấp phần cứng xử lý hình ảnh chuyên dụng hoặc tối ưu hóa thuật toán nén ảnh để tăng tốc độ truyền khung hình qua mạng Internet.
• Nghiên cứu mở rộng quy mô diện tích trồng trọt thực tế và hoàn thiện cơ cấu cơ khí để tăng khả năng chống chịu điều kiện thời tiết khắc nghiệt ngoài trời.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

• Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Công nghệ Thông tin: Tham khảo phương pháp tích hợp hệ thống nhúng (ESP32, ESP32-CAM), cách thiết kế mạch nguồn hạ áp, lập trình giao thức truyền thông nối tiếp (UART, I2C) và giao tiếp không dây qua Wi-Fi.
• Người nghiên cứu các đề tài IoT Nông nghiệp thông minh và Hệ thống cơ điện tử: Tham khảo chi tiết các tính toán thực tế về động học cơ cấu bước (tính toán số xung cho đai răng GT2, module A4988, CNC Shield V3), cơ chế điều khiển góc quay servo nhả hạt bằng PWM, và phương thức kết nối với nền tảng IoT Blynk.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống sử dụng nguồn điện tổng có thông số như thế nào và cách tính toán ra sao?
Hệ thống sử dụng bộ nguồn tổ ong chuyển đổi từ điện xoay chiều 110/220VAC sang điện một chiều 12VDC - 5A với công suất định mức 60W. Mức nguồn này được tính toán dựa trên tổng dòng điện tiêu thụ cực đại của tất cả các linh kiện (ESP32, ESP32-CAM, động cơ bơm nước 12V, các cảm biến, module relay, màn hình LCD I2C, quạt 12V, đèn LED 12V, 2 động cơ bước, shield CNC V3, servo SG90) với tổng dòng tải tính toán xấp xỉ 4500mA (4.5A).

2. Công thức và số xung cần thiết để cơ cấu động cơ bước di chuyển đầu vòi tưới một khoảng cách 250mm là bao nhiêu?
Với động cơ bước có góc bước $\alpha = 1.8^\circ$ (200 bước/vòng), đai răng GT2 có bước răng $\lambda = 2\text{ mm}$, puly GT2 có 20 răng (mỗi vòng quay di chuyển $40\text{ mm}$), khi driver A4988 chạy ở chế độ Full-step ($m=1$), hệ số di chuyển là $5\text{ bước/mm}$ ($\text{step} = L \times 5$). Do đó, để di chuyển quãng đường $L = 250\text{ mm}$, hệ thống cần phát ra chính xác $1250\text{ bước xung}$.

3. Động cơ Servo SG90 được điều khiển như thế nào để phục vụ cơ cấu nhả hạt giống?
Động cơ Servo SG90 được cấp nguồn 5V và điều khiển bằng tín hiệu PWM tần số 50Hz (chu kỳ 20ms). Góc quay từ $0^\circ$ đến $180^\circ$ được điều chỉnh thông qua độ rộng xung dương (On-Time): On-Time bằng 1.0ms tương ứng góc $0^\circ$, 1.5ms tương ứng góc $90^\circ$, và 2.0ms tương ứng góc $180^\circ$.

4. Hai chế độ vận hành MANUAL và AUTO của hệ thống khác nhau như thế nào?
Trong chế độ MANUAL, người dùng chủ động điều khiển đóng/ngắt các thiết bị (bơm, quạt, đèn) và lựa chọn vị trí tưới/gieo hạt trên ứng dụng Blynk bất kể điều kiện môi trường. Trong chế độ AUTO, các thiết bị quạt, đèn, bơm sẽ tự động bật/tắt dựa trên ngưỡng nhiệt độ, độ ẩm không khí và độ ẩm đất đã cài đặt trước; đồng thời khi kích hoạt lệnh gieo hạt/tưới nước tự động, cơ cấu cơ khí sẽ tự động di chuyển và thực hiện thao tác tại toàn bộ các vị trí đã được lập trình sẵn.

5. Vì sao đề tài xem việc dùng ESP32-CAM truyền hình ảnh vừa là ưu điểm vừa là hạn chế?
Ưu điểm của ESP32-CAM là kích thước nhỏ gọn (27 x 40.5 mm), chi phí rất thấp (khoảng 10 USD), tích hợp sẵn vi xử lý ESP32-S và cảm biến ảnh OV2640 2 Megapixel hỗ trợ chuẩn Wi-Fi 802.11 b/g/n. Tuy nhiên, hạn chế của module này là tốc độ xử lý tín hiệu và truyền tải khung hình bị giới hạn, dẫn đến hiện tượng trễ hình và phụ thuộc nặng nề vào băng thông cũng như chất lượng kết nối Internet.

---

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Đào Duy Tùng và Võ Bằng Tranh đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình "Hệ thống giám sát và điều khiển tự động trong nông nghiệp dựa trên IoT", tích hợp đầy đủ tính năng đo đạc vi khí hậu, tưới tiêu tự động, gieo hạt theo tọa độ và truyền hình ảnh qua camera. Đề tài thể hiện năng lực tính toán phần cứng kỹ lưỡng, kết hợp hiệu quả giữa vi điều khiển ESP32, module ESP32-CAM, hệ thống cảm biến môi trường và cơ cấu truyền động cơ khí 2 trục. Kết quả thực nghiệm nảy mầm của hạt giống sau 36 giờ và 7 ngày đã chứng minh tính khả thi của giải pháp, mang lại giá trị học thuật và thực tiễn tốt cho các ứng dụng nông nghiệp công nghệ cao quy mô vừa và nhỏ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY FOR HIGH QUALITY TRAINING ELECTRONICS AND TELECOMMUNICATION ENGINEERING TECHNOLOGY IOT-BASED AUTOMATIC MONITORING AND CONTROL SYSTEM FOR AGRICULTURE LECTURER: DO DUY TAN STUDENT : DAO DUY TUNG VO BANG TRANH SKL 0 0 9 3 2 7 Ho Chi Minh City, August, 2020 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.