Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sản xuất nông nghiệp tại Việt Nam trong nhiều năm qua có quy mô, sản lượng và chất lượng sản phẩm còn nhiều hạn chế so với các quốc gia phát triển. Nguyên nhân cốt lõi bắt nguồn từ việc áp dụng công nghệ sản xuất còn lạc hậu, chủ yếu phụ thuộc vào kinh nghiệm thực tế và sức lao động thủ công của con người. Mô hình nhà kính nông nghiệp công nghệ cao được xác định là giải pháp nền tảng nhằm loại bỏ các tác động bất lợi từ thời tiết (mưa lớn, gió bão, sương giá, nắng gắt), ngăn ngừa sâu bệnh hại, kéo dài mùa vụ và tối ưu hóa vi khí hậu cho cây trồng. Việc ứng dụng công nghệ Internet of Things (IoT) kết hợp kỹ thuật điều khiển tự động và năng lượng tái tạo giúp giám sát chính xác các thông số môi trường, tiết kiệm nhân lực và chủ động nguồn năng lượng vận hành.

Đề tài "Thiết kế và thi công hệ thống IoTs chăm sóc vườn cây ăn quả sử dụng pin năng lượng mặt trời" do sinh viên Ngô Thành Đạt và Lê Hải Nguyên thực hiện (Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, năm 2018) nhằm giải quyết các nhiệm vụ nghiên cứu sau:

  1. Tìm hiểu đặc tính sinh trưởng của cây ăn quả (chọn cây cà chua) để xác định các ngưỡng nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng thích hợp.
  2. Tìm hiểu cơ sở lý thuyết thiết kế và thi công mô hình vườn cây ăn quả trong nhà kính.
  3. Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời và giải pháp chuyển đổi quang năng thành nguồn điện cấp cho hệ thống.
  4. Thiết kế hệ thống kỹ thuật phục vụ chăm sóc cây ăn quả.
  5. Thiết kế hệ thống tự động chăm sóc thông qua việc giám sát liên tục các thông số nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất và cường độ ánh sáng.
  6. Thiết kế và thi công hệ thống cấp điện độc lập sử dụng pin năng lượng mặt trời cho toàn bộ thiết bị.
  7. Xây dựng giao diện Web Server giám sát và điều khiển thiết bị qua mạng Internet.
  8. Thi công hoàn thiện mô hình thực tế của khu vườn.
  9. Cân chỉnh, chạy thử nghiệm và tối ưu hóa toàn bộ hệ thống.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Cây cà chua và các điều kiện vi khí hậu phục vụ sinh trưởng (nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất, cường độ ánh sáng, phát hiện mưa).
  • Phạm vi không gian và quy mô: Mô hình nhà kính thực nghiệm có kích thước dài x rộng x cao là 100 x 50 x 65 cm, khung nhôm bọc màng nhựa nylon, trang bị mái che di động và rèm che nắng.
  • Phạm vi năng lượng: Vận hành độc lập bằng 2 tấm pin năng lượng mặt trời 12V-10W kết hợp bộ lưu điện ắc quy 12V-9Ah và 2 mạch giảm áp, hoàn toàn không sử dụng điện lưới.
  • Thời gian thực hiện: Từ ngày giao nhiệm vụ 06/03/2018 đến ngày hoàn thành 16/07/2018.
  • Giới hạn đề tài: Dừng lại ở mức độ chế tạo mô hình học tập, kiểm nghiệm giải pháp kỹ thuật trong phòng thí nghiệm, chưa triển khai diện rộng ngoài thực địa sản xuất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án tập trung vào phân tích các mô hình canh tác bảo vệ, kiến trúc phần cứng nhúng, mạng truyền thông và giao thức Web:

  • Mô hình nhà lưới thực tế: Phân tích cấu trúc nhà lưới kín (ngăn côn trùng tốt nhưng dễ tích tụ nhiệt độ, độ ẩm cao gây nấm mốc nếu thiếu kiểm soát) và nhà lưới hở (giảm tác hại của mưa gió nhưng không ngăn được côn trùng), cùng các hình thức trồng rau quy mô hộ gia đình (ống nhựa, thùng phuy, thùng xốp).
  • Nền tảng phần cứng và IoT: Nghiên cứu vi điều khiển 8-bit ATmega2560 trên kit Arduino Mega 2560 (54 chân I/O, 16 ngõ vào analog, 4 bộ UART, bộ nhớ Flash 128KB, SRAM 8KB, EEPROM 4KB, thạch anh 16MHz); vi mạch Wifi SoC ESP8266 trên kit NodeMCU (hỗ trợ chế độ Wifi Client, Wifi Access Point, Web Server); màn hình cảm ứng điện trở HMI UART LCD 3.2 inch tích hợp chip xử lý đồ họa độc lập.
  • Các chuẩn giao tiếp truyền dữ liệu:
    • Chuẩn UART (Universal Asynchronous Receiver - Transmitter): Truyền nối tiếp bất đồng bộ qua 2 dây tín hiệu TX và RX nối chéo, chung mass GND, đồng bộ tốc độ baud.
    • Chuẩn I2C (Inter-Integrated Circuit): Truyền dữ liệu nối tiếp hai chiều theo mô hình Master - Slave qua 2 dây SDA (dữ liệu) và SCL (xung nhịp), sử dụng điện trở kéo lên nguồn (1kΩ - 4.7kΩ), định địa chỉ thiết bị cố định (0x23 hoặc 0x5C đối với cảm biến ánh sáng).
    • Chuẩn One-Wire: Truyền dữ liệu bán song công trên 1 dây tín hiệu duy nhất, tuân thủ nghiêm ngặt các khe thời gian (time slots) 60 µs và điện trở kéo mức cao.
  • Công nghệ Web Server: Sử dụng máy chủ 000webhost, hệ quản trị cơ sở dữ liệu MySQL, ngôn ngữ lập trình PHP, HTML và CSS để lưu trữ và hiển thị dữ liệu giám sát.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa phân tích lý thuyết, thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện tử, lập trình thuật toán điều khiển nhúng trên Arduino IDE và thực nghiệm thi công mô hình phần cứng thực tế. Dữ liệu đầu vào thu thập trực tiếp từ các cảm biến chuyên dụng gắn trong mô hình khu vườn.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa gồm 8 khối chức năng liên kết chặt chẽ:

Khối chức năng Phần cứng / Công nghệ sử dụng Chức năng kỹ thuật
Khối nguồn 2 tấm pin mặt trời 12V-10W, bộ sạc, ắc quy 12V-9Ah, 2 mạch giảm áp LM2596 Cung cấp nguồn 5V DC và 12V DC ổn định cho toàn bộ vi điều khiển, cảm biến và cơ cấu chấp hành mà không dùng điện lưới.
Khối xử lý trung tâm Board Arduino Mega 2560 (ATmega2560) Tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến, thực thi thuật toán điều khiển, điều phối dữ liệu với màn hình HMI và module Wifi.
Khối giao tiếp Wifi Kit NodeMCU ESP8266 (giao tiếp UART qua TX0/RX0) Đóng vai trò cầu nối truyền nhận dữ liệu giữa Arduino Mega 2560 và máy chủ Web Server.
Khối hiển thị & điều khiển tại chỗ Màn hình cảm ứng điện trở HMI UART LCD 3.2 inch (TX2/RX2) Hiển thị thông số môi trường, cung cấp giao diện cảm ứng cho người dùng tùy chỉnh chế độ và bật/tắt thiết bị tại chỗ.
Khối cảm biến DHT11, BH1750, Cảm biến độ ẩm đất (LM393), Cảm biến mưa Thu thập nhiệt độ (0-50°C), độ ẩm không khí (20-80%RH), cường độ sáng (1-65535 lx), độ ẩm đất (0-1023 analog quy đổi %) và phát hiện mưa.
Khối Relay Module Relay cách ly quang Đóng ngắt an toàn nguồn điện cho các thiết bị công suất từ tín hiệu điều khiển logic của Arduino.
Khối cơ cấu chấp hành Động cơ Servo MG996, Động cơ DC (qua cầu H L293), bơm nước mini, quạt hút/thổi, đèn sưởi, đèn LED Đóng/mở mái che khi mưa, kéo rèm che khi nắng gắt, tưới nước, thông gió làm mát, sưởi ấm và bổ sung ánh sáng.
Khối Web Server Nền tảng 000webhost, MySQL, PHP, HTML, CSS Lưu trữ dữ liệu lịch sử, hiển thị trạng thái hoạt động và cung cấp giao diện điều khiển từ xa qua mạng Internet.

Hệ thống triển khai 2 chế độ vận hành độc lập:

  • Chế độ MANUAL: Người dùng trực tiếp ra lệnh bật/tắt từng thiết bị (máy bơm, quạt, đèn sưởi, đèn chiếu sáng, rèm, mái che) thông qua giao diện cảm ứng HMI hoặc nút nhấn trên trang web.
  • Chế độ AUTO: Hệ thống tự động so sánh dữ liệu thời gian thực từ cảm biến với các ngưỡng giới hạn được cài đặt trước (nhiệt độ trần/sàn, độ ẩm đất tối thiểu, ngưỡng sáng, trạng thái mưa). Khi phát hiện thông số vượt ngưỡng, vi điều khiển tự động kích hoạt thiết bị tương ứng (ví dụ: kích hoạt 2 động cơ Servo MG996 đóng mái che khi trời mưa, điều khiển động cơ DC qua IC L293 kéo rèm khi cường độ sáng quá lớn, bật relay máy bơm khi đất khô).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 thiết lập tính cấp thiết của đề tài, nêu rõ thực trạng sản xuất nông nghiệp thủ công năng suất thấp tại Việt Nam và sự cần thiết của giải pháp nhà kính tự động ứng dụng công nghệ IoT kết hợp pin mặt trời. Tác giả xác định chi tiết 9 nhiệm vụ nghiên cứu từ khâu lý thuyết đến chế tạo thực tế, đồng thời giới hạn phạm vi mô hình cho đối tượng cây cà chua với kích thước nhà kính 100 x 50 x 65 cm, sử dụng 2 tấm pin mặt trời 12V-10W, bộ lưu điện 12V-9Ah và 2 mạch hạ áp nguồn.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương này tổng hợp cơ sở lý luận về cấu trúc nhà lưới kín, nhà lưới hở và các mô hình trồng cây hộ gia đình cùng những ưu nhược điểm liên quan. Tác giả phân tích cấu trúc phần cứng vi điều khiển Arduino Mega 2560, vi mạch Wifi ESP8266, tổng quan kiến trúc mạng IoT và giao thức truyền thông Web Server. Phần trọng tâm của chương đi sâu vào nguyên lý vật lý và định dạng dữ liệu của 3 chuẩn giao tiếp phần cứng: UART (truyền nối tiếp bất đồng bộ), I2C (truyền nối tiếp 2 dây Master - Slave) và One-Wire (truyền nối tiếp 1 dây điều khiển theo khe thời gian 60 µs).

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 trình bày chi tiết phương án thiết kế hệ thống thông qua sơ đồ khối 8 thành phần và sơ đồ nguyên lý toàn mạch. Tác giả phân tích lý do lựa chọn từng linh kiện: vi điều khiển Arduino Mega 2560 (đủ chân I/O và cổng UART độc lập), NodeMCU ESP8266 làm cầu nối truyền thông, màn hình HMI UART LCD 3.2 inch cảm ứng điện trở (giảm tải xử lý đồ họa cho chip chính), các cảm biến DHT11 (chân 22), BH1750 (chân SDA/SCL), cảm biến độ ẩm đất (ngõ vào analog A15 qua IC so sánh LM393) và cảm biến mưa. Bên cạnh đó, chương này tính toán thiết kế mạch cấp nguồn sạc ắc quy từ pin quang điện và mạch giảm áp sử dụng IC LM2596.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương này mô tả toàn bộ quy trình thực nghiệm phần cứng và xây dựng phần mềm:

  • Thi công phần cứng: Đấu nối mạch sạc năng lượng mặt trời với ắc quy, lắp đặt mạch hạ áp LM2596, khối domino cấp nguồn, kết nối cụm module relay điều khiển tải, bố trí tủ điều khiển trung tâm gắn màn hình HMI LCD và gia công khung nhôm bọc nilon nhà kính.
  • Lập trình hệ thống: Xây dựng lưu đồ giải thuật cho chế độ MANUAL, chế độ AUTO, lưu đồ truyền nhận dữ liệu UART giữa Arduino Mega 2560 và NodeMCU, lưu đồ truyền thông Web Server.
  • Phần mềm và giao diện: Sử dụng phần mềm Arduino IDE để biên dịch mã nguồn vi điều khiển, phần mềm USART HMI để thiết kế giao diện đồ họa cho màn hình cảm ứng, cấu hình hosting 000webhost và khởi tạo bảng dữ liệu MySQL. Chương cũng cung cấp quy trình hướng dẫn thao tác chi tiết tại chỗ và qua website.

Chương 5: Kết quả_Nhận xét_Đánh giá

Chương 5 công bố kết quả thử nghiệm thực tế của mô hình:

  • Mạch nguồn vận hành ổn định, đèn chỉ thị báo nhận ắc quy và chế độ sạc hoạt động chính xác.
  • Giao diện HMI 3.2 inch hiển thị đầy đủ màn hình chờ, màn hình chính, màn hình cài đặt thông số và giao diện điều khiển hai chế độ AUTO/MANUAL, hiển thị cảnh báo trực quan khi có mưa hoặc nắng gắt.
  • Giao diện website trên 000webhost thực hiện đầy đủ các chức năng đăng ký, đăng nhập tài khoản, trang liên hệ, giám sát thông số cảm biến thời gian thực và chuyển đổi chế độ điều khiển đồng bộ với phần cứng.
  • Các cơ cấu chấp hành (bơm nước, quạt thông gió, đèn sưởi, đèn LED, servo đóng mở mái che, động cơ DC kéo rèm) phản hồi chính xác theo lệnh điều khiển hoặc theo ngưỡng cảm biến thiết lập.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Tác giả tổng kết các kết quả đạt được: hoàn thành chế tạo mô hình nhà kính tự động hóa hoàn chỉnh ứng dụng IoT, vận hành hoàn toàn bằng nguồn năng lượng mặt trời độc lập. Đồ án chỉ ra những mặt hạn chế của nghiên cứu và vạch ra các định hướng mở rộng kỹ thuật nhằm nâng cao khả năng ứng dụng thực tế.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được:

  • Thi công hoàn chỉnh mô hình nhà kính thu nhỏ (100 x 50 x 65 cm) trang bị đầy đủ hệ thống mái che tự động (2 động cơ Servo MG996) và rèm che nắng (động cơ DC điều khiển qua mạch cầu H L293).
  • Xây dựng hệ thống cấp nguồn độc lập từ 2 tấm pin mặt trời 12V-10W kết hợp ắc quy 12V-9Ah và 2 mạch hạ áp LM2596, đảm bảo cung cấp năng lượng liên tục cho toàn bộ mạch điều khiển và thiết bị tải.
  • Tích hợp thành công 4 cụm cảm biến môi trường (DHT11, BH1750, cảm biến độ ẩm đất LM393, cảm biến mưa) với vi điều khiển Arduino Mega 2560 thông qua các chuẩn giao tiếp One-Wire, I2C, UART và Analog.
  • Thiết kế giao diện kép: Màn hình cảm ứng điện trở HMI UART LCD 3.2 inch cho phép thao tác tại chỗ và giao diện Web Server (PHP, MySQL, 000webhost) kết nối qua NodeMCU ESP8266 cho phép giám sát, điều khiển từ xa qua Internet.
  • Vận hành tin cậy ở cả 2 chế độ MANUAL (điều khiển cưỡng bức) và AUTO (tự động kích hoạt cơ cấu chấp hành dựa trên ngưỡng môi trường đo đạc).

Giải pháp đề xuất và đóng góp:

  • Đề xuất giải pháp tự động hóa nông nghiệp kết hợp năng lượng tái tạo, giúp khu vườn vận hành độc lập, không phụ thuộc vào lưới điện quốc gia.
  • Đóng góp giải pháp kiến trúc phần cứng phân tầng: Sử dụng màn hình HMI có bộ nhớ và chip xử lý đồ họa riêng giúp giảm tải tối đa năng lực xử lý cho vi điều khiển trung tâm; sử dụng NodeMCU ESP8266 làm vi xử lý truyền thông độc lập giúp duy trì hoạt động cục bộ liên tục ngay cả khi mất kết nối mạng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận trong đồ án:

  • Đề tài mới dừng lại ở mức độ chế tạo mô hình thử nghiệm phục vụ học tập, chưa được triển khai thử nghiệm dài hạn trên các khu vườn sản xuất nông nghiệp quy mô lớn ngoài thực tế.
  • Phần mềm thiết kế giao diện USART HMI cho màn hình cảm ứng sử dụng phiên bản ngôn ngữ tiếng Trung, gây một số trở ngại trong quá trình lập trình và tùy biến giao diện.
  • Công suất hệ thống pin mặt trời (20W) và ắc quy (9Ah) được tính toán riêng cho mô hình thu nhỏ; khi mở rộng diện tích và số lượng thiết bị công suất lớn cần phải tính toán thiết kế lại dung lượng nguồn.
  • Hệ thống Web Server phụ thuộc vào dịch vụ hosting miễn phí (000webhost), chịu ảnh hưởng bởi tính ổn định của đường truyền Internet bên ngoài.

Hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo:

  • Mở rộng quy mô diện tích nhà kính, tính toán nâng cấp hệ thống pin năng lượng mặt trời và bộ lưu điện công suất lớn để đáp ứng nhu cầu thực tế ngoài đồng ruộng.
  • Tích hợp thêm các loại cảm biến chuyên sâu trong nông nghiệp như cảm biến đo độ pH đất, nồng độ khí CO2 và hàm lượng dinh dưỡng NPK.
  • Phát triển ứng dụng di động riêng (App trên Android/iOS) để tối ưu hóa trải nghiệm điều khiển trên điện thoại thông minh thay vì thông qua trình duyệt web.
  • Nghiên cứu thuật toán điều khiển thích nghi, tối ưu hóa chế độ chăm sóc tự động theo từng giai đoạn phát triển cụ thể của cây trồng.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là nguồn tham khảo hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử, Điện tử Truyền thông, Tự động hóa, Kỹ thuật Máy tính và Công nghệ Nông nghiệp công nghệ cao.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên môn cao bao gồm:

  • Thiết kế hệ thống nhúng giao tiếp đa chuẩn: Phương pháp ghép nối đồng thời các chuẩn UART, I2C, One-Wire và kênh ADC 10-bit trên cùng một nền tảng vi điều khiển ATmega2560.
  • Thiết kế nguồn quang điện độc lập: Phương pháp phối ghép tấm pin năng lượng mặt trời, mạch sạc ắc quy và mạch hạ áp DC-DC LM2596 để cấp nguồn cho hệ thống vi điều khiển và module truyền thông.
  • Lập trình giao diện HMI chuyên dụng: Quy trình thiết kế GUI trên phần mềm USART HMI và truyền nhận dữ liệu qua UART với vi điều khiển.
  • Kiến trúc kết nối IoT qua Web Server: Giải pháp sử dụng ESP8266 kết nối cơ sở dữ liệu MySQL và xử lý dữ liệu thông qua các script PHP.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống sử dụng những loại cảm biến nào để thu thập dữ liệu môi trường và kết nối qua chuẩn giao tiếp gì? Hệ thống sử dụng 4 loại cảm biến:

  • Cảm biến DHT11 đo nhiệt độ và độ ẩm không khí qua chuẩn giao tiếp One-Wire (chân Digital 22).
  • Cảm biến BH1750 đo cường độ ánh sáng qua chuẩn giao tiếp I2C (chân SDA và SCL).
  • Cảm biến độ ẩm đất sử dụng IC so sánh LM393, xuất tín hiệu Analog 10-bit (chân A15) quy đổi ra thang đo phần trăm.
  • Cảm biến mưa phát hiện hạt nước thông qua mạch so sánh điện áp với ngưỡng biến trở.

2. Nguồn điện cung cấp cho toàn bộ hệ thống được thiết kế như thế nào? Hệ thống sử dụng nguồn năng lượng mặt trời hoàn toàn độc lập, không dùng điện lưới. Nguồn bao gồm 2 tấm pin mặt trời 12V-10W, bộ điều khiển hỗ trợ sạc nạp cho ắc quy lưu điện 12V-9Ah, kết hợp 2 mạch giảm áp LM2596 để hạ điện áp từ 12V xuống 5V DC cung cấp cho Arduino Mega 2560, NodeMCU ESP8266, màn hình HMI và các cụm cảm biến.

3. Khối xử lý trung tâm và khối truyền thông Wifi kết nối với nhau bằng phương thức nào? Khối xử lý trung tâm sử dụng board Arduino Mega 2560 và khối truyền thông Wifi sử dụng kit NodeMCU ESP8266. Hai khối giao tiếp nối tiếp với nhau theo chuẩn UART: chân TX của NodeMCU nối chân RX0 của Arduino Mega 2560, chân RX của NodeMCU nối chân TX0 của Arduino Mega 2560, nối chung mass (GND) và cấu hình hoạt động ở cùng tốc độ baud.

4. Hai chế độ MANUAL và AUTO hoạt động khác nhau như thế nào? Ở chế độ MANUAL, người dùng có thể chủ động điều khiển bật/tắt tùy ý từng thiết bị (bơm, quạt, đèn LED, đèn sưởi, rèm che, mái che) thông qua màn hình cảm ứng HMI hoặc nút nhấn trên website mà không phụ thuộc vào môi trường. Ở chế độ AUTO, người dùng thiết lập các thông số môi trường giới hạn; hệ thống sẽ liên tục đọc dữ liệu cảm biến và tự động kích hoạt thiết bị tương ứng khi thông số vượt ngưỡng (đóng mái che khi mưa, kéo rèm khi nắng gắt, tưới nước khi đất khô, làm mát khi nhiệt độ cao).

5. Khi phát hiện các hiện tượng thời tiết bất lợi (mưa hoặc nắng gắt), hệ thống thực hiện tác động cơ học nào? Khi cảm biến mưa phát hiện trời mưa, Arduino điều khiển 2 động cơ Servo MG996 quay góc phù hợp để đóng mái che bảo vệ khu vườn. Khi cảm biến BH1750 đo được cường độ ánh sáng vượt quá ngưỡng cho phép, hệ thống điều khiển động cơ DC thông qua module công suất L293 để kéo rèm che nắng lại.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công hệ thống IoTs chăm sóc vườn cây ăn quả sử dụng pin năng lượng mặt trời" của nhóm tác giả Ngô Thành Đạt và Lê Hải Nguyên đã thiết kế và chế tạo thành công một mô hình nhà kính nông nghiệp thông minh vận hành hoàn toàn tự chủ về năng lượng. Hệ thống tích hợp toàn diện giữa vi điều khiển Arduino Mega 2560, module truyền thông NodeMCU ESP8266, màn hình cảm ứng HMI UART LCD 3.2 inch và nền tảng Web Server giám sát từ xa qua Internet. Công trình cung cấp giải pháp kỹ thuật cụ thể, có tính ứng dụng cao trong việc tự động hóa vi khí hậu và tiết kiệm nhân lực cho mô hình trồng cây ăn quả công nghệ cao.