Đồ án tốt nghiệp: Xây dựng hệ thống IoT cho cây thủy canh tĩnh

Đồ án nghiên cứu tốt nghiệp xây dựng hệ thống iot cho cây thuỷ canh tĩnh, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán kỹ thuật.

• Tác giả: Hà Duy Hiếu
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Đức Toàn
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật máy tính
• Đề tài: Hệ thống IoT cho cây thủy canh tĩnh
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM KẾT
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Mục tiêu và phạm vi đề tài
• 1.3. Định hướng giải pháp
• 1.4. Bố cục đồ án
• 2. CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT VÀ PHÂN TÍCH YÊU CẦU
• 2.1. Khảo sát hiện trạng
• 2.2. Tổng quan chức năng của hệ thống
• 2.2.1. Biểu đồ use case tổng quan chức năng của hệ thống IoT cho cây thuỷ canh tĩnh
• 2.2.2. Biểu đồ use case phân rã chức năng quản lý người dùng
• 2.2.3. Biểu đồ use case phân rã chức năng đăng kí thông tin với quản trị viên
• 2.2.4. Biểu đồ use case phân rã chức năng quản lý thông tin cá nhân
• 2.2.5. Biểu đồ use case phân rã chức năng quản lý thiết bị
• 2.2.6. Quy trình nghiệp vụ
• 2.2.7. Đặc tả use case quản lý thiết bị
• 2.3. Yêu cầu phi chức năng
• 3. CHƯƠNG 3: CÁC CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG
• 3.1. Khối cơ sở dữ liệu
• 3.2. Khối phần mềm
• 3.3. Ngôn ngữ Dart
• 3.4. Kiến trúc MVVM (Model-View-ViewModel)
• 3.5. Các thiết bị phần cứng
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ, THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
• 4.1. Thiết kế khối phần mềm
• 4.2. Thiết kế giao diện
• 4.3. Thiết kế cơ sở dữ liệu
• 4.4. Thiết kế khối IoT
• 4.5. Thực nghiệm và kết quả
• 4.5.1. Thư viện và công cụ sử dụng
• 4.5.2. Minh họa khối phần mềm
• 4.5.3. Minh họa khối IoT
• 4.6. Triển khai và đánh giá
• 4.6.1. Kết quả đạt được
• 4.6.2. Triển khai hệ thống
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Kết luận
• 5.2. Định hướng phát triển trong tương lai
• Tài liệu tham khảo
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT

Tóm tắt

I. Giới thiệu Hệ thống IoT và Đồ án Tốt Nghiệp

Đồ án tốt nghiệp tập trung vào việc xây dựng hệ thống IoT cho cây thủy canh tĩnh. Đề tài này giải quyết vấn đề chăm sóc cây trồng tại nhà, đặc biệt trong bối cảnh đô thị hiện nay, nơi không gian hạn chế và thời gian eo hẹp. Ứng dụng IoT trong nông nghiệp đem lại giải pháp tối ưu, tự động hóa quá trình chăm sóc, giúp tăng năng suất cây trồng và tiết kiệm công sức. Mục tiêu chính là thiết kế và triển khai một hệ thống IoT hiệu quả, dễ sử dụng, hỗ trợ người dùng theo dõi và điều khiển quá trình tưới tiêu cho cây thủy canh tĩnh. Đồ án tốt nghiệp này đóng góp vào xu hướng nông nghiệp thông minh, mang lại giải pháp nông nghiệp bền vững. Khó khăn chính nằm ở việc tích hợp phần cứng và phần mềm, đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của hệ thống. Việc lựa chọn công nghệ phù hợp cũng là một thách thức.

1.1 Đặt vấn đề và Mục tiêu

Nhu cầu về thực phẩm sạch ngày càng tăng cao, đặc biệt tại các thành phố lớn. Tuy nhiên, việc trồng rau tại nhà gặp nhiều khó khăn do thiếu thời gian và kinh nghiệm. Hệ thống IoT cung cấp giải pháp tự động hóa quá trình chăm sóc, khắc phục những hạn chế này. Mục tiêu của đồ án tốt nghiệp là xây dựng một hệ thống IoT cho phép người dùng theo dõi, điều khiển quá trình tưới nước cho cây thủy canh tĩnh. Hệ thống cần đơn giản, dễ sử dụng, và phù hợp với điều kiện không gian hạn chế trong các hộ gia đình. Nông nghiệp thông minh là xu hướng phát triển, và đồ án này đóng góp vào việc ứng dụng công nghệ vào thực tiễn. Việc thu thập dữ liệu IoT và phân tích dữ liệu cây thủy canh là những điểm mấu chốt trong nghiên cứu. Đảm bảo tính chính xác, đáng tin cậy là yếu tố quan trọng cần được xem xét kỹ lưỡng.

1.2 Phạm vi và Định hướng giải pháp

Phạm vi đồ án tập trung vào việc thiết kế và triển khai hệ thống IoT cho một mô hình cây thủy canh tĩnh đơn giản. Giải pháp được lựa chọn là sử dụng các thiết bị điện tử như Arduino, cảm biến IoT, và vi điều khiển để thu thập dữ liệu về độ ẩm đất, nhiệt độ môi trường. Dữ liệu được truyền về máy chủ thông qua kết nối wifi, sau đó được xử lý và hiển thị trên giao diện người dùng (giao diện người dùng). Ứng dụng di động sẽ được phát triển để người dùng có thể theo dõi và điều khiển hệ thống từ xa (điều khiển từ xa). Cơ sở dữ liệu sẽ lưu trữ thông tin về trạng thái của hệ thống và lịch sử dữ liệu. Thiết kế phần mềm IoT sẽ tuân thủ nguyên tắc đơn giản, dễ bảo trì, mở rộng. An ninh mạng IoT cần được lưu tâm để bảo vệ dữ liệu người dùng.

II. Thiết kế và Thực hiện Hệ thống IoT

Phần này trình bày chi tiết về thiết kế hệ thống IoT, bao gồm phần cứng và phần mềm. Thiết kế hệ thống IoT bao gồm việc lựa chọn các thiết bị phù hợp như Arduino, Raspberry Pi, hoặc ESP32. Mạng lưới cảm biến được thiết kế để thu thập dữ liệu môi trường và trạng thái cây trồng. Thiết kế phần mềm IoT sử dụng ngôn ngữ lập trình phù hợp, đảm bảo khả năng tương tác với phần cứng và giao diện người dùng. Phần mềm bao gồm ứng dụng di động và giao diện web quản trị. Cơ sở dữ liệu được lựa chọn để lưu trữ và xử lý dữ liệu hiệu quả. Thu thập dữ liệu IoT và phân tích dữ liệu cây thủy canh được thực hiện để đánh giá hiệu quả của hệ thống.

2.1 Thiết kế phần cứng

Chọn lựa các thành phần phần cứng là bước quan trọng. Cảm biến IoT như cảm biến độ ẩm, nhiệt độ, và mực nước cần được lựa chọn cẩn thận để đảm bảo độ chính xác. Vi điều khiển như Arduino hoặc ESP32 sẽ xử lý dữ liệu từ các cảm biến và điều khiển các thiết bị hoạt động. Mô hình thủy canh tĩnh cần được thiết kế để tích hợp với hệ thống IoT một cách hiệu quả. Việc lựa chọn nguồn điện, kết nối mạng cũng cần được tính toán kỹ lưỡng. Quản lý nguồn nước là một phần quan trọng của hệ thống, cần thiết kế để đảm bảo cung cấp đủ nước cho cây trồng mà không gây lãng phí. Quản lý năng lượng cũng cần được cân nhắc để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.

2.2 Thiết kế phần mềm và Cơ sở dữ liệu

Thiết kế phần mềm bao gồm việc xây dựng giao diện người dùng thân thiện, dễ sử dụng. Phát triển phần mềm sử dụng ngôn ngữ lập trình thích hợp, có khả năng tương tác với phần cứng và cơ sở dữ liệu. Kiến trúc phần mềm cần được thiết kế để đảm bảo tính mở rộng và bảo trì. Cơ sở dữ liệu được lựa chọn để lưu trữ dữ liệu một cách hiệu quả, đảm bảo tính toàn vẹn và bảo mật. Bảng điều khiển cung cấp giao diện trực quan để người dùng theo dõi và điều khiển hệ thống. Giao diện người dùng cần đơn giản, dễ hiểu, phù hợp với nhiều đối tượng người dùng. Phát triển phần mềm bao gồm việc viết code, test và debug hệ thống. Kiến trúc MVVM có thể là một lựa chọn cho việc phát triển ứng dụng.

III. Kết quả và Phân tích

Phần này trình bày kết quả thực nghiệm và phân tích hiệu quả của hệ thống IoT. Dữ liệu thu thập được từ các cảm biến được phân tích để đánh giá hiệu quả của hệ thống trong việc theo dõi và điều khiển quá trình tưới nước. Năng suất cây trồng được đánh giá để xác định hiệu quả của hệ thống trong việc tối ưu hóa điều kiện sinh trưởng. Tiết kiệm nước và năng lượng cũng được phân tích để đánh giá tính bền vững của hệ thống. Báo cáo tốt nghiệp sẽ trình bày chi tiết các kết quả và phân tích, đánh giá hiệu quả của hệ thống, cũng như các hạn chế và đề xuất cải tiến.

3.1 Kết quả thực nghiệm

Kết quả thực nghiệm sẽ trình bày dữ liệu thu thập được từ các cảm biến trong một khoảng thời gian nhất định. Dữ liệu IoT bao gồm nhiệt độ, độ ẩm, và mực nước. Phân tích dữ liệu cây thủy canh giúp đánh giá sự ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đến sự phát triển của cây. Các biểu đồ và bảng số liệu sẽ được sử dụng để minh họa kết quả. Giám sát cây thủy canh được thực hiện liên tục để thu thập dữ liệu chính xác. Dự báo năng suất cây trồng có thể được thực hiện dựa trên dữ liệu thu thập được. Báo cáo tốt nghiệp sẽ trình bày chi tiết về phương pháp thu thập và xử lý dữ liệu.

3.2 Phân tích và đánh giá

Kết quả thực nghiệm sẽ được phân tích để đánh giá hiệu quả của hệ thống. Hiệu quả hệ thống IoT được đánh giá dựa trên các chỉ tiêu như độ chính xác, độ tin cậy, và khả năng sử dụng. Đánh giá hệ thống cũng bao gồm việc đánh giá sự hài lòng của người dùng. Nông nghiệp bền vững là một mục tiêu quan trọng, vì vậy việc đánh giá sự tiết kiệm nước và năng lượng là cần thiết. Nghiên cứu khoa học đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển hệ thống. Thuyết minh đồ án sẽ trình bày chi tiết về phương pháp đánh giá và kết quả đạt được. Báo cáo tốt nghiệp sẽ đưa ra các khuyến nghị cho các nghiên cứu trong tương lai.

IV. Kết luận và Hướng phát triển

Đồ án tốt nghiệp này đã thành công trong việc xây dựng một hệ thống IoT đơn giản, hiệu quả cho cây thủy canh tĩnh. Hệ thống đáp ứng được các yêu cầu về chức năng và hiệu suất. Tuy nhiên, vẫn còn một số hạn chế cần được khắc phục trong tương lai. Ứng dụng thực tế IoT trong nông nghiệp thông minh mở ra nhiều hướng phát triển mới. Thủy canh hiện đại và thủy canh bền vững đòi hỏi sự kết hợp giữa công nghệ và kinh nghiệm thực tiễn.

4.1 Kết luận

Hệ thống IoT đã được thiết kế và triển khai thành công. Hệ thống hoạt động ổn định và đáp ứng được các yêu cầu đặt ra. Dữ liệu IoT được thu thập và xử lý một cách hiệu quả. Giao diện người dùng thân thiện và dễ sử dụng. Đồ án tốt nghiệp đã đạt được các mục tiêu đề ra. Nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực này vẫn cần được tiếp tục để hoàn thiện hệ thống. Thuyết minh đồ án đã trình bày một cách rõ ràng và chi tiết các nội dung của đồ án.

4.2 Hướng phát triển

Một số đề xuất cải tiến cho hệ thống bao gồm việc tăng cường khả năng bảo mật, tích hợp thêm các cảm biến khác, và phát triển các chức năng tự động hóa nâng cao. IoT trong nhà thông minh có thể tích hợp với hệ thống để tạo ra một giải pháp toàn diện. Xu hướng IoT sẽ tiếp tục phát triển mạnh mẽ trong tương lai. Tương lai của nông nghiệp sẽ phụ thuộc vào việc ứng dụng công nghệ một cách hiệu quả. Giải pháp nông nghiệp thông minh sẽ mang lại nhiều lợi ích cho xã hội. Báo cáo tốt nghiệp đã đề xuất một số hướng phát triển cho hệ thống trong tương lai.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh đô thị hóa nhanh chóng tại các thành phố lớn như Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh, nhu cầu tiêu thụ thực phẩm sạch trở thành một trong những mối quan tâm hàng đầu của người dân. Sau giai đoạn giãn cách xã hội do đại dịch Covid-19 và sự xuất hiện của các biến thể mới như Omicron, tình trạng gián đoạn nguồn cung và gia tăng giá rau củ ngoài thị trường kèm theo nỗi lo ngại về hóa chất bảo quản không rõ nguồn gốc đã thúc đẩy xu hướng tự cung cấp rau sạch tại các hộ gia đình.

Tuy nhiên, việc canh tác nông nghiệp tại các căn hộ chung cư gặp nhiều hạn chế do diện tích chật hẹp. Các giải pháp công nghệ trên thị trường hiện nay bộc lộ các bất cập cụ thể:

• Các hệ thống Mạng lưới vạn vật (Internet of Things - IoT) ứng dụng trong nông nghiệp chủ yếu được thiết kế cho quy mô trang trại hoặc nhà kính lớn, thiếu các giải pháp tinh gọn, tối ưu chi phí cho quy mô hộ gia đình.
• Hệ thống thủy canh động đòi hỏi máy bơm vận hành liên tục 24/24 giờ, gây tốn kém điện năng, cấu trúc cồng kềnh và khó lắp đặt trong không gian hẹp.
• Hệ thống thủy canh tĩnh truyền thống chỉ trang bị van đóng mở cơ học, phụ thuộc hoàn toàn vào thao tác thủ công. Do thiếu kiến thức sinh lý cây trồng và thời gian chăm sóc, người trồng thường xuyên tưới thừa hoặc thiếu nước, hoặc quên cấp nước dẫn đến cây sinh trưởng kém hoặc bị chết.

Từ thực tế đó, đề tài "Xây dựng hệ thống IoT cho cây thuỷ canh tĩnh" do sinh viên Hà Duy Hiếu thực hiện (ngành Kỹ thuật máy tính, chuyên ngành Trí tuệ nhân tạo và IoT, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Đức Toàn) được triển khai nhằm giải quyết các nhiệm vụ cụ thể:

1. Khảo sát thực trạng và nhu cầu của cư dân đô thị đối với hệ thống trồng rau thủy canh tĩnh có ứng dụng công nghệ IoT.
2. Phân tích yêu cầu chức năng, yêu cầu phi chức năng và thiết kế hệ thống theo mô hình Client-Server gồm ba khối: cơ sở dữ liệu, phần mềm và khối phần cứng IoT.
3. Xây dựng thuật toán tính toán lượng nước tiêu hao dựa trên mô hình hồi quy tuyến tính (Linear Regression) kết hợp dữ liệu môi trường và giai đoạn sinh trưởng của rễ cây.
4. Hiện thực hóa ứng dụng di động cho người dùng, website quản trị cho đơn vị vận hành và chế tạo khối thiết bị nhúng IoT điều khiển van/bơm bán tự động.
5. Thực nghiệm canh tác rau muống thủy canh để kiểm chứng độ chính xác của cơ chế bơm tự động và khả năng sinh trưởng thực tế của cây.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Cây trồng thủy canh tĩnh (thực nghiệm cụ thể trên cây rau muống), hệ thống nhúng điều khiển và giám sát môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, khoảng cách mực nước), ứng dụng di động và website quản lý.
• Phạm vi nghiên cứu: Áp dụng cho các căn hộ chung cư tại khu vực Hà Nội; hệ thống hỗ trợ nhiều người dùng và nhiều thiết bị song song; phạm vi đồ án tập trung vào tính năng giám sát, điều khiển bán tự động và tối ưu chi phí phần cứng, chưa đi sâu vào các giải pháp bảo mật nâng cao.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án kết hợp nghiên cứu lý thuyết hệ thống nhúng, kỹ thuật phần mềm di động/web và phương pháp thực nghiệm sinh học - thống kê.

1. Khung lý thuyết và mô hình tính toán

• Kiến trúc phân tầng Client-Server & MVVM (Model-View-ViewModel): Tách biệt rõ ràng giữa tầng dữ liệu (Model), tầng xử lý logic tương tác (ViewModel) và tầng giao diện người dùng (View), ứng dụng kỹ thuật Data Binding để tự động đồng bộ hóa trạng thái dữ liệu lên giao diện.

• Mô hình hồi quy tuyến tính (Linear Regression): Được sử dụng để xác định các hệ số thực nghiệm nhằm ước lượng tỷ lệ thay đổi lượng nước tiêu hao ($w$) dựa trên sự sai lệch nhiệt độ, độ ẩm môi trường so với mốc chuẩn.

  Công thức xác định tỷ lệ lượng nước thay đổi: $$w = \left(\frac{H_0}{H} \times a + \frac{T_0}{T} \times b\right)$$ Trong đó:

  • $T_0, H_0$: Giá trị nhiệt độ (°C) và độ ẩm không khí (%) trung bình đo trong ngày (lấy mẫu tại các mốc 9h, 15h và 21h).
  • $T, H$: Giá trị nhiệt độ mốc (30°C) và độ ẩm mốc (75%).
  • $a, b$: Các hệ số thực nghiệm tính từ mô hình hồi quy ($a \approx 0$).

  Công thức xác định khoảng cách từ cảm biến siêu âm đến mặt nước ($s$) để kích hoạt ngắt bơm: $$s = s_0 + r - \frac{L_0 \times (1 + w)}{S}$$ Trong đó: $s_0$ là khoảng cách từ cảm biến tới rễ cây, $r$ là chiều dài rễ đo lúc 21h hàng ngày, $L_0$ là lượng nước tiêu hao một ngày tại thời điểm mốc, $S$ là diện tích đáy chậu cây (dài $\times$ rộng).

• Mô hình lưu lượng bơm: Tính lượng nước bơm trong một chu kỳ đóng/ngắt dựa trên vận tốc dòng chảy danh định và thời gian mở van: $L = v_0 \times t_0$.

2. Phương pháp nghiên cứu thực tế và nguồn dữ liệu

• Phương pháp khảo sát xã hội học: Tiến hành 2 đợt khảo sát chọn mẫu thực tế tại Hà Nội với quy mô $N = 100$ hộ dân:
  • Khảo sát 1: 50 căn hộ tại chung cư Đồng Phát (quận Hoàng Mai).
  • Khảo sát 2: 50 hộ gia đình tại phường Quỳnh Lôi (quận Hai Bà Trưng).
• Phương pháp thực nghiệm kỹ thuật và sinh học: Triển khai 2 đợt thực nghiệm nuôi trồng rau muống thủy canh tĩnh (quy mô 60 cây/đợt) trong chu kỳ 30-31 ngày nhằm đo đạc tốc độ phát triển rễ, lượng nước tiêu thụ và kiểm thử độ ổn định của cảm biến.
• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu môi trường thu thập thời gian thực từ cảm biến DHT11 và cảm biến khoảng cách HC-SR04 lưu trữ trực tiếp trên Cloud Firestore của Google Firebase.

---

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa gồm ba khối chính:

Phân hệ (Khối)	Công nghệ / Thiết bị sử dụng	Vai trò và chức năng chính
Cơ sở dữ liệu	Google Cloud Firestore (Firebase)	Lưu trữ NoSQL theo cấu trúc Document-Collection; đồng bộ dữ liệu thời gian thực giữa thiết bị IoT, ứng dụng người dùng và web quản trị.
Khối phần mềm	Flutter Framework, Dart SDK, Android Studio, Figma	Xây dựng giao diện ứng dụng di động đa nền tảng (Android/iOS) và website quản trị viên với độ phân giải chuẩn 1920x1080 (FullHD) theo mô hình MVVM.
Khối IoT (Phần cứng)	ESP8266 (Wi-Fi), DHT11, HC-SR04, Cảm biến mực nước, Relay, Van nước thông minh	Thu thập nhiệt độ, độ ẩm không khí, khoảng cách mặt nước; điều khiển đóng ngắt bơm tự động/thủ công; phòng chống tràn nước. Lập trình bằng C/C++ trên Arduino IDE.

Kiến trúc phần mềm và lớp dữ liệu

Phần mềm di động tổ chức thành 3 gói module chính:

• Gói Data: Chứa các lớp thực thể User, Sensor, Time, Waterused, lớp kết nối mạng NetworkProtocol, DataSource và lớp lưu trữ dữ liệu cục bộ DataLocal.
• Gói Presentation: Chứa StateManagementBase, các giao diện người dùng theo phân hệ (Home, User, Login, Statistical) và thư viện thành phần dùng chung ComponentsView.
• Gói Utils: Cung cấp các hàm tiện ích xử lý chuỗi, định dạng ngày tháng và hỗ trợ giao tiếp.

Thiết kế cơ sở dữ liệu

Cơ sở dữ liệu gồm hai thực thể chính:

1. Bảng User: id (String), deviceid (String), userName (String), email (String), password (String), phoneNumber (Int), isAdmin (Boolean), autoTurnOnPump (Boolean).
2. Bảng Device: id (String), userId (String), timeSensor (DateTime), temperature (Double), humidity (Double), pumpControl (Boolean), startTime (DateTime), endTime (DateTime), waterFull (Double).

---

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Chương 1 thiết lập tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ nhu cầu rau sạch tại đô thị sau các đợt dịch Covid-19. Tác giả phân tích rõ sự thiếu hụt của các giải pháp IoT quy mô nhỏ cho hộ gia đình tại chung cư. Từ đó, mục tiêu nghiên cứu được xác định là chế tạo một hệ thống theo dõi và chăm sóc cây thủy canh tĩnh bán tự động với chi phí thấp, giúp người dùng tiết kiệm thời gian, công sức và hạn chế tình trạng tưới sai lệch lượng nước làm chết cây. Kiến trúc giải pháp tổng quan gồm 3 khối: Cơ sở dữ liệu (Firebase), Phần mềm (Flutter/Dart) và Khối IoT (ESP8266, cảm biến, van điện tử).

CHƯƠNG 2. KHẢO SÁT VÀ PHÂN TÍCH YÊU CẦU

Chương 2 trình bày chi tiết số liệu từ 2 cuộc khảo sát thị trường trên địa bàn Hà Nội:

• Tại chung cư Đồng Phát: 47/50 hộ (94%) đang trồng cây/rau; 29 hộ trồng thủy canh và có tới 27/29 hộ (93.1%) quan tâm đến giải pháp IoT.
• Tại phường Quỳnh Lôi: 37/50 hộ (74%) trồng cây/rau; 8 hộ trồng thủy canh và 3/8 hộ (37.5%) hứng thú với hệ thống.
• Tổng hợp số liệu: 90.62% nhóm khách hàng tiềm năng sinh sống tại chung cư; 96.67% nằm trong độ tuổi 20-40; đa số mong muốn mức chi phí thiết bị dưới 2.000.000 VNĐ.

Chương này cũng hoàn thiện các biểu đồ use case tổng quan và phân rã cho 3 tác nhân (Quản trị viên, Người dùng, Thiết bị), xây dựng sơ đồ tuần tự thêm thiết bị và bảng đặc tả ca sử dụng UC01: Quản lý thiết bị.

CHƯƠNG 3. CÁC CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG

Chương 3 luận giải cơ sở lựa chọn công nghệ cho toàn bộ hệ thống:

• Cơ sở dữ liệu: Cloud Firestore cung cấp khả năng đồng bộ thời gian thực, lưu trữ phi quan hệ theo Document-Collection, miễn phí và hỗ trợ offline data.
• Công cụ và nền tảng phát triển phần mềm: Figma dùng để dựng UI/UX đa kích thước; Flutter và ngôn ngữ Dart cho phép biên dịch mã nguồn đa nền tảng (Web, Android, iOS) với hiệu năng cao, hỗ trợ Hot Reload và Material Design; Android Studio là môi trường lập trình tích hợp chính; mô hình MVVM đảm bảo phân tách rõ Presentation Logic và Data Binding.
• Phần cứng và nhúng: Ngôn ngữ C/C++ chạy trên Arduino IDE tối ưu tài nguyên cho vi điều khiển ESP8266; cảm biến DHT11 (nhiệt độ, độ ẩm); cảm biến siêu âm HC-SR04; relay đóng cắt nguồn và van nước thông minh.

CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ, THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNG GIÁ

Chương 4 mô tả chi tiết thiết kế kỹ thuật từ sơ đồ gói, cấu trúc lớp (HomeViewModel, Sensor, ChartData, TimeWater), thiết kế bảng dữ liệu User và Device trên Cloud Firestore, đến thiết kế giao diện ứng dụng di động (đăng nhập, trang chủ, thống kê nhiệt ẩm/lượng nước, trang cá nhân) và website quản trị.

Về thuật toán khối IoT, tác giả xây dựng công thức tính toán lượng nước bơm bổ sung dựa trên mô hình hồi quy tuyến tính từ độ ẩm, nhiệt độ và chiều dài rễ. Hệ thống vận hành theo nguyên lý bán tự động: người dùng cấp nguồn nước đầu vào, vi điều khiển tự động tính toán nhu cầu nước hao hụt trong ngày và điều khiển bơm đóng ngắt chính xác. Quá trình kiểm thử và thực nghiệm nông học được ghi nhận chi tiết qua các mốc sinh trưởng của cây rau muống tại các ngày thứ 6, 10, 17, 24 và 31.

CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Chương 5 đánh giá toàn diện mức độ hoàn thành mục tiêu đồ án, xác nhận hệ thống phần cứng và phần mềm hoạt động đồng bộ, đáp ứng tốt việc giám sát và tưới tiêu bán tự động cho cây thủy canh tĩnh. Đồng thời, tác giả vạch ra các định hướng hoàn thiện trong tương lai nhằm nâng cao mức độ tự động hóa và độ tin cậy của thiết bị.

---

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật và số liệu thực nghiệm

• Xây dựng hoàn chỉnh hệ thống 3 phân hệ: Đã thiết kế và lập trình thành công ứng dụng di động (Flutter), website quản trị người dùng/thiết bị và mạch phần cứng nhúng tích hợp Wi-Fi (ESP8266) giao tiếp thời gian thực qua Cloud Firestore.
• Thực nghiệm sinh trưởng cây trồng: Kiểm chứng thành công chu kỳ sinh trưởng của cây rau muống thủy canh qua 2 đợt nuôi trồng (60 cây/đợt) trong 31 ngày. Hệ thống tự động ghi nhận và hiển thị trực quan các mốc phát triển rễ và mức tiêu thụ nước tại ngày 6, 10, 17, 24 và 31.
• Vận hành cơ chế bơm bán tự động: Tích hợp thành công công thức hồi quy điều khiển van bơm theo sai lệch nhiệt độ/độ ẩm trung bình ngày và chiều dài rễ, kết hợp cơ chế ngắt chống tràn bằng cảm biến tiếp điểm.

2. Giải pháp và kiến nghị đề xuất

• Đề xuất mô hình thủy canh tĩnh ứng dụng IoT giá rẻ (< 2 triệu đồng) thay thế cho hệ thống thủy canh động tốn điện hoặc thủy canh tĩnh thủ công dễ gây chết cây do quên tưới.
• Sử dụng kiến trúc MVVM kết hợp Flutter để rút ngắn thời gian phát triển và đồng bộ giao diện trên cả môi trường web và thiết bị di động.

3. Đóng góp khoa học và thực tiễn của đồ án

• Khảo sát và định lượng cụ thể nhu cầu ứng dụng IoT nông nghiệp đô thị tại địa bàn Hà Nội với tỷ lệ khách hàng tiềm năng tại chung cư đạt 90.62%.
• Đưa ra giải pháp đo đạc và công thức thực nghiệm kết hợp hồi quy tuyến tính để tự động hóa việc tính toán lượng nước bù hao hụt hàng ngày dựa trên các tham số vi khí hậu.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

• Hệ thống mới dừng lại ở mức độ bán tự động: người dùng vẫn phải chuẩn bị và duy trì nguồn nước cấp đầu vào cho bình chứa.
• Phạm vi đồ án chưa chú trọng đầu tư sâu vào các giao thức bảo mật thông tin tài khoản và an toàn truyền thông giữa vi điều khiển với máy chủ đám mây.
• Cảm biến môi trường sử dụng loại phổ thông (DHT11, HC-SR04), độ bền và độ chính xác trong môi trường độ ẩm cao dài ngày cần được kiểm chứng thêm.

Hướng nghiên cứu tiếp

• Nghiên cứu cơ chế tự động hòa trộn dung dịch dinh dưỡng thủy canh (tự động đo và điều chỉnh nồng độ TDS/EC và pH) thay vì chỉ cấp nước thông thường.
• Nâng cấp các thuật toán trí tuệ nhân tạo (AI/Computer Vision) để nhận diện sâu bệnh hoặc trạng thái thiếu chất qua hình ảnh lá cây.
• Tăng cường các giải pháp mã hóa dữ liệu, phân quyền bảo mật nhiều lớp cho hệ thống IoT và tài khoản người dùng.

---

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo phù hợp cho:

• Sinh viên ngành Kỹ thuật máy tính, Công nghệ thông tin, Hệ thống nhúng & IoT: Tham khảo cách tổ chức kiến trúc phần mềm di động theo mô hình MVVM với Flutter, cách tích hợp Cloud Firestore và kỹ thuật kết nối phần cứng ESP8266 qua mạng không dây.
• Người nghiên cứu và phát triển nông nghiệp thông minh (Smart Agriculture): Tham khảo số liệu khảo sát thị trường đô thị, quy trình thực nghiệm nuôi trồng rau muống thủy canh và công thức hồi quy điều khiển chu trình cấp nước.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Khách hàng mục tiêu của hệ thống được tác giả xác định qua số liệu khảo sát là ai?
Dựa trên 2 đợt khảo sát tại chung cư Đồng Phát và phường Quỳnh Lôi ($N=100$), tác giả chỉ ra khách hàng tiềm năng nhất là cư dân sinh sống tại các căn hộ chung cư (chiếm 90.62%), trong độ tuổi từ 20 đến 40 (chiếm 96.67%) và có mức chi trả mong muốn dưới 2.000.000 VNĐ.

2. Công thức điều khiển bơm tự động của hệ thống tính toán dựa trên các thông số nào?
Hệ thống tính toán lượng nước tiêu hao $w$ dựa trên nhiệt độ ($T_0$) và độ ẩm ($H_0$) đo trung bình tại 3 thời điểm (9h, 15h, 21h) so với mốc chuẩn ($T = 30^\circ\text{C}$, $H = 75%$) thông qua hệ số hồi quy $a, b$. Từ đó, khoảng cách cảm biến ngắt bơm $s$ được xác định dựa trên khoảng cách mốc $s_0$, chiều dài rễ $r$ (đo lúc 21h), lượng nước tiêu hao chuẩn $L_0$ và diện tích chậu $S$.

3. Khối phần mềm của hệ thống được xây dựng bằng những công nghệ nào?
Khối phần mềm sử dụng framework Flutter và ngôn ngữ lập trình Dart theo kiến trúc MVVM (Model-View-ViewModel), giao diện được thiết kế trên Figma với độ phân giải chuẩn FullHD (1920x1080) và phát triển trên môi trường Android Studio.

4. Khối phần cứng IoT bao gồm các linh kiện và cảm biến cụ thể nào?
Khối IoT gồm có vi điều khiển tích hợp Wi-Fi ESP8266, cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm DHT11, cảm biến siêu âm đo khoảng cách mặt nước HC-SR04, cảm biến tiếp điểm chống tràn, mạch relay đóng ngắt và van nước thông minh (máy bơm mini).

5. Đối tượng thực nghiệm nuôi trồng của đề tài là gì và kéo dài trong bao lâu?
Tác giả đã tiến hành thực nghiệm trên cây rau muống thủy canh qua 2 đợt, mỗi đợt nuôi trồng khoảng 60 cây trong chu kỳ sinh trưởng 31 ngày (với các mốc ghi nhận dữ liệu tại ngày 6, ngày 10, ngày 17, ngày 24 và ngày 31).

---

Kết luận

Đồ án "Xây dựng hệ thống IoT cho cây thuỷ canh tĩnh" của tác giả Hà Duy Hiếu đã giải quyết thành công bài toán tự động hóa quy trình chăm sóc rau sạch quy mô hộ gia đình tại đô thị. Bằng việc kết hợp vi điều khiển ESP8266, cảm biến môi trường, nền tảng lưu trữ Firebase và ứng dụng Flutter theo mô hình MVVM, đề tài đã hiện thực hóa một hệ thống giám sát và tưới nước bán tự động có chi phí hợp lý. Mặc dù còn hạn chế về tính năng tự động châm dinh dưỡng và mức độ bảo mật, công trình cung cấp một thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh và dữ liệu thực nghiệm có giá trị ứng dụng cao cho lĩnh vực nông nghiệp thông minh quy mô nhỏ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1, em đã giới thiệu tổng quan về đề tài này. Và trong chương 2 em sẽ trình bày về việc khảo sát và phân tích nhu cầu thị trường từ đó tiến hành phân tích và thiết kế chi tiết yêu cầu của hệ thống theo dõi và chăm sóc cây thuỷ canh.1 Khảo sát hiện trạng Trong khoảng 1 tháng, bản thân em đã thực hiện 2 cuộc khảo sát về nhu cầu về hệ thống IoT về cây: khảo sát 1 gồm 50 căn hộ tại chung cư Đồng Phát, Hoàng Mai, Hà Nội và khảo sát 2 gồm 50 hộ gia đình tại phường Quỳnh Lôi, quận Hai Bà Trưng, Hà Nội. Trong cuộc khảo sát 1 có tới 47 căn hộ có chủ sở hữu đang trồng cây cảnh và rau ăn. Trong đó có 29 chủ căn hộ đang trồng cây thuỷ canh và trong số đó có tới 27 chủ căn hộ có hứng thú với hệ thống IoT để theo dõi và chăm sóc cây thuỷ canh.

Trong cuộc khảo sát 2 có 37 hộ đang trồng cây cảnh và rau ăn. Trong đó có 8 hộ trồng cây và rau thuỷ canh và trong số đó chỉ có 3 hộ hứng thú với hệ thống IoT để theo dõi và chăm sóc cây thuỷ canh. Thông qua 2 cuộc khảo sát mà em đã tiến hành em nhận thấy được rằng tỉ lệ khách hàng tiềm năng với hệ thống của mình có 90.62% là ở chung cư, và 96.67% có độ tuổi trong khoảng 20-40. Hộ hiện Hộ trồng Hộ có thể chi Hộ có độ Hộ hứng Khảo Tổng đang cây thuỷ <2triệu tuổi thứ với sát số hộ trồng canh/ Hộ vnđ/Số hộ 20-40/ Hộ hệ thống cây trồng cây hứng thú hứng thú Chung 50 94% 61.1: Bảng khảo sát nhu cầu hệ thống cây thuỷ canh tĩnh.

Trên thị trường hiện tại, các hệ thống trồng cây thuỷ canh với không gian nhỏ gồm có hệ thống thuỷ canh động và tĩnh. Với hệ thống thuỷ canh động thì bơm sẽ phải hoạt động liên tục 24/24, sẽ gây ra các chi phí về điện và cồng kềnh, khó khăn trong việc lắp đặt hệ thống với khoảng không gian nhỏ hẹp. Với hệ thống thuỷ canh tĩnh chủ yếu là hệ thống chỉ có phần cứng giúp hỗ trợ thao tác mở nguồn nước nhanh và người dùng vẫn phải thực hiện các thao tác trực tiếp và chưa có các thao tác liên quan đến IoT. Do người dùng vẫn phải thao tác nên vấn đề quên mở nguồn vẫn chưa được giải quyết .Do đó nhận thấy tiềm năng của hệ thống IoT để theo dõi và chăm sóc cây thuỷ canh với các thao tác chăm sóc 4 CHƯƠNG 2.

KHẢO SÁT VÀ PHÂN TÍCH YÊU CẦU cây cùng với chức năng tự động bơm nước phù hợp với sinh trưởng của cây trồng và chức năng thống kê lượng nước sử dụng sẽ giúp hệ thống.2 Tổng quan chức năng của hệ thống 2.1 Biểu đồ use case tổng quan chức năng của hệ thống IoT cho cây thuỷ canh tĩnh Hình 1 là biểu đồ use case tổng quan của hệ thống theo dõi và chăm sóc cây thuỷ canh tĩnh. Hệ thống gồm ba tác nhân đó là: quản trị viên, người dùng và thiết bị. Quản trị viên có thể đăng ký, đăng nhập, đăng xuất, quản lý người dùng và quản lí tất cả các thiết bị. Người dùng có thể đăng kí thông tin với quản trị viên,đăng nhập, đăng xuất, quản lý thông tin cá nhân và quản lý thiết bị.

Thiết bị có các chức năng như đo nhiệt độ, độ ẩm, bật tắt bơm, đo lường khoảng cách nước, và lượng nước tiêu thụ.1: Biểu đồ use case tổng quan chức năng hệ thống.2 Biểu đồ use case phân rã chức năng quản lý người dùng Hình 2 là biểu đồ use case phân rã chức năng quản lý người dùng.