Hệ Thống Quản Lý Và Giám Sát Vườn Thông Minh

Đồ án nghiên cứu tốt nghiệp đề tài hệ thống quản lý và giám sát vườn thông minh, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán .

• Tác giả: Nguyễn Lưu Thường
• Người hướng dẫn: Ths. Trần Quang Vinh
• Trường học: Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải
• Chuyên ngành: Tự Động Hóa Công Nghiệp
• Đề tài: Hệ Thống Quản Lý Vườn Thông Minh
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: SƠ LƯỢC VỀ NHÀ KÍNH NÔNG NGHIỆP
• 1.1. Sơ lược về nhà kính nông nghiệp
• 1.2. Các nghiên cứu về mô hình nhà kính thông minh và các dạng nhà kính
• 1.2.1. Các nghiên cứu thực tế trong nước
• 1.2.2. Các dạng nhà kính trong nước
• 1.3. Giới hạn, phạm vi nghiên cứu cho đồ án
• 1.3.1. Giới hạn
• 1.3.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ MÔI TRƯỜNG TỚI SINH TRƯỞNG CỦA CÂY VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÁC YẾU TỐ MÔI TRƯỜNG TRONG NHÀ KÍNH
• 2.1. Nhiệt độ ảnh hưởng tới quá trình sinh trưởng và phát triển của cây
• 2.2. Độ ẩm ảnh hưởng tới quá trình sinh trưởng và phát triển của cây
• 2.3. Cường độ ánh sáng ảnh hưởng tới quá trình sinh trưởng của cây
• 2.4. Các phương pháp điều khiển nhiệt độ nhà kính
• 2.4.1. Sử dụng quạt và lưới thông gió
• 2.4.2. Sử dụng lò sưởi
• 2.5. Phương pháp kiểm soát độ ẩm và lượng ánh sáng
• 2.5.1. Phương pháp kiểm soát độ ẩm
• 2.5.2. Phương pháp kiểm soát lượng ánh sáng
• 2.6. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƯỢNG ÁP DỤNG TRONG MÔ HÌNH NHÀ KÍNH
• 3.1. Đối tượng nghiên cứu
• 3.2. Tiêu chuẩn về nhà kính cho đối tượng
• 3.3. Thông số cho nhà kính trồng nấm
• 3.4. Động cơ kéo màn sáng
• 4. CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN LỰA CHỌN CÁC LINH KIỆN, THIẾT BỊ VÀ THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
• 4.1. Sơ đồ khối của mô hình nhà kính
• 4.2. Tính chọn thiết bị và thiết kế phần cứng cho mô hình
• 4.3. Sơ đồ nguyên lý kết nối của mô hình
• 4.4. Khối điều khiển
• 4.5. Khối công suất và động cơ
• 4.6. Khối cảm biến
• 4.6.1. Cảm biến nhiệt độ DS18B20
• 4.6.2. Cảm biến mưa SN-RAIN-MOD
• 4.6.3. Cảm biến độ ẩm đất OEM
• 4.6.4. Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750
• 4.7. Khối giao tiếp
• 4.8. Khối hiển thị
• 4.9. Khối web và app
• 4.10. Thiết kế mô hình cơ khí
• 4.11. Kết luận chương 4
• 5. CHƯƠNG 5: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT
• 5.1. Lưu đồ thuật toán điều khiển, giám sát mô hình nhà kính
• 5.2. Chương trình điều khiển giám sát mô hình
• 5.2.1. Giới thiệu ngôn ngữ lập trình
• 5.2.2. Chương trình cài đặt cho vi xử lý
• 5.2.3. Chương trình cho web và app
• 5.2.4. Phần mềm lập trình cho web
• 5.3. Thử nghiệm mô hình
• 5.3.1. Thử nghiệm mô hình với app
• 5.3.2. Thử nghiệm với mô hình thực tế
• 5.4. Xem thông tin và thông báo thông qua chatbot tự động
• 5.5. Kết luận chương 5
• 5.6. Các kết quả đạt được
• 5.7. Hạn chế và hướng phát triển tiếp theo
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC 1: CODE VI XỬ LÝ ESP32
• PHỤ LỤC 3: CODE WebAPP

Tóm tắt

I. Tổng quan về Hệ Thống Quản Lý Vườn Thông Minh trong Nông Nghiệp

Hệ thống quản lý vườn thông minh là một giải pháp hiện đại trong lĩnh vực nông nghiệp thông minh. Nó sử dụng công nghệ IoT để tự động hóa các quy trình sản xuất, từ việc giám sát môi trường đến điều khiển các thiết bị. Mô hình này không chỉ giúp nâng cao năng suất mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất. Việc áp dụng công nghệ vào nông nghiệp đang trở thành xu hướng tất yếu, giúp nông dân tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm.

1.1. Khái niệm về Hệ Thống Quản Lý Vườn Thông Minh

Hệ thống quản lý vườn thông minh là một mô hình tích hợp các công nghệ hiện đại như cảm biến, vi xử lý và phần mềm quản lý. Mô hình này cho phép giám sát và điều khiển các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, từ xa qua internet.

1.2. Lợi ích của Hệ Thống Quản Lý Vườn Thông Minh

Việc áp dụng hệ thống này giúp tiết kiệm thời gian và công sức cho nông dân. Nó cũng giúp nâng cao năng suất cây trồng, giảm thiểu rủi ro do thời tiết và sâu bệnh, đồng thời đảm bảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn xuất khẩu.

II. Thách thức trong việc Tự Động Hóa Nông Nghiệp

Mặc dù tự động hóa nông nghiệp mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức lớn. Các vấn đề như chi phí đầu tư ban đầu cao, thiếu hụt kiến thức công nghệ và sự chấp nhận của nông dân là những rào cản cần vượt qua. Để thành công, cần có sự hỗ trợ từ chính phủ và các tổ chức nghiên cứu.

2.1. Chi phí đầu tư và bảo trì hệ thống

Chi phí đầu tư cho hệ thống quản lý vườn thông minh có thể cao, đặc biệt đối với các trang trại nhỏ. Ngoài ra, việc bảo trì và nâng cấp hệ thống cũng cần được xem xét để đảm bảo hoạt động hiệu quả.

2.2. Thiếu hụt kiến thức và kỹ năng

Nhiều nông dân chưa quen với công nghệ mới, dẫn đến khó khăn trong việc áp dụng hệ thống tự động hóa. Cần có các chương trình đào tạo để nâng cao nhận thức và kỹ năng cho nông dân.

III. Giải pháp Tự Động Hóa Nông Nghiệp Hiệu Quả

Để giải quyết các thách thức trong tự động hóa nông nghiệp, nhiều giải pháp đã được đề xuất. Các công nghệ như cảm biến thông minh, hệ thống điều khiển từ xa và phần mềm phân tích dữ liệu đang được áp dụng rộng rãi. Những giải pháp này không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm.

3.1. Sử dụng công nghệ IoT trong nông nghiệp

Công nghệ IoT cho phép kết nối và giám sát các thiết bị trong vườn từ xa. Điều này giúp nông dân theo dõi tình trạng cây trồng và điều chỉnh các yếu tố môi trường một cách kịp thời.

3.2. Phần mềm quản lý nông nghiệp thông minh

Phần mềm quản lý giúp nông dân theo dõi và phân tích dữ liệu từ các cảm biến. Điều này giúp đưa ra quyết định chính xác hơn trong việc chăm sóc cây trồng và tối ưu hóa sản xuất.

IV. Ứng dụng Thực Tiễn của Hệ Thống Quản Lý Vườn Thông Minh

Hệ thống quản lý vườn thông minh đã được áp dụng thành công tại nhiều trang trại trên thế giới. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng công nghệ này giúp tăng năng suất cây trồng lên đến 30%. Ngoài ra, nó còn giúp giảm thiểu lượng nước và phân bón sử dụng, từ đó bảo vệ môi trường.

4.1. Các mô hình thành công trong nước

Nhiều trang trại tại Việt Nam đã áp dụng hệ thống quản lý vườn thông minh và đạt được kết quả khả quan. Các mô hình này không chỉ giúp tăng năng suất mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất.

4.2. Kết quả nghiên cứu và phân tích dữ liệu

Các nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng công nghệ IoT trong nông nghiệp giúp cải thiện chất lượng sản phẩm và tăng cường khả năng cạnh tranh trên thị trường quốc tế.

V. Kết luận và Tương Lai của Hệ Thống Quản Lý Vườn Thông Minh

Hệ thống quản lý vườn thông minh đang mở ra nhiều cơ hội cho ngành nông nghiệp. Tương lai của nông nghiệp sẽ phụ thuộc vào khả năng áp dụng công nghệ mới để tối ưu hóa quy trình sản xuất. Việc đầu tư vào công nghệ và đào tạo cho nông dân là rất cần thiết để phát triển bền vững.

5.1. Tầm quan trọng của công nghệ trong nông nghiệp

Công nghệ sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm nông nghiệp. Việc áp dụng công nghệ mới sẽ giúp nông dân cạnh tranh hơn trên thị trường.

5.2. Hướng phát triển trong tương lai

Tương lai của hệ thống quản lý vườn thông minh sẽ tập trung vào việc phát triển các giải pháp công nghệ mới, giúp nông dân dễ dàng tiếp cận và áp dụng vào sản xuất.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế hiện đại hóa nông nghiệp, việc ứng dụng khoa học kỹ thuật và tự động hóa vào sản xuất là giải pháp nhằm nâng cao chất lượng nông sản, giảm thiểu chi phí lao động, tiết kiệm năng lượng tiêu thụ và hạ giá thành sản phẩm. Mô hình sản xuất trong nhà kính đóng vai trò thiết yếu đối với việc canh tác rau hoa công nghệ cao đạt tiêu chuẩn xuất khẩu. Nhà kính cho phép thiết lập và duy trì môi trường vi khí hậu tối ưu (nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm đất, nồng độ khí oxy, carbonic) và ngăn chặn sự xâm nhập của sâu bệnh hại.

Đề tài "Hệ thống quản lý và giám sát vườn thông minh" được sinh viên Nguyễn Lưu Thường thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Trần Quang Vinh tại Khoa Điện - Điện tử viễn thông, Trường Đại học Giao thông Vận tải (TP. Hồ Chí Minh, 2024) thuộc chuyên ngành Tự động hóa công nghiệp. Đề tài tập trung giải quyết bài toán kiểm soát các thông số môi trường của nhà kính thông qua hệ thống nhúng và mạng truyền thông không dây.

Hệ thống hướng đến hai mục tiêu cụ thể:

1. Hoàn thiện mô hình phần cứng cho hệ thống quản lý, giám sát và điều khiển các thông số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm đất, ánh sáng, mưa) và trạng thái các cơ cấu chấp hành (động cơ kéo mái che, máy bơm tưới, đèn sưởi).
2. Xây dựng chương trình điều khiển cho vi xử lý và phát triển giao diện giám sát, điều khiển từ xa qua nền tảng Web và Desktop App kết nối cơ sở dữ liệu thời gian thực.

Về đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Quy trình giám sát và điều khiển môi trường cho các loại cây nông nghiệp có yêu cầu khắt khe về vi khí hậu (nho, dâu tây, dưa lưới, thanh long, rau xà lách, cà rốt); trong đó, đối tượng áp dụng thực nghiệm trực tiếp của mô hình là quy trình trồng nấm rơm trong nhà kính.
• Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn ở việc thiết kế và chế tạo mô hình thực nghiệm quy mô nhỏ nhằm kiểm chứng giải pháp công nghệ, thuật toán điều khiển và độ ổn định của thiết bị phần cứng trước khi mở rộng ra các nhà kính quy mô vừa và lớn ngoài thực tế.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

Nghiên cứu tổng hợp các cơ sở khoa học về sinh lý thực vật và kỹ thuật điều hòa vi khí hậu:

• Ảnh hưởng nhiệt độ: Dẫn dụng công thức thực nghiệm của Mac-côp (1957) xác định nhiệt độ thích hợp cho cây rau: $T = t \pm 7^\circ\text{C}$ (với $t$ là nhiệt độ thích hợp trong ngày râm; ngưỡng nhiệt độ đêm và cây mới mọc là $t + 7^\circ\text{C}$). Nghiên cứu chỉ ra hiệu suất quang hợp của đa số cây trồng ngừng lại ở $30^\circ\text{C}$, và biện pháp phun sương làm mát có thể hạ nhiệt độ mặt lá từ $6^\circ\text{C}$ đến $8^\circ\text{C}$.
• Ảnh hưởng độ ẩm và ánh sáng: Xác định dải độ ẩm đất thích hợp cho sinh trưởng dao động từ $60%$ đến $70%$; cường độ ánh sáng tác động trực tiếp đến quá trình quang hợp và chuyển hóa hormone sinh trưởng (Auxin, Gibberellin).
• Tổng quan nghiên cứu tiền đề trong nước:
  1. Đào Xuân Quy và cộng sự (2016): Quản lý môi trường nhà kính bằng điện thoại thông minh dùng vi điều khiển STM32 và module Wi-Fi ESP8266.
  2. Đào Xuân Quy và cộng sự (2017): Nhà kính tự động giám sát và điều khiển môi trường nông nghiệp bằng thiết bị không dây sử dụng bộ điều khiển trung tâm kết nối không dây SMCS.
  3. Phạm Hồng Sơn, Trần Văn Trường, Nguyễn Hoàng Giang (2020): Giải pháp kiểm soát tiểu khí hậu (Công ty CP Công nghệ Phát triển Nông nghiệp Việt Nam thương mại hóa với chi phí 13–15 triệu đồng, bán kính phủ sóng trên $200\text{ m}$).

Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sử dụng phương pháp kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết (tổng hợp tài liệu về nhu cầu sinh học của cây nấm, giải pháp điều hòa không khí) và nghiên cứu thực nghiệm (thiết kế mạch, lập trình nhúng cho vi điều khiển, lập trình giao diện người dùng và vận hành mô hình thực tế).

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu đầu vào thu thập thời gian thực từ mạng cảm biến chuyên dụng: cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số OneWire, cảm biến mưa điện trở, cảm biến độ ẩm đất dạng điện cực cắm đất và cảm biến cường độ ánh sáng kỹ thuật số giao tiếp I2C.

Loại cây trồng	Nhiệt độ thấp nhất ($^\circ\text{C}$)	Nhiệt độ tối ưu ($^\circ\text{C}$)	Nhiệt độ cao nhất ($^\circ\text{C}$)
Dưa hấu	15	35	35
Thanh long	20	35	37
Bí	15	32	35
Ớt	25	27 – 30	32
Cải thìa	20	21 – 28	30
Lúa mạch đen	10	28	38
Nấm / Rau thực phẩm	15	15 – 25	25

---

Thiết kế và triển khai hệ thống

Kiến trúc phần cứng

Hệ thống phần cứng được tổ chức thành 6 khối chức năng liên kết chặt chẽ:

• Khối điều khiển trung tâm: Sử dụng Kit RF ESP32 Lolin32 OLED 0.96 inch (vi xử lý lõi kép ESP-WROOM-32, tích hợp Wi-Fi/BLE, chip nạp UART CP2102, màn hình OLED SSD1306 $128 \times 64\text{ pixel}$ giao tiếp I2C, kích thước $27 \times 64\text{ mm}$).
• Khối cảm biến:
  • Cảm biến nhiệt độ DS18B20 (Maxim): Chuẩn giao tiếp OneWire, độ phân giải 9–12 bit, dải đo $-55^\circ\text{C}$ đến $+125^\circ\text{C}$, sai số $\pm 0.5^\circ\text{C}$ trong khoảng $-10^\circ\text{C}$ đến $+85^\circ\text{C}$.
  • Cảm biến mưa SN-RAIN-MOD: Hoạt động theo nguyên lý dẫn điện bề mặt, sử dụng IC so sánh LM358, cung cấp ngõ ra Analog (AO) và Digital (DO mức TTL).
  • Cảm biến độ ẩm đất OEM: Sử dụng đầu dò cắm đất kết hợp mạch so sánh LM393, ngõ ra DO tích cực mức thấp khi đất đủ ẩm và mức cao ($5\text{V}$) khi đất khô.
  • Cảm biến ánh sáng BH1750: Cảm biến kỹ thuật số tích hợp ADC nội và bộ xử lý, đo trực tiếp cường độ ánh sáng trong dải $1 - 65535\text{ lux}$ qua giao tiếp I2C.
• Khối công suất và cơ cấu chấp hành:
  • Động cơ DC kéo mái che: Động cơ một chiều giảm tốc $6\text{VDC}$ (dòng $110 - 140\text{ mA}$, tỉ số truyền $1:48$, tốc độ $125\text{ rpm}$ tại $3\text{V}$ và $208\text{ rpm}$ tại $5\text{V}$), điều khiển đảo chiều quay qua mạch cầu H 4 transistor/FET và định vị qua 2 công tắc hành trình (LM1, LM2).
  • Bơm tưới nước: Động cơ bơm DC Water Pump P385 ($12\text{VDC}$, $0.7\text{A}$, lưu lượng $1 - 2\text{ L/phút}$, kích thước $90 \times 40 \times 35\text{ mm}$, đường kính ống $6/8.5\text{ mm}$).
  • Mạch đóng ngắt công suất: Module Relay 1 kênh có Opto cách ly quang (điện áp nuôi $5\text{VDC}$, tiếp điểm đóng ngắt tối đa $250\text{VAC}/10\text{A}$ hoặc $30\text{VDC}/10\text{A}$).
  • Thiết bị sưởi: Bóng đèn sợi đốt điều khiển bằng tín hiệu PWM mô phỏng lò sưởi nhiệt.
• Khối nguồn: Bộ nguồn tổ ong chuyển đổi cung cấp các đường áp $12\text{VDC}$ (mạch cầu H, máy bơm) và $5\text{VDC}$ (vi xử lý, relay, các module cảm biến).

Tên chân	Loại tín hiệu	Chức năng kỹ thuật
5V / GND	Power	Cấp nguồn $5\text{V}$ và chân nối đất cho vi xử lý ESP32 và Relay
5VOUT / GNDOUT	Power	Cấp nguồn $5\text{V}$ và chân âm cho các cảm biến và công tắc hành trình
V+ / V-	Power	Cấp nguồn $12\text{V}$ và chân âm công suất cho mạch cầu H
LEFT / RIGHT	Digital Output	Chọn chiều quay thuận/nghịch cho động cơ DC kéo mái che
ENA	Analog Output	Xuất xung điều khiển tốc độ động cơ DC qua mạch cầu H
ASOIL	Digital Input	Đọc tín hiệu trạng thái từ cảm biến độ ẩm đất
TEMP	Digital Input	Nhận dữ liệu nhiệt độ từ cảm biến DS18B20 (OneWire)
SDA / SCL	I2C Data / Clock	Truyền nhận dữ liệu cảm biến BH1750 và màn hình OLED
LM1 / LM2	Digital Input	Đọc trạng thái công tắc hành trình 1 và 2 của hệ mái che
RAIN	Digital Input	Nhận tín hiệu phát hiện trời mưa từ module SN-RAIN-MOD
PUMP	Digital Output	Xuất tín hiệu kích đóng ngắt Relay điều khiển máy bơm nước
PWM	Analog Output	Xuất xung điều khiển công suất phát nhiệt của đèn sợi đốt

Kiến trúc phần mềm và truyền thông

• Phần mềm nhúng (Firmware): Lập trình trên Arduino IDE cho vi điều khiển ESP32, thực hiện đọc tín hiệu cảm biến theo chu kỳ, xử lý logic điều khiển và truyền dữ liệu qua giao thức bảo mật SSL.
• Cơ sở dữ liệu đám mây: Sử dụng Google Firebase Realtime Database (CSDL NoSQL trên nền tảng Cloud) để lưu trữ các thông số môi trường và trạng thái thiết bị thời gian thực.
• Giao diện Web và Desk App:
  • Website giám sát và điều khiển được xây dựng trên nền tảng React kết hợp Ionic Framework.
  • Ứng dụng máy tính (Desktop App) được đóng gói và phát triển bằng ElectronJS kết hợp Ionic Framework.
  • Tích hợp Chatbot tự động hỗ trợ truy vấn thông tin và gửi cảnh báo vận hành đến người dùng.
• Chế độ hoạt động: Hệ thống hỗ trợ 2 chế độ:
  • Chế độ tự động (Auto): Tự động bật bơm khi đất khô và không mưa, đóng mái che khi trời mưa hoặc ánh sáng quá ngưỡng, điều chỉnh công suất nhiệt khi nhiệt độ thấp hơn giá trị cài đặt.
  • Chế độ bằng tay (Manual): Cho phép người dùng bật/tắt động cơ, máy bơm, đèn sưởi trực tiếp từ giao diện Web và App thông qua kết nối Internet.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Sơ lược về nhà kính nông nghiệp

Chương 1 phân tích vai trò của mô hình nhà kính trong nông nghiệp hiện đại, so sánh ưu nhược điểm giữa phương pháp canh tác truyền thống và mô hình nhà kính tự động hóa. Tác giả khảo sát các cấu trúc nhà kính phổ biến tại Việt Nam gồm: nhà kính mái hở cố định một bên, nhà kính mái hở cố định hai bên và nhà kính dạng cánh bướm (có cơ chế đóng mở mái linh hoạt). Đồng thời, chương này tổng thuật 3 giải pháp công nghệ vi khí hậu trong nước, từ đó xác định giới hạn nghiên cứu của đề tài là xây dựng mô hình thực nghiệm chi phí thấp, ứng dụng ESP32 kết nối Internet.

Chương 2: Ảnh hưởng của các yếu tố môi trường tới sinh trưởng của cây và các phương pháp điều khiển các yếu tố môi trường trong nhà kính

Chương 2 trình bày chi tiết các nguyên lý sinh lý học thực vật liên quan đến 3 yếu tố môi trường cốt lõi: nhiệt độ, độ ẩm và cường độ ánh sáng. Tác giả tổng hợp các bảng số liệu về ngưỡng nhiệt độ giới hạn cho từng nhóm cây trồng nông nghiệp theo công thức của Mac-côp (1957). Chương này cũng phân tích các giải pháp kỹ thuật điều tiết vi khí hậu trong thực tế, bao gồm: phương pháp sử dụng quạt hút kết hợp lưới thông gió, phương pháp sưởi ấm (lò sưởi, điện trở nhiệt), phương pháp phun sương tạo ẩm làm mát và phương pháp sử dụng màn kéo che sáng để điều chỉnh chu kỳ quang hợp.

Chương 3: Tổng quan về đối tượng áp dụng trong mô hình nhà kính

Chương 3 tập trung phân tích đặc tính sinh trưởng và các tiêu chuẩn kỹ thuật nhà kính dành cho cây nấm (cụ thể là nấm rơm trồng trong nhà). Tác giả làm rõ các yêu cầu về:

• Cấu trúc nhà kính trồng nấm: kết cấu mái tôn có lỗ thông khí, lưới chắn côn trùng, ứng dụng kỹ thuật ủ rơm và rải meo theo công nghệ compost nhằm tiết kiệm chi phí và hạn chế dịch bệnh.
• Các thông số vi khí hậu tiêu chuẩn: dải nhiệt độ tối ưu ($15 - 25^\circ\text{C}$), chế độ duy trì độ ẩm không khí bằng hệ thống phun sương để chống mất nước ở tơ nấm, và cơ chế vận hành màn kéo che sáng nhằm ngăn ngừa ánh sáng trực xạ cường độ cao làm hỏng cấu trúc tơ nấm.

Chương 4: Tính toán lựa chọn các linh kiện, thiết bị và thiết kế phần cứng

Chương 4 là nội dung trọng tâm về thiết kế kỹ thuật, trình bày sơ đồ khối hệ thống, sơ đồ nguyên lý mạch điện và bảng gán chân chi tiết giữa vi xử lý ESP32 với các khối chức năng. Tác giả phân tích thông số kỹ thuật, ưu nhược điểm và căn cứ tính chọn cho từng linh kiện:

• Kit thu phát ESP32 Lolin32 tích hợp OLED.
• Cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số DS18B20 chống nước.
• Cảm biến mưa SN-RAIN-MOD dùng IC LM358.
• Cảm biến độ ẩm đất OEM dùng IC LM393.
• Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750 ($1 - 65535\text{ lux}$).
• Động cơ DC giảm tốc $6\text{V}$ điều khiển qua mạch cầu H 4 transistor.
• Động cơ bơm nước Water Pump P385 $12\text{VDC}$ kết hợp Module Relay cách ly quang.
• Nền tảng cơ sở dữ liệu đám mây Google Firebase và khung lập trình Web/App (React, ElectronJS, Ionic).

Chương 5: Lưu đồ thuật toán và chương trình điều khiển giám sát

Chương 5 trình bày toàn bộ giải thuật điều khiển của hệ thống thông qua các lưu đồ thuật toán chi tiết: thuật toán khởi tạo và kết nối Wi-Fi/Firebase, thuật toán đọc và lọc dữ liệu cảm biến, thuật toán xử lý logic điều khiển tự động và chuyển mạch chế độ thủ công. Tác giả mô tả cấu trúc mã nguồn nạp cho ESP32, cấu trúc chương trình Web/Desktop App và quy trình thử nghiệm thực tế trên mô hình phần cứng: kiểm tra khả năng cập nhật dữ liệu cảm biến lên giao diện theo thời gian thực, thử nghiệm đóng mở mái che qua Web/App, thử nghiệm kích hoạt máy bơm nước và đèn sưởi, cũng như kiểm tra tính năng truy vấn trạng thái qua Chatbot tự động.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả nghiên cứu chính

• Xây dựng hoàn chỉnh mô hình phần cứng: Chế tạo thành công mô hình nhà kính thu nhỏ tích hợp đầy đủ bộ điều khiển trung tâm ESP32, mạch hiển thị OLED SSD1306, hệ thống 4 module cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm đất, mưa, ánh sáng) và 3 cơ cấu chấp hành (động cơ DC kéo mái vòm, bơm nước mini P385, đèn sợi đốt tạo nhiệt).
• Phát triển hệ thống phần mềm đa nền tảng: Xây dựng thành công giao diện Web (React/Ionic) và Desk App (ElectronJS/Ionic) cho phép giám sát thông số môi trường liên tục và gửi lệnh điều khiển 2 chiều qua Firebase Realtime Database.
• Tích hợp kênh tương tác thông minh: Triển khai tính năng theo dõi thông tin và nhận thông báo cảnh báo thông qua Chatbot tự động.
• Thử nghiệm vận hành ổn định: Mô hình thực nghiệm đã đáp ứng chính xác các kịch bản điều khiển tự động theo ngưỡng cài đặt và phản hồi tức thời đối với các thao tác điều khiển thủ công từ xa qua mạng Internet.

Đóng góp kỹ thuật

So với các nghiên cứu tiền đề được trích dẫn trong văn bản (như hệ thống của Đào Xuân Quy năm 2016-2017 còn dùng vi điều khiển STM32/ESP8266 rời rạc hoặc giải pháp thương mại của Phạm Hồng Sơn năm 2020 có chi phí cao 13–15 triệu đồng), đề tài đã:

1. Tối ưu hóa kiến trúc phần cứng bằng việc sử dụng vi điều khiển tích hợp ESP32 Lolin32 (tích hợp sẵn Wi-Fi, BLE, OLED), giúp giảm kích thước mạch, giảm độ phức tạp khi kết nối và hạ giá thành linh kiện.
2. Thiết lập hệ thống giám sát đồng bộ cả trên nền tảng Web, Desktop App và Chatbot thông qua nền tảng đám mây Firebase, giúp người dùng linh hoạt quản trị từ nhiều loại thiết bị đầu cuối mà không cần cấu hình mạng phức tạp.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

• Nghiên cứu mới dừng lại ở việc kiểm chứng giải pháp trên mô hình thực nghiệm quy mô nhỏ, sử dụng các cơ cấu chấp hành công suất thấp (động cơ DC $6\text{V}$, máy bơm mini P385 $12\text{V}$, đèn sợi đốt thay cho lò sưởi công nghiệp).
• Chưa tiến hành thử nghiệm nuôi trồng cây nấm trên chu kỳ sinh trưởng thực tế kéo dài tại các trang trại để đánh giá đầy đủ tác động sinh học và chỉ số suy hao linh kiện trong môi trường độ ẩm cao.

Hướng phát triển tiếp theo

• Nâng cấp phần cứng với các thiết bị đóng cắt và cơ cấu chấp hành công nghiệp (động cơ kéo rèm công suất lớn, van điện từ, hệ thống phun sương áp lực cao, quạt hút công nghiệp).
• Mở rộng quy mô mạng cảm biến, nghiên cứu tích hợp thêm các cảm biến nồng độ khí $\text{CO}_2$, cảm biến đo độ pH đất/nước tưới và cảm biến đo tốc độ gió.
• Hoàn thiện thuật toán điều khiển thích nghi, bổ sung giải thuật học máy hoặc tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ cho các hệ thống nhà kính diện tích lớn.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành: Tự động hóa công nghiệp, Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Công nghệ kỹ thuật IoT và Nông nghiệp công nghệ cao.

Các nội dung có giá trị tham khảo cụ thể gồm:

• Thiết kế sơ đồ nguyên lý kết nối vi điều khiển ESP32 với các chuẩn giao tiếp công nghiệp cơ bản (I2C, OneWire, ngõ vào/ra số và tương tự ADC).
• Kỹ thuật điều khiển động cơ DC quay 2 chiều bằng mạch cầu H kết hợp tín hiệu giới hạn vị trí từ công tắc hành trình.
• Phương pháp xây dựng ứng dụng giám sát điều khiển IoT thời gian thực kết nối Google Firebase bằng React, ElectronJS và Ionic Framework.
• Tài liệu tổng hợp về các thông số môi trường sinh trưởng tiêu chuẩn của cây rau và kỹ thuật xây dựng nhà kính trồng nấm rơm công nghệ compost.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Vi điều khiển trung tâm và các module cảm biến được sử dụng trong đồ án là loại nào?

Hệ thống sử dụng Kit vi điều khiển ESP32 Lolin32 tích hợp màn hình OLED 0.96 inch (IC trung tâm ESP-WROOM-32, chip nạp CP2102). Hệ thống cảm biến gồm có: cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số DS18B20 (chuẩn OneWire), cảm biến mưa SN-RAIN-MOD (IC LM358), cảm biến độ ẩm đất OEM (IC LM393) và cảm biến cường độ ánh sáng BH1750 (chuẩn I2C, dải đo $1 - 65535\text{ lux}$).

2. Các cơ cấu chấp hành trong mô hình nhà kính được điều khiển như thế nào?

Động cơ DC giảm tốc $6\text{V}$ (tỉ số truyền $1:48$) dùng để kéo mái che được điều khiển quay thuận/nghịch thông qua mạch cầu H 4 phần tử chuyển mạch và tín hiệu xung PWM ENA. Động cơ bơm nước Water Pump P385 ($12\text{VDC}$, dòng $0.7\text{A}$, lưu lượng $1 - 2\text{ L/phút}$) được đóng ngắt thông qua module Relay có Opto cách ly quang nuôi bằng nguồn $5\text{VDC}$. Đèn sợi đốt mô phỏng lò sưởi được điều khiển mức công suất bằng tín hiệu PWM.

3. Công thức tính nhiệt độ thích hợp cho cây rau được tác giả trích dẫn là gì?

Tác giả trích dẫn công thức của Mac-côp (1957): $T = t \pm 7^\circ\text{C}$, trong đó $T$ là nhiệt độ thích hợp nhất cho sự sinh trưởng của rau và $t$ là nhiệt độ thích hợp cho cây sinh trưởng trong ngày râm. Môi trường $t + 7^\circ\text{C}$ là nhiệt độ thích hợp cho cây sinh trưởng vào ban đêm và giai đoạn cây vừa nảy mầm mọc khỏi mặt đất.

4. Nền tảng và công nghệ nào được sử dụng để phát triển phần mềm giám sát Web và App?

Hệ thống sử dụng cơ sở dữ liệu đám mây Google Firebase (CSDL NoSQL Realtime Database) kết nối với ESP32 qua giao thức bảo mật SSL. Giao diện Web được phát triển bằng React kết hợp Ionic Framework. Giao diện Desktop App được xây dựng bằng ElectronJS và Ionic Framework. Hệ thống cũng tích hợp Chatbot tự động để tra cứu dữ liệu và nhận thông báo.

5. Đối tượng nông nghiệp cụ thể được lựa chọn để thiết lập thông số trong đồ án là gì?

Đối tượng được lựa chọn áp dụng trong mô hình là cây nấm (nấm rơm trồng trong nhà). Nhà kính trồng nấm yêu cầu duy trì nhiệt độ trong khoảng $15 - 25^\circ\text{C}$, độ ẩm không khí cao được cấp ẩm liên tục bằng phương pháp phun sương để tránh làm khô gãy tơ nấm, ánh sáng tán xạ vừa phải được điều tiết bằng động cơ kéo màn che sáng, kết hợp công nghệ ủ rơm compost.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Hệ thống quản lý và giám sát vườn thông minh" của sinh viên Nguyễn Lưu Thường đã giải quyết trọn vẹn bài toán thiết kế hệ thống IoT ứng dụng trong nông nghiệp công nghệ cao. Tác giả đã hoàn thành việc chế tạo mô hình phần cứng sử dụng vi điều khiển ESP32, tích hợp đầy đủ mạng cảm biến vi khí hậu và các cơ cấu chấp hành điều khiển mái che, tưới nước, sưởi nhiệt. Hệ thống phần mềm đa nền tảng gồm Web App, Desktop App (Ionic, React, ElectronJS) và Chatbot kết nối cơ sở dữ liệu Firebase Realtime hoạt động ổn định ở cả hai chế độ tự động và thủ công. Đây là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thực tiễn cao cho sinh viên ngành Tự động hóa và Điện tử viễn thông trong hướng nghiên cứu nông nghiệp thông minh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1 Như vậy, thông qua các nghiên cứu nói trên, ở những mức độ khác nhau, giúp có một số tài liệu và kiến thức cần thiết để có thể hình thành những hiểu biết chung, giúp tiếp cận đề tài nhanh hơn. Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ hiện nay đã đóng góp tích cực vào sự phát triển của nền nông nghiệp nói chung và ngành trồng trọt nói riêng của quốc gia. Tuy nhiên, vấn đề cần quan tâm hiện nay là chúng ta phải xây dựng một mô hình nhà kính thông minh quy mô lớn với giá thành hợp lý cho hầu hết các nông trại kể cả quy mô nhỏ và vừa, có thể tiếp cận với công nghệ hiện đại nhằm giám sát và điều khiển từ xa các thông số môi trường ảnh hưởng đến cây trồng một cách tối ưu, từ đó mang lại lợi nhuận cao. Từ đó, hình thành ý tưởng để thực hiện đề tài thiết mô hình nhà kính thông minh kế thừa tinh hoa của các đề tài nghiên cứu đi trước, phát triển một số điểm mới nhằm phục vụ hầu hết mô hình nhà kính với nhiều loại cây nông nghiệp.

Mô hình thiết kế dạng thực nghiệm trên mô hình nhỏ nhằm mô phỏng giám sát cho nhà kính ngoài thực tế. Các giá trị nhiệt độ, độ ẩm đất, cường độ ánh sáng, trạng thái mưa sẽ được điều khiển và giám sát trên web và app. Chủ nhà kính có thể giám sát điều khiển ở bất cứ lúc nào và ở đâu. 8 CHƯƠNG 2: ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ MÔI TRƯỜNG TỚI SINH TRƯỞNG CỦA CÂY VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÁC YẾU TỐ MÔI TRƯỜNG TRONG NHÀ KÍNH Sinh trưởng của cây trồng bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố môi trường như ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm, cường độ ánh sáng, nước, dinh dưỡng.

Trong nhà kính, các yếu tố này có thể được kiểm soát chính xác để tối ưu hóa sự phát triển của cây. Nhiệt độ ảnh hưởng tới quá trình sinh trưởng và phát triển của cây Mỗi loại rau, hoa đều yêu cầu một giới hạn nhiệt độ để sinh trưởng và phát triển. Hiệu suất quang hợp của hầu hết các loại rau đều dừng lại ở nhiệt độ 30°C. Một số loại rau thực hiện quang hợp có hiệu quả ở 12 – 24°C, trong khi đó một số khác quang hợp tốt ở nhiệt độ 18 – 24°C.

Ở nhiệt độ thích hợp đồng thời được cung cấp đầy đủ nước và dinh dưỡng thì cây có thể phát triển nhanh nhất. Nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp đều làm cho cây dừng sinh trưởng và có thể bị chết ở nhiệt độ thấp (0°C) và nhiệt độ cao (40°C). Mỗi loài rau, hoa đều gặp phải ba ngưỡng nhiệt độ gồm nhiệt độ thích hợp, nhiệt độ thấp nhất và nhiệt độ cao nhất. Trong quá trình nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ với cây rau, Mac-côp (1957) đã đưa ra công thức: T = t ± 7°C (1).

Trong đó: • T – Nhiệt độ thích hợp nhất cho sự sinh trưởng của các loại rau. • t – Nhiệt độ thích hợp cho các loại rau sinh trưởng trong ngày râm. • Theo Mac-côp (1957), nhiệt độ thích hợp cho một số loại rau sinh trưởng trong những ngày râm như sau: • Dưa hấu, bí ngô, bí xanh, dưa bở, mướp: 25°C • Dưa chuột, cà chua, ớt, cà, đậu côve, bầu: 22°C • Hành tây, kiệu, tỏi, cần: 19°C • Khoai tây, đậu Hà Lan, xà lách, cà rốt, cần tây: 16°C 9 • Cải bắp, cải củ, cải dầu: 13°C Ở môi trường (t + 7°C) là nhiệt độ thích hợp cho cây sinh trưởng về ban đêm và cây vừa mọc khỏi mặt đất. Yêu cầu của rau đối với nhiệt độ luôn thay đổi theo yếu tố môi trường như ánh sáng, độ ẩm, nồng độ CO2 trong không khí, chất dinh dưỡng trong đất va các điều kiện khác.

Nếu nhiệt độ quá cao ta phải hạ nhiệt độ xuống bằng cách phun ẩm (khi phun ẩm, nhiệt độ tại mặt lá của cây trồng có thể giảm nhiệt độ từ 6 – 8°C). Yêu cầu của cây rau đối với nhiệt độ luôn thay đổi tùy theo từng thời kỳ sinh trưởng và phát triển [4].1 Bảng nhiệt độ thích hợp cho 1 số loại cây trồng nông nghiệp Cây trồng Nhiệt độ Nhiệt độ cao Nhiệt độ cao thấp nhất(°C) tối ưu(°C) nhấp(°C) - Dưa hấu 15 35 35 - Thanh long 20 35 37 - Bí 15 32 35 - Ớt - Cải thìa 25 27 - 30 32 - Lúa mạch đen 20 21 - 28 30 10 28 38 2. Độ ẩm ảnh hưởng tới quá trình sinh trưởng và phát triển của cây Độ ẩm của đất là lượng nước được giữ trong khoảng không giữa các hạt đất. Độ ẩm trong đất đóng vai trò rất quan trọng.

Độ ẩm quá thấp hoặc quá cao đều ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng. Độ ẩm thích hợp cho các loại cây trồng dao động trong khoảng từ 60% – 70%. Độ ẩm đất có tác động rất lớn đến đất. Độ ẩm ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình sản xuất năng lượng (cacbonhydrat) ở rễ, ảnh hưởng đến sự phát triển của rễ, ảnh 10 hưởng đến sự hấp thu dinh dưỡng của cây, ảnh dưởng đến vi sinh vật và ảnh hưởng đến cả lượng không khí trong đất.

Một số ảnh hưởng tới cây khi không có độ ẩm đất thích hợp: - Ảnh hưởng đến quá trình sản xuất carbohydrate - Ảnh hưởng đến rễ cây - Ảnh hưởng đến sự hấp thu dinh dưỡng - Ảnh hưởng đến vi sinh vật trong đất - Ảnh hưởng đến không khí trong đất 2.1 Ảnh hưởng độ ẩm đất với cây trồng nông nghiệp 3. Cường độ ánh sáng ảnh hưởng tới quá trình sinh trưởng của cây Ánh sáng đóng vai trò rất quan trọng đối với sự tăng trưởng và phát triển của cây, không chỉ trong quá trình quang hợp mà còn ở nhiều khía cạnh khác. Dưới đây là một số cách mà ánh sáng ảnh hưởng đến tăng trưởng của thực vật: 1. Quang hợp và sinh sản: Ánh sáng là nguồn năng lượng cần thiết cho quá trình quang hợp, trong đó cây sử dụng năng lượng ánh sáng để tổng hợp các chất dinh dưỡng từ khí CO2 và nước, tạo thành carbohydrate và oxy.

Đây là quá trình cơ bản cung cấp năng lượng cho sự sống và phát triển của cây. Điều chỉnh sinh lý và sinh sản: Ánh sáng cũng điều chỉnh quá trình sinh lý của cây, bao gồm quản lý sự phát triển của mầm, cành, lá, hoa và quả. Ánh sáng có thể ảnh hưởng đến quá trình chuyển hóa hormone sinh trưởng của cây, ví dụ như hormone auxin và gibberellin, điều này quyết định sự mở rộng của các mô và tế bào của cây. Phát triển cấu trúc cây: Cường độ ánh sáng và thời gian chiếu sáng có thể ảnh hưởng đến cấu trúc và hình dạng của cây.

Ví dụ, cây có thể phát triển chiều cao nhanh hơn khi được chiếu sáng mạnh hơn, và có thể mọc về một hướng nhất định để tối đa hóa lợi ích từ nguồn sáng. Phản ứng sự khác biệt theo môi trường ánh sáng: Cây có thể phản ứng theo nhiều cách khác nhau với cường độ và thời gian ánh sáng. Ví dụ, một số cây có thể chuyển màu lá vào mùa thu để giảm lượng ánh sáng hấp thu và tiết kiệm năng lượng, trong khi các cây khác có thể phát triển tốt hơn trong môi trường ánh sáng mạnh. Đáp ứng sinh học với ánh sáng: Cây có thể có các cơ chế sinh học để phản ứng với thay đổi trong ánh sáng.

Ví dụ, một số loài cây có thể đóng cửa các loại rơm xung quanh lá để giảm thiểu mất nước trong những thời điểm ánh sáng mạnh. Cây trồng vô tính thường cần ít ánh sáng hơn trong giai đoạn sinh sản, ra hoa và đậu quả so với giai đoạn tăng trưởng và phát triển. Điều này phụ thuộc vào cơ chế sinh học của cây và yêu cầu năng lượng khác nhau trong từng giai đoạn của chu kỳ phát triển. Trong một số trường hợp, cây nhà kính có thể được điều chỉnh để vào giai đoạn sinh sản vào thời điểm năm khi ngày ngắn hơn và ánh sáng tự nhiên giảm đi.

Điều này có thể đạt được bằng cách điều khiển thời gian chiếu sáng hoặc cung cấp ánh sáng nhân tạo vào môi trường trồng trọt. Việc giảm ánh sáng tự nhiên hoặc điều chỉnh thời gian chiếu sáng có thể kích thích cây vào giai đoạn sinh sản bằng cách tạo ra điều kiện môi trường tương tự như mùa thu đến đông. Điều này có thể đặc biệt quan trọng đối với các loại cây cần sự thay đổi ánh sáng để kích thích quá trình sinh sản và phát triển sinh học. Tóm lại, điều chỉnh ánh sáng là một trong những chiến lược quan trọng trong trồng trọt nhà kính để đáp ứng các yêu cầu sinh học và tối ưu hóa sản lượng cây trồng.1 Cường độ ánh sáng ảnh hưởng tới quá trình phát triển của cây 4.

Các phương pháp điều khiển nhiệt độ nhà kính 1. Sử dụng quạt và lưới thông gió Trong nhà kính, việc điều chỉnh nhiệt độ là rất quan trọng để đảm bảo cây trồng phát triển mạnh mẽ. Hệ thống lỗ thông hơi và quạt được sử dụng để kiểm soát lưu thông không khí: lỗ thông hơi để thoát khí nóng và quạt để cung cấp không khí mát từ bên ngoài vào. Nếu cần, hệ thống sưởi sẽ cung cấp nhiệt độ cho nhà kính vào những ngày lạnh.

Kết hợp các công nghệ này giúp duy trì môi trường lý tưởng cho cây trồng, tối ưu hóa sản xuất nông nghiệp trong các điều kiện khí hậu khác nhau. Lỗ thông hơi thụ động và quạt hút đều có vai trò trong việc vận hành lưu thông không khí trong nhà kính. Lỗ thông hơi thụ động, mặc dù chi phí thấp hơn so với hệ thống tự động, yêu cầu sự can thiệp thường xuyên để kiểm tra và điều chỉnh. Bạn cần kiểm tra và điều chỉnh lỗ thông hơi ít nhất hai lần một ngày, mở hoặc đóng chúng để điều tiết lượng không khí trong nhà kính.

Ngược lại, hệ thống thông gió tự động tuy có chi phí đầu tư cao hơn, nhưng lại tiết kiệm thời gian và giảm bớt nguy cơ của việc quá nóng hoặc quá mát trong nhà kính. Hệ thống này có thể tự động điều chỉnh lưu lượng không khí dựa trên cảm biến nhiệt độ và độ ẩm, giúp duy trì môi trường lý tưởng cho cây trồng mà không cần can thiệp thủ công thường xuyên. 13 Việc lựa chọn giữa lỗ thông hơi thụ động và hệ thống thông gió tự động phụ thuộc vào nhu cầu cụ thể của từng nhà kính và khả năng tài chính.