ĐẶT VẤN ĐỀ Ngành nông nghiệp đang trải qua sự phát triển mạnh mẽ nhờ sự góp mặt của các công nghệ hiện đại. Việc áp dụng công nghệ vào nông nghiệp không chỉ giúp tăng thêm năng suất và chất lượng sản phẩm mà còn giảm thiểu các tác động xấu tới môi trường. Một trong những ứng dụng nổi bật của công nghệ trong nông nghiệp là hệ thống trồng trọt trong nhà kính kết hợp với Internet of Things (IoT). Dâu tây là một mặt hàng có giá trị kinh tế cao và có nhu cầu tiêu thụ cao.
Tuy nhiên, việc trồng dâu tây không hề đơn giản vì nó đòi hỏi các điều kiện môi trường mà ở nước ta chỉ một vài địa phương đáp ứng được điều kiện môi trường thích hợp có thể canh tác. Chính vì vậy, để có thể tăng cao năng suất của loại cây này và mở rộng môi trường trồng trọt chúng ta cần ứng dụng công nghệ tiên tiến vào canh tác dâu tây. Trong bối cảnh đó, dự án “Thiết kế và thi công hệ thống trồng dâu tây thủy canh trong nhà kính ứng dụng IoT” được thực hiện với mục tiêu tạo ra một mô hình trồng dâu tây hiệu quả, thông minh và ứng dụng các tiến bộ công nghệ hiện đại. Hệ thống này cho phép giám sát và kiểm soát từ xa các điều kiện môi trường, tự động hóa quá trình cung cấp nước và cung cấp chất dinh dưỡng, cũng như thu thập dữ liệu để phân tích và tối ưu hóa quá trình phát triển.
MỤC TIÊU ĐỀ TÀI Hệ thống này ứng dụng vào nhằm mục đích xây dựng hệ thống IoT phục vụ việc trồng cây dâu tây giúp người dùng có thể theo dõi và điều chỉnh môi trường sống cho cây dâu tây một cách hiệu quả, đồng thời cung cấp khả năng giám sát và điều khiển ngay tại hệ thống và từ xa qua mạng internet. 1 Hệ thống xây dựng phần cứng thu thập các số liệu về nhiệt độ, độ ẩm môi trường, nồng độ chất dinh dưỡng, nồng độ pH, mực nước trồng cây, mực dung dịch dinh dưỡng, mực dung dịch tăng/giảm nồng độ pH, cường độ ánh sáng. Phần cứng bao gồm các cảm biến cùng với bàn phím để chọn chế độ hoạt động và các thiết bị. Người sử dụng có khả năng theo dõi các dữ liệu từ cảm biến, theo dõi trạng thái các thiết bị, điều khiển hoạt động các thiết bị, điều chỉnh các ngưỡng giá trị trên giao diện website của hệ thống.
TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước Việc nghiên cứu về công nghệ IoT và ứng dụng chúng vào nông nghiệp ở nước ta đang ngày càng phát triển. Một số dự án và nghiên cứu liên quan đến việc xây dựng hệ thống nhà kính trồng dâu tây thủy canh ứng dụng IoT bao gồm: Ứng dụng IoT trong canh tác cây dâu tây, cà chua tại Đà Lạt: Tại Đà Lạt, đã triển khai mô hình “Ứng dụng IoT trong việc tưới nước và châm phân tự động điều khiển qua điện thoại dựa trên cảm biến và phần mềm phân tích trên cây dâu tây và cà chua trồng trên giá thể trong nhà kính”. Hệ thống này giúp tiết kiệm lượng phân, nước và cung cấp thông tin liên tục cho người quản lý vườn. Tại hội nghị quốc tế về phân tích và tính toán nâng cao (ACOMPA) năm 2023, đề tài “Thiết kế hệ thống nhà màng thông minh và xây dựng phần mềm quản lý trang trại dưa để phát triển nông nghiệp công nghệ cao” của các tác giả Quang-Hung Nguyen, Hoành-Sữ Lê và Trần Duy Thanh đã đưa ra nghiên cứu và xây dựng mô hình màng thông minh và các công cụ quản lý trang trại trồng dưa.
Hệ thống hỗ trợ quản lý được triển khai qua website và ứng dụng di động, giúp nông dân Việt Nam quản lý cây trồng hiệu quả hơn [2]. Đề tài “Thiết kế hệ thống nông nghiệp xanh sử dụng Internet vạn vật và kỹ thuật xử lý hình ảnh” của các tác giả Hà Anh Minh Trần, Hà Quang Thịnh Ngô, Thanh Phương Nguyễn và Hùng Nguyên đã đưa ra nghiên cứu và xây dựng 2 mô hình trồng cây tự động và giám sát từ xa. Hệ thống này sử dụng công nghệ Internet of Things (IoT) và xử lý hình ảnh để cải thiện quy trình canh tác. Các thông số hệ thống được cập nhật thường xuyên và lưu trữ trên đám mây.
Bên cạnh đó, các đồn điền được giám sát liên tục bằng camera kỹ thuật số, và hình ảnh thu thập được sẽ được phân tích bởi PC chủ để dự đoán quá trình phát triển cây trồng. Hệ thống này giúp nông dân ước tính thời gian thu hoạch tốt nhất và đảm bảo sản xuất hàng loạt lương thực một cách hiệu quả [3].2 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài Ở nước ngoài, IoT đã trở thành một phần quan trọng trong lĩnh vực nông nghiệp. Các quốc gia phát triển đã đi đầu trong việc áp dụng công nghệ này để tạo ra các hệ thống trồng trọt thông minh và tự động. Các dự án nghiên cứu tập trung vào việc phát triển các giải pháp thông minh để quản lý nước, phân bón và chăm sóc cây trồng.
Các nghiên cứu và dự án thực tiễn đã cho thấy rằng IoT đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất của ngành nông nghiệp trên toàn cầu. Ấn Độ là một đất nước mà có hơn 70% dân số phụ thuộc vào nông nghiệp, giải pháp duy nhất để cải thiện sự phát triển của đất nước này là áp dụng nông nghiệp thông minh, hiện đại hóa các kỹ thuật canh tác. Công nghệ IoT đã mang lại nhiều lợi ích cho nông nghiệp của nước này ví dụ như nhiều cảm biến IoT khác nhau có thể được sử dụng để theo dõi các yếu tố quan trọng quyết định năng suất. Tại đây, nhà kính thông minh, tích hợp hệ thống thủy canh và aquaponic vi mô, là một ví dụ tiêu biểu của Internet of Things (IoT).
Những nhà kính này giám sát và điều chỉnh các yếu tố phân bón, từ đó cải thiện sự phát triển, năng suất cây trồng [4]. NỘI DUNG THỰC HIỆN Đề tài đã thực hiện với các nội dung sau: • Nghiên cứu đặc tính của cây dâu tây và tính cấp thiết của việc ứng dụng IoT vào việc trồng cây dâu tây bằng phương pháp thủy canh trong nhà kính. 3 • Nghiên cứu và đưa ra các yêu cầu về tính năng và kỹ thuật của hệ thống. • Tìm hiểu tính năng và nguyên lý hoạt động của vi xử lý và các thiết bị ngoại vi.
• Thiết kế, xây dựng mô hình và lập trình giao diện website điều khiển của hệ thống. • Tiến hành thực nghiệm và đánh giá kết quả dựa trên yêu cầu hệ thống. BỐ CỤC BÀI BÁO CÁO Toàn bộ báo cáo được trình bày trong 5 chương: Chương 1 Giới thiệu: Giới thiệu tổng quan đề tài đồ án và mục tiêu đề tài. Trình bày về tình hình nghiên cứu và các nội dung sẽ thực hiện.
Chương 2 Cơ sở lý thuyết: Giới thiệu các lý thuyết căn bản bao gồm giới thiệu về công nghệ IoT, các chuẩn giao tiếp được sử dụng, cơ sở dữ liệu và phần mềm hỗ trợ lập trình. Chương 3 Thiết kế hệ thống: Thiết kế chi tiết hệ thống, gồm yêu cầu tính năng hệ thống, yêu cầu kỹ thuật, thiết kế phần cứng và phần mềm. Chương 4 Kết quả: Đưa ra các kết quả quá trình thực hiện dự án và kết quả hoạt động thực nghiệm theo từng chức năng đề ra. Chương 5 Kết luận và hướng phát triển: Tổng kết lại kết quả sau khi thực hiện đề tài, đánh giá kết quả đề tài và đưa ra những hướng cải thiên và phát triển cho sau này.
4 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 CÔNG NGHỆ IOT 2.1 Giới thiệu công nghệ IoT Internet Of Thing (IoT) đại diện cho bước tiến mạnh mẽ trong quá trình hiện đại hóa thế giới công nghệ. Công nghệ IoT tạo ra một mạng lưới kết nối giữa các đối tượng được kết nối internet nhằm mục đích dễ dàng và tiện lợi kết nối, trao đổi dữ liệu qua mạng internet. Tưởng tượng rằng mỗi thiết bị, từ chiếc điện thoại thông minh đến máy giặt, tivi hay cả chiếc xe của bạn, đều có thể trò chuyện với nhau và với internet. Chúng có thể chia sẻ thông tin, nhận lệnh, và thậm chí tự động hoạt động để giúp bạn cuộc sống trở nên thuận tiện hơn và hiệu quả hơn.
Nhờ vào IoT, không còn có giới hạn trong việc nối kết và truy cập thông tin giữa mọi thứ với nhau. Nó giúp mở ra một thế giới mới, nơi mọi thứ từ nhà ở đến công việc đều có thể được kết nối và điều khiển thông qua một mạng lưới thông minh và linh hoạt. Ứng dụng của IoT Một số ứng dụng phổ biến của công nghệ IoT hiện nay đang có: • Nhà Thông Minh: Bạn có thể kiểm soát đèn, rèm cửa, máy lạnh và các thiết bị gia dụng khác từ xa thông qua điện thoại di động của mình. Bạn có thể nhận được các cảnh báo an ninh, các cảnh báo cháy, khí gas kịp thời.
• Quản Lý Hạ Tầng: Trong lĩnh vực quản lý hạ tầng, IoT giúp theo dõi và kiểm soát các hệ thống như trang trại, cảng biển.Nhờ vào việc tự động hóa và giám sát từ xa, ta có thể đảm bảo hoạt động diễn ra an toàn và hiệu quả. 5 • Y Tế: Trong lĩnh vực y tế, người ta sử dụng các thiết bị IoT giúp theo dõi sức khỏe và cung cấp thông tin về tình trạng sức khỏe của bệnh nhân. Điều này giúp cải thiện quản lý bệnh nhân và tiện lợi cho người dùng. • Nông Nghiệp: Trong nông nghiệp, công nghệ IoT được dùng rộng rãi và phổ biến, chủ yếu để giám sát môi trường, điều khiển từ xa và tự động hóa quá trình sản xuất.
Nhờ vào việc tự động hóa quy trình và thu thập dữ liệu, ta có thể tối ưu hóa năng suất và giảm lãng phí.3 Ứng dụng IoT trong nông nghiệp Nông nghiệp hiện đại khác với nông nghiệp truyền thống ở chỗ nó sử dụng các công nghệ hiện đại để tối ưu hóa quá trình sản xuất nông nghiệp. Nó bao gồm việc áp dụng các thiết bị kết nối và công nghệ hiện đại vào trong lĩnh vực nông nghiệp. Trong nông nghiệp thông minh, IoT đóng vai trò quan trọng, giúp giảm bớt nhân công và tăng hiệu suất sản xuất, giúp nông dân theo dõi và điều chỉnh quá trình trồng trọt một cách hiệu quả. Nông nghiệp thông minh dựa trên IoT giúp nâng cao hiệu suất của hệ thống nông nghiệp.
Nhờ vào việc giám sát thời gian thực và kết nối các thiết bị cảm biến, nó giúp tiết kiệm thời gian và tối ưu hóa sử dụng tài nguyên.