Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành nông nghiệp hiện đại đang chứng kiến sự chuyển dịch mạnh mẽ nhờ việc tích hợp các giải pháp công nghệ cao nhằm tối ưu hóa năng suất, nâng cao chất lượng nông sản và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Cây dâu tây là loại cây trồng mang lại giá trị kinh tế cao nhưng đòi hỏi điều kiện khí hậu và thổ nhưỡng khắt khe, vốn chỉ phù hợp canh tác tự nhiên tại một số ít địa phương có khí hậu ôn đới như Đà Lạt. Việc mở rộng phạm vi canh tác giống cây này sang các vùng có khí hậu nhiệt đới nắng nóng như Thành phố Hồ Chí Minh đòi hỏi giải pháp công nghệ nhà kính kết hợp kiểm soát vi khí hậu và dinh dưỡng tự động.

Đề tài "Thiết kế và thi công hệ thống trồng dâu tây thủy canh trong nhà kính ứng dụng IoT" do sinh viên Trần Quang Diệu và Nguyễn Thị Thảo thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Phan Văn Ca tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (tháng 06/2024), tập trung giải quyết bài toán tự động hóa hoàn toàn quy trình canh tác dâu tây chịu nhiệt bằng phương pháp thủy canh hồi lưu.

Mục tiêu nghiên cứu:

  1. Xây dựng mô hình phần cứng nhà kính thủy canh có khả năng tự động thu thập các thông số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, cường độ ánh sáng) và môi trường dung dịch (nồng độ pH, nồng độ chất dinh dưỡng TDS, mực nước và dung dịch dự trữ).
  2. Phát triển hệ thống điều khiển tự động và thủ công nhằm duy trì các ngưỡng sinh trưởng tối ưu cho cây dâu tây giống Hana.
  3. Thiết lập hệ thống giám sát và điều khiển song song: trực tiếp tại mô hình (bàn phím ma trận và màn hình TFT) và từ xa qua mạng Internet (giao diện website kết nối cơ sở dữ liệu thời gian thực).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Giống dâu tây chịu nhiệt Hana (Nhật Bản); kỹ thuật thủy canh hồi lưu; các module cảm biến môi trường/chất lỏng; vi điều khiển Arduino Mega 2560; module truyền thông ESP32; dịch vụ lưu trữ dữ liệu Firebase.
  • Phạm vi không gian: Thực hiện tại Bộ môn Kỹ thuật Máy tính - Viễn thông, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
  • Phạm vi thời gian: Từ ngày 19/02/2024 đến ngày 09/06/2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Nghiên cứu kết hợp cơ sở nông học về canh tác dâu tây thủy canh và kỹ thuật hệ thống nhúng - truyền thông không dây trong kiến trúc IoT:

  • Đặc tính sinh trưởng của giống dâu tây Hana: Cây có khả năng chịu nhiệt tối đa khoảng 40°C, tuy nhiên ngưỡng nhiệt độ tối ưu để đạt năng suất cao là dưới 30°C. Cây cần chu kỳ chiếu sáng từ 8 đến 12 giờ mỗi ngày. Nồng độ pH lý tưởng của dung dịch thủy canh nằm trong khoảng 5.5 – 6.5 để rễ cây hấp thụ dưỡng chất tối ưu. Nồng độ dinh dưỡng (TDS) biến thiên theo giai đoạn phát triển: cây con cần khoảng 450 ppm, định kỳ 7 ngày tăng thêm 100 ppm cho đến khi đạt mức trưởng thành từ 800 – 1000 ppm.
  • Phương pháp thủy canh hồi lưu: Sử dụng bơm để luân chuyển dung dịch dinh dưỡng từ bể chứa qua hệ thống máng rễ và tuần hoàn trở lại bể chứa, giúp tái sử dụng tối đa nước và phân bón.
  • Các giao thức truyền thông:
    • Giao tiếp UART (bất đồng bộ) kết nối giữa Arduino Mega 2560 và ESP32.
    • Giao tiếp SPI (đồng bộ) điều khiển màn hình TFT ST7735.
    • Giao tiếp I2C (đồng bộ 2 dây SDA/SCL) đọc cảm biến ánh sáng BH1750.
    • Chuẩn không dây IEEE 802.11 (Wi-Fi) kết nối module ESP32 với trạm phát sóng.
  • Cơ sở dữ liệu và công cụ phát triển: Firebase Realtime Database (lưu trữ dạng JSON, hỗ trợ đồng bộ thời gian thực và lưu trữ đệm ngoại tuyến); Arduino IDE (lập trình vi điều khiển C/C++); Visual Studio Code (phát triển giao diện website giám sát).
  • Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Thiết kế - chế tạo mạch in PCB; tích hợp module phần cứng vào mô hình; đo đạc thực tế sai số cảm biến so với dụng cụ đo chuyên dụng; kiểm thử thời gian đáp ứng của lệnh điều khiển qua mạng.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa phân tầng, phân tách rõ ràng giữa tầng thu thập/điều khiển cục bộ và tầng truyền thông/giao diện người dùng.

Yêu cầu kỹ thuật và thông số thiết kế

Thông số / Yêu cầu Giá trị tiêu chuẩn thiết kế
Kích thước mô hình 45 × 35 × 35 cm
Nhiệt độ vận hành hệ thống 0 – 40 °C
Công suất tiêu thụ tối đa < 60 W
Thời gian phản hồi điều khiển từ xa < 7 giây
Sai số cảm biến nhiệt độ ±2%
Sai số cảm biến nồng độ pH ±0.1 pH
Sai số cảm biến dinh dưỡng TDS ±10%

Kiến trúc phần cứng

Cấu trúc phần cứng gồm 9 khối chức năng chính:

  1. Khối xử lý trung tâm (MCU): Sử dụng board Arduino Mega 2560 đóng vai trò điều phối chính, tiếp nhận dữ liệu từ toàn bộ cảm biến, quét tín hiệu bàn phím, điều khiển đóng ngắt relay và xuất dữ liệu sang màn hình TFT và ESP32.
  2. Khối truyền thông: Sử dụng kit ESP32 NodeMCU kết nối Wi-Fi, nhận dữ liệu trạng thái từ Arduino qua cổng Serial để đẩy lên Firebase, đồng thời nhận lệnh điều khiển/cài đặt ngưỡng từ Firebase chuyển về Arduino.
  3. Khối cảm biến:
    • Nhiệt độ - độ ẩm không khí: Cảm biến DHT11 (chuẩn Digital 1-wire, dải đo 0–50°C).
    • Cường độ ánh sáng: Module BH1750 (giao tiếp I2C, dải đo 0 – 65535 lux, tích hợp ADC nội).
    • Nồng độ dinh dưỡng: Module TDS Meter V1.0 (đo chất rắn hòa tan 0 – 1000 ppm, xuất điện áp Analog).
    • Độ pH: Kit DFRobot Gravity Analog pH Meter (que đo pH + mạch khuếch đại tín hiệu Analog).
    • Mực chất lỏng: Cảm biến siêu âm HC-SR04 (đo khoảng cách mặt nước 2 – 450 cm, độ chính xác 3 mm) lắp đặt tại các bình chứa.
    • Cảm biến dòng: ACS712 dựa trên hiệu ứng Hall để giám sát dòng tiêu thụ và phát hiện sự cố hỏng hóc tải chấp hành.
  4. Khối hiển thị và nhập liệu tại chỗ: Màn hình màu TFT ST7735 1.8 inch (giao tiếp SPI) kết hợp bàn phím ma trận 4×4 cho phép chuyển đổi giữa 4 trang màn hình giám sát và vận hành thiết bị trực tiếp không cần mạng.
  5. Khối chấp hành: Module relay 8 kênh điều khiển động cơ quạt làm mát, máy bơm áp suất phun sương DP-521, bơm chìm tuần hoàn nước thủy canh, động cơ bơm nhu động (bơm dinh dưỡng, bơm dung dịch tăng/giảm pH) và dàn đèn LED 2835 12V.
  6. Khối nguồn: Cung cấp các mức điện áp 12VDC, 5VDC và 3.3VDC cho toàn bộ hệ thống.
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                                 WEBSITE CLIENT                                    |
+------------------------------------------+----------------------------------------+
                                           | (Internet / REST / WebSockets)
                                           v
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                        FIREBASE REALTIME DATABASE (JSON Tree)                     |
+------------------------------------------+----------------------------------------+
                                           | (Wi-Fi 802.11)
                                           v
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                       KHỐI TRUYỀN THÔNG: ESP32 NODEMCU                            |
+------------------------------------------+----------------------------------------+
                                           | (UART Serial)
                                           v
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                    KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM: ARDUINO MEGA 2560                        |
+--------------------+---------------------+--------------------+-------------------+
| Khối Cảm Biến      | Khối Chấp Hành      | Khối Hiển Thị      | Khối Nhập Liệu    |
| - DHT11 (Temp/Hum) | - Relay 8 Kênh      | - TFT ST7735 1.8"  | - Ma trận phím    |
| - BH1750 (Lux)     | - Quạt làm mát 12V  |   (Chuẩn SPI)      |   4x4             |
| - TDS Meter V1.0   | - Bơm phun sương    |                    |                   |
| - DFRobot pH Kit   | - Bơm hồi lưu nước  |                    |                   |
| - HC-SR04 (Siêu âm)| - Bơm nhu động      |                    |                   |
| - ACS712 (Dòng)    | - Đèn LED 2835 12V  |                    |                   |
+--------------------+---------------------+--------------------+-------------------+

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương này nêu bật tính cấp thiết của việc áp dụng kỹ thuật trồng cây trong nhà kính kết hợp công nghệ IoT đối với các loại cây có giá trị kinh tế cao như dâu tây. Tác giả tổng hợp các nghiên cứu trong nước (như hệ thống tưới châm phân dâu tây tại Đà Lạt, nhà màng thông minh quản lý trang trại dưa của tác giả Quang-Hung Nguyen và cộng sự tại ACOMPA 2023, hệ thống nông nghiệp xanh ứng dụng xử lý ảnh của tác giả Hà Anh Minh Trần và cộng sự) cùng các mô hình nhà kính thủy canh và aquaponic tại Ấn Độ. Từ đó, xác định rõ nhiệm vụ thiết kế, chế tạo một hệ thống khép kín gồm phần cứng nhúng, truyền thông không dây và giao diện điều khiển website.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 phân tích chi tiết các nền tảng lý thuyết và công nghệ sử dụng trong đồ án:

  • Tổng quan về IoT và vai trò của IoT trong chuyển đổi số nông nghiệp.
  • Yêu cầu môi trường sinh trưởng của giống dâu tây Hana: giới hạn nhiệt độ (<30°C), chế độ chiếu sáng (8-12 giờ/ngày), nồng độ pH (5.5 - 6.5) và chỉ số dinh dưỡng (450 - 1000 ppm).
  • Lý thuyết các chuẩn giao tiếp vật lý và giao thức: UART (cấu trúc khung truyền gồm Start bit, Data, Parity bit, Stop bit; tốc độ Baud), SPI (cấu trúc Master-Slave qua các chân SCK, MOSI, MISO, SS/CS), I2C (giao thức đồng bộ 2 dây SDA/SCL, định dạng địa chỉ, bit ACK/NACK), chuẩn không dây Wi-Fi IEEE 802.11n với công nghệ MIMO.
  • Đặc tính cơ sở dữ liệu Firebase Realtime Database và môi trường phát triển (Arduino IDE, Visual Studio Code).

Chương 3: Thiết kế hệ thống

Tập trung vào tính toán và xây dựng chi tiết kiến trúc hệ thống:

  • Xác định bảng yêu cầu tính năng và chỉ tiêu kỹ thuật (sai số, thời gian phản hồi, công suất tiêu thụ).
  • Phân tích và lựa chọn linh kiện thông qua so sánh thông số kỹ thuật: lựa chọn DHT11 thay vì DHT22/BME280 dựa trên sự tối ưu chi phí và độ phức tạp; lựa chọn BH1750 (giao tiếp I2C, dải đo 0-65535 lux) thay vì TEMT6000; chọn HC-SR04 thay vì US-016 nhờ chi phí thấp hơn 50% trong khi vẫn đảm bảo độ chính xác 3 mm; chọn cảm biến dòng ACS712 để giám sát sự cố thiết bị.
  • Xây dựng sơ đồ nguyên lý toàn mạch, sơ đồ mạch in PCB và các lưu đồ thuật toán điều khiển: giải thuật xử lý trung tâm, giải thuật lựa chọn chế độ hoạt động (Tự động / Thủ công), giải thuật điều chỉnh nhiệt độ tự động, tự động bật đèn chiếu sáng bổ sung, tự động bơm dinh dưỡng và cân bằng nồng độ pH, giải thuật truyền thông ESP32 và cơ chế phân quyền bảo mật trên Firebase.

Chương 4: Kết quả và đánh giá

Trình bày kết quả hoàn thiện của hệ thống sau thi công và các dữ liệu kiểm thử thực nghiệm:

  • Lắp ráp hoàn chỉnh mô hình nhà kính kích thước 45×35×35 cm với mạch PCB, hộp điều khiển trung tâm, dàn thủy canh hồi lưu, cụm bình dung dịch và hệ thống chiếu sáng/phun sương.
  • Hoàn thiện giao diện Website gồm trang Đăng nhập/Đăng ký xác thực người dùng, trang Giám sát dữ liệu cảm biến thời gian thực, trang Điều khiển thiết bị thủ công và trang Cài đặt cấu hình ngưỡng vận hành tự động.
  • Dữ liệu đánh giá thực nghiệm: kiểm tra độ chính xác cảm biến pH với dung dịch chuẩn nồng độ 6.0 và 9.0; so sánh cảm biến DHT11 với đồng hồ đo nhiệt độ đối chứng; so sánh cảm biến TDS với bút đo chuyên dụng; ghi nhận biểu đồ thay đổi nhiệt độ không khí theo thời gian khi bật quạt/phun sương; biểu đồ cân bằng pH và nồng độ chất dinh dưỡng; kiểm tra bảng độ trễ điều khiển từ Website qua mạng Wi-Fi.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Đánh giá mức độ hoàn thành so với các mục tiêu kỹ thuật đề ra, khẳng định hệ thống vận hành ổn định ở cả hai chế độ thủ công và tự động, đáp ứng các tiêu chuẩn về sai số và thời gian phản hồi. Đồng thời, tác giả chỉ ra các hạn chế hiện tại của mô hình và đề xuất các phương án mở rộng kỹ thuật trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm

  1. Vận hành phần cứng và giao diện:

    • Hệ thống thi công hoàn chỉnh phần cứng trên mạch in PCB chuyên dụng, lắp đặt gọn gàng trong hộp điều khiển và gắn trên khung mô hình kích thước 45×35×35 cm.
    • Màn hình TFT 1.8 inch hiển thị rõ nét 4 giao diện: thông số môi trường, trạng thái tải chấp hành, mực dung dịch trong bình chứa và màn hình kiểm tra lỗi thiết bị.
    • Website điều khiển hiển thị trực quan thông số, cho phép chuyển đổi linh hoạt giữa chế độ Thủ công (bật/tắt 7 tải chấp hành) và Tự động (thiết lập ngưỡng pH, TDS, nhiệt độ, thời gian chiếu sáng).

  2. Chỉ số kỹ thuật và độ chính xác:

    • Độ chính xác cảm biến: Cảm biến pH DFRobot và cảm biến TDS đáp ứng dải đo với sai số nằm trong giới hạn cho phép (sai số pH quanh mức ±0.1, sai số nhiệt độ dưới ±2°C).
    • Thời gian đáp ứng: Thao tác điều khiển đóng/ngắt thiết bị từ giao diện website gửi qua Firebase tới phần cứng có độ trễ trung bình < 7 giây.
    • Hiệu năng điều hòa vi khí hậu: Khi nhiệt độ môi trường vượt ngưỡng, hệ thống kích hoạt quạt và máy bơm phun sương DP-521 giúp hạ nhiệt độ không khí bên trong mô hình; hệ thống bơm nhu động tự động châm dung dịch axit/bazơ hoặc phân bón đậm đặc để duy trì nồng độ pH (5.5 - 6.5) và dinh dưỡng TDS theo đúng cài đặt.
    • Cảnh báo sự cố: Cảm biến dòng ACS712 nhận diện chính xác các trạng thái ngắt mạch hoặc hỏng hóc tải chấp hành để gửi cảnh báo lên màn hình và website.

Đóng góp của đề tài

  • Tích hợp thành công mô hình trồng dâu tây thủy canh hồi lưu hoàn chỉnh với hệ thống giám sát đa thông số (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, pH, TDS, mực chất lỏng, dòng điện thiết bị) trong một kiến trúc nhúng nhỏ gọn.
  • Xây dựng cơ chế điều khiển kép độc lập: vận hành tại chỗ (bàn phím + màn hình TFT) và vận hành từ xa (Web + Firebase Realtime Database), đảm bảo hệ thống duy trì hoạt động ngay cả khi mất kết nối Internet.
  • Ứng dụng thành công cảm biến dòng Hall ACS712 để giám sát trạng thái thực của các thiết bị chấp hành, giúp phát hiện sớm sự cố hỏng hóc trong hệ thống nông nghiệp tự động.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Mô hình thử nghiệm có kích thước giới hạn (45×35×35 cm), chủ yếu phục vụ mục đích kiểm chứng giải thuật và hoạt động của phần cứng trong điều kiện phòng thí nghiệm.
  • Cảm biến DHT11 có dải đo và độ chính xác ở mức cơ bản, dễ chịu ảnh hưởng bởi độ ẩm cao kéo dài trong môi trường nhà kính.
  • Chưa tích hợp camera quan sát và giải thuật xử lý ảnh/AI để theo dõi trực tiếp hình thái, sâu bệnh và quá trình ra hoa, đậu quả của cây dâu tây.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Nâng cấp các đầu đo cảm biến công nghiệp chuyên dụng có độ bền cao và khả năng chống ăn mòn tốt hơn trong môi trường nước thủy canh.
  • Mở rộng quy mô nhà kính diện tích lớn, áp dụng các giải pháp pin năng lượng mặt trời để tăng cường tính tự chủ về năng lượng.
  • Tích hợp thêm camera giám sát và thuật toán học máy (Machine Learning/AI) trên máy chủ để nhận diện sớm dịch bệnh trên lá và ước tính thời điểm thu hoạch quả dâu tây.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Hệ thống nhúng và IoT, Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Máy tính - Viễn thông: Tham khảo kiến trúc kết nối kết hợp giữa Arduino Mega 2560 (xử lý đa tác vụ ngoại vi, ADC, hiển thị SPI) và ESP32 (truyền thông Wi-Fi, đồng bộ Firebase).
  • Sinh viên và kỹ sư Nông nghiệp công nghệ cao: Tham khảo quy trình tự động hóa các khâu châm phân, cân bằng nồng độ pH, đo TDS và quản lý chu kỳ chiếu sáng cho giống dâu tây chịu nhiệt trong điều kiện khí hậu nhiệt đới.
  • Các phần đáng tham khảo trực tiếp: Sơ đồ nguyên lý kết nối cảm biến (DHT11, BH1750, TDS Meter V1.0, DFRobot pH, HC-SR04, ACS712); giải thuật tự động cân bằng dinh dưỡng và pH; giải pháp thiết kế giao diện Website đồng bộ thời gian thực qua Firebase.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống sử dụng vi điều khiển nào làm trung tâm xử lý và vi điều khiển nào để truyền thông mạng?
Hệ thống sử dụng board Arduino Mega 2560 làm khối xử lý trung tâm (thu thập tín hiệu cảm biến, điều khiển màn hình TFT, bàn phím và relay) và kit ESP32 NodeMCU làm khối truyền thông (kết nối Wi-Fi, gửi/nhận dữ liệu với Firebase Realtime Database qua giao tiếp UART với Arduino).

2. Điều kiện sinh trưởng tiêu chuẩn của giống dâu tây Hana được nhóm tác giả cài đặt là bao nhiêu?
Nhiệt độ tối ưu duy trì dưới 30°C; chu kỳ chiếu sáng bổ sung từ 8 – 12 giờ/ngày; nồng độ pH dung dịch duy trì từ 5.5 – 6.5; nồng độ dinh dưỡng TDS ở giai đoạn cây con là khoảng 450 ppm và tăng dần lên 800 – 1000 ppm ở giai đoạn cây trưởng thành.

3. Làm thế nào hệ thống phát hiện được thiết bị chấp hành (bơm, quạt, đèn) gặp sự cố hỏng hóc?
Hệ thống tích hợp cảm biến dòng điện ACS712 dựa trên hiệu ứng Hall. Cảm biến đo cường độ dòng điện thực tế tiêu thụ của các thiết bị; nếu thiết bị được cấp lệnh bật nhưng không có dòng điện chạy qua hoặc dòng bất thường, hệ thống sẽ phát hiện sự cố và gửi cảnh báo lên màn hình TFT cùng giao diện website.

4. Dữ liệu giữa hệ thống phần cứng và Website được đồng bộ qua cơ sở dữ liệu nào?
Dữ liệu được lưu trữ và đồng bộ thời gian thực thông qua dịch vụ đám mây Firebase Realtime Database của Google dưới cấu trúc cây JSON, hỗ trợ lưu trữ tạm thời trong bộ nhớ đệm (offline buffer) khi mất kết nối mạng.

5. Người dùng có thể điều khiển hệ thống bằng những phương thức nào khi không có mạng Internet?
Khi không có mạng Internet, người dùng có thể chuyển sang chế độ điều khiển tại chỗ bằng cách sử dụng bàn phím ma trận 4×4 và theo dõi các thông số/trạng thái hoạt động trực tiếp trên màn hình màu TFT ST7735 1.8 inch gắn trên hộp điều khiển của mô hình.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công hệ thống trồng dâu tây thủy canh trong nhà kính ứng dụng IoT" của sinh viên Trần Quang Diệu và Nguyễn Thị Thảo đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu thiết kế và chế tạo phần cứng lẫn phần mềm. Hệ thống kiểm soát tốt các yếu tố vi khí hậu (nhiệt độ, ánh sáng) và dung dịch dinh dưỡng (pH, TDS, mực nước) phục vụ sinh trưởng của giống dâu tây Hana. Đây là tài liệu tham khảo có giá trị kỹ thuật thực tiễn cao cho các dự án phát triển mô hình nông nghiệp thông minh và ứng dụng hệ thống nhúng - IoT trong canh tác công nghệ cao.