Đồ án thiết kế và thi công hệ thống tự động giám sát chăm sóc cây trồng tại HCMUTE

Đồ án nghiên cứu hcmute thiết kế và thi công hệ thống tự động giám sát chăm sóc cây trồng, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá tính khả thi dự án.

• Tác giả: Phan Minh Nhựt
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Trường Duy
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Điện Tử Công Nghiệp
• Đề tài: Thiết Kế Và Thi Công Hệ Thống Tự Động Giám Sát Chăm Sóc Cây Trồng
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.2. MỤC TIÊU
• 1.3. GIỚI HẠN
• 1.4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 1.5. BỐ CỤC
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. QUY TRÌNH TRỒNG CÂY RAU MÀU NGẮN NGÀY
• 2.1.1. Đặc tính sinh trưởng của cây rau màu ngắn ngày
• 2.1.2. Ảnh hưởng của đất lên cây trồng
• 2.1.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên cây trồng
• 2.1.4. Ảnh hưởng của độ ẩm lên cây trồng
• 2.1.5. Ảnh hưởng của ánh sáng lên cây trồng
• 2.1.6. Ảnh hưởng của một số yếu tố khác lên cây trồng
• 2.2. Mô tả quy trình chăm sóc và giám sát cây trồng
• 2.3. GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG
• 2.3.1. Tổng quan arduino mega 2560
• 2.3.2. Tổng quan về module Node MCU ESP8266
• 2.3.3. Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11
• 2.3.4. Cảm biến cường độ ánh sáng
• 2.3.5. Cảm biến độ ẩm đất
• 2.3.6. Cảm biến chuyển động PIR
• 2.3.7. Giới thiệu Module L298
• 2.3.8. Giới thiệu bơm áp lực
• 2.3.9. Động cơ giảm tốc
• 2.3.10. Giới thiệu các chuẩn truyền dữ liệu
• 2.4. TỔNG QUAN VỀ IOT
• 2.4.1. Giới thiệu về Iot
• 2.4.2. Sự hình thành của Iot
• 2.4.3. Ứng dụng của IoT trong cuộc sống
• 2.5. TỔNG QUAN VỀ WEB
• 2.5.1. Khái niệm Web
• 2.5.2. Khái niệm Website
• 2.5.3. Khái niệm Webserver
• 2.5.4. Khái niệm database server
• 2.6. TỔNG QUAN HỆ ĐIỀU HÀNH ANDROID
• 2.6.1. Giới thiệu hệ điều hành Android
• 2.6.2. Ưu và nhược điểm hệ điều hành Android
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
• 3.1. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
• 3.1.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
• 3.1.2. Tính toán và thiết kế mạch
• 3.1.3. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
• 4. CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG
• 4.1. THI CÔNG HỆ THỐNG
• 4.2. ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH
• 4.2.1. Đóng gói bộ điều khiển
• 4.2.2. Thi công mô hình
• 4.3. LẬP TRÌNH HỆ THỐNG
• 4.3.1. Giới thiệu về phần mềm lập trình
• 4.3.1.1. Giới thiệu về Arduino IDE
• 4.3.1.2. Phần mềm lập trình cho Android
• 4.3.1.3. Phần mềm lập trình Visual Studio Code
• 4.3.2. Giới thiệu về 000webhost
• 4.4. TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC
• 4.4.1. Tài liệu hướng dẫn sử dụng
• 4.4.2. Qui trình thao tác
• 5. KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ
• 5.1. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
• 5.2. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 5.2.1. Mô hình sản phẩm
• 5.2.2. Kết quả thực nghiệm
• 5.3. NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ
• 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. KẾT LUẬN
• 6.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Hệ thống giám sát cây trồng Thiết kế và triển khai

Đề tài "Thiết kế và thi công hệ thống tự động giám sát chăm sóc cây trồng" tại HCMUTE tập trung vào việc xây dựng một hệ thống giám sát cây trồng thông minh. Hệ thống này tích hợp các cảm biến giám sát cây trồng để thu thập dữ liệu về nhiệt độ, độ ẩm đất, độ ẩm không khí, ánh sáng và các yếu tố môi trường khác. Dữ liệu này được xử lý và hiển thị trên nhiều nền tảng, bao gồm màn hình LCD, website và ứng dụng Android. Việc sử dụng cảm biến giám sát cây trồng cho phép theo dõi liên tục và chính xác các điều kiện sinh trưởng của cây, hỗ trợ người dùng trong việc ra quyết định chăm sóc cây trồng hiệu quả hơn. Hệ thống này thể hiện rõ sự ứng dụng của công nghệ IoT trong nông nghiệp thông minh, góp phần phát triển nông nghiệp bền vững. Giải pháp nông nghiệp thông minh này được thiết kế để tối ưu hóa quá trình chăm sóc cây trồng, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.

1.1 Thu thập và xử lý dữ liệu

Hệ thống sử dụng các cảm biến giám sát cây trồng, bao gồm cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11, cảm biến cường độ ánh sáng, cảm biến độ ẩm đất, và cảm biến chuyển động PIR. Dữ liệu từ các cảm biến giám sát cây trồng được truyền về vi điều khiển Arduino Mega 2560. Arduino Mega 2560 xử lý dữ liệu, sau đó truyền dữ liệu lên nền tảng web và ứng dụng Android qua module ESP8260, sử dụng công nghệ IoT. Việc thu thập dữ liệu cây trồng được thực hiện liên tục và tự động. Dữ liệu được lưu trữ và phân tích dữ liệu cây trồng cho phép người dùng theo dõi xu hướng và phát hiện các vấn đề tiềm ẩn. Internet of things (IoT) trong nông nghiệp đóng vai trò then chốt trong việc kết nối các thiết bị và truyền dữ liệu hiệu quả. Phân tích dữ liệu cây trồng giúp tối ưu hóa quá trình chăm sóc và dự đoán năng suất. Hệ thống còn tích hợp module thời gian thực (RTC) để lập lịch tưới tự động, tối ưu quản lý cây trồng hiệu quả.

1.2 Hiển thị và điều khiển

Dữ liệu được thu thập từ cảm biến giám sát cây trồng được hiển thị trực quan trên ba nền tảng: màn hình LCD, website và ứng dụng Android. Màn hình LCD hiển thị các thông số cơ bản. Website cung cấp giao diện trực quan hơn, cho phép người dùng theo dõi các biểu đồ, lịch sử dữ liệu. Ứng dụng Android cho phép người dùng điều khiển hệ thống từ xa, bất cứ lúc nào, bất cứ nơi đâu, miễn là có kết nối internet. Hệ thống hỗ trợ ba chế độ vận hành: tự động, thủ công và theo lịch trình. Chế độ tự động dựa trên phân tích dữ liệu cây trồng và các ngưỡng cài đặt sẵn. Chế độ thủ công cho phép người dùng điều khiển trực tiếp các thiết bị. Chế độ theo lịch trình cho phép người dùng lập kế hoạch tưới nước, bật/tắt các thiết bị theo thời gian biểu. Đây là một ví dụ ứng dụng ứng dụng công nghệ trong nông nghiệp, mang lại sự tiện lợi và hiệu quả cho người dùng. Hệ thống tự động chăm sóc cây trồng này minh chứng khả năng của công nghệ trong việc hỗ trợ quản lý cây trồng hiệu quả.

II. Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ

Đề tài này không chỉ là một dự án kỹ thuật mà còn là một nghiên cứu về ứng dụng công nghệ IoT trong nông nghiệp. Việc sử dụng cảm biến giám sát cây trồng, vi điều khiển, và các nền tảng phần mềm đã tạo nên một hệ thống giám sát và điều khiển tự động hiệu quả. Hệ thống tự động giám sát và chăm sóc cây trồng tại HCMUTE chứng minh khả năng của nghiên cứu khoa học HCMUTE trong lĩnh vực nông nghiệp thông minh. Thiết kế hệ thống giám sát cây trồng đòi hỏi sự kết hợp hài hòa giữa kiến thức điện tử, lập trình và nông nghiệp. Kết quả của đề tài góp phần vào việc phát triển nông nghiệp bền vững và nâng cao năng suất cây trồng.

2.1 Ứng dụng thực tiễn

Hệ thống có thể được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực trồng trọt khác nhau. Từ các trang trại quy mô nhỏ đến các nhà kính công nghệ cao, hệ thống này đều có thể đóng góp tích cực. Việc tối ưu hóa chăm sóc cây trồng giúp tiết kiệm nước, phân bón, và công sức lao động. Tiết kiệm nước tưới cây là một trong những lợi ích quan trọng của hệ thống, đặc biệt trong điều kiện thiếu nước. Bên cạnh đó, việc giám sát liên tục giúp phát hiện sớm các vấn đề về sâu bệnh, giúp người trồng cây có biện pháp xử lý kịp thời. Bảo vệ cây trồng hiệu quả là một trong những mục tiêu quan trọng. Hệ thống này đóng góp vào việc xây dựng nông nghiệp thông minh hiện đại và bền vững. Giải pháp nông nghiệp thông minh tại HCMUTE là một ví dụ điển hình cho sự kết hợp giữa nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn.

2.2 Hướng phát triển

Trong tương lai, hệ thống có thể được nâng cấp để tích hợp thêm nhiều tính năng thông minh hơn. Ví dụ, hệ thống có thể tự động điều chỉnh lượng nước tưới dựa trên dữ liệu độ ẩm đất và dự báo thời tiết. Hệ thống cảnh báo cây trồng cũng có thể được tích hợp để cảnh báo người dùng về các vấn đề bất thường. Việc tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) có thể giúp hệ thống phân tích dữ liệu sâu hơn và đưa ra các khuyến nghị chăm sóc cây trồng chính xác hơn. Mô hình giám sát cây trồng có thể được mở rộng để quản lý nhiều loại cây trồng khác nhau. Năng suất cây trồng có thể được cải thiện đáng kể thông qua việc áp dụng công nghệ này. HCMUTE nghiên cứu nông nghiệp đang hướng đến việc tạo ra các giải pháp nông nghiệp thông minh, hiện đại và bền vững.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Nông nghiệp giữ vai trò quan trọng trong nền kinh tế Việt Nam, đóng góp tỷ trọng đáng kể vào tổng sản phẩm quốc nội (GDP). Tuy nhiên, tỷ trọng này đang có xu hướng sụt giảm trong những năm gần đây trước sự chuyển dịch và tăng trưởng của các ngành công nghiệp. Để nâng cao năng suất và chất lượng nông sản, việc áp dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật – đặc biệt là công nghệ tự động hóa và Internet of Things (IoT) vào trồng trọt rau màu, hoa quả trong nhà kính, nhà lưới – trở thành một xu hướng tất yếu.

Phương thức canh tác thủ công truyền thống bộc lộ nhiều hạn chế: tiêu tốn nhiều thời gian, công sức của người nông dân; không thể thực hiện đo đạc, giám sát liên tục và chính xác các thông số môi trường vi khí hậu (nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất, cường độ ánh sáng, mưa); hệ thống tưới tiêu và che chắn phụ thuộc hoàn toàn vào lao động trực tiếp. Việc ứng dụng hệ thống tự động giúp giảm khoảng 1/3 thời gian làm việc tại vườn, tối ưu hóa công sức chăm sóc và duy trì điều kiện sinh trưởng tiêu chuẩn cho cây trồng. Xuất phát từ thực tiễn trên, đề tài "Thiết kế và thi công hệ thống tự động giám sát chăm sóc cây trồng" được thực hiện.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài bao gồm:

1. Thiết kế và thi công hệ thống phần cứng tự động giám sát và chăm sóc cây trồng.
2. Xây dựng hệ thống giám sát thời gian tưới, nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất và cường độ ánh sáng trên nền tảng Web.
3. Viết ứng dụng giao diện điều khiển và giám sát trên hệ điều hành Android.

Nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu được chia thành 8 nội dung cụ thể:

• Nội dung 1: Kết nối vi điều khiển trung tâm với các module cảm biến và module thời gian thực.
• Nội dung 2: Kết nối module ESP8266 với mạng Internet để truyền nhận và cập nhật dữ liệu.
• Nội dung 3: Tạo trang Web hiển thị trực quan các giá trị thu thập từ cảm biến và biểu đồ theo dõi.
• Nội dung 4: Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng di động điều khiển hệ thống trên hệ điều hành Android.
• Nội dung 5: Thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý, lưu đồ giải thuật và chương trình điều khiển hệ thống.
• Nội dung 6: Thi công phần cứng và gia công bo mạch in (PCB).
• Nội dung 7: Lắp ráp hoàn chỉnh mô hình thực tế, chạy thử nghiệm, đo đạc và cân chỉnh hệ thống.
• Nội dung 8: Hoàn thiện báo cáo đồ án và bảo vệ luận văn tốt nghiệp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống nhúng giám sát và điều khiển tự động các yếu tố vi khí hậu phục vụ chăm sóc cây rau màu ngắn ngày.
• Phạm vi không gian: Mô hình thực nghiệm có kích thước vật lý 70cm x 45cm x 75cm; kết nối truyền thông cục bộ qua WiFi và truyền thông diện rộng qua dịch vụ máy chủ đám mây (000webhost).
• Phạm vi thời gian thực hiện: Từ ngày 09/03/2020 đến ngày 09/07/2020 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
• Giới hạn hệ thống: Ứng dụng di động chỉ triển khai trên hệ điều hành Android; việc điều khiển từ xa qua Web và App bắt buộc phải có kết nối Internet; bảng điều khiển phần cứng trên tủ chỉ hỗ trợ chế độ bằng tay, các thông số cài đặt ngưỡng tự động và thời gian tưới chỉ có thể thiết lập qua Web hoặc App Android.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án được xây dựng dựa trên sự kết hợp giữa sinh lý sinh trưởng thực vật và kỹ thuật điện tử - công nghệ thông tin:

1. Sinh lý sinh trưởng của cây rau màu ngắn ngày:

• Đặc tính bộ rễ: Bộ rễ rau màu ngắn ngày phân bố chủ yếu ở tầng đất mặt từ 20-30cm, khả năng chịu hạn và chịu úng kém, đòi hỏi đất tơi xốp và chế độ ẩm ổn định.
• Nhiệt độ: Khoảng nhiệt độ thích hợp cho rau màu sinh trưởng từ 15°C đến 35°C (giai đoạn nảy mầm: 25°C - 30°C; giai đoạn cây con: 18°C - 20°C; nhiệt độ vượt quá 40°C cây sẽ ngừng sinh trưởng).
• Độ ẩm đất và không khí: Nhu cầu độ ẩm đất tối ưu dao động từ 70% đến 80%. Nước chiếm tới 90% thành phần hóa học của rau màu, do đó việc cấp nước tưới sạch đúng liều lượng ở từng thời kỳ (phát triển thân lá, ra hoa, kết trái) mang tính quyết định.
• Ánh sáng: Nhu cầu chiếu sáng mùa hè từ 12-14 giờ/ngày, mùa đông từ 8-12 giờ/ngày. Phân loại theo nhu cầu sáng gồm: nhóm ưa sáng mạnh (bí ngô, cà chua, ớt, đậu), nhóm ưa sáng trung bình (cải bắp, cải củ, hành, tỏi) và nhóm ưa sáng yếu (xà lách, rau diếp).

2. Khung lý thuyết kỹ thuật và công nghệ:

• Lý thuyết mạng vạn vật kết nối (IoT): Mô hình thu thập dữ liệu từ cảm biến biên, xử lý trung tâm và truyền dẫn qua giao thức không dây lên mạng Internet.
• Chuẩn giao tiếp truyền thông nối tiếp: Chuẩn UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) truyền nhận bất đồng bộ theo khung truyền (Start bit, Data bits, Parity bit, Stop bit) và chuẩn I2C (Inter-Integrated Circuit) giao tiếp đồng bộ 2 dây (SDA, SCL) giữa thiết bị Master và Slave.
• Nền tảng Web và Cơ sở dữ liệu: Kiến trúc Web động sử dụng máy chủ HTTP (Apache), ngôn ngữ PHP, hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ MySQL và công cụ quản trị phpMyAdmin lưu trữ trên hosting 000webhost.
• Nền tảng hệ điều hành Android: Hệ điều hành di động mã nguồn mở dựa trên nhân Linux, lập trình giao diện người dùng tương tác cảm ứng bằng Android Studio.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được áp dụng:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Thu thập, đối chiếu tài liệu kỹ thuật của các linh kiện điện tử, vi điều khiển, cảm biến và đặc tính sinh học cây trồng.
• Phương pháp thiết kế kỹ thuật phần cứng: Tính toán phân tích mạch điện tử, thiết kế sơ đồ nguyên lý, bố trí linh kiện 3D và vẽ mạch in (PCB) cho khối điều khiển và khối công suất.
• Phương pháp phát triển phần mềm nhúng và ứng dụng: Lập trình mã nguồn điều khiển phần cứng bằng C/C++ trên Arduino IDE; xây dựng Web động bằng HTML/CSS/JavaScript/PHP trên Visual Studio Code; lập trình ứng dụng điều khiển bằng Java trên Android Studio.
• Phương pháp thực nghiệm mô hình hóa: Lắp đặt hoàn thiện khung mô hình, bố trí cảm biến và cơ cấu chấp hành, tiến hành đo đạc thực tế, kiểm tra khả năng đáp ứng của từng chế độ hoạt động và đánh giá sai số.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc mô-đun phân tầng, bao gồm khối xử lý trung tâm, khối thu thập dữ liệu (cảm biến), khối truyền thông không dây, khối chấp hành công suất và khối giao diện người dùng.

Phân loại khối	Tên linh kiện / Thiết bị	Thông số kỹ thuật và vai trò trong hệ thống
Xử lý trung tâm	Board Arduino Mega 2560	Chip ATmega2560, tần số 16 MHz, 54 chân Digital I/O (15 chân PWM), 16 chân Analog, 4 bộ UART, bộ nhớ Flash 256 KB (248 KB khả dụng), 8 KB SRAM, 4 KB EEPROM. Xử lý logic toàn bộ hệ thống.
Truyền thông WiFi	NodeMCU ESP8266	Chuẩn WiFi 802.11 b/g/n (2.4 GHz), hỗ trợ bảo mật WPA/WPA2, tích hợp ngăn xếp TCP/IP. Kết nối UART với Arduino Mega (baudrate 115200) để truyền nhận dữ liệu lên Internet.
Cảm biến nhiệt - ẩm	Module DHT11	Dải đo nhiệt độ 0°C - 50°C (sai số ±2°C), dải đo độ ẩm không khí 20% - 90% RH (sai số ±5% RH), tần số lấy mẫu 1 Hz, giao tiếp 1 dây (Single-wire TTL) truyền gói tin 40 bit.
Cảm biến ánh sáng	Module GY-30 (BH1750FVI)	Bộ chuyển đổi ADC 16-bit tích hợp, giao tiếp chuẩn I2C, dải đo cường độ sáng từ 0 đến 65535 lux (mở rộng 0.11 - 100000 lux), chống nhiễu quang tần số 50Hz/60Hz.
Cảm biến độ ẩm đất	Que đo điện cực + Module LM393	Hoạt động ở điện áp 3.3V - 5V, đo biến thiên trở kháng của đất. Cung cấp ngõ ra số D0 (so sánh ngưỡng qua biến trở) và ngõ ra tương tự A0 (nối trực tiếp mạch phân áp).
Cảm biến mưa	Mạch cảm ứng + Module LM358	Điện áp 5V, xuất tín hiệu số D0 (mức thấp 0V khi có nước mưa, mức cao 5V khi khô ráo) và ngõ ra analog A0 phục vụ giám sát lượng mưa.
Cảm biến chuyển động	Module PIR HC-SR501	Cảm biến hồng ngoại thụ động pyroelectric, nguồn 4.5V - 20V DC, ngõ ra 0V - 3.3V, góc quét <100 độ, khoảng cách phát hiện 2m - 4.5m, thời gian trễ 0.5s - 200s.
Đồng hồ thời gian thực	Module RTC DS1307	Giao tiếp I2C, tích hợp thạch anh 32.768 kHz, IC nhớ EEPROM AT24C32 (32 Kbit), pin dự phòng duy trì dữ liệu thời gian (giờ, phút, giây, ngày, tháng, năm) đến 10 năm.
Hiển thị tại chỗ	Màn hình LCD 20x4	Hiển thị 4 dòng, mỗi dòng 20 ký tự, hiển thị trực quan các giá trị nhiệt độ, độ ẩm đất, độ ẩm không khí, cường độ sáng, thời gian thực và trạng thái hoạt động.
Điều khiển động cơ	Module cầu H L298N	Tích hợp 2 mạch cầu H, điều khiển dòng lên đến 4A, điện áp tải tới 48V DC; điều khiển đảo chiều động cơ DC kéo mái che tự động.
Cơ cấu chấp hành	Bơm áp lực 12V	Điện áp 12V DC, dòng 2A, áp lực cực đại 4.8 bar, lực hút 1.5m, lưu lượng 3.5 L/phút; dùng để phun sương làm mát và tăng ẩm không khí.
Cơ cấu chấp hành	Motor bơm nước 385	Điện áp 9V - 12V DC, công suất 12W, lưu lượng <0.8 L/phút, tự hút cao 1m, đẩy cao >2m; dùng tưới nước trực tiếp vào gốc cây.
Cơ cấu chấp hành	Động cơ giảm tốc V1	Điện áp 3V - 6V DC, dòng 110-200mA, tỉ số truyền 1:48, tốc độ 200 vòng/phút (tại 6V); dùng để đóng mở hệ thống mái che nhà kính.
Cơ cấu chấp hành	Đèn LED dây chiếu sáng	Điện áp 12V DC, công suất 9.6 W/m, mật độ 60 LED/m, chuẩn chống nước IP65; bổ sung quang thông cho cây quang hợp.

Quy trình vận hành phần mềm và giải thuật điều khiển:

• Hệ thống hoạt động theo 3 chế độ độc lập:
  1. Chế độ bằng tay (Manual Mode): Người dùng trực tiếp bật/tắt máy bơm nước, máy bơm phun sương, đèn LED chiếu sáng và đóng/mở mái che thông qua các nút nhấn cơ trên tủ điều khiển hoặc qua nút gạt điều khiển trên giao diện Web/App Android.
  2. Chế độ tự động (Auto Mode): Vi điều khiển liên tục so sánh dữ liệu cảm biến với các ngưỡng tham số cài đặt trước. Nếu độ ẩm đất thấp hơn ngưỡng, bơm tưới sẽ bật; nếu nhiệt độ vượt ngưỡng hoặc độ ẩm không khí quá thấp, bơm áp lực phun sương sẽ kích hoạt; nếu ánh sáng yếu, đèn LED sẽ bật; khi phát hiện trời mưa thông qua cảm biến mưa, động cơ giảm tốc sẽ tự động đóng mái che để bảo vệ cây.
  3. Chế độ theo thời gian (Timer Mode): Hệ thống đọc dữ liệu giờ/phút thực từ RTC DS1307 và đối chiếu với bảng lịch trình do người dùng cài đặt trên Web/App để tự động bật/tắt thiết bị tưới theo đúng khung giờ quy định.
• Luồng dữ liệu IoT: Arduino Mega 2560 đọc cảm biến và đóng gói dữ liệu gửi qua UART đến ESP8266. ESP8266 kết nối WiFi và phát yêu cầu HTTP POST/GET tới máy chủ 000webhost. Các script PHP trên máy chủ tiếp nhận, cập nhật dữ liệu vào cơ sở dữ liệu MySQL. Trang Web và ứng dụng Android đọc dữ liệu từ MySQL để hiển thị bảng giám sát, đồ thị lịch sử và gửi các lệnh điều khiển ngược về cơ sở dữ liệu để ESP8266 kéo về truyền cho Arduino Mega thực thi.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 thiết lập tính cấp thiết của đề tài dựa trên bối cảnh nông nghiệp Việt Nam đang cần hiện đại hóa để nâng cao tỷ trọng đóng góp kinh tế. Tác giả chỉ ra rằng việc áp dụng công nghệ tự động hóa trong trồng trọt rau màu nhà kính giúp giải phóng 1/3 thời gian lao động tại vườn và khắc phục triệt để nhược điểm của việc đo đạc thủ công. Chương này xác định rõ mục tiêu chế tạo hệ thống giám sát đa kênh (LCD, Web, Android App), giới hạn phạm vi mô hình (kích thước 70cm x 45cm x 75cm, phụ thuộc Internet khi điều khiển từ xa, bảng điều khiển tại chỗ chỉ hỗ trợ chế độ bằng tay), vạch ra 8 nội dung công việc và lịch trình thực hiện trong 16 tuần từ tháng 3/2020 đến tháng 7/2020.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày chi tiết hai nhóm kiến thức nền tảng:

• Quy trình sinh học nông nghiệp: Phân tích các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến rau màu ngắn ngày bao gồm tầng đất rễ (20-30cm), giới hạn nhiệt độ sinh trưởng (15°C - 35°C), nhu cầu độ ẩm đất (70% - 80%), chu kỳ quang và cường độ ánh sáng phân chia theo từng nhóm rau (ưa sáng mạnh, trung bình, yếu), cùng yêu cầu về nguồn nước tưới sạch.
• Phần cứng và công nghệ truyền thông: Giới thiệu cấu tạo, sơ đồ chân, nguyên lý hoạt động và thông số kỹ thuật của vi điều khiển ATmega2560, module ESP8266, các cảm biến (DHT11 với cấu trúc gói tin 40 bit gồm 5 byte dữ liệu và checksum, GY-30 BH1750, cảm biến độ ẩm đất LM393, cảm biến mưa LM358, PIR HC-SR501, RTC DS1307), mạch cầu H L298N, bơm tăng áp 12V 4.8bar, motor bơm 385 và động cơ giảm tốc DC tỉ số truyền 1:48. Đồng thời, chương này tổng quan nguyên lý giao tiếp UART, I2C, mô hình mạng IoT, cấu trúc dịch vụ Web động (Domain, Hosting, Webserver, MySQL, phpMyAdmin) và nền tảng hệ điều hành Android.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 tập trung vào thiết kế kỹ thuật chi tiết:

• Xây dựng sơ đồ khối toàn hệ thống thể hiện mối liên kết giữa khối nguồn, khối vi điều khiển trung tâm, khối cảm biến, khối hiển thị LCD 20x4, khối thời gian thực, khối nút nhấn, khối truyền thông không dây ESP8266 và khối ngõ ra công suất.
• Tính toán và thiết kế các sơ đồ nguyên lý mạch thành phần: mạch điều hòa tín hiệu cảm biến, mạch ghép nối truyền thông I2C/UART, mạch bảo vệ cách ly quang (opto) và transistor điều khiển đóng cắt rơ-le (relay) cho các tải công suất AC/DC, mạch tích hợp cầu H L298N điều khiển đảo chiều động cơ kéo mái che.
• Tổng hợp sơ đồ nguyên lý toàn mạch, tiến hành layout mạch in (PCB) và dựng bản vẽ 3D bố trí linh kiện nhằm bảo đảm tính nhỏ gọn, an toàn điện để lắp đặt bên trong tủ điều khiển.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả toàn bộ quá trình thi công thực tế và triển khai phần mềm:

• Gia công mạch in phần cứng, hàn gắn linh kiện, đóng gói bộ điều khiển trung tâm vào tủ điện và lắp ráp hoàn chỉnh khung mô hình kích thước 70cm x 45cm x 75cm (bao gồm hệ thống đường ống bơm nước, vòi phun sương, ray trượt mái che, đèn LED và giá đỡ cảm biến).
• Xây dựng lưu đồ thuật toán và viết chương trình nhúng cho Arduino Mega 2560 (bao gồm chương trình chính quét cảm biến/nút nhấn và 3 chương trình con cho chế độ tự động, chế độ theo thời gian, chế độ bằng tay) và chương trình nạp cho NodeMCU ESP8266.
• Thiết lập môi trường và công cụ phát triển phần mềm: sử dụng Arduino IDE nạp firmware vi điều khiển, Visual Studio Code xây dựng giao diện Web động bằng PHP kết nối cơ sở dữ liệu MySQL trên hosting 000webhost, và Android Studio phát triển ứng dụng di động cho smartphone Android.
• Xây dựng tài liệu hướng dẫn vận hành chi tiết: thao tác chuyển đổi chế độ, cách xem thông số trên LCD 20x4, quy trình giám sát qua biểu đồ Web, giao diện cài đặt ngưỡng cảm biến và đặt lịch tưới trên App Android.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển (kết hợp Kết quả_Nhận xét_Đánh giá)

Chương 5 tổng kết kết quả thực nghiệm của hệ thống trên mô hình thực tế:

• Đánh giá khả năng thu thập dữ liệu: các cảm biến DHT11, GY-30, độ ẩm đất, cảm biến mưa và PIR hoạt động chính xác; dữ liệu được cập nhật liên tục lên màn hình LCD, Web và App Android.
• Đánh giá khả năng điều khiển: cơ cấu chấp hành (bơm tưới, bơm phun sương áp lực, đèn LED, động cơ kéo mái che) đáp ứng chính xác theo lệnh điều khiển ở cả 3 chế độ (bằng tay, tự động theo ngưỡng và hẹn giờ theo thời gian thực DS1307).
• Đánh giá mức độ hoàn thành nhiệm vụ theo mục tiêu đề ra và đề xuất các giải pháp nâng cấp mở rộng trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm chính của đề tài:

• Hoàn thiện mô hình thực nghiệm khép kín có kích thước 70cm x 45cm x 75cm, bao gồm tủ điều khiển trung tâm, khung nhà kính thu nhỏ, hệ thống tưới nước, hệ thống phun sương áp lực 4.8 bar, hệ thống đèn chiếu sáng LED IP65 và mái che di động truyền động bởi động cơ giảm tốc DC (tỉ số 1:48).
• Chế tạo thành công bo mạch điều khiển trung tâm sử dụng Arduino Mega 2560, tích hợp giao tiếp đồng bộ với module ESP8266 qua cổng UART ở tốc độ baud 115200.
• Kết nối và đọc chính xác thông số từ 6 khối đầu vào: nhiệt độ và độ ẩm không khí (DHT11), cường độ ánh sáng 0-65535 lux (GY-30 BH1750), độ ẩm đất (LM393), phát hiện mưa (LM358), phát hiện chuyển động (PIR HC-SR501) và thời gian thực (RTC DS1307).
• Triển khai hoàn chỉnh hệ thống phần mềm 3 cấp độ:
  1. Tầng nhúng: Chương trình điều khiển trên Arduino Mega 2560 thực thi chính xác 3 chế độ (Manual, Auto, Timer).
  2. Tầng máy chủ Web: Website lưu trữ trên 000webhost kết nối cơ sở dữ liệu MySQL qua PHP, cho phép giám sát thông số thời gian thực qua giao diện Dashboard và biểu đồ trực quan.
  3. Tầng ứng dụng di động: Ứng dụng Android viết bằng Android Studio cung cấp giao diện điều khiển thiết bị, cấu hình ngưỡng cảm biến và thiết lập lịch tưới từ xa.

Giải pháp và kiến nghị của tác giả:

• Đề xuất mô hình điều khiển phân tầng: Tách biệt nhiệm vụ đọc cảm biến/điều khiển công suất tức thời (giao cho Arduino Mega 2560) và nhiệm vụ kết nối mạng Internet (giao cho ESP8266) nhằm giảm tải xử lý và tăng tính ổn định của hệ thống nhúng.
• Cho phép người dùng tùy biến linh hoạt các ngưỡng kích hoạt môi trường và thời gian tưới trên Web/App thay vì cố định trong mã nguồn, giúp hệ thống có thể thích ứng với nhiều loại giống rau màu khác nhau.

Đóng góp của đề tài:

• Cung cấp một mô hình hệ thống IoT nông nghiệp hoàn chỉnh, tích hợp cả phần cứng điều khiển, giao tiếp công suất, truyền thông không dây, lưu trữ đám mây và ứng dụng đa nền tảng (Web, Mobile App) với chi phí thấp, linh kiện phổ biến, phù hợp để áp dụng cho quy mô hộ gia đình hoặc nhà màng quy mô vừa và nhỏ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được ghi nhận từ phạm vi nghiên cứu của đồ án:

• Mô hình chế tạo mới dừng lại ở kích thước thực nghiệm trong phòng thí nghiệm (70cm x 45cm x 75cm), chưa được thử nghiệm thực tế trong môi trường trang trại diện tích lớn ngoài trời với điều kiện thời tiết khắc nghiệt.
• Các cảm biến sử dụng (DHT11, que đo độ ẩm đất dạng điện cực kim loại, cảm biến mưa dạng mạch in) là các module phổ thông, dễ bị oxy hóa, dải đo và độ chính xác hạn chế hơn so với các dòng cảm biến chuẩn công nghiệp.
• Khả năng giám sát và điều khiển từ xa phụ thuộc hoàn toàn vào đường truyền mạng WiFi/Internet. Khi mất kết nối mạng, người dùng không thể can thiệp cài đặt các chế độ tự động hay hẹn giờ mà chỉ có thể bật/tắt thủ công tại tủ điều khiển.
• Ứng dụng di động chỉ hỗ trợ hệ điều hành Android, chưa phát triển trên nền tảng iOS.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo được định hướng:

• Thay thế các cảm biến phổ thông bằng cảm biến công nghiệp có độ bền cao, chống chịu ăn mòn và hỗ trợ chuẩn giao tiếp công nghiệp (như RS485/Modbus).
• Phát triển thêm ứng dụng di động chạy trên hệ điều hành iOS để mở rộng tính tương thích cho người dùng.
• Tối ưu hóa thuật toán tự động, tích hợp khả năng lưu trữ cấu hình ngưỡng cục bộ vào bộ nhớ EEPROM của vi điều khiển để hệ thống vẫn tự vận hành thông minh ngay cả khi mất kết nối Internet hoàn toàn.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo giá trị cho các nhóm đối tượng:

• Sinh viên các ngành Điện tử công nghiệp, Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Máy tính, Cơ điện tử và Công nghệ Thông tin đang thực hiện đồ án môn học, khóa luận tốt nghiệp về hệ thống nhúng và IoT.
• Kỹ sư, kỹ thuật viên và người làm nông nghiệp công nghệ cao quan tâm đến giải pháp tự động hóa nhà kính, nhà màng chi phí thấp.

Các nội dung có giá trị tham khảo cao nhất trong đồ án bao gồm:

• Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch công suất cách ly sử dụng opto và relay, mạch cầu H L298N lái động cơ DC kéo mái che.
• Phương pháp lập trình giao tiếp truyền thông nối tiếp UART tốc độ cao giữa Arduino Mega 2560 và module WiFi NodeMCU ESP8266.
• Kỹ thuật giao tiếp và giải mã dữ liệu cảm biến chuẩn 1-wire (DHT11) và chuẩn I2C (GY-30, DS1307).
• Quy trình kết nối thiết bị nhúng IoT với máy chủ Web hosting miễn phí (000webhost), tạo cơ sở dữ liệu MySQL và viết API giao tiếp bằng ngôn ngữ PHP.

Câu hỏi thường gặp

1. Gói dữ liệu truyền từ cảm biến DHT11 về vi điều khiển Arduino Mega 2560 có cấu trúc như thế nào?

• Trả lời: Cảm biến DHT11 truyền dữ liệu về vi điều khiển dưới dạng một chuỗi 40 bit (tương ứng với 5 byte) qua chuẩn giao tiếp 1 dây (Single-wire TTL). Cấu trúc 5 byte gồm: Byte 1 chứa phần nguyên độ ẩm, Byte 2 chứa phần thập phân độ ẩm, Byte 3 chứa phần nguyên nhiệt độ, Byte 4 chứa phần thập phân nhiệt độ, và Byte 5 là byte kiểm tra tổng (Checksum). Dữ liệu chỉ hợp lệ khi Byte 5 bằng tổng số học của 4 byte đầu tiên: Byte 5 = Byte 1 + Byte 2 + Byte 3 + Byte 4.

2. Hệ thống giám sát và chăm sóc cây trồng này hỗ trợ những chế độ hoạt động nào và cơ chế cài đặt ra sao?

• Trả lời: Hệ thống có 3 chế độ hoạt động gồm: Chế độ bằng tay (Manual), Chế độ tự động (Auto) và Chế độ theo thời gian (Timer). Điểm khác biệt là chế độ bằng tay có thể thao tác trực tiếp bằng nút nhấn trên tủ điều khiển hoặc qua Web/App; trong khi các thông số ngưỡng kích hoạt của chế độ tự động và thời gian biểu của chế độ hẹn giờ chỉ có thể thiết lập thông qua giao diện ứng dụng Android hoặc trang Web khi có kết nối Internet.

3. Khối điều khiển trung tâm sử dụng những vi điều khiển nào và liên kết với nhau bằng cách nào?

• Trả lời: Khối điều khiển trung tâm kết hợp hai vi điều khiển: Arduino Mega 2560 (sử dụng vi điều khiển chính ATmega2560) đóng vai trò xử lý logic, đọc cảm biến và điều khiển thiết bị chấp hành; NodeMCU ESP8266 đóng vai trò là module truyền thông mạng không dây WiFi. Hai vi điều khiển này trao đổi dữ liệu với nhau thông qua cổng giao tiếp nối tiếp bất đồng bộ UART.

4. Kích thước mô hình thực tế và các cơ cấu chấp hành trong hệ thống gồm những loại nào?

• Trả lời: Kích thước mô hình hoàn chỉnh là 70cm x 45cm x 75cm. Các cơ cấu chấp hành chính bao gồm: Motor bơm nước 385 (12V, 12W) dùng tưới gốc; Bơm áp lực 12V (2A, áp lực 4.8 bar) dùng phun sương làm mát; Động cơ DC giảm tốc V1 (3-6V, tỉ số truyền 1:48) điều khiển qua module L298N để kéo mái che; và Dải đèn LED dây 12V (9.6 W/m, chuẩn IP65) chiếu sáng bổ sung.

5. Cảm biến cường độ ánh sáng GY-30 BH1750FVI giao tiếp với vi điều khiển qua giao thức gì và có phạm vi đo là bao nhiêu?

• Trả lời: Cảm biến GY-30 sử dụng chip BH1750FVI giao tiếp với Arduino Mega 2560 thông qua giao thức I2C (sử dụng 2 đường tín hiệu SDA và SCL). Cảm biến tích hợp bộ chuyển đổi ADC 16-bit, cung cấp phạm vi đo độ rọi ánh sáng xung quanh từ 0 đến 65535 lux (có thể phát hiện mức thấp nhất 0.11 lux và mở rộng tối đa lên 100000 lux).

Kết luận

Đồ án "Thiết kế và thi công hệ thống tự động giám sát chăm sóc cây trồng" đã hoàn thành việc xây dựng một mô hình thực nghiệm khép kín kết hợp vi điều khiển Arduino Mega 2560 và module ESP8266 nhằm tự động hóa quy trình canh tác rau màu ngắn ngày. Hệ thống tích hợp đa dạng cảm biến đo đạc vi khí hậu, mạch công suất đóng ngắt thiết bị tưới, phun sương, chiếu sáng và mái che với 3 chế độ vận hành linh hoạt. Giải pháp quản lý tập trung đa nền tảng qua màn hình LCD 20x4, giao diện Web động và ứng dụng di động Android giúp giám sát trực quan các thông số môi trường theo thời gian thực, góp phần giảm thiểu thời gian và công sức lao động trong mô hình nông nghiệp công nghệ cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN  Chương 4: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá  Chương 5: Kết Luận và Hướng Phát Triển BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 QUY TRÌNH TRỒNG CÂY RAU MÀU NGẮN NGÀY 2.1 Đặc tính sinh trưởng của cây rau màu ngắn ngày Rau ngắn ngày là những loại rau có thời gian thu hoạch ngắn, dễ chăm sóc và không tốn nhiều công sức. Đây là những loại rau quen thuộc trong bữa ăn hằng ngày của nhiều gia đình, và cực kì bổ dưỡng. Ảnh hưởng của đất lên cây trồng Chất lượng đất có vai trò quyết định đến sinh trưởng, năng suất, chất lượng và khả năng chống chịu sâu bệnh hại của cây trồng. Bộ rễ các loại rau màu nói chung nằm trong khoảng 20-30cm, ở tầng đất mặt, do vậy tính chịu úng, chịu hạn kém và lại rất dễ bị sâu bệnh, cho nên đất trồng rau nhất thiết phải được chuẩn bị cẩn thận.

Đất cần được cuốc lên, làm nhỏ, và làm xốp. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên cây trồng Nhiệt độ có vai trò quan trọng trong quá trình sinh trưởng và phát triển của cây trồng. Khoảng nhiệt độ trung bình thích hợp cho cây rau phát triển là từ 15 – 35 độ C. Tùy thuộc vào từng loại rau mà có yêu cầu về nhiệt độ khác nhau.

Đối với các loại rau xanh, hay rau màu ngắn ngày, nhiệt độ giúp cho các phản ứng sinh hóa diễn ra nhanh hơn, tạo điều kiện cho cây rau phát triển. Sự hô hấp và thoát hơi nước của cây trồng chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi nhiệt độ. Các cây rau màu ngắn ngày là loại rau chịu lạnh trung bình, cây sinh trưởng tốt trong điều kiện nhiệt độ từ khoảng 15 – 35 độ C. Nhiệt độ cao hơn 40 độ C thì cây sẽ ngừng sinh trưởng.

Ngoài ra nhiệt độ còn ảnh hưởng đến từng giai đoạn sinh trưởng của cây:  Giai đoạn nảy mầm: Nhiệt độ tác động lên các tiến trình sinh dưỡng diễn ra bên trong hạt, khi gặp nhiệt độ thích hợp hạt sẽ nảy mầm nhanh. Hầu hết các loại rau đều nảy mầm ở nhiệt độ từ 25 – 30 độ C.  Giai đoạn cây con: Trong thời kì này, thân, lá và rễ cây chưa phát triển hoàn chỉnh nên cần nhiệt độ thấp hơn thời kì nảy mầm để hạn chế tiêu hao vật chất hô hấp. Nếu nhiệt độ quá cao khiến cho cây rau bị tiêu hao nhiều nước dẫn đến cây còi cọc, vàng úa.

Nhiệt độ thích hợp cho giai đoạn này là từ 18 – 20 độ C. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT  Giai đoạn trưởng thành: Khi bước vào giai đoạn trưởng thành cây rau cần nhiệt độ thích hợp để phát triển thân lá với tốc độ nhanh. Ảnh hưởng của độ ẩm lên cây trồng Độ ẩm trong không khí, trong đất có tác động đến các giai đoạn sinh trưởng của cây như sự nảy mầm của hạt, sự ra hoa, kết hạt, thời gian chín của quả, chất lượng rau, sản lượng, sinh trưởng sinh dưỡng, phát sinh sâu bệnh và bảo quản hạt giống. Độ ẩm đất ảnh hưởng không nhỏ đến khả năng phát triển của rau màu, từng giai đoạn phát triển khác nhau dẫn đến nhu cầu cần nước là nhiều hay ít.

Để cây sinh trưởng và phát triển tốt thì độ ẩm đất cần đảm bảo 70 - 80%. Đảm bảo chế độ tưới nước phù hợp với từng loại cây trồng, để cung cấp đủ độ ẩm cho cây theo từng giai đoạn như sau:  Đối với các loại rau ăn lá thì yêu cầu về nước tăng cao ở giai đoạn phát triển thân lá.  Với cây họ bầu bí, cà chua thì nhu cầu nước của cây tăng dần và cần nhiều nhất ở giai đoạn ra hoa đậu quả.  Đối với dưa chuột cần lưu ý trong thời kỳ trổ hoa không để cho cây bị khô hạn hay thiếu nước tưới.

Ảnh hưởng của ánh sáng lên cây trồng Ánh sáng là yếu tố quan trọng nhất cho sự sinh trưởng và sự phát triển của rau màu. Ánh sáng mặt trời là nguồn năng lượng duy nhất, vô tận để cây xanh quang hợp, biến các chất vô cơ, nước và khí cacbonic thành hợp chất hữu cơ tích lũy trong lá, hoa, quả, củ… Các loại rau màu khác nhau có nhu cầu về ánh sáng không giống nhau: các cây rau màu trồng vào mùa hè yêu cầu độ chiếu sáng mạnh thời gian chiếu dài 12 -14 giờ/ngày. Rau màu trồng vào mùa đông cường độ ánh sáng sẽ yếu hơn, thời gian chiếu sáng từ 8 đến 12 giờ/ngày. Cường độ ánh sáng cũng có ảnh hưỏng lớn đến sinh trưởng và phát triển của rau.

Dựa vào cường độ ánh sáng, người ta phân rau ra các nhóm:  Nhóm yêu cầu cường độ ánh sáng mạnh là bí ngô, cà, cà chua, ớt, đậu.  Nhóm yêu cầu cường độ ánh sáng trung bình như cải bắp, cải trắng, cải củ, hành, tỏi. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT  Nhóm yêu cầu cưòng độ ánh sáng yếu: xà lách, rau diếp. Ảnh hưởng của một số yếu tố khác lên cây trồng  Chất khoáng: Rau màu là cây trồng ngắn ngày nên cần lượng chất dinh dưỡng rất lớn, các chất dinh dưỡng này cây lấy từ đất là không đủ, nên cần bổ sung bên ngoài bằng các loại phân bón.

 Nước tưới: thành phần hóa học trong rau màu chủ yếu là nước, chiếm đến 90%. Do đó muốn cây sinh trưởng phát triển tốt cho năng suất cao cần đảm bảo lượng nước đủ theo nhu cầu từng loại rau màu. Nước tưới phải là nước sạch không được dùng nước thải.2 Mô tả quy trình chăm sóc và giám sát cây trồng Các thông số nhiệt độ, độ ẩm đất, độ ẩm không khí, mưa và cường độ ánh sáng được đo thông qua các cảm biến, các giá trị đo được được hiển thị trên LCD20x4, Web và App Android. Từ đó người trồng cây có thể giám sát được một cách trực quan thông qua các giá trị được hiển thị và có biểu đồ thể hiện các giá trị đó trên web, từ đó người trồng cây có thể điều khiển các thiết bị: máy bơm, máy bơm phun sương, đèn, mái che để chăm sóc cây trồng qua Web và App Android và có thể điều khiển trực tiếp trên board mạch của hệ thống.

Mô hình chăm sóc cây trồng có 3 chế độ: chế độ chăm sóc bằng tay, chế độ chăm sóc tự động, chế độ chăm sóc theo thời gian.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG Thiết bị đầu vào: Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11, cảm biến cường độ ánh sáng, cảm biến mưa, cảm biến chuyển động PIR, cảm biến độ ẩm đất, nút nhấn, Module thời gian thực DS1307. Thiết bị đầu ra:  Thiết bị công suất: bơm nước, bơm áp lực, động cơ DC, đèn.  Thiết bị giao tiếp công suất: transistor, opto, relay.  Thiết bị hiển thị: LCD 20x4.

 Thiết bị điều khiển trung tâm: Arduino Mega2560.  Module wifi: Esp8266 NodeMCU.  Các chuẩn truyền dữ liệu: UART, I2C.  Thiết bị giao diện điều khiển: điện thoại Android, Laptop.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT  Web server, app android 2.1 Tổng quan arduino mega 2560 a. Giới thiệu Board Arduino Mega.  Arduino Mega 2560 là board mạch vi điều khiển dựa trên chip xử lý Atmega2560 được mở rộng thêm bộ nhớ và các chân I/O so với các board mạch khác có sẵn trên thị trường.  Có 54 chân I/O digital và 16 chân analog được tích hợp trên board mạch giúp thiết bị này trở nên riêng biệt và nổi bật so với các thiết bị khác.

 Có tất cả 54 chân ra I/O digital, trong đó có 15 chân được sử dụng cho xuất xung PWM.  Một bộ dao động thạch anh có tần số 16 MHz được tích hợp trên board Arduino Mega2560.  Arduino Mega2560 có cổng USB được sử dụng để kết nối và chuyển mã từ máy tính đến mạch Arduino Mega dựa trên phần mềm IDE.  Đầu jack kết nối ICSP (Header đôi gần nút reset) được bổ sung đáng chú ý cho Arduino Mega, sử dụng để lập trình Arduino và tải file lên từ máy tính qua phần mềm IDE.

 Arduino Mega2560 có hai mức điện áp là 5V và 3.  Về phần mềm lập trình, tất cả các loại Arduino đều dùng chung phần mềm IDE.  Tích hợp nút reset trên board mạch và 4 cổng nối tiếp phần cứng được gọi là UART, tạo ra tốc độ tối đa để giao tiếp. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.

Hình Arduino mega2560 b. Thông số kỹ thuật • Vi điều khiển chính: ATmega2560. • IC nạp và giao tiếp UART: ATmega16U2. • Nguồn nuôi mạch: 5VDC từ cổng USB hoặc nguồn ngoài cắm từ jack tròn DC.

• Số chân Digital: 54 (có 15 chân PWM). • Số chân Analog: 16. • Giao tiếp UART: 4 bộ UART. • Giao tiếp SPI: 1 bộ (chân 50 đến 53) dùng với thư viện SPI của Arduino.

• Giao tiếp I2C: 1 bộ. • Ngắt ngoài: 6 chân. • Bộ nhớ Flash: 256 KB, 8KB. • Xung clock: 16 MHz.

 Nguồn cấp cho Arduino: Arduino Mega 2560 có thể được cấp nguồn bằng cổng USB hoặc bằng nguồn ngoài và việc chọn nguồn cấp được diễn ra hoàn toàn tự động. Tức là ta có thể cấp cả 2 nguồn vào cùng lúc, nếu nguồn ngoài không có hoặc quá bé thì Arduino sẽ lấy nguồn từ cổng USB và ngược lại. Nguồn ngoài có thể lấy từ adapter AC-DC thông qua jack cắm 5.5mm hoặc từ pin bằng cách nối cực dương của pin vào chân Vin và cực âm vào chân GND. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chân cấp nguồn gồm những chân sau: - GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino.

Khi ta dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau. - 5V: cấp điện áp 5V đầu ra, dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.3V đầu ra, dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA. - Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino, ta nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND. - IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino có thể được đo ở chân này.

Mặc dù vậy ta không được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn mà chỉ là tham chiếu điện áp hoạt động của vi xử lý.