Hướng dẫn chi tiết xây dựng hệ thống IoT giám sát vườn cây cho đồ án tốt nghiệp

Đồ án nghiên cứu Xây dựng hệ thống iot giám sát vườn cây đồ án tốt nghiệp, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán kỹ thuật.

• Tác giả: Lê Tấn Hoàng Xuân Lãm
• Người hướng dẫn: Ths. Trần Trọng Tuyên
• Trường học: Đại học Bình Dương
• Chuyên ngành: Công nghệ thông tin, Robot và Trí tuệ nhân tạo
• Đề tài: Xây dựng hệ thống IoT giám sát vườn cây
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Bình Dương

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI XÂY DỰNG HỆ THỐNG IOT GIÁM SÁT VƯỜN CÂY
• 1.1. Giới thiệu
• 1.2. Mục tiêu đề tài
• 1.3. Nội dung thực hiện
• 1.4. Kết luận chương
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ TÌM HIỂU CÁC LINH KIỆN TRONG ĐỀ TÀI
• 2.1. Giới thiệu chương
• 2.2. Ứng dụng IOT trong việc chăm sóc cây trồng
• 2.3. Cấu trúc cơ bản của một hệ thống ứng dụng công nghệ IOT
• 2.4. Các yếu tố nhiệt độ, độ ẩm đất ảnh hưởng đến sự phát triển của cây trồng
• 2.4.1. Nhiệt độ ảnh hưởng đến sự phát triển của cây trồng
• 2.4.2. Ảnh hưởng của độ ẩm đất đến sự phát triển của cây trồng
• 2.5. Xây dựng sơ đồ khối cho hệ thống
• 2.6. Chức năng và lựa chọn linh kiện chính cho từng khối
• 2.6.1. Khối cảm biến
• 2.6.2. Khối hiển thị
• 2.6.3. Khối xử lý trung tâm
• 2.6.4. Khối thiết bị
• 2.7. Giới thiệu tổng quan về các linh kiện chính sử dụng trong mạch
• 2.7.1. Module ESP8266 Node MCU
• 2.7.2. Khối cảm biến
• 2.7.2.1. Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm không khí DHT11
• 2.7.3. Khối hiển thị
• 2.7.3.1. Màn hình LCD 16x2
• 2.7.3.2. Mạch nguồn giảm áp DC-DC LM2596S
• 2.7.4. Khối thiết bị
• 3. CHƯƠNG 3: THI CÔNG HỆ THỐNG XÂY DỰNG HỆ THỐNG IOT GIÁM SÁT VƯỜN CÂY
• 3.1. Vẽ sơ đồ nguyên lý và thi công mạch in bằng phần mềm Altium
• 3.2. Phần mềm mô phỏng Altium
• 3.3. Sơ đồ nguyên lý của mạch
• 3.4. Nối dây cho mạch
• 3.5. Gắn linh kiện cho mạch
• 3.6. Mạch in sau khi gắn linh kiện
• 3.7. Lập trình hệ thống
• 3.7.1. Tổng quan về phần mềm Arduino
• 3.7.2. Lưu đồ thuật toán chương trình chính
• 3.7.3. Lưu đồ thuật toán chế độ tự động bật tắt bơm
• 3.7.4. Lưu đồ thuật toán chế độ tự động bật tắt đèn
• 3.7.5. Lưu đồ gửi dữ liệu
• 3.8. Lấy thời gian thực cho ESP8266 Node MCU
• 3.8.1. Khái niệm NTP server
• 3.8.2. Làm sao để có thể dùng NTP Server
• 3.8.3. Độ chính xác của NTP Server
• 3.9. Tổng quan về Firebase
• 3.9.1. Khái niệm Firebase
• 3.9.2. Tìm hiểu về Firebase
• 3.9.3. ESP8266 có liên quan gì tới Firebase
• 3.10. Tổng quan về Thingspeak
• 3.10.1. Khái niệm về Thingspeak
• 3.10.2. Tìm hiểu về Thingspeak
• 3.11. Tổng quan về MIT App Inventor
• 3.11.1. Khái niệm MIT App Inventor
• 3.11.2. Cài đặt và sử dụng MIT App Inventor
• 3.11.3. Những tính năng có trên MIT App Inventor
• 3.12. Giới thiệu chương
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ
• 4.1. Mô hình mạch sau khi được đóng hộp
• 4.2. Hiển thị nhiệt độ, độ ẩm thời gian thực lên LCD của sản phẩm
• 4.3. Hiển thị các ngưỡng cài đặt và thời gian kiểm tra
• 4.4. Hình ảnh mô hình sản phẩm thực tế nhìn từ phía trước
• 4.5. Mô hình sản phẩm thực tế nhìn từ phía trên
• 4.6. Hệ thống tự động bật đèn khi trời tối và tự động bật máy bơm
• 4.7. Giao diện App Android và các thông số được hiển thị
• 4.8. Biểu đồ nhiệt độ hiển thị trên Thingspeak
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• 5.1. Giới thiệu chương
• 5.2. Hướng phát triển đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống IoT giám sát vườn cây

Hệ thống IoT giám sát vườn cây là một ứng dụng công nghệ hiện đại, giúp nông dân theo dõi và quản lý cây trồng một cách hiệu quả. Việc áp dụng công nghệ IoT trong nông nghiệp không chỉ giúp giảm sức lao động mà còn nâng cao năng suất cây trồng. Hệ thống này sử dụng các cảm biến môi trường để thu thập dữ liệu về nhiệt độ, độ ẩm, và ánh sáng, từ đó đưa ra các quyết định tự động như tưới nước hay bật đèn. Theo một nghiên cứu, việc sử dụng hệ thống giám sát tự động có thể tăng năng suất lên đến 30%. Điều này cho thấy giá trị thực tiễn của việc ứng dụng IoT trong nông nghiệp.

1.1. Lợi ích của hệ thống IoT trong nông nghiệp

Hệ thống giám sát vườn cây mang lại nhiều lợi ích cho nông dân. Đầu tiên, nó giúp tiết kiệm thời gian và công sức trong việc chăm sóc cây trồng. Thứ hai, nhờ vào việc giám sát liên tục, nông dân có thể phát hiện sớm các vấn đề như thiếu nước hay độ ẩm không đủ, từ đó có biện pháp xử lý kịp thời. Cuối cùng, việc sử dụng cảm biến giúp thu thập dữ liệu chính xác, hỗ trợ trong việc phân tích và ra quyết định. Như vậy, hệ thống IoT không chỉ là một công cụ mà còn là một giải pháp toàn diện cho nông nghiệp hiện đại.

II. Cơ sở lý thuyết và linh kiện trong hệ thống

Để xây dựng một hệ thống IoT giám sát vườn cây, cần hiểu rõ về các linh kiện và công nghệ sử dụng. Các linh kiện chính bao gồm Node MCU, cảm biến DHT11 để đo nhiệt độ và độ ẩm, và màn hình LCD để hiển thị thông tin. Node MCU là một vi điều khiển mạnh mẽ, cho phép kết nối Internet và điều khiển các thiết bị từ xa. Việc lựa chọn linh kiện phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả. Theo nghiên cứu, việc sử dụng cảm biến chất lượng cao có thể cải thiện độ chính xác của dữ liệu thu thập lên đến 95%.

2.1. Các linh kiện chính trong hệ thống

Các linh kiện như cảm biến mưa, cảm biến độ ẩm đất, và màn hình LCD 16x2 đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập và hiển thị dữ liệu. Cảm biến DHT11 giúp đo nhiệt độ và độ ẩm không khí, trong khi cảm biến mưa giúp phát hiện thời tiết để tự động tắt máy bơm. Màn hình LCD 16x2 cho phép người dùng theo dõi các thông số một cách trực quan. Việc tích hợp các linh kiện này vào hệ thống IoT không chỉ giúp nâng cao hiệu quả giám sát mà còn tạo điều kiện thuận lợi cho việc quản lý cây trồng.

III. Thi công và lập trình hệ thống

Quá trình thi công hệ thống IoT giám sát vườn cây bao gồm việc thiết kế sơ đồ nguyên lý, lập trình cho Node MCU, và kết nối các linh kiện với nhau. Sử dụng phần mềm Arduino IDE để lập trình cho Node MCU là một bước quan trọng, giúp hệ thống có thể hoạt động tự động theo các thông số đã được cài đặt. Việc lập trình cần phải đảm bảo rằng các cảm biến có thể gửi dữ liệu chính xác và kịp thời. Theo một khảo sát, việc lập trình chính xác có thể giảm thiểu lỗi trong quá trình vận hành xuống dưới 5%.

3.1. Quy trình thi công hệ thống

Quy trình thi công bao gồm việc lắp ráp các linh kiện, kết nối dây điện, và kiểm tra hoạt động của hệ thống. Đầu tiên, cần thiết kế sơ đồ nguyên lý để xác định cách kết nối các linh kiện. Sau đó, tiến hành lắp ráp và kiểm tra từng phần của hệ thống. Việc kiểm tra này rất quan trọng để đảm bảo rằng mọi linh kiện hoạt động đúng chức năng. Cuối cùng, lập trình cho Node MCU để hệ thống có thể tự động điều khiển các thiết bị như máy bơm và đèn. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn nâng cao hiệu quả trong việc chăm sóc cây trồng.

IV. Kết quả và đánh giá

Sau khi hoàn thành hệ thống IoT giám sát vườn cây, kết quả cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả. Các thông số như nhiệt độ, độ ẩm được giám sát liên tục và hiển thị trên App Android. Hệ thống có khả năng tự động tưới nước và bật đèn khi cần thiết, giúp giảm thiểu sức lao động cho nông dân. Theo một nghiên cứu, việc áp dụng hệ thống giám sát tự động có thể tăng năng suất cây trồng lên đến 30%. Điều này chứng tỏ giá trị thực tiễn của việc ứng dụng IoT trong nông nghiệp.

4.1. Đánh giá hiệu quả hệ thống

Hệ thống đã cho thấy hiệu quả rõ rệt trong việc giám sát và quản lý cây trồng. Nông dân có thể theo dõi tình trạng cây trồng từ xa thông qua App Android, giúp tiết kiệm thời gian và công sức. Hệ thống cũng cho phép người dùng tùy chỉnh các ngưỡng hoạt động, từ đó nâng cao tính linh hoạt trong việc chăm sóc cây trồng. Việc sử dụng công nghệ IoT không chỉ giúp nâng cao năng suất mà còn cải thiện chất lượng sản phẩm nông nghiệp, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

V. Kết luận và hướng phát triển

Hệ thống IoT giám sát vườn cây đã chứng minh được tính khả thi và hiệu quả trong việc nâng cao năng suất và chất lượng cây trồng. Việc áp dụng công nghệ IoT trong nông nghiệp không chỉ giúp giảm sức lao động mà còn tạo ra những sản phẩm nông nghiệp chất lượng cao. Hướng phát triển trong tương lai có thể bao gồm việc mở rộng hệ thống để giám sát nhiều loại cây trồng khác nhau và tích hợp thêm các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo để phân tích dữ liệu. Điều này sẽ giúp nông dân có thể đưa ra quyết định chính xác hơn trong việc chăm sóc cây trồng.

5.1. Hướng phát triển hệ thống

Trong tương lai, có thể mở rộng hệ thống để bao quát nhiều loại cây trồng khác nhau, từ đó nâng cao tính linh hoạt và khả năng ứng dụng. Việc tích hợp thêm các công nghệ như trí tuệ nhân tạo sẽ giúp phân tích dữ liệu một cách thông minh hơn, từ đó đưa ra các quyết định chính xác hơn trong việc chăm sóc cây trồng. Hệ thống cũng có thể được cải tiến để hoạt động hiệu quả hơn trong các điều kiện thời tiết khắc nghiệt, đảm bảo rằng cây trồng luôn được chăm sóc tốt nhất.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Lý do chọn đề tài và bối cảnh thực tiễn

Theo số liệu thống kê được nhóm tác giả viện dẫn trong báo cáo, Việt Nam là quốc gia có nền nông nghiệp giữ vai trò quan trọng trong cơ cấu kinh tế:

• Diện tích đất nông nghiệp chiếm trên 27,3 triệu hecta, tương đương 80,4% tổng diện tích đất tự nhiên cả nước.
• Nông nghiệp đóng góp khoảng 24% GDP và thu hút hơn 47% lực lượng lao động quốc gia.
• Gần 70% dân số Việt Nam sinh sống tại khu vực nông thôn và miền núi.
• Giá trị thặng dư thương mại ngành nông nghiệp đạt 10,6 tỷ USD, với nhiều mặt hàng xuất khẩu chủ lực đạt kim ngạch trên 1 tỷ USD như lúa gạo, cà phê, cao su, hạt điều, gỗ và thủy sản.

Mặc dù giữ vị thế quan trọng, nền nông nghiệp trong nước vẫn bộc lộ nhiều hạn chế về mặt kỹ thuật và năng suất: việc ứng dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật trong chăm sóc cây trồng còn thấp; khoảng 90% nông sản xuất khẩu vẫn ở dạng nguyên liệu thô chưa qua chế biến sâu; tỷ lệ thải loại sản phẩm cao. Phần lớn hoạt động canh tác vẫn phụ thuộc vào sức lao động thủ công và các yếu tố thời tiết tự nhiên (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng). Trước áp lực của đô thị hóa làm thu hẹp quỹ đất nông nghiệp, biến đổi khí hậu và yêu cầu ngày càng cao của thị trường xuất khẩu, việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ tự động hóa và Internet of Things (IoT) vào giám sát vườn cây là một giải pháp cấp thiết nhằm giảm bớt nhân công và nâng cao hiệu quả sản xuất.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Đề tài xác định các mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể sau:

1. Nghiên cứu, phân tích và thiết kế mạch điện tử có khả năng thu thập dữ liệu môi trường (nhiệt độ không khí, độ ẩm đất, lượng mưa, ánh sáng).
2. Lập trình vi điều khiển ESP8266 NodeMCU để xử lý dữ liệu và điều khiển tự động các thiết bị phụ tải (máy bơm tưới nước, đèn chiếu sáng) theo các ngưỡng cài đặt và khung thời gian trong ngày.
3. Thiết lập tính năng an toàn cho hệ thống: tự động ngắt máy bơm khi phát hiện trời mưa; hỗ trợ bật/tắt thiết bị thủ công bằng nút nhấn cứng trên mạch hoặc qua ứng dụng di động.
4. Thiết kế ứng dụng điều khiển và giám sát trên hệ điều hành Android bằng công cụ MIT App Inventor, hiển thị thông số thời gian thực và biểu đồ nhiệt độ, độ ẩm thông qua nền tảng ThingSpeak và cơ sở dữ liệu Firebase.
5. Thi công mô hình phần cứng hoàn chỉnh, đóng gói mạch điều khiển và kiểm nghiệm hoạt động ổn định của toàn hệ thống.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống phần cứng nhúng (vi điều khiển ESP8266, các module cảm biến, mạch công suất relay/transistor), giao thức truyền thông không dây Wi-Fi, nền tảng lưu trữ đám mây (Firebase, ThingSpeak) và ứng dụng di động giám sát môi trường vi khí hậu phục vụ chăm sóc cây trồng.
• Phạm vi không gian: Nghiên cứu và thi công thử nghiệm tại Khoa Robot và Trí tuệ Nhân tạo, Trường Đại học Bình Dương.
• Phạm vi thời gian: Đồ án được giao nhiệm vụ từ ngày 29/03/2022 và hoàn thành báo cáo, nghiệm thu vào ngày 29/06/2022 (bảo vệ tốt nghiệp tháng 07/2022).

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình kiến trúc

Báo cáo dựa trên mô hình kiến trúc 4 lớp tiêu chuẩn của hệ thống IoT trong nông nghiệp:

• Lớp vạn vật (Things): Các thiết bị chấp hành (máy bơm 12VDC, đèn LED) và các cảm biến đo đạc thông số vi khí hậu.
• Lớp trạm kết nối (Gateways): Đóng vai trò trung gian, kết nối các cảm biến và bộ điều khiển với môi trường điện toán đám mây.
• Lớp hạ tầng mạng (Internet): Mạng IP toàn cầu, hệ thống Wi-Fi 2.4 GHz và giao thức TCP/IP truyền dẫn dữ liệu.
• Lớp dịch vụ (Service): Cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase, nền tảng phân tích đồ thị ThingSpeak và giao diện người dùng trên Android.

Về cơ sở nông học, báo cáo tổng hợp các ngưỡng tác động sinh lý của môi trường đến cây trồng:

• Nhiệt độ: Khoảng nhiệt độ thích hợp cho đa số cây trồng nông nghiệp sinh trưởng dao động từ 15°C đến 40°C (nhiệt độ sinh tồn chung của sinh vật là -35°C đến +75°C). Nhiệt độ tác động trực tiếp đến khả năng thoát hơi nước, hấp thu dinh dưỡng của rễ, hoạt động hô hấp và hệ vi sinh vật đất.
• Độ ẩm đất: Độ ẩm thích hợp ở tầng rễ đối với cây trồng cạn có giới hạn trên từ 70% đến 85% và giới hạn dưới từ 60% đến 70% sức chứa ẩm tối đa của đất. Giới hạn độ ẩm 80% – 95% là điều kiện tối ưu cho nấm, xạ khuẩn và vi khuẩn phân giải cellulose hoạt động.

Phương pháp nghiên cứu

Tác giả triển khai đề tài qua 9 nội dung nghiên cứu kỹ thuật:

1. Phân tích cấu tạo phần cứng, nguyên lý hoạt động của module ESP8266 NodeMCU, cảm biến DHT11, cảm biến mưa, màn hình LCD 16x2 và module I2C.
2. Thiết kế giao tiếp phần cứng giữa vi điều khiển và khối cảm biến.
3. Nghiên cứu phương thức đồng bộ thời gian thực qua giao thức mạng NTP (Network Time Protocol).
4. Khảo sát cấu trúc cơ sở dữ liệu thời gian thực Google Firebase.
5. Nghiên cứu công cụ lập trình kéo thả MIT App Inventor và nền tảng IoT ThingSpeak.
6. Thiết lập giao thức truyền nhận dữ liệu giữa ESP8266 với MIT App Inventor và ThingSpeak.
7. Lập trình thuật toán điều khiển tự động và thủ công cho các cơ cấu chấp hành.
8. Thiết kế mạch in (PCB) trên phần mềm Altium Designer và thi công mô hình cơ khí.
9. Kiểm thử chức năng, hiệu chỉnh sai số và đánh giá độ ổn định của hệ thống.

---

Thiết kế và triển khai hệ thống

Kiến trúc phần cứng và danh mục linh kiện

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

• Khối nguồn: Nguồn Adapter 220VAC/12VDC-2A kết hợp mạch hạ áp xung DC-DC LM2596S để tạo điện áp 5VDC cấp cho vi điều khiển và cảm biến.
• Khối xử lý trung tâm: Module NodeMCU ESP8266 thực hiện đọc tín hiệu cảm biến, chạy thuật toán so sánh ngưỡng và truyền dữ liệu qua Wi-Fi.
• Khối cảm biến: Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm không khí DHT11, module cảm biến độ ẩm đất, module cảm biến mưa (dùng IC so sánh LM393) và module cảm biến ánh sáng quang trở.
• Khối hiển thị: Màn hình LCD 16x2 tích hợp mạch chuyển đổi giao tiếp nối tiếp I2C (địa chỉ mặc định 0x27) giúp tiết kiệm chân vi điều khiển.
• Khối công suất và thiết bị: Mạch kích công suất dùng transistor TIP122/Relay, diode chống dòng ngược điều khiển máy bơm màng mini R385 12VDC (lưu lượng 1,5–2 L/phút, độ hút sâu 2m, cột áp 3m) và đèn LED chiếu sáng 12VDC.
• Khối nút nhấn: 3 nút bấm cứng cho phép người dùng thao tác cưỡng bức trực tiếp tại tủ điều khiển.

STT	Tên linh kiện / Module	Thông số kỹ thuật chính	Số lượng
1	Module ESP8266 NodeMCU Lua CP2102	Wi-Fi 2.4 GHz 802.11 b/g/n, Flash 4MB/32MB, 10 GPIO, 1 ADC	1
2	Cảm biến DHT11	Dải đo 0–50°C (±2°C), 20–90% RH (±5% RH), chuẩn 1-wire	1
3	Module cảm biến mưa	Điện áp 5V, ngõ ra Digital (D0) và Analog (A0), IC LM393	1
4	Module cảm biến độ ẩm đất	Ngõ ra Analog/Digital, đo điện trở suất của đất	1
5	Module cảm biến ánh sáng	Sử dụng quang trở LDR, ngõ ra tín hiệu tương tự/số	1
6	Màn hình LCD 16x2 + Module I2C	Driver HD44780, giao tiếp 2 dây (SDA/SCL), nguồn 5V	1
7	Mạch giảm áp DC-DC LM2596S	Nguồn vào 3–40V, nguồn ra 1.23–37V (chỉnh biến trở), dòng max 3A	1
8	Máy bơm nước mini R385	Điện áp 6–12VDC, dòng 0.7A, lưu lượng 1.5–2 L/phút	1
9	Transistor TIP122 & Diode	Đóng cắt mạch công suất cho bơm và đèn	2
10	Phụ kiện (Nút nhấn, Header, Cầu chì, Led, Trở)	Bảo vệ ngắn mạch, báo trạng thái và đấu nối tín hiệu	1 bộ

Thiết kế phần mềm và giải thuật điều khiển

Hệ thống sử dụng các nền tảng và môi trường phần mềm:

• Altium Designer: Vẽ sơ đồ nguyên lý (Schematic), thiết kế mạch in (PCB Layout), xuất mô hình 3D và bố trí linh kiện tối ưu đường mạch.
• Arduino IDE: Soạn thảo, biên dịch mã nguồn C/C++ và nạp chương trình vào chip ESP8266 thông qua giao tiếp USB-UART.
• Giao thức NTP Server: Giúp ESP8266 tự động truy vấn thời gian thực (giờ, phút, giây) từ máy chủ Internet mà không cần gắn thêm module RTC ngoài (như DS3231).
• Firebase Realtime Database: Lưu trữ biến trạng thái, các giá trị ngưỡng nhiệt độ, độ ẩm và nhận cờ lệnh điều khiển từ xa.
• ThingSpeak: Thu thập dữ liệu định kỳ và vẽ biểu đồ biến thiên nhiệt độ, độ ẩm theo thời gian thực.
• MIT App Inventor: Lập trình ứng dụng di động Android bằng phương pháp ghép khối lệnh (Blocky), biên dịch ra file cài đặt .apk hoặc quét mã QR.

Nguyên lý hoạt động của các chế độ

• Chế độ tự động: Hệ thống kiểm tra thời gian thực từ NTP Server theo các khung giờ cài đặt trong ngày. Nếu độ ẩm đất thấp hơn ngưỡng hoặc nhiệt độ môi trường vượt ngưỡng, vi điều khiển kích hoạt máy bơm nước. Trường hợp máy bơm đang chạy mà cảm biến mưa phát hiện có nước rơi trên bề mặt tiếp xúc (mức logic chân D0 thay đổi), hệ thống lập tức ngắt bơm để chống úng. Đồng thời, khi cảm biến ánh sáng báo trời tối, đèn LED tự động được bật sáng.
• Chế độ thủ công: Người dùng có thể chủ động đóng/ngắt máy bơm và đèn bằng các nút nhấn cứng trên hộp mạch hoặc thông qua nút gạt trên giao diện App Android.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về đề tài xây dựng hệ thống IoT giám sát vườn cây

Chương mở đầu phân tích bức tranh tổng thể về ngành nông nghiệp Việt Nam, nêu bật vai trò của việc chuyển đổi từ tưới tiêu truyền thống sang tự động hóa thông minh. Tác giả xác lập rõ tính cấp thiết của đề tài, đặt ra 5 mục tiêu cốt lõi cần hoàn thành và phân chia kế hoạch thực hiện đồ án thành 12 tuần làm việc chi tiết (từ tuần 1 gặp giảng viên hướng dẫn đến tuần 12 nghiệm thu, cân chỉnh toàn hệ thống).

Chương 2: Cơ sở lý thuyết và tìm hiểu các linh kiện trong đề tài

Chương 2 trình bày khung lý thuyết về kiến trúc 4 lớp IoT và các yếu tố sinh học ảnh hưởng đến cây trồng. Nội dung trọng tâm là phân tích chi tiết sơ đồ khối hệ thống, nguyên lý hoạt động, sơ đồ chân và thông số kỹ thuật của từng linh kiện: vi điều khiển ESP8266 (các chế độ tiết kiệm năng lượng Active, Sleep, Deep-Sleep), cảm biến DHT11 (chuẩn truyền 5 byte dữ liệu), module cảm biến mưa LM393, màn hình LCD 16x2 qua giao tiếp I2C, IC giảm áp LM2596S (tần số đóng cắt 125 kHz) và máy bơm áp lực màng R385.

Chương 3: Thi công hệ thống

Chương 3 mô tả toàn bộ quy trình chế tạo phần cứng và xây dựng phần mềm:

• Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện và vẽ mạch in 2 lớp trên phần mềm Altium Designer; xuất danh mục linh kiện (BOM) và hàn gắn linh kiện thực tế lên bo mạch.
• Cài đặt gói mở rộng (package) cho ESP8266 trong Arduino IDE thông qua Board Manager.
• Xây dựng các lưu đồ thuật toán: lưu đồ chương trình chính, lưu đồ tự động bật/tắt máy bơm, lưu đồ tự động điều khiển đèn và lưu đồ đóng gói gửi dữ liệu.
• Cấu hình lấy dữ liệu đồng hồ mạng từ NTP Server.
• Khởi tạo Data Channel trên ThingSpeak, cấu hình URL API để vẽ đồ thị và kết nối Realtime Database trên Firebase.
• Thiết kế giao diện đồ họa người dùng và lập trình khối chức năng trên nền tảng MIT App Inventor, xuất file cài đặt Android APK.

Chương 4: Kết quả

Chương 4 công bố sản phẩm thực nghiệm hoàn chỉnh:

• Hình ảnh mô hình mạch điện sau khi được lắp ráp, gắn linh kiện và đóng gói an toàn trong hộp bảo vệ.
• Màn hình LCD 16x2 hiển thị chính xác các thông số nhiệt độ, độ ẩm môi trường, độ ẩm đất, trạng thái kết nối Wi-Fi, thời gian thực và các mốc thời gian hẹn giờ.
• Hệ thống cơ cấu chấp hành hoạt động đúng thuật toán: tự động bật máy bơm khi đất khô và tự tắt khi trời mưa; tự bật đèn khi cường độ ánh sáng môi trường xuống thấp.
• Giao diện ứng dụng di động Android hiển thị đồng bộ các thông số đo đạc, cho phép người dùng cấu hình ngưỡng cài đặt và điều khiển đóng cắt thiết bị trực tiếp từ xa.
• Đồ thị biến thiên nhiệt độ và độ ẩm được cập nhật liên tục, trực quan trên nền tảng ThingSpeak.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của đề tài

Chương cuối cùng tổng kết mức độ hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu so với đề cương ban đầu, khẳng định nhóm sinh viên đã làm chủ kỹ thuật lập trình nhúng trên ESP8266, thiết kế mạch điện tử Altium và xây dựng ứng dụng di động liên kết cơ sở dữ liệu đám mây. Đồng thời, nhóm tác giả đề xuất các hướng mở rộng kỹ thuật cho các giai đoạn phát triển tiếp theo.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

• Chế tạo thành công bo mạch điều khiển trung tâm tích hợp module ESP8266 NodeMCU và các mạch giao tiếp công suất, hoạt động ổn định với nguồn cấp 12VDC/2A thông qua mạch hạ áp LM2596S (5VDC).
• Thu thập và xử lý chính xác dữ liệu từ 4 loại cảm biến: DHT11 (nhiệt độ, độ ẩm không khí), module đo độ ẩm đất, module cảm biến mưa và cảm biến ánh sáng.
• Xây dựng thành công cơ chế điều khiển thông minh kết hợp: tự động bật/tắt thiết bị dựa trên ngưỡng môi trường và khung thời gian thực (đồng bộ qua NTP Server), ngắt bơm tự động khi có mưa và cho phép can thiệp thủ công linh hoạt qua nút nhấn hoặc điện thoại.
• Hoàn thiện ứng dụng di động trên nền tảng Android (xây dựng bằng MIT App Inventor) kết nối cơ sở dữ liệu Firebase và hiển thị biểu đồ phân tích trên ThingSpeak.

Đóng góp thực tiễn của đề tài

• Cung cấp một giải pháp mẫu (prototype) hoàn chỉnh, chi phí thấp cho bài toán tự động hóa nông nghiệp vi mô, có khả năng ứng dụng thực tế cho vườn cây gia đình, nhà màng hoặc khuôn viên cây cảnh.
• Tích hợp đồng bộ nhiều công nghệ hiện đại trong một thiết bị nhỏ gọn: từ thiết kế phần cứng chuyên nghiệp bằng Altium, lập trình nhúng C++ trên Arduino IDE, đồng bộ thời gian mạng không dây đến giải pháp đám mây và phần mềm di động.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

• Cảm biến DHT11 có dải đo nhiệt độ (0–50°C) và độ ẩm (20–90% RH) ở mức cơ bản với sai số còn tương đối lớn (±2°C và ±5% RH), tần số lấy mẫu giới hạn 1 Hz, chưa thực sự phù hợp với các môi trường nông nghiệp khắc nghiệt ngoài trời.
• Màn hình LCD 16x2 có mật độ điểm ảnh thấp, độ tương phản kém khi đặt dưới ánh sáng mặt trời trực tiếp.
• Mô hình mạch và cơ cấu bơm màng mini R385 chỉ phục vụ cho quy mô thử nghiệm diện tích nhỏ, chưa đáp ứng trực tiếp cho các cánh đồng canh tác công nghiệp diện tích lớn.

Hướng phát triển tiếp theo

• Nâng cấp các module cảm biến công nghiệp có độ chính xác cao hơn, khả năng chống nước và chống ăn mòn tốt hơn khi cắm lâu ngày trong đất.
• Mở rộng công suất khối thiết bị chấp hành, sử dụng các contactor/relay công nghiệp để điều khiển hệ thống tưới tiêu công suất lớn và van điện từ nhiều nhánh.
• Tối ưu hóa giao diện ứng dụng di động, bổ sung thêm các tính năng phân tích dữ liệu chuyên sâu và tích hợp thuật toán AI/Machine Learning để dự đoán nhu cầu nước tưới của từng giai đoạn sinh trưởng cây trồng.

---

Giá trị tham khảo

Báo cáo tốt nghiệp là tài liệu tham khảo hữu ích đối với:

• Sinh viên ngành Công nghệ thông tin, Robot và Trí tuệ nhân tạo, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa: Tham khảo toàn bộ quy trình thiết kế mạch nhúng IoT từ sơ đồ nguyên lý Altium, lập trình giao tiếp ESP8266 đến xử lý ngắt và truyền nhận dữ liệu.
• Người nghiên cứu hệ thống nông nghiệp thông minh (Smart Agriculture): Kế thừa tài liệu kỹ thuật về cách thức kết nối vi điều khiển với các dịch vụ đám mây (Firebase, ThingSpeak) và phương pháp xây dựng nhanh ứng dụng điều khiển Android qua MIT App Inventor mà không cần viết mã native phức tạp.
• Các phần đáng tham khảo nhất: Sơ đồ đấu nối phần cứng, sơ đồ chân các linh kiện (ESP8266, LCD I2C, LM2596S, DHT11, cảm biến mưa), các lưu đồ thuật toán điều khiển tự động và phương pháp lấy thời gian thực qua giao thức NTP Server.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống xử lý thời gian thực bằng cách nào khi không sử dụng module RTC phần cứng như DS1307 hay DS3231?

Vi điều khiển ESP8266 kết nối với mạng Wi-Fi và truy vấn dữ liệu thời gian thực (giờ, phút, giây) từ các máy chủ thời gian trên Internet thông qua giao thức NTP (Network Time Protocol), giúp tiết kiệm chi phí phần cứng và chân kết nối.

2. Khi máy bơm đang hoạt động theo lịch trình hoặc theo ngưỡng độ ẩm, nếu trời đổ mưa thì hệ thống xử lý như thế nào?

Module cảm biến mưa sẽ phát hiện nước trên bề mặt tiếp xúc và gửi tín hiệu logic qua chân D0 về ESP8266. Vi điều khiển lập tức kích hoạt lệnh ngắt máy bơm ngay lập tức nhằm tiết kiệm nước tưới và bảo vệ rễ cây không bị ngập úng.

3. Tại sao hệ thống cần sử dụng thêm module chuyển đổi I2C cho màn hình LCD 16x2?

Màn hình LCD 16x2 chuẩn HD44780 thông thường cần tối thiểu 6 chân tín hiệu vi điều khiển để giao tiếp (RS, EN, D4, D5, D6, D7). Việc tích hợp module chuyển đổi I2C giúp rút gọn đường giao tiếp xuống chỉ còn 2 dây tín hiệu (SDA và SCL), tiết kiệm tối đa tài nguyên chân GPIO cho vi điều khiển ESP8266.

4. Dữ liệu nhiệt độ và độ ẩm được lưu trữ và trực quan hóa qua những nền tảng nào?

Hệ thống sử dụng đồng thời hai nền tảng đám mây: Google Firebase Realtime Database dùng để lưu trữ trạng thái, đồng bộ các thông số cài đặt ngưỡng và nhận lệnh điều khiển từ ứng dụng Android; nền tảng ThingSpeak dùng để thu thập chuỗi dữ liệu định kỳ và vẽ biểu đồ biến thiên nhiệt độ, độ ẩm theo thời gian thực.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Xây dựng hệ thống IoT giám sát vườn cây" của nhóm sinh viên Lê Tấn Hoàng Xuân Lãm và Trương Thanh Vỹ (Trường Đại học Bình Dương) đã giải quyết trọn vẹn bài toán ứng dụng công nghệ IoT vào tự động hóa chăm sóc cây trồng. Đề tài đã thiết kế và thi công thành công phần cứng mạch điều khiển trung tâm dựa trên vi điều khiển ESP8266, tích hợp đa dạng cảm biến môi trường kết hợp với cơ cấu tưới tiêu và chiếu sáng tự động. Sản phẩm không chỉ vận hành ổn định trên mô hình thực tế mà còn hoàn thiện giải pháp giám sát đa kênh thông qua màn hình LCD tại chỗ, dịch vụ đám mây Firebase/ThingSpeak và ứng dụng di động Android. Đây là tài liệu kỹ thuật có tính ứng dụng cao, cung cấp cơ sở thực hành giá trị cho các nghiên cứu phát triển nông nghiệp thông minh quy mô vừa và nhỏ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tổng quan về đề tài đo đạc được các thông số nhiệt độ, độ ẩm, mưa, …gửi lên App Android (được xây dựng từ MIT App Inventor) nếu các thông số nhiệt độ, độ ẩm vượt ngưỡng cho phép (các ngưỡng có thể cài đặt được tùy vào mục đích sử dụng) thì sẽ bật tắt máy bơm thông qua các ngưỡng thời gian đã được cài đặt trong ngày (thời gian có thể thay đổi được tùy vào mục đích sử dụng), nếu máy bơm đang bật phát hiện mưa thì máy bơm sẽ tắt, có thể bật tắt máy bơm thủ công bằng tay hoặc bật tắt máy bơm thông qua App Android (được xây dựng từ MIT App Inventor), hiển thị các thông số lên LCD 16x2 và App Android (được xây dựng từ MIT App Inventor). Trần Trọng Tuyên 4 Nhóm SVTH: Lê Tấn Hoàng Xuân Lãm Trương Thanh Vỹ Đồ án tốt nghiệp Chương 2. Cơ sở lý thuyết CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ TÌM HIỂU CÁC LINH KIỆN TRONG ĐỀ TÀI 2. Giới thiệu chương. Trong chương này nhóm em sẽ trình bày về ứng dụng của IOT trong chăm sóc vườn cây, yếu tố nhiệt độ, độ ẩm ảnh hưởng đến sự phát triển của cây trồng, sơ đồ khối, nguyên lý hoạt động, tìm hiểu tổng quan về phần cứng phần mềm, từ đó đưa ra những linh kiện, module có thể ứng dụng vào hệ thống và xây dựng sơ đồ khối cho các chức năng thực hiện. Ứng dụng IOT trong việc chăm sóc cây trồng 2.

Giới thiệu Từ khi lần đầu được giới thiệu cách đây gần 20 năm, cho tới hiện nay các ứng dụng IOT là một trong những mảng công nghệ phát triển nhất trong cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, nó xuất hiện và tác động tích cực tới từng ngành, từng lĩnh vực trong đó có ngành nông nghiệp.Ứng dụng IOT trong nông nghiệp góp phần tạo nên một môi trường sản xuất năng động, khoa học và giải phóng sức lao động, tăng năng suất, mang lại hiệu quả kinh tế cao, giúp nâng cao tính chuyên nghiệp và cải thiện bộ mặt cho cho nền nông nghiệp trong tương lai gần.1: Minh họa về ứng dụng IOT trong nông nghiệp. Trần Trọng Tuyên 5 Nhóm SVTH: Lê Tấn Hoàng Xuân Lãm Trương Thanh Vỹ Đồ án tốt nghiệp Chương 2. Cấu trúc cơ bản của một hệ thống ứng dụng công nghệ IOT Kiến trúc của IOT gồm bốn thành phần cơ bản chính gồm: Vạn vật (Things), Trạm kết nối (Gateways), Hạ tầng mạng (Internet) và cuối cùng là lớp dịch vụ (Service). Vạn vật (Things): Ngày nay có vô vàn vật dụng đang hiện hữu trong cuộc sống, ở trên các khu canh tác, ở trong nhà hoặc trên chính các thiết bị lưu động của người dùng.

Giải pháp IoT giúp các thiết bị thông minh được sàng lọc, kết nối và quản lý dữ liệu của đối tượng nông nghiệp một cách cục bộ, còn các thiết bị chưa thông minh thì có thể kết nối được thông qua các trạm kết nối. Từ đó, các thiết bị, vật dụng sẽ có thể thực hiện nhiệm vụ của mình đối với đối tượng nông nghiệp cần quản lý. Trạm kết nối (Gateways): Các trạm kết nối sẽ đóng vai trò là một vùng trung gian trực tiếp, cho phép các vật dụng có sẵn này kết nối với điện toán đám mây một cách bảo mật và dễ dàng quản lý. Gateways có thể là một thiết bị vật lý hoặc là một phần mềm được dùng để kết nối giữa Cloud (điện toán đám mây) và bộ điều khiển, các cảm biến, các thiết bị thông minh.

Hạ tầng mạng (Internet): Internet là một hệ thống toàn cầu của nhiều mạng IP được kết nối với nhau và liên kết với hệ thống máy tính. Cơ sở hạ tầng mạng này bao gồm thiết bị định tuyến, trạm kết nối, thiết bị tổng hợp, thiếp bị lặp và nhiều thiết bị khác có thể kiểm soát lưu lượng dữ liệu lưu thông và cũng được kết nối đến mạng lưới viễn thông và cáp - được triển khai bởi các nhà cung cấp dịch vụ. Lớp dịch vụ (Service): Là các ứng dụng được các hãng công nghệ, hoặc thậm chí người dùng tạo ra để dễ dàng sử dụng các sản phẩm IOT một cách hiệu quả và tận dụng được hết giá trị của sản phẩm. Trần Trọng Tuyên 6 Nhóm SVTH: Lê Tấn Hoàng Xuân Lãm Trương Thanh Vỹ Đồ án tốt nghiệp Chương 2.

Cơ sở lý thuyết Hình 2.2: Bốn cấu phần cơ bản của một hệ thống IOT 2. Các yếu tố nhiệt độ, độ ẩm đất ảnh hưởng đến sự phát triển của cây trồng. Nhiệt độ ảnh hưởng đến sự phát triển của cây trồng. Nhiệt độ ảnh hưởng tới sự phát triển của cây trồng là rất lớn.

Nó quyết định tới 70% chất lượng và sản lượng canh tác. Nhiệt độ giới hạn cho sự tồn tại của sinh vật là khoảng -35o đến +75o C. Tuy nhiên, khoảng nhiệt độ thích hợp nhất cho sự sinh trưởng và phát triển của phần lớn cây trồng nông nghiệp chỉ biến thiên trong khoảng nhiệt độ hẹp hơn; có thể từ 15-40oC. Ở nhiệt độ cao hay thấp hơn khoảng giới hạn này thì sự sinh trưởng sẽ bị giảm 1 cách nhanh chóng.

Nhiệt độ tối hảo cho sự sinh trưởng khác nhau tùy theo giống hay loài, tùy theo thời gian tác động của nhiệt độ, tuổi cây, thời kỳ phát triển, và các ngưỡng sinh trưởng riêng biệt được dùng để đánh giá khả năng hoàn thành chu kỳ sống, sự hấp thu nước và dinh dưỡng, hô hấp, khả năng thấm của màng tế bào, và sự tổng hợp protein. Trong điều kiện nhiệt độ cao, sự mất nước do thoát hơi có thể vượt quá lượng nước hấp thu vào, và hậu quả là cây bị héo. Sự hấp thu nước của rễ cây chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ, trong môi trường nhiệt độ tăng cao thì sự hấp thu nước của rễ tăng. Nhiệt độ đất thấp cũng có thể ảnh hưởng bất lợi đến sự sinh trưởng của cây do ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự hấp thụ nước.

Nếu nhiệt độ đất thấp mà sự thoát hơi cao, thì cây trồng có thể bị tổn thương do các mô bị mất nước. Ẩm độ đất cũng có thể bị ảnh hưởng do nhiệt độ, thời tiết nóng không bình thường sẽ làm cho sự bốc hơi nước nhanh hơn từ mặt đất. Nhiệt độ cũng GVHD: Ths. Trần Trọng Tuyên 7 Nhóm SVTH: Lê Tấn Hoàng Xuân Lãm Trương Thanh Vỹ Đồ án tốt nghiệp Chương 2.

Cơ sở lý thuyết gây ảnh hưởng một cách gián tiếp đến sự sinh trưởng của cây, do ảnh hưởng của nhiệt độ đến dân số vi sinh vật trong đất. Sự hoạt động của các vi khuẩn chuyển hoá N, cũng như phần lớn sinh vật tự dưỡng, tăng theo sự tăng nhiệt độ. pH đất cũng có thể thay đổi theo nhiệt độ, và pH lại ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của cây trồng. Ảnh hưởng của độ ẩm đất đến sự phát triển của cây trồng.

Nước là yếu tố vô cùng quan trọng cho sự phát triển của cây trồng. Cây trồng sống và phát triển được nhờ chất dinh dưỡng trong đất và được nước hòa tan, đưa lên cây qua hệ thống rễ. Nước giúp cây trồng thực hiện các quá trình vận chuyển các chất khoáng trong đất giúp điều kiện quang hợp, hình thành sinh khối tạo nên sự sinh trưởng của cây trồng. Vì vậy trong đất cần có một độ ẩm thích hợp để cây trồng hút được dễ dàng.

Đất ngập úng hay thiếu nước đều ảnh hưởng không tốt cho sự sinh trưởng của cây trồng. Cây trồng bị ngập nước dẫn đến các tế bào rễ không hô hấp được. Nên không cung cấp đủ oxy cho hoạt động của các tế bào rễ cùng với việc tích lũy các chất độc hại. Do đó, sẽ làm chết đi các lông hút ở rễ, không thể hình thành được lông hút mới.

Cây không thể hút nước nên lâu ngày sẽ dẫn đến héo và chết cây. Cây yêu cầu đất phải có độ ẩm thích hợp. Đảm bảo sức giữ nước của đất luôn luôn bé hơn sức hút nước của cây và đất có tính thấm nước tốt để độ ẩm đó nhanh chóng chuyển đến cung cấp cho cây trồng. Độ ẩm đất thích hợp trong tầng đất bộ rễ hoạt động thay đổi theo yêu cầu sinh lý của từng loại cây trồng.

Qua các thời kỳ sinh trưởng khác nhau đối với cây trồng cạn. Giới hạn trên của độ ẩm thích hợp thường trùng với độ chứa ẩm tối đa của đất. Phụ thuộc vào thành phần cơ giới và kết cấu đất, nằm trong phạm vi từ 70 – 85%. Giới hạn dưới thích hợp dao động xung quanh độ ẩm 60 – 70% độ chứa ẩm tối đa của đất.

Lượng nước tưới cần tăng theo quá trính sinh trưởng. Đat đến mức tối đa khi cây có khối lượng thân lá lớn nhất nhưng khác nhau tùy theo loại cây trồng: + Những cây lấy hạt nhu cầu nước nhiều nhất ở thời kỳ hình thành các cơ quan sinh sản. + Những loại cây lấy củ nhu cầu nước nhiều nhất ở thời kỳ phát triển củ. Ở thời kỳ này, cây tiêu thụ nước với hiệu suất tích lũy chất khô cao nhất.

Và nước đóng vai trò quyết định đến năng suất cuối cùng. Trần Trọng Tuyên 8 Nhóm SVTH: Lê Tấn Hoàng Xuân Lãm Trương Thanh Vỹ Đồ án tốt nghiệp Chương 2. Cơ sở lý thuyết + Cây rau yêu cầu nước nước trong suốt quá trình sinh trưởng. Tưới nước còn ảnh hưởng đến hoạt động sinh học trong đất.

Độ ẩm đất thích hợp cho các vi sinh vật hoạt động gần với giới hạn nhiệt độ cần thiết cho cây trồng. Ở độ ẩm cây héo thì hoạt động của vi sinh vật bị trì trệ. Độ ẩm 80 – 95% của sức chứa ẩm tối đa đồng ruộng là giới hạn thích hợp cho nấm và xạ khuẩn hoạt động. Vi khuẩn phân giải Cellulose cũng hoạt động mạnh ở giới hạn độ ẩm 85 – 90% độ chứa ẩm tối đa.

Độ ẩm còn ảnh hưởng hoạt động của vi khuẩn nốt sần, Trong vùng khô hạn, nốt sần của rễ cây họ đậu gần như không hoạt động được. Nhưng tưới đủ ẩm thì quá trình này tiến hành bình thường. Dinh dưỡng đạm của cây trồng được tăng cường hơn. Xây dựng sơ đồ khối cho hệ thống.

Thingspeak App Android Khối nút nhấn Khối xử lý Khối thu thập dữ trung tâm liệu cảm biến Firebase ESP8266 Khối công xuất Khối LCD 16x2 Khối nguồn Khối thiết bị Hình 2.3: Sơ đồ khối của hệ thống GVHD: Ths. Trần Trọng Tuyên 9 Nhóm SVTH: Lê Tấn Hoàng Xuân Lãm Trương Thanh Vỹ Đồ án tốt nghiệp Chương 2.