Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh nền nông nghiệp Việt Nam đang từng bước chuyển dịch từ phương thức canh tác truyền thống dựa vào kinh nghiệm thủ công sang ứng dụng khoa học kỹ thuật, việc tự động hóa quá trình giám sát và điều khiển môi trường vi khí hậu đóng vai trò then chốt nhằm nâng cao năng suất và chất lượng nông sản. Nấm rơm (Volvariella volvacea) là loại thực phẩm có giá trị dinh dưỡng và dược tính cao (chứa khoảng 45% protein, 60 nguyên tố khoáng, 19 loại axit amin cùng các vitamin B1, B6, B12...). Tuy nhiên, phương pháp trồng nấm rơm ngoài trời truyền thống phụ thuộc lớn vào thời tiết, dễ phát sinh dịch bệnh, thối chân nấm và tỷ lệ hao hụt cao.

Mô hình nhà kính và nhà màng công nghệ cao cho phép cách ly mầm bệnh và kiểm soát các yếu tố sinh trưởng, song chi phí đầu tư thực tế thường cao gấp 5 đến 10 lần so với canh tác thông thường, đồng thời dễ phát sinh ẩm mốc nếu không có hệ thống kiểm soát môi trường chuẩn xác. Đề tài "Thiết kế và thi công mô hình giám sát và điều khiển mô hình trồng nấm rơm" được thực hiện bởi nhóm sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử Truyền thông (Chuyên ngành Điện tử Công nghiệp – Y sinh, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh) nhằm giải quyết bài toán tự động hóa môi trường nuôi trồng nấm rơm quy mô mô hình thông qua nền tảng vi điều khiển kết hợp Internet of Things (IoT).

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của đồ án là xây dựng một bộ điều khiển giám sát quy trình trồng nấm rơm, có khả năng tự động ổn định nhiệt độ, độ ẩm thông qua hệ thống quạt gió và phun sương siêu âm; thu thập và truyền dữ liệu (nhiệt độ, độ ẩm, số lượng sản phẩm, trạng thái thiết bị) lên máy chủ Web; đồng thời phát cảnh báo qua tin nhắn SMS khi phát sinh sự cố kỹ thuật.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân định thành 9 nội dung cụ thể:

  1. Nghiên cứu cấu tạo phần cứng, nguyên lý hoạt động của các module vi điều khiển và cảm biến: Arduino Nano, NodeMCU ESP8266, DHT11, cảm biến mực nước và IC đệm dòng ULN2803.
  2. Nghiên cứu lập trình Webserver, giao diện HTML, xử lý kịch bản PHP và hệ quản trị cơ sở dữ liệu MySQL.
  3. Đề xuất giải pháp thiết kế hệ thống và phương án thi công mô hình phần cứng.
  4. Thiết kế hệ thống điều khiển, xây dựng lưu đồ giải thuật và lập trình phần mềm điều khiển.
  5. Thi công hoàn chỉnh mô hình thực tế và mạch in.
  6. Chạy thử nghiệm toàn bộ hệ thống.
  7. Cân chỉnh các thông số hoạt động của cảm biến và cơ cấu chấp hành.
  8. Soạn thảo thuyết minh đồ án tốt nghiệp.
  9. Bảo vệ đề tài tốt nghiệp trước hội đồng chuyên môn.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Quy trình giám sát, điều khiển các yếu tố vi khí hậu (nhiệt độ, độ ẩm không khí) và cảnh báo mực nước phục vụ sinh trưởng nấm rơm.
  • Phạm vi chức năng: Giới hạn ở khâu chăm sóc nấm rơm trong mô hình và đếm sản phẩm đóng gói; gửi dữ liệu lên Web và hiển thị tại chỗ qua màn hình LCD; gửi SMS cảnh báo khi nhiệt độ vượt ngưỡng hoặc theo yêu cầu tra cứu của người dùng.
  • Phạm vi không gian và phần cứng: Mô hình thực nghiệm có kích thước vật lý $60 \times 40 \times 40\text{ cm}$, thiết kế điều khiển phân chia thành 2 khu vực riêng biệt với các thiết bị công suất nhỏ nhằm tối ưu thời gian đáp ứng nhiệt - ẩm.
  • Thời gian thực hiện: Từ ngày 18/02/2019 đến ngày 10/06/2019.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết sinh học nông nghiệp và công nghệ

Hệ thống điều khiển được thiết kế dựa trên các yêu cầu sinh học nghiêm ngặt của nấm rơm và nền tảng kỹ thuật điện tử - viễn thông:

  • Đặc tính sinh học nấm rơm: Chu kỳ nuôi trồng kéo dài từ 25 đến 30 ngày (thu hoạch đợt 1 sau 15–17 ngày đạt 70–80% năng suất; đợt 2 sau đó 7–8 ngày đạt 15–25% năng suất). Nhiệt độ tối ưu cho sợi nấm phát triển là 30–32°C, độ ẩm nguyên liệu 65–75%, độ ẩm không khí 80%, pH = 7. Giai đoạn ủ mô ban đầu nhiệt độ đạt 38–40°C.
  • Nền tảng xử lý và truyền thông:
    • Vi điều khiển trung tâm: Arduino Nano tích hợp vi điều khiển ATmega328 (8-bit, xung nhịp 16 MHz, bộ nhớ Flash 32 KB, SRAM 2 KB, EEPROM 1 KB, 14 chân Digital I/O, 8 chân Analog).
    • Truyền thông không dây: NodeMCU ESP8266 (ESP-12E SoC Wi-Fi, chip nạp UART CP2102, hoạt động ở mức logic 3.3V) đóng vai trò kết nối mạng Internet qua Wi-Fi Client/Access Point.
    • Chuẩn giao tiếp phần cứng: UART (truyền nối tiếp bất đồng bộ giữa Arduino và NodeMCU qua các chân chéo Tx-Rx, chung mass GND); I2C (mô hình Master-Slave giao tiếp qua 2 đường SDA, SCL kéo lên nguồn qua điện trở $1\text{ k}\Omega - 4.7\text{ k}\Omega$ để điều khiển LCD địa chỉ 0x27); One-Wire (giao tiếp 1 dây với các khe thời gian $60\ \mu\text{s}$ đọc dữ liệu cảm biến DHT11).
    • Hạ tầng Web và CSDL: Nền tảng 000webhost hỗ trợ Apache, PHP và phpMyAdmin/MySQL; dịch vụ trung gian IFTTT kết nối Webhooks để kích hoạt gửi tin nhắn SMS cảnh báo.

Phương pháp nghiên cứu

Tác giả sử dụng kết hợp các phương pháp:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Thu thập tiêu chuẩn kỹ thuật nuôi trồng nấm rơm truyền thống, mô hình nhà kính nông nghiệp và tài liệu kỹ thuật của các linh kiện điện tử.
  • Phương pháp thiết kế kỹ thuật: Thiết kế sơ đồ khối, tính toán phân bổ công suất nguồn, thiết kế sơ đồ nguyên lý và layout mạch in (PCB) cho khối điều khiển trung tâm và khối hiển thị.
  • Phương pháp thực nghiệm - kiểm thử: Thi công mô hình kích thước thực tế, nạp chương trình vi điều khiển và kịch bản Web; đo đạc sai số cảm biến và kiểm tra đáp ứng của các cơ cấu chấp hành khi môi trường thay đổi.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được tổ chức thành các khối chức năng liên kết chặt chẽ với nhau từ tầng thu thập tín hiệu, tầng điều khiển logic đến tầng giám sát từ xa.

                    +--------------------+
                    |  Khối Webserver   |
                    | (000webhost/MySQL) |
                    +---------+----------+
                              | (HTTP/Internet)
                    +---------+----------+
                    | Khối giao tiếp     |
                    | NodeMCU ESP8266    |
                    +---------+----------+
                              | (UART)
+----------------+  +---------+----------+  +--------------------+
| Khối cảm biến  |->| Khối điều khiển    |->| Khối hiển thị      |
| (DHT11, Mực    |  | trung tâm          |  | (LCD 16x2 I2C,     |
|  nước LM393)   |  | (Arduino Nano)     |  |  Buzzer, Button)   |
+----------------+  +---------+----------+  +--------------------+
                              | (Logic 5V)
                    +---------+----------+
                    | Khối đệm công suất |
                    | (IC ULN2803)       |
                    +---------+----------+
                              |
                    +---------+----------+
                    | Khối Relay 12V     |
                    +---------+----------+
                              |
                    +---------+----------+
                    | Khối chấp hành     |
                    | (Phun sương, Đèn   |
                    |  sấy, Quạt, Đèn    |
                    |  báo mực nước)     |
                    +--------------------+

Thông số kỹ thuật của các linh kiện và cơ cấu chấp hành

Khối chức năng Linh kiện / Thiết bị Thông số kỹ thuật chính Vai trò trong hệ thống
Xử lý trung tâm Arduino Nano (ATmega328) $5\text{V DC}$, 16 MHz, 14 Digital I/O, 8 Analog I/O Đọc cảm biến, xử lý thuật toán, điều khiển relay và hiển thị
Giao tiếp Wi-Fi NodeMCU ESP8266 Wi-Fi SoC 2.4 GHz, Logic 3.3V, tích hợp CP2102 Cầu nối truyền nhận dữ liệu giữa Arduino và Webserver
Cảm biến nhiệt - ẩm DHT11 Dải đo ẩm 20–80% RH ($\pm 5%$), nhiệt độ 0–50°C ($\pm 2^\circ\text{C}$), giao tiếp 1-Wire Đo thông số vi khí hậu trong buồng trồng
Cảm biến mực nước Module điện cực + LM393 Điện áp $3.3\text{V} - 5\text{V}$, độ phân giải 10-bit, tích hợp IC so sánh LM393 Cảnh báo cạn nước bể phun sương siêu âm
Đệm dòng điều khiển IC ULN2803 Mảng 8 cặp Darlington NPN cực góp hở, $I_{C\max} = 500\text{ mA}$, $V_{CE\max} = 50\text{V}$ Kích đóng ngắt cuộn dây Relay 12V từ tín hiệu Arduino
Đóng ngắt công suất Relay 12VDC Điện áp cuộn hút 12V, tiếp điểm NO/NC, LED chỉ thị trạng thái Cách ly mạch điều khiển và đóng điện cho tải
Tạo ẩm Đầu phun sương HB20-12 $24\text{V AC/DC}$, tấm dò $\Phi 20\text{ mm}$, lưu lượng $450\text{ mL/h}$, tần số $1.7\text{ MHz}$ Tăng độ ẩm không khí khi độ ẩm thực tế dưới ngưỡng
Gia nhiệt Đèn sợi đốt Công suất $65\text{W}$, điện áp $220\text{V AC}$ Tăng nhiệt độ mô hình khi thời tiết lạnh
Thông gió - hạ nhiệt Quạt tản nhiệt DC $5\text{V DC}$, kích thước $6 \times 6 \times 1.5\text{ cm}$ Hút thông gió, giảm nhiệt độ và thoát ẩm
Cảnh báo mực nước Đèn báo $\Phi 16$ $24\text{V DC}$, đường kính lỗ khoét $16\text{ mm}$ Phát sáng cảnh báo khi mực nước dưới $15\text{ mm}$
Cảnh báo sự cố Còi Buzzer $5\text{V DC}$, dòng tiêu thụ $<25\text{ mA}$, âm lượng $>80\text{ dB}$, tần số $2300\text{ Hz}$ Kêu báo động khi nhiệt độ vượt quá 40°C
Nguồn cấp LM2596 + Adapter 12V/24V Adapter 12V 2A (mạch điều khiển), Adapter 24V 2A (tải 24V), Module hạ áp LM2596 Cung cấp điện áp ổn định $5\text{V}$, $12\text{V}$, $24\text{V}$

Cơ chế hoạt động và các chế độ điều khiển

Hệ thống được thiết kế với 3 chế độ vận hành chính:

  1. Chế độ Nuôi tơ (Tự động): Thiết lập cố định các ngưỡng vi khí hậu tối ưu cho giai đoạn phát triển hệ sợi nấm: nhiệt độ duy trì ở mức $t = 32^\circ\text{C}$, độ ẩm không khí duy trì ở mức $A_o = 95%$. Người dùng không thể can thiệp thay đổi giá trị này trên giao diện cố định.
  2. Chế độ Quả thể (Tự động): Thiết lập cố định các ngưỡng vi khí hậu cho giai đoạn hình thành quả thể nấm: nhiệt độ duy trì ở mức $t = 30^\circ\text{C}$, độ ẩm không khí duy trì ở mức $A_o = 85%$.
  3. Chế độ Tay (Thủ công): Cho phép người vận hành tự do cài đặt ngưỡng nhiệt độ và độ ẩm tùy ý thông qua nút bấm trên mô hình hoặc qua thanh điều khiển trên giao diện Website.

Thuật toán an toàn và xử lý sự cố

  • Bảo vệ quá nhiệt: Khi cảm biến DHT11 đo được nhiệt độ mô hình vượt ngưỡng an toàn ($t > 40^\circ\text{C}$), Arduino lập tức ngắt toàn bộ relay điều khiển các tải chấp hành, kích hoạt còi Buzzer kêu liên tục và gửi tín hiệu sang NodeMCU để kích hoạt IFTTT gửi tin nhắn SMS cảnh báo khẩn cấp đến số điện thoại người quản lý.
  • Bảo vệ mất kết nối Internet: Khi mô hình đang hoạt động theo lệnh điều khiển từ xa qua giao diện Web mà đường truyền mạng gặp sự cố ngắt quãng, hệ thống sẽ tự động khôi phục về chế độ tự động gần nhất để duy trì môi trường sống cho nấm, đồng thời phát lệnh SMS cảnh báo mất kết nối.
  • Bảo vệ thiết bị tạo ẩm: Đầu phun sương siêu âm yêu cầu độ ngập nước từ 15 đến 35 mm. Khi cảm biến mực nước phát hiện bể chứa cạn dưới ngưỡng, mạch sẽ ngắt nguồn đầu phun sương và kích hoạt đèn báo phi 16 (24V) để tránh cháy đầu phát siêu âm.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày lý do chọn đề tài xuất phát từ thực trạng sản xuất nông nghiệp lạc hậu, năng suất nấm rơm thấp và sự phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên. Tác giả xác định mục tiêu thiết kế bộ điều khiển giám sát nhiệt độ, độ ẩm, quản lý sản phẩm và tích hợp cảnh báo qua Web/SMS; vạch rõ 9 nội dung nghiên cứu kỹ thuật; đồng thời nêu rõ các giới hạn về kích thước mô hình ($60 \times 40 \times 40\text{ cm}$), phạm vi giám sát khâu chăm sóc và đóng gói.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 tổng hợp cơ sở khoa học về quy trình trồng nấm rơm truyền thống (xử lý rơm bằng nước vôi 3.5 kg vôi/1000 lít nước, đóng mô 4 lớp cấy 200–250g meo giống/1.2m mô, chu kỳ sinh trưởng 25–30 ngày, năng suất 120–200 kg nấm tươi/1 tấn rơm khô). Chương này cũng phân tích cấu trúc các loại nhà kính, nhà màng polyetylen và nhà lưới kín; giới thiệu tổng quan kiến trúc phần cứng vi điều khiển Arduino (dòng ATmega, cổng nạp bootloader, chuẩn shield); mô hình mạng IoT và địa chỉ định danh IPv6; nguyên lý hoạt động của Webserver (tên miền, web hosting, MySQL, PHP); cùng chi tiết 3 giao thức truyền thông: UART, I2C và One-Wire.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 chi tiết hóa sơ đồ khối toàn hệ thống và tính toán lựa chọn linh kiện. Tác giả phân tích lý do lựa chọn Arduino Nano làm khối xử lý trung tâm, NodeMCU ESP8266 làm khối truyền thông Wi-Fi, LCD 16x2 kèm module I2C và IC ổn áp 7805 cho khối hiển thị. Phần tính toán mạch đã xác định việc sử dụng IC đệm dòng ULN2803 để cách ly và cấp dòng điều khiển cho cuộn hút Relay 12V, tính toán giá trị điện trở hạn dòng cho LED chỉ thị trạng thái Relay: $$R_{led} = \frac{V_{cc} - V_{led}}{I_{led}} = \frac{12\text{V} - 2\text{V}}{10\text{mA}} = 1000\ \Omega$$ Chương này cũng tính toán công suất nguồn tiêu thụ của mạch điều khiển và khối tải chấp hành để lựa chọn adapter 12V 2A và adapter 24V 2A kết hợp mạch hạ áp LM2596.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả toàn bộ quy trình chế tạo phần cứng và xây dựng phần mềm:

  • Thi công phần cứng: Vẽ mạch in và lắp ráp PCB cho khối điều khiển trung tâm, khối điều khiển trực tiếp và hiển thị; gia công khung mô hình thực tế.
  • Lập trình hệ thống: Xây dựng lưu đồ thuật toán cho Arduino Nano và NodeMCU ESP8266; lập trình trên Arduino IDE và soạn thảo mã nguồn web bằng Notepad++; tạo cơ sở dữ liệu trên 000webhost và cấu hình dịch vụ webhook trên IFTTT để định tuyến tin nhắn SMS.
  • Tài liệu hướng dẫn: Trình bày chi tiết các thao tác vận hành trên màn hình LCD, nút bấm cơ khí và hướng dẫn truy cập trang web điều khiển.

Chương 5: Kết quả - Nhận xét - Đánh giá

Chương 5 công bố các kết quả thực nghiệm đạt được sau khi chạy thử nghiệm mô hình hoàn chỉnh:

  • Mô hình vận hành ổn định trên cả 2 khu vực kiểm soát độc lập.
  • Giao diện web trực quan gồm trang đăng nhập, trang chủ theo dõi thông số thời gian thực, bảng lưu trữ dữ liệu khu 1, trang thống kê sản lượng đóng gói, trang điều khiển thiết bị và trang tương tác điều khiển bằng giọng nói.
  • Hệ thống thực hiện chính xác các kịch bản an toàn: tự động ngắt tải sấy khi đạt nhiệt độ, ngắt toàn bộ hệ thống và hú còi buzzer đồng thời gửi tin nhắn SMS cảnh báo khi nhiệt độ buồng trồng vượt quá 40°C.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết mức độ hoàn thành các mục tiêu đề ra ban đầu, đánh giá ưu điểm về khả năng vận hành tự động, chi phí thấp và giao diện thân thiện. Đồng thời, tác giả thẳng thắn chỉ ra các hạn chế về quy mô mô hình nhỏ và đề xuất các giải pháp nâng cấp trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Chế tạo hoàn chỉnh mô hình thực nghiệm: Xây dựng mô hình vật lý kích thước $60 \times 40 \times 40\text{ cm}$ tích hợp đầy đủ mạch điều khiển trung tâm, mạch hiển thị, hệ thống dây dẫn, cảm biến và các cơ cấu chấp hành (đèn sưởi 65W, quạt hút 5V, phun sương siêu âm HB20-12, đèn báo mực nước).
  • Xây dựng hệ thống phần mềm nhúng và Web giám sát:
    • Lập trình nhúng thành công cho Arduino Nano và NodeMCU ESP8266 giao tiếp mượt mà qua UART.
    • Triển khai hệ thống Webserver trên máy chủ 000webhost, lưu trữ lịch sử tham số môi trường vào cơ sở dữ liệu MySQL.
    • Tích hợp thành công chức năng điều khiển bằng giọng nói trên giao diện Web.
    • Cấu hình thành công dịch vụ Webhooks - IFTTT để kích hoạt gửi SMS cảnh báo sự cố đến người dùng.
  • Đáp ứng kịch bản vận hành: Hệ thống tự động duy trì môi trường theo 2 chế độ sinh trưởng định sẵn ($32^\circ\text{C} - 95%$ cho giai đoạn nuôi tơ; $30^\circ\text{C} - 85%$ cho giai đoạn quả thể) và cho phép chuyển đổi linh hoạt sang chế độ chỉnh tay.

Đóng góp của đề tài

  • Đề xuất một giải pháp kỹ thuật chi phí thấp nhằm giải quyết bài toán giám sát vi khí hậu nông nghiệp bằng cách kết hợp vi điều khiển 8-bit giá rẻ (Arduino Nano) với module Wi-Fi SoC (NodeMCU ESP8266) thay vì sử dụng các bộ điều khiển PLC công nghiệp đắt tiền.
  • Tích hợp đa dạng các phương thức giao tiếp người - máy: từ nút bấm và màn hình LCD tại chỗ, giao diện đồ họa Web từ xa, tính năng nhận dạng giọng nói, đến cơ chế cảnh báo tự động qua mạng viễn thông (SMS).
  • Cung cấp sơ đồ thiết kế mạch nguyên lý, mạch in và lưu đồ giải thuật hoàn chỉnh, có thể ứng dụng làm tài liệu tham khảo cho các mô hình tự động hóa nông nghiệp quy mô nhỏ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận trong văn bản

  • Mô hình mới chỉ dừng lại ở quy mô thử nghiệm phòng lab với kích thước hạn chế ($60 \times 40 \times 40\text{ cm}$), sử dụng các thiết bị chấp hành công suất nhỏ nên chưa phản ánh hết độ trễ nhiệt và quán tính nhiệt - ẩm trong nhà kính thực tế diện tích lớn.
  • Cảm biến DHT11 có dải đo và độ chính xác ở mức cơ bản (sai số nhiệt độ $\pm 2^\circ\text{C}$, sai số độ ẩm $\pm 5%$), tốc độ lấy mẫu chậm, độ bền trong môi trường độ ẩm cao chưa được kiểm chứng dài hạn.
  • Hệ thống máy chủ Web sử dụng nền tảng lưu trữ miễn phí (000webhost), phụ thuộc vào kết nối Internet bên ngoài và dịch vụ trung gian IFTTT nên có độ trễ nhất định khi truyền nhận dữ liệu hoặc gửi tin nhắn.
  • Phạm vi đề tài chỉ tập trung vào khâu chăm sóc và đếm sản phẩm đóng gói, chưa can thiệp sâu vào các công đoạn xử lý rơm, ủ vôi và cấy giống.

Hướng phát triển đề xuất

  • Nâng cấp các cảm biến công nghiệp chuyên dụng có độ chính xác cao, dải đo rộng và khả năng chống ẩm, chống oxy hóa tốt hơn.
  • Mở rộng quy mô điều khiển ra các nhà màng, nhà kính thực tế với diện tích canh tác lớn hơn, nâng cấp công suất thiết bị chấp hành (hệ thống phun sương áp lực cao, quạt thông gió công nghiệp).
  • Triển khai máy chủ Web và cơ sở dữ liệu riêng cục bộ hoặc máy chủ đám mây chuyên dụng có độ bảo mật cao, giảm độ trễ phản hồi và giảm phụ thuộc vào các dịch vụ miễn phí của bên thứ ba.
  • Nghiên cứu ứng dụng các thuật toán điều khiển hiện đại (như điều khiển mờ Fuzzy Logic, PID) để kiểm soát vi khí hậu mượt mà hơn, tránh hiện tượng đóng ngắt relay liên tục gây hao mòn thiết bị.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án này mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho các đối tượng sau:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện tử, Tự động hóa, Điện tử Truyền thông và IoT: Tham khảo cách thiết kế sơ đồ nguyên lý phân tách khối điều khiển và khối công suất; kỹ thuật đệm dòng bằng IC ULN2803 điều khiển Relay; phương thức kết nối truyền thông UART giữa Arduino và ESP8266; cũng như cách tổ chức lưu đồ giải thuật cho hệ thống nhúng.
  • Sinh viên và người nghiên cứu Nông nghiệp công nghệ cao: Nắm bắt các thông số sinh học tiêu chuẩn và điều kiện môi trường vi khí hậu tối ưu cho từng chu kỳ sinh trưởng của nấm rơm (từ xử lý rơm, cấy meo, nuôi tơ đến thu hái quả thể).
  • Kỹ sư phát triển hệ sinh thái IoT chi phí thấp: Tham khảo giải pháp kết nối phần cứng vi điều khiển lên Webserver qua PHP/MySQL và cấu hình dịch vụ IFTTT Webhook để phát thông báo qua SMS.

Câu hỏi thường gặp

1. Các thông số môi trường tối ưu được cài đặt tự động cho nấm rơm trong đồ án là bao nhiêu?
Hệ thống cài đặt mặc định 2 chế độ tự động tương ứng với 2 giai đoạn sinh trưởng của nấm rơm: chế độ Nuôi tơ duy trì nhiệt độ $t = 32^\circ\text{C}$ và độ ẩm không khí $A_o = 95%$; chế độ Quả thể duy trì nhiệt độ $t = 30^\circ\text{C}$ và độ ẩm không khí $A_o = 85%$.

2. Hệ thống xử lý thế nào khi phát hiện nhiệt độ vượt quá 40°C hoặc khi bị mất kết nối Internet?
Khi nhiệt độ vượt quá 40°C, Arduino lập tức ngắt toàn bộ relay để tắt các thiết bị phần cứng, kích hoạt còi Buzzer kêu cảnh báo và gửi tin nhắn SMS sự cố đến điện thoại người dùng. Khi bị mất kết nối Internet trong lúc đang điều khiển qua Web, hệ thống tự động chuyển về chế độ tự động gần nhất để duy trì môi trường sống cho nấm và gửi tin nhắn thông báo sự cố mạng.

3. Tại sao hệ thống cần sử dụng IC đệm dòng ULN2803 giữa Arduino Nano và khối Relay?
Arduino Nano hoạt động ở mức điện áp logic 5V và dòng điện cấp tối đa trên mỗi chân I/O chỉ đạt 40 mA, tổng dòng ngõ ra chân 5V không quá 500 mA nên không thể trực tiếp đóng ngắt nhiều cuộn dây Relay 12V. IC ULN2803 chứa các mảng transistor Darlington chịu dòng tới 500 mA và điện áp 50V, đóng vai trò đệm dòng điều khiển và bảo vệ mạch vi điều khiển khỏi xung điện áp cảm ứng từ cuộn dây relay.

4. Dịch vụ và giao thức nào được sử dụng để gửi tin nhắn SMS cảnh báo đến người dùng?
Hệ thống sử dụng nền tảng IFTTT kết hợp với dịch vụ Webhooks. Khi có sự cố, NodeMCU ESP8266 gửi một HTTP request chứa khóa API (Key) do Webhook cung cấp lên máy chủ IFTTT, từ đó IFTTT kích hoạt dịch vụ SMS gửi nội dung cảnh báo về số điện thoại đã cấu hình.

5. Cảm biến mực nước trong bể phun sương hoạt động dựa trên nguyên lý nào và có ngưỡng an toàn là bao nhiêu?
Cảm biến mực nước gồm 2 đầu cực cắm vào bể chứa kết nối với module so sánh sử dụng IC LM393 có tích hợp biến trở định ngưỡng. Đầu phun sương siêu âm HB20-12 yêu cầu độ ngập nước cách mặt nước từ 15 mm đến 35 mm. Khi mực nước thấp hơn ngưỡng an toàn, ngõ ra LM393 chuyển sang mức cao (1), Arduino sẽ ngắt đầu phun sương và bật đèn báo $\Phi 16$ (24V) để chống cháy tấm rung siêu âm.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế và thi công mô hình giám sát và điều khiển mô hình trồng nấm rơm" đã hiện thực hóa thành công một hệ thống IoT nông nghiệp hoàn chỉnh từ phần cứng mạch điện tử, khung mô hình thực tế đến hệ thống máy chủ Web và thông báo tin nhắn SMS. Nghiên cứu giải quyết tốt bài toán tự động hóa môi trường nhiệt - ẩm theo các giai đoạn sinh trưởng của nấm rơm với chi phí linh kiện thấp và độ tin cậy cao. Kết quả thực nghiệm của đề tài là tài liệu tham khảo có giá trị ứng dụng thực tiễn cho sinh viên kỹ thuật và những người quan tâm đến lĩnh vực tự động hóa nông nghiệp công nghệ cao.