Đồ án: Hệ thống IoT chăm sóc vườn cây ăn quả bằng năng lượng mặt trời

Đồ án tốt nghiệp hệ thống IoT chăm sóc vườn cây ăn quả tự động, trình bày chi tiết thiết kế, thi công và giải pháp sử dụng năng lượng mặt trời.

• Tác giả: Ngô Thành Đạt
• Người hướng dẫn: ThS. Võ Đức Dũng
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện tử Truyền thông
• Đề tài: Thiết kế và thi công hệ thống IoTs chăm sóc vườn cây ăn quả sử dụng pin năng lượng mặt trời
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về mô hình IoT chăm sóc vườn cây năng lượng mặt trời

Mô hình IoT chăm sóc vườn cây năng lượng mặt trời là một giải pháp công nghệ hiện đại kết hợp Internet of Things (IoT) với năng lượng tái tạo. Hệ thống này được thiết kế để tự động giám sát và quản lý các điều kiện sinh trưởng của cây ăn quả như cà chua, với các cảm biến thông minh kết nối mạng. Sử dụng pin năng lượng mặt trời làm nguồn cung cấp, hệ thống hoạt động độc lập, thân thiện với môi trường và tiết kiệm chi phí điện năng. Đây là xu hướng phát triển nông nghiệp 4.0, kết hợp công nghệ sensor, điều khiển tự động và năng lượng xanh để nâng cao hiệu suất canh tác.

1.1. Khái niệm và ứng dụng của IoT trong nông nghiệp

IoT (Internet of Things) trong nông nghiệp cho phép kết nối các thiết bị cảm biến để thu thập dữ liệu thời gian thực về môi trường đất, không khí và thực vật. Các cảm biến này gửi thông tin qua mạng internet đến server trung tâm. Ứng dụng chính bao gồm theo dõi độ ẩm đất, nhiệt độ, ánh sáng, tự động tưới nước, và điều chỉnh thông gió. Hệ thống giúp nông dân tối ưu hóa năng suất, giảm lãng phí nước, và phát hiện sớm các bệnh cây.

1.2. Lợi ích của năng lượng mặt trời trong hệ thống IoT

Sử dụng pin năng lượng mặt trời trong mô hình IoT chăm sóc vườn cây mang lại nhiều lợi ích đáng kể. Hệ thống hoạt động độc lập không cần kết nối điện lưới, giảm chi phí vận hành dài hạn. Pin mặt trời có tuổi thọ 25-30 năm, thân thiện với môi trường, và phù hợp với các khu vực không có điện. Kết hợp với bộ lưu điện 12V, hệ thống đảm bảo hoạt động ổn định cả ngày đêm.

II. Cấu trúc hệ thống và các thành phần chính

Hệ thống IoT chăm sóc vườn cây bao gồm nhiều thành phần liên kết với nhau tạo thành một mạng thông minh. Nhà kính được xây dựng với khung nhôm kích thước 100 x 50 x 65cm, bọc nhựa nilong và có mái che để điều chỉnh ánh sáng. Các cảm biến như DHT11, BH1750, cảm biến độ ẩm đất và cảm biến mưa được lắp đặt chiến lược trong nhà kính. Module Arduino và NodeMCU ESP8266 xử lý dữ liệu, trong khi động cơ Servo và động cơ DC điều khiển hệ thống tưới nước và thông gió. Hai tấm pin năng lượng mặt trời 12V-10W cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống.

2.1. Các cảm biến và module điều khiển

DHT11 đo nhiệt độ và độ ẩm không khí, BH1750 phát hiện cường độ ánh sáng, cảm biến độ ẩm đất kiểm soát độ ẩm căn cứ, và cảm biến mưa phát hiện mưa. Arduino Uno hoạt động như bộ xử lý trung tâm, NodeMCU ESP8266 kết nối WiFi để gửi dữ liệu lên server. Module L293 điều khiển động cơ DC, Servo motor kinh động cơ như cửa thông gió tự động. Tất cả các thành phần hoạt động điều hòa tạo nên hệ thống chăm sóc vườn cây toàn diện.

2.2. Hệ thống cấp nguồn từ pin năng lượng mặt trời

Pin năng lượng mặt trời 12V-10W là trái tim cấp nguồn của hệ thống. Hai tấm pin được kết nối song song hoặc nối tiếp tùy theo thiết kế để cung cấp đủ công suất. Bộ lưu điện 12V 9Ah lưu trữ năng lượng, đảm bảo hoạt động liên tục khi không có ánh sáng mặt trời. Hệ thống sạc được tối ưu hóa để tránh quá tải, với các điều khiển tự động bảo vệ pin. Thiết kế này đặc biệt hiệu quả cho vườn ở các vùng nông thôn.

III. Nguyên lý hoạt động của hệ thống tự động

Mô hình IoT chăm sóc vườn cây hoạt động theo chu trình lặp liên tục. Các cảm biến liên tục thu thập dữ liệu về nhiệt độ, độ ẩm đất, ánh sáng và gửi tới Arduino. Bộ xử lý so sánh dữ liệu với các ngưỡng được lập trình sẵn dựa trên yêu cầu của cây cà chua. Khi độ ẩm đất thấp, động cơ DC kích hoạt hệ thống tưới nước tự động. Khi nhiệt độ quá cao, Servo motor mở cửa thông gió. NodeMCU ESP8266 gửi dữ liệu thời gian thực lên Web Server để người dùng theo dõi qua giao diện web và ứng dụng di động. Toàn bộ quá trình được điều khiển tự động, giảm can thiệp thủ công.

3.1. Vòng lặp thu thập và xử lý dữ liệu

Hệ thống IoT hoạt động theo mô hình publish-subscribe qua WiFi. Các cảm biến gửi tín hiệu đến Arduino với tần suất 1-2 giây/lần. NodeMCU nhận dữ liệu đã xử lý và gửi lên MySQL database thông qua PHP Web Server. Dữ liệu được lưu trữ để phân tích xu hướng phát triển cây. Ứng dụng web cho phép xem biểu đồ theo thời gian, giúp nông dân hiểu rõ hơn về nhu cầu của cây cà chua.

3.2. Cơ chế tự động tưới nước và thông gió

Khi cảm biến độ ẩm đất phát hiện giá trị thấp hơn ngưỡng 40%, Arduino gửi lệnh kích hoạt động cơ DC để bơm nước. Quá trình tưới tiếp tục cho đến khi độ ẩm đạt 70%. Tương tự, cảm biến BH1750 và DHT11 theo dõi ánh sáng và nhiệt độ. Nếu nhiệt độ vượt 32°C, Servo motor tự động mở cửa thông gió. Các ngưỡng này được tối ưu hóa dựa trên nhu cầu sinh lý của cây cà chua, đảm bảo điều kiện phát triển tối ưu.

IV. Thiết kế phần mềm và ứng dụng giám sát từ xa

Phần mềm điều khiển được lập trình trên Arduino IDE bằng ngôn ngữ C/C++, xử lý logic tự động và giao tiếp với các cảm biến. NodeMCU ESP8266 được lập trình để kết nối WiFi và gửi dữ liệu JSON lên server. Web Server được xây dựng bằng PHP và MySQL, lưu trữ dữ liệu cảm biến với timestamp. Giao diện web sử dụng HTML, CSS, JavaScript để hiển thị thông tin nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng dưới dạng đồ thị interactif. Ứng dụng di động được phát triển cho phép người dùng theo dõi tình trạng vườn, nhận thông báo cảnh báo, và điều khiển thủ công các thiết bị từ xa. Màn hình cảm ứng 3 inch tại hiện trường cũng cung cấp giao diện local cho người quản lý.

4.1. Lập trình Arduino và NodeMCU ESP8266

Chương trình Arduino được viết bằng C/C++, quản lý đọc dữ liệu từ các cảm biến qua analog/digital pins. Code bao gồm các library như DHT.h, Wire.h để giao tiếp I2C với BH1750. NodeMCU chạy firmware Arduino-compatible, cấu hình kết nối WiFi qua SSID/Password, thiết lập HTTP client để gửi POST request lên server. Các hàm callback xử lý MQTT messages hoặc HTTP responses. Lưu đồ giải thuật được thiết kế rõ ràng, kiểm tra lỗi để đảm bảo ổn định.

4.2. Giao diện web và ứng dụng di động

Web Server PHP nhận dữ liệu từ NodeMCU, lưu vào MySQL database với schema bao gồm timestamp, nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng. Trang web sử dụng Chart.js để vẽ đồ thị dữ liệu theo thời gian thực. Ứng dụng di động được phát triển bằng Android Studio hoặc Flutter, kết nối RESTful API để lấy dữ liệu. Giao diện hiển thị status cảm biến hiện tại, cho phép điều khiển thủ công động cơ, và gửi thông báo push khi phát hiện lỗi hoặc vượt ngưỡng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN Chương này giới thiệu tổng quan về các yêu cầu của đề tài mà mình thiết kế và các tính toán, thiết kế gồm những phần nào. Như: thiết kế sơ đồ khối hệ thống, sơ đồ nguyên lý toàn mạch, tính toán thiết kế mạch.  Chương 4: Thi Công Hệ Thống Chương này trình bày về quá trình vẽ mạch in lắp ráp các thiết bị, đo kiểm tra mạch, lắp ráp mô hình. Thiết kế lưu đồ giải thuật cho chương trình và viết chương trình cho hệ thống.

Hướng dẫn quy trình sử dụng hệ thống.  Chương 5: Kết Quả_Nhận Xét_Đánh Giá Trình bày về những kết quả đã được mục tiêu đề ra sau quá trình nghiên cứu thi công. Từ những kết quả đạt được để đánh giá quá trình hoàn thành được bao nhiêu phần trăm.  Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển Chương này trình bày về những kết quả mà đồ án đạt được, những hạn chế, từ đó rút ra kết luận và hướng phát triển để giải quyết các vấn đề tồn đọng để đồ án hoàn thiện hơn.

BỘ MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2.1 GIỚI THIỆU VỀ MÔ HÌNH TRỒNG RAU TRONG NHÀ KÍNH NGOÀI THỰC TẾ Trong thực tế hiện nay, ở nước ta cũng đã đang áp dụng, triển khai nhiều loại hệ thống trồng rau trong nhà kính cũng như hệ thống trồng rau tại hộ gia đình trong đó nổi bật là 2 loại hình chính sau: Trong quy mô công nghiệp, diện tích lớn:  Loại nhà lưới kín: Là loại nhà lưới được phủ hoàn toàn bằng lưới cả trên mái cũng như xung quanh, có cửa ra vào cũng được phủ kín bằng lưới. Được sử dụng để che chắn ngăn ngừa côn trùng thâm. Về thiết kế với kiểu mái bằng và mái nghiêng hai bên. Khung nhà được làm bằng cột bê tông hoặc bằng khung sắt hàn hoặc bắt ốc vít.

Vật liệu lưới che sản xuất bằng vật liệu trong nước bằng kỹ thuật dệt lưới đơn giản. lưới hoàn toàn không được xử lý để tăng khả năng chống chịu tia tử ngoại, nắng, gió… nên độ bền không cao, chỉ sử dụng tốt từ 6 - 8 tháng là rách, hư hỏng.1 Mô hình vườn lưới kín ngoài thực tế  Loại nhà lưới hở: Là loại nhà lưới chỉ được che chủ yếu trên mái hoặc một phần bao xung quanh chủ yếu để giảm bớt tác hại của mưa và gió giúp cho cây rau trồng được cả vào mùa mưa. Không có tác dụng ngăn ngừa côn trùng. BỘ MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT Thiết kế rất đơn giản với kiểu mái bằng và mái nghiêng hai bên.

Về khung nhà: được làm bằng cột bê tông hoặc bằng khung sắt hàn hoặc bắt ốc vít.2 Mô hình vườn lưới hở ngoài thực tế Trong quy mô hộ gia đình nhỏ lẻ: Do đặc điểm hộ gia đình, đặc điểm riêng của mỗi ngôi nhà, khoảng không nên mô hình ứng dụng cho quy mô này có rất nhiều hình dạng thiết kế, lắp đặt từ đơn giản đến phức tạp để đáp ứng tối đa cho nhu cầu của người dân. Một số loại phổ biến như: trồng rau từ ống nhựa, trồng rau bằng thùng phuy, trồng rau trong túi vải, trồng rau bằng chai lọ treo, trồng rau bằng thùng xốp,… Hình 2.3 Các hình thức trồng tại hộ gia đình BỘ MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT Tuy rằng có những ưu điểm không thể phủ nhận nhưng các mô hình ở trên vẫn còn nhiều điểm hạn chế như:  Trong loại nhà lưới kín sẽ tạo ra môi trường có nhiệt độ và độ ẩm cao hơn so với bên ngoài từ đó nếu không có biện pháp giám sát chặt chẽ sẽ rất dễ bị nấm mốc,…  Trong loại hình nhà lưới hở thì do không được che chắn kỹ sẽ rất dễ côn trùng tấn công.  Phương pháp trồng tại gia đình thì có quy mô và diện tích nhỏ, khó lắp đặt hiệu quả.  Giá thành lắp đặt và đầu tư lớn thường gấp 5 đến 10 lần giá thành của phương pháp canh tác truyền thống.

 Năng lượng sử dũng vẫn là bằng điện lưới nên phải tiêu tốn một số tiền nhất định mỗi tháng.  Hệ thống theo dõi, giám sát vẫn là bằng tay người, bằng kinh nghiệm thực tế nên sẽ gây khó khăn cho những người không có kinh nghiệm về trồng trọt. Với những khuyết điểm kể trên, trong đồ án này, nhóm thực hiện sẽ giữ lại những điểm ưu việt của các phương pháp trên và khắc phục phần nào những khuyết điểm đang tồn tại như:  Năng lượng sử dụng sẽ là năng lượng sạch từ năng lượng mặt trời.  Giá thành sẽ rẻ hơn.

 Có cơ chế giám sát, theo dõi thông qua mạng Internet, từ đó sẽ dễ dàng hơn cho người sử dụng khi ở xa khu vườn. BỘ MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.2 TỔNG QUAN VỀ ARDUINO Hình 2.4 Các loại Board Arduino Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn. Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit. Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau.

Các ứng dụng nổi bật của board mạch Arduino: robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ, phát hiện chuyển động, game tương tác… Được giới thiệu vào năm 2005, Những nhà thiết kế của Arduino cố gắng mang đến một phương thức dễ dàng, không tốn kém cho những người yêu thích, sinh viên và giới chuyên nghiệp để tạo ra những thiết bị có khả năng tương tác với môi trường thông qua các cảm biến và các cơ cấu chấp hành. Những ví dụ phổ biến cho những người yêu thích mới bắt đầu bao gồm các robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ và phát hiện chuyển BỘ MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT động. Đi cùng với nó là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) chạy trên các máy tính cá nhân thông thường và cho phép người dùng viết các chương trình cho Aduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++. Một mạch Arduino bao gồm một vi điều khiển AVR với nhiều linh kiện bổ sung giúp dễ dàng lập trình và có thể mở rộng với các mạch khác.

Một khía cạnh quan trọng của Arduino là các kết nối tiêu chuẩn của nó, cho phép người dùng kết nối với CPU của board với các module thêm vào có thể dễ dàng chuyển đổi, được gọi là shield. Vài shield truyền thông với board Arduino trực tiếp thông qua các chân khách nhau, nhưng nhiều shield được định địa chỉ thông qua serial bus I²C nhiều shield có thể được xếp chồng và sử dụng dưới dạng song song. Arduino chính thức thường sử dụng các dòng chip megaAVR, đặc biệt là ATmega8, ATmega168, ATmega328, ATmega1280, và ATmega2560. Một vài các bộ vi xử lý khác cũng được sử dụng bởi các mạch Aquino tương thích.

Hầu hết các mạch gồm một bộ điều chỉnh tuyến tính 5V và một thạch anh dao động 16 MHz (hoặc bộ cộng hưởng ceramic trong một vài biến thể), mặc dù một vài thiết kế như LilyPad chạy tại 8 MHz và bỏ qua bộ điều chỉnh điện áp onboard do hạn chế về kích cỡ thiết bị. Một vi điều khiển Arduino cũng có thể được lập trình sẵn với một boot loader cho phép đơn giản là upload chương trình vào bộ nhớ flash on-chip, so với các thiết bị khác thường phải cần một bộ nạp bên ngoài. Điều này giúp cho việc sử dụng Arduino được trực tiếp hơn bằng cách cho phép sử dụng 1 máy tính gốc như là một bộ nạp chương trình. Một số loại arduino phổ biến trên thị trường có thể kể đến là: Arduino Nano, Arduino Uno R3, Arduino Mega 2560 R3, Arduino Due, …Ngoài ra còn có một số dòng arduino hỗ trợ Internet như Arduino Ethernet, NODEMCU ESP8266,… BỘ MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 9 CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.3 TỔNG QUAN VỀ IOT Hình 2.5 Tổng quan về hệ thống IoT IoT (Internet of Things) là thuật ngữ dùng để chỉ các đối tượng có thể được nhận biết cũng như chỉ sự tồn tại của chúng trong một kiến trúc mang tính kết nối.

Cụm từ này được đưa ra bởi Kevin Ashton vào năm 1999. Ông là một nhà khoa học đã sáng lập ra Trung tâm Auto-ID ở đại học MIT, nơi thiết lập các quy chuẩn toàn cầu cho RFID (một phương thức giao tiếp không dây dùng sóng radio) cũng như một số loại cảm biến khác. IoT sau đó cũng được dùng nhiều trong các ấn phẩm đến từ các hãng và nhà phân tích. Điểm quan trọng của IoT đó là các đối tượng phải có thể được nhận biết và định dạng.

Nếu mọi đối tượng, kể cả con người, được "đánh dấu" để phân biệt bản thân đối tượng đó với những thứ xung quanh thì chúng ta có thể hoàn toàn quản lí được nó thông qua máy tính. Việc đánh dấu có thể được thực hiện thông qua nhiều công nghệ, chẳng hạn như RFID, NFC, mã vạch, mã QR, watermark kĩ thuật số. Việc kết nối thì có thể thực hiện qua Wi-Fi, mạng viễn thông băng rộng (3G, 4G), Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại. Ngoài những kĩ thuật nói trên, nếu nhìn từ thế giới web, chúng ta có thể sử dụng các địa chỉ độc nhất để xác định từng vật, chẳng hạn như địa chỉ IP.

Mỗi thiết bị sẽ có BỘ MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 10 CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT một IP riêng biệt không nhầm lẫn. Sự xuất hiện của IPv6 với không gian địa chỉ cực kì rộng lớn sẽ giúp mọi thứ có thể dễ dàng kết nối vào Internet cũng như kết nối với nhau. Một trong những vấn đề với IoT đó là khả năng tạo ra một ứng dụng IoT nhanh chóng. Để khắc phục, hiện nay nhiều hãng, công ty, tổ chức trên thế giới đang nghiên cứu các nền tảng giúp xây dựng nhanh ứng dụng dành cho IoT.

Đại học British Columbia ở Canada hiện đang tập trung vào một bộ toolkit cho phép phát triển phần mềm IoT chỉ bằng các công nghệ/tiêu chuẩn Web cũng như giao thức phổ biến. Công ty như ioBridge thì cung cấp giải pháp kết nối và điều khiển hầu như bất kì thiết bị nào có khả năng kết nối Internet.4 TỔNG QUAN VỀ WEB World Wide Web (www), gọi tắt là web, là một không gian thông tin toàn cầu mà mọi người có thể truy nhập qua các máy tính nối với mạng Internet.