Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quy trình sản xuất nông nghiệp truyền thống tại Việt Nam, nấm rơm (Volvariella volvacea) chủ yếu được nuôi trồng ngoài trời. Phương thức canh tác này khiến năng suất và chất lượng mùa vụ phụ thuộc hoàn toàn vào điều kiện thời tiết, mang tính mùa vụ cao và dễ chịu rủi ro dịch bệnh. Xu hướng chuyển đổi sang canh tác nấm rơm trong nhà kín những năm gần đây giúp kiểm soát tốt hơn các thông số vi khí hậu. Tuy nhiên, hoạt động vận hành tại phần lớn các cơ sở và hộ gia đình hiện nay vẫn mang tính thủ công, phụ thuộc vào kinh nghiệm cảm quan của người nông dân, dẫn đến năng suất không đồng đều và tiêu tốn nhiều công sức lao động.

Trước đòi hỏi thực tế của nền nông nghiệp công nghệ cao và sự phát triển của công nghệ thông tin, kỹ thuật điện - điện tử, việc tự động hóa quá trình giám sát, điều khiển môi trường từ xa trở thành hướng tiếp cận tất yếu. Đề tài "Thiết kế và thi công mô hình nhà trồng nấm ứng dụng công nghệ IoT" được thực hiện nhằm ứng dụng mạng truyền thông không dây và điện toán đám mây vào việc điều tiết tự động môi trường nuôi trồng nấm rơm.

Mục tiêu cụ thể của đề tài bao gồm việc xây dựng mô hình giám sát và điều khiển các thông số môi trường then chốt (nhiệt độ, độ ẩm không khí, cường độ ánh sáng) cho hai phòng trồng nấm độc lập thông qua hệ thống phân tầng: thu thập dữ liệu bằng các trạm đo (Slave), truyền nhận không dây cự ly xa về bộ điều khiển trung tâm (Master), sau đó đẩy dữ liệu lên máy chủ web và ứng dụng di động thông qua môi trường Internet.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân chia thành 9 nội dung chính:

  1. Nghiên cứu đặc tính sinh trưởng của nấm rơm và các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến năng suất; đề xuất giải pháp tự động hóa tương ứng.
  2. Nghiên cứu, tính toán và lựa chọn các linh kiện phần cứng (vi điều khiển ESP32, Arduino Uno R3, cảm biến DHT22, BH1750, module LoRa RA-02, IC thời gian thực DS3231, cơ cấu chấp hành).
  3. Thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý, lưu đồ giải thuật và chương trình điều khiển cho hệ thống Master - Slave.
  4. Xây dựng giao diện web giám sát dữ liệu môi trường.
  5. Phát triển ứng dụng điều khiển và giám sát trên thiết bị di động chạy hệ điều hành Android.
  6. Thi công phần cứng mạch in (PCB) và lắp ráp mô hình vật lý.
  7. Chạy thử nghiệm hệ thống trong điều kiện thực tế.
  8. Cân chỉnh các thông số vận hành và thuật toán điều khiển.
  9. Hoàn thiện tài liệu báo cáo đồ án tốt nghiệp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Quy trình sinh trưởng của nấm rơm và mô hình hệ thống nhúng thu thập - điều khiển môi trường ứng dụng công nghệ IoT.
  • Phạm vi không gian: Mô hình thực nghiệm kích thước $100 \times 50 \times 50\text{ cm}$ (Dài $\times$ Rộng $\times$ Cao) được gia công bằng khung ray nhôm định hình, vách nhựa Mica và mái che lưới lan; kết hợp khảo sát thực tế tại nhà trồng nấm tại Ấp 6, xã Vĩnh Lộc A, huyện Bình Chánh, Thành phố Hồ Chí Minh.
  • Phạm vi thời gian: Đồ án được triển khai thực hiện từ ngày 03/10/2018 đến ngày 08/01/2019.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết sinh học và môi trường nuôi trồng nấm rơm

Nấm rơm là loại nấm ưa nhiệt, phát triển mạnh trong điều kiện nhiệt độ cao và có chu kỳ phát triển chia làm hai giai đoạn chính với các yêu cầu môi trường khác biệt:

  • Giai đoạn ủ tơ (7–8 ngày): Nhiệt độ phòng thích hợp từ $35^\circ\text{C}$ đến $40^\circ\text{C}$; nhiệt độ dưới $30^\circ\text{C}$ làm sợi nấm sinh trưởng yếu, trên $45^\circ\text{C}$ sợi nấm chết dần. Độ ẩm không khí cần duy trì ở mức 70% – 80% (độ ẩm cơ chất 70% – 75%). Giai đoạn này không cần ánh sáng; độ pH cơ chất tối ưu từ 7.0 đến 7.5.
  • Giai đoạn hình thành quả thể (3–4 ngày): Nhiệt độ phòng thích hợp từ $30^\circ\text{C}$ đến $32^\circ\text{C}$; nhiệt độ $20^\circ\text{C} - 25^\circ\text{C}$ làm chết đinh ghim nấm sau 12 giờ, trên $40^\circ\text{C}$ làm nấm bung dù sớm. Độ ẩm không khí yêu cầu cao từ 85% đến 95%; độ ẩm dưới 60% làm khô héo đinh ghim, trên 95% gây thối nhũn quả thể. Giai đoạn này đòi hỏi ánh sáng khuếch tán để định hướng và kích thích tạo quả thể, đồng thời cần độ thông thoáng cao để cung cấp oxy cho quá trình hô hấp.
Giai đoạn sinh trưởng Nhiệt độ tối ưu ($^\circ\text{C}$) Độ ẩm không khí (% RH) Nhu cầu ánh sáng Nhu cầu thông thoáng
Ủ tơ nấm 35 – 40 70 – 80 Hoàn toàn tối Thấp
Hình thành quả thể 30 – 32 85 – 95 Ánh sáng khuếch tán Cao (giàu $O_2$)

Lý thuyết truyền thông và giao thức IoT

  • Giao thức MQTT (Message Queuing Telemetry Transport): Giao thức truyền tin gọn nhẹ dạng Publish/Subscribe hoạt động trên nền TCP/IP, tối ưu cho các thiết bị IoT băng thông hẹp và độ trễ thấp. Khối điều khiển trung tâm đóng vai trò Publisher/Subscriber kết nối tới MQTT Broker.
  • Công nghệ LoRa (Long Range): Công nghệ mạng diện rộng công suất thấp (LPWAN) điều chế theo kỹ thuật Chirp Spread Spectrum (CSS) ở dải tần số vô tuyến $433\text{ MHz}$, cho phép truyền dữ liệu khoảng cách xa giữa các phòng trồng phân tán mà không bị suy hao lớn do vật cản.
  • Các chuẩn giao tiếp ngoại vi nhúng:
    • I2C (Inter-Integrated Circuit): Giao tiếp 2 dây (SDA, SCL) kết nối module thời gian thực DS3231 và cảm biến ánh sáng BH1750.
    • 1-Wire: Giao tiếp truyền nhận dữ liệu nối tiếp qua một chân tín hiệu duy nhất giữa cảm biến DHT22 và vi điều khiển.
    • SPI (Serial Peripheral Interface): Giao tiếp đồng bộ tốc độ cao 4 dây (SCK, MISO, MOSI, NSS) dùng cho module thu phát sóng LoRa RA-02.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp khảo sát thực địa: Thu thập số liệu thực tế về điều kiện khí hậu, kỹ thuật lên men rơm rạ với nước vôi ($3.5\text{ kg}$ vôi/$1.000\text{ lít}$ nước, ủ 4–6 ngày), cấu trúc mô nấm tại cơ sở sản xuất nấm rơm huyện Bình Chánh.
  • Phương pháp thiết kế kỹ thuật: Tính toán tham số điện áp, dòng tiêu thụ của các linh kiện; thiết kế sơ đồ nguyên lý, vẽ mạch in PCB bằng phần mềm chuyên dụng; tích hợp cơ cấu chấp hành (đèn sưởi, quạt hút, bơm sương siêu âm).
  • Phương pháp lập trình và phát triển phần mềm: Lập trình nhúng vi điều khiển trên Arduino IDE; xây dựng ứng dụng di động trên nền tảng Android Studio; thiết kế cơ sở dữ liệu và giao diện web cục bộ với XAMPP, phpMyAdmin, MySQL và PHP.
  • Phương pháp thực nghiệm kiểm thử: Lắp ráp hệ thống phần cứng hoàn chỉnh, đo đạc sai số cảm biến so với dụng cụ đo chuẩn, kiểm tra độ ổn định kết nối LoRa và MQTT khi chuyển đổi linh hoạt giữa chế độ tự động (Auto) và điều khiển bằng tay (Manual).

Thiết kế và triển khai hệ thống

Kiến trúc tổng thể và phần cứng

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc phân tán gồm hai khối chức năng chính: Khối đo lường - chấp hành tại chỗ (Khối Slave) và Khối điều khiển trung tâm (Khối Master).

[Phòng nấm 1: Cảm biến & Cơ cấu] <--> [Slave 1: Arduino Uno] 
                                                          [Internet / MQTT Broker]
                                                            [Web Server]  [App Android]

  1. Khối Slave (gồm 2 bộ đặt tại 2 phòng nấm):

    • Vi điều khiển xử lý: Board Arduino Uno R3 tích hợp vi điều khiển 8-bit ATmega328, xung nhịp $16\text{ MHz}$, bộ nhớ Flash $32\text{ KB}$, SRAM $2\text{ KB}$.
    • Thu thập dữ liệu môi trường: Cảm biến DHT22 đo nhiệt độ (dải đo $-40^\circ\text{C}$ đến $80^\circ\text{C}$, sai số $\pm 0.5^\circ\text{C}$) và độ ẩm không khí (dải đo 0% – 100% RH, sai số $\pm 2%\text{ RH}$); Cảm biến BH1750 đo cường độ ánh sáng trực tiếp (dải đo 1 – 65.535 lux, giao tiếp I2C).
    • Mạch truyền thông không dây: Module LoRa RA-02 SX1278 tần số $433\text{ MHz}$, công suất phát $+20\text{ dBm}$, độ nhạy $-136\text{ dBm}$, giao tiếp SPI với Arduino.
    • Khối chấp hành: Module Relay XH3FF-12VDC đóng ngắt các thiết bị: Đèn sưởi halogen 12VDC (tăng nhiệt, tăng sáng, giảm ẩm), Quạt tản nhiệt thông gió 12VDC kích thước $6 \times 6 \times 1.5\text{ cm}$ (hạ nhiệt, giảm ẩm, tăng độ thoáng), Máy tạo ẩm siêu âm 24VDC công suất $16\text{ W}$, tần số $1.700\text{ kHz}$, lưu lượng sương $>350\text{ ml/h}$ (tăng ẩm, hạ nhiệt).

  2. Khối Master (Bộ điều khiển trung tâm):

    • Vi điều khiển xử lý & kết nối mạng: Board DOIT ESP32 DevKit V1 tích hợp vi xử lý 32-bit lõi kép Xtensa LX6, xung nhịp $160 - 240\text{ MHz}$, $520\text{ KB}$ SRAM, tích hợp sẵn kết nối Wi-Fi 802.11 b/g/n.
    • Ngoại vi & Hiển thị: Module thời gian thực DS3231 có bù nhiệt độ (giao tiếp I2C, pin nuôi CR2032 dự phòng), màn hình LCD 16x4 hiển thị trạng thái và thông số cảm biến, bàn phím nút bấm điều hướng cài đặt ngưỡng thông số tại chỗ.
    • Module thu phát LoRa RA-02: Nhận dữ liệu định kỳ từ các Slave và gửi lệnh điều khiển từ Master xuống các Slave.

  3. Hệ thống cấp nguồn:

    • Bộ nguồn chuyển đổi AC-DC dạng nguồn tổ ong (Điện áp vào: 110V/220VAC; Điện áp ra: 12VDC – 5A).
    • Mạch nguồn hạ áp cục bộ: IC ổn áp tuyến tính LM7805 cung cấp nguồn $5\text{V}$ (dòng định mức $1\text{A}$) và IC LM1117 cung cấp nguồn $3.3\text{V}$ (dòng định mức $1\text{A}$) cho các vi điều khiển, module LoRa và cảm biến.
Thông số linh kiện / Thiết bị Mã hiệu / Quy cách kỹ thuật Chức năng trong hệ thống
Vi điều khiển Master DOIT ESP32 DevKit V1 (32-bit, Wi-Fi) Xử lý trung tâm, kết nối MQTT, quản lý Master
Vi điều khiển Slave Arduino Uno R3 (ATmega328, 8-bit, 16 MHz) Đọc cảm biến, điều khiển relay tại trạm
Module truyền thông LoRa RA-02 SX1278 (433 MHz, SPI) Cầu nối không dây tầm xa Master - Slave
Cảm biến nhiệt - ẩm DHT22 (1-Wire, $0-100%$, $-40\text{ đến }80^\circ\text{C}$) Đo lường nhiệt độ và độ ẩm phòng nấm
Cảm biến ánh sáng BH1750 (I2C, 16-bit ADC, $1-65.535\text{ lux}$) Đo lường cường độ chiếu sáng
Đồng hồ thời gian thực DS3231 (I2C, sai số $\pm 2\text{ ppm}$) Lưu giữ thời gian thực chính xác cho hệ thống
Cơ cấu tăng nhiệt/sáng Đèn sưởi Halogen 12VDC Tăng nhiệt độ, kích thích ánh sáng
Cơ cấu tạo ẩm Đầu phun sương siêu âm 24VDC, 16W Nâng cao độ ẩm không khí phòng trồng
Cơ cấu thông gió Quạt hút DC 12V ($6\times 6\text{ cm}$) Giảm nhiệt, giảm ẩm, lưu thông không khí
Mạch nguồn trung tâm Nguồn tổ ong 12V–5A, LM7805, LM1117 Chuyển đổi và ổn áp nguồn toàn hệ thống

Phần mềm và quy trình điều khiển

  • Phần mềm nhúng: Viết trên Arduino IDE với các thư viện quản lý kết nối LoRa, cảm biến DHT22, BH1750, RTC DS3231, PubSubClient (MQTT).
  • Ứng dụng di động (Android): Xây dựng bằng Android Studio, cung cấp giao diện đăng nhập xác thực, màn hình giám sát thông số thời gian thực từ 2 phòng nấm, giao diện cài đặt ngưỡng môi trường cho chế độ Auto và hệ thống nút bấm điều khiển độc lập từng thiết bị chấp hành ở chế độ Manual.
  • Web Server: Triển khai trên nền tảng máy chủ cục bộ bằng XAMPP (Apache, MySQL, phpMyAdmin), cho phép theo dõi trực quan dữ liệu đo đạc qua giao diện trình duyệt web.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 giới thiệu lý do lựa chọn đề tài, tính cấp thiết của việc áp dụng tự động hóa và IoT trong mô hình nông nghiệp công nghệ cao. Tác giả xác định mục tiêu thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát 3 thông số môi trường then chốt (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng) cho 2 phòng nấm riêng biệt. Các giới hạn kỹ thuật được xác lập rõ: đối tượng nghiên cứu là nấm rơm, kích thước mô hình thực nghiệm là $100 \times 50 \times 50\text{ cm}$, sử dụng đèn halogen 12VDC, quạt thông gió 12VDC và máy phun sương siêu âm 24VDC làm cơ cấu chấp hành. Kế hoạch thực hiện gồm 15 tuần làm việc chi tiết từ phân tích tài liệu, thiết kế phần cứng, lập trình phần mềm đến thử nghiệm và hoàn thiện văn bản.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày tổng quan về đặc tính sinh học của nấm rơm, cấu tạo hình thái (mũ nấm, phiến nấm, cuống nấm, bao nấm, sợi nấm), chu trình sống từ giai đoạn ủ tơ đến nở quả thể ô dù, nhu cầu dinh dưỡng (chất đường, chất đạm hữu cơ/vô cơ, nước chiếm 80–90% trọng lượng quả thể). Tác giả phân tích chi tiết ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, độ thông thoáng và pH đến từng giai đoạn sinh trưởng, từ đó tổng hợp bảng thông số môi trường làm việc mục tiêu.

Chương này cũng tổng hợp các giải pháp đo lường và điều khiển môi trường thực tế (so sánh ưu - nhược điểm của thắp đèn sưởi, điện trở nhiệt, bơm tưới mái, phun sương, quạt hút); thuyết minh cấu tạo, nguyên lý và thông số kỹ thuật của toàn bộ phần cứng (cảm biến DHT22, BH1750, LCD 16x4, IC thời gian thực DS3231, board Arduino Uno R3, board DOIT ESP32 DevKit V1, module LoRa RA-02 SX1278, IC ổn áp LM7805/LM1117, nguồn tổ ong 12V); các chuẩn giao tiếp vật lý (I2C, 1-Wire, SPI); cùng kiến trúc mạng IoT và giao thức truyền thông MQTT theo mô hình Publish/Subscribe.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 tập trung vào thiết kế hệ thống từ mức sơ đồ khối đến mức sơ đồ nguyên lý chi tiết. Tác giả phân tích cấu trúc khối điều khiển trung tâm Master (ESP32, RTC DS3231, LoRa RA-02, khối nút nhấn, màn hình LCD 16x4, mạch nguồn) và khối đo lường - chấp hành Slave (Arduino Uno, cảm biến DHT22, BH1750, LoRa RA-02, khối Relay điều khiển tải). Chương này lập bảng tính toán chi tiết điện áp hoạt động và mức dòng tiêu thụ của từng linh kiện trên mạch Master và Slave để lựa chọn nguồn cấp phù hợp; thiết kế mạch nguyên lý cho từng khối chức năng và toàn mạch hệ thống.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả toàn bộ quá trình thi công thực tế bao gồm quy trình chuẩn bị và trồng nấm rơm thực nghiệm (ủ rơm với nước vôi, vào khuôn mô nấm, cấy meo giống, theo dõi quá trình phát triển tạo đinh ghim và quả thể). Tác giả trình bày quy trình thiết kế bản vẽ mạch in (PCB layout), gia công board mạch, hàn lắp linh kiện và đóng gói mô hình phần cứng Master và Slave.

Phần lập trình hệ thống được cụ thể hóa bằng các lưu đồ giải thuật: lưu đồ chính khối Slave, lưu đồ truyền - nhận dữ liệu qua LoRa RA-02, lưu đồ chính khối Master, lưu đồ truyền nhận dữ liệu qua giao thức MQTT lên máy chủ, lưu đồ ứng dụng Android và lưu đồ xử lý trên Web. Cuối chương là tài liệu hướng dẫn vận hành chi tiết hệ thống trực tiếp qua nút bấm/LCD, qua ứng dụng Android và qua giao diện giám sát Web.

Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá

Chương 5 công bố kết quả thực nghiệm của hệ thống phần cứng và phần mềm. Tác giả chụp ảnh minh chứng hoạt động thực tế của các mạch đo Slave 1, Slave 2 và mạch trung tâm Master khi vận hành trong mô hình nhà nấm; màn hình LCD hiển thị trạng thái bật/tắt thiết bị theo 2 chế độ Auto và Manual; các giao diện ứng dụng Android (màn hình đăng nhập, giám sát thông số tổng quan, giám sát chi tiết từng phòng nấm, cài đặt ngưỡng tự động, điều khiển thủ công các thiết bị); và giao diện giám sát trên Web server cục bộ. Tác giả đưa ra nhận xét, đánh giá về độ ổn định của đường truyền LoRa, tính chính xác của phản hồi cảm biến và khả năng đáp ứng của các cơ cấu chấp hành.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được đối với mục tiêu ban đầu của đồ án, chỉ rõ các hạn chế tồn tại trong quá trình thực hiện và đề xuất các giải pháp kỹ thuật mở rộng cho đề tài trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  1. Chế tạo hoàn chỉnh phần cứng mô hình:

    • Thi công thành công mô hình buồng trồng nấm kích thước $100 \times 50 \times 50\text{ cm}$ tích hợp đồng bộ các cảm biến và cơ cấu chấp hành.
    • Thiết kế, gia công PCB và hàn lắp hoàn thiện 01 mạch điều khiển trung tâm Master (sử dụng ESP32) và 02 mạch đo lường - chấp hành Slave (sử dụng Arduino Uno R3).
    • Hệ thống nguồn tổ ong 12V–5A kết hợp các mạch ổn áp LM7805 ($5\text{V}$) và LM1117 ($3.3\text{V}$) duy trì cấp nguồn ổn định cho toàn bộ vi xử lý và module ngoại vi.

  2. Khả năng đo lường và điều khiển môi trường:

    • Đo đạc chính xác nhiệt độ (sai số $\pm 0.5^\circ\text{C}$), độ ẩm không khí (sai số $\pm 2%\text{ RH}$) qua DHT22 và cường độ ánh sáng (1 – 65.535 lux) qua BH1750.
    • Vận hành tin cậy 2 chế độ:
      • Chế độ Auto: Tự động bật đèn sưởi khi nhiệt độ thấp, bật quạt thông gió khi nhiệt độ/độ ẩm vượt ngưỡng, bật máy phun sương siêu âm khi độ ẩm tụt dưới mức cài đặt.
      • Chế độ Manual: Cho phép người dùng can thiệp cưỡng bức bật/tắt từng thiết bị thông qua nút bấm vật lý, ứng dụng Android hoặc Web.

  3. Mạng truyền thông và phần mềm ứng dụng:

    • Thiết lập kết nối thu phát dữ liệu không dây ổn định giữa 2 trạm Slave và trạm Master thông qua module LoRa RA-02 tần số $433\text{ MHz}$.
    • Khối Master kết nối Wi-Fi truyền nhận dữ liệu cảm biến và lệnh điều khiển lên Internet thông qua giao thức MQTT.
    • Xây dựng hoàn chỉnh ứng dụng Android có giao diện trực quan và hệ thống Web server cục bộ (XAMPP/MySQL) để lưu trữ và hiển thị thông số vi khí hậu.

Đóng góp thực tiễn của đề tài

  • Khắc phục các nhược điểm lớn của phương thức canh tác nấm truyền thống: giảm bớt sự phụ thuộc vào điều kiện thời tiết tự nhiên, tiết kiệm công lao động và hạn chế sai số do quan sát thủ công.
  • Ứng dụng thành công công nghệ LoRa để giải quyết bài toán thu thập dữ liệu đa điểm từ các buồng nuôi trồng độc lập về một trung tâm quản lý mà không cần kéo dây phức tạp.
  • Cung cấp mô hình tham khảo hoàn chỉnh từ thiết kế cơ khí, mạch điện tử, firmware nhúng đến ứng dụng di động cho các dự án nông nghiệp công nghệ cao quy mô vừa và nhỏ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế kỹ thuật

  • Quy mô mô hình: Hệ thống mới được thử nghiệm trên mô hình kích thước nhỏ ($100 \times 50 \times 50\text{ cm}$) với 02 trạm Slave; chưa triển khai thử nghiệm trên nhà trồng nấm quy mô công nghiệp diện tích lớn.
  • Phụ thuộc nguồn điện lưới: Toàn bộ hệ thống Slave và Master đều sử dụng nguồn cấp liên tục từ lưới điện thông qua nguồn tổ ong $12\text{V}$, chưa tích hợp giải pháp quản lý năng lượng tiết kiệm (Sleep mode) hoặc nguồn pin/năng lượng mặt trời độc lập cho các nốt cảm biến.
  • Cơ cấu chấp hành: Thiết bị phun sương và đèn sưởi có công suất nhỏ phù hợp với không gian mô hình; khi mở rộng sang diện tích lớn cần các bộ điều khiển công suất lớn hơn (khởi động từ, contactor, van điện từ công nghiệp).

Hướng phát triển đề tài

  • Mở rộng mạng lưới không dây LoRa để quản lý đồng thời hàng chục hoặc hàng trăm phòng nấm phân tán trên diện tích canh tác lớn.
  • Tích hợp thêm các cảm biến chuyên sâu phục vụ sinh trưởng nấm như cảm biến nồng độ khí $CO_2$, cảm biến đo độ ẩm và độ pH cơ chất trực tiếp trong mô nấm.
  • Thiết kế trạm nốt Slave tối ưu năng lượng thấp, kết hợp tấm pin năng lượng mặt trời và pin sạc lithium để hoạt động hoàn toàn độc lập với lưới điện.
  • Ứng dụng các thuật toán học máy (Machine Learning) để dự báo năng suất, phát hiện sớm nguy cơ nhiễm nấm mốc tạp khuẩn và tự động tối ưu hóa kịch bản vi khí hậu theo từng ngày tuổi của cây nấm.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo kỹ thuật rõ ràng cho các nhóm đối tượng sau:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện tử, Cơ điện tử, Tự động hóa và IoT: Tài liệu cung cấp bản vẽ thiết kế nguyên lý chi tiết, sơ đồ chân kết nối, mã nguồn giải thuật của các module phổ biến (ESP32, Arduino, LoRa RA-02, DHT22, BH1750, DS3231).
  • Kỹ sư và nhà phát triển ứng dụng nông nghiệp công nghệ cao: Phần phân tích các giải pháp điều tiết môi trường (bảng so sánh ưu/nhược điểm của đèn sưởi, quạt hút, bơm phun sương) và kiến trúc truyền thông phân tầng LoRa - MQTT là tài liệu tham chiếu thực tế giá trị khi xây dựng các trang trại thông minh.
  • Sinh viên làm khóa luận về ứng dụng di động và hệ thống nhúng: Chương 4 và Chương 5 cung cấp quy trình từng bước từ việc tạo project Android Studio, kết nối Broker MQTT, đến xây dựng cơ sở dữ liệu trên XAMPP/phpMyAdmin để quản lý dữ liệu cảm biến thời gian thực.

Câu hỏi thường gặp

1. Các thông số nhiệt độ và độ ẩm tối ưu cho từng giai đoạn phát triển của nấm rơm trong đồ án được xác định như thế nào?
Theo kết quả nghiên cứu trong đồ án, nấm rơm cần hai chế độ môi trường khác nhau: giai đoạn ủ tơ (7–8 ngày) yêu cầu nhiệt độ $35^\circ\text{C} - 40^\circ\text{C}$, độ ẩm không khí 70% – 80% và hoàn toàn không cần ánh sáng; giai đoạn hình thành quả thể (3–4 ngày) yêu cầu nhiệt độ $30^\circ\text{C} - 32^\circ\text{C}$, độ ẩm không khí cao 85% – 95% và cần ánh sáng khuếch tán cùng độ thông thoáng cao để tạo quả thể.

2. Cấu trúc mạng truyền thông giữa các bộ điều khiển trong hệ thống nhà trồng nấm được thiết kế ra sao?
Hệ thống sử dụng cấu trúc mạng phân tầng: Tại các phòng nấm, các trạm Slave (Arduino Uno R3) thu thập dữ liệu từ cảm biến DHT22, BH1750 và gửi dữ liệu không dây qua module LoRa RA-02 (tần số $433\text{ MHz}$) về bộ Master (ESP32). Tại trạm trung tâm, ESP32 đóng vai trò gateway kết nối Wi-Fi, sử dụng giao thức MQTT để trao đổi dữ liệu hai chiều với Web Server và ứng dụng Android qua Internet.

3. Cảm biến DHT22 và vi điều khiển giao tiếp với nhau theo nguyên lý nào trong đồ án?
Cảm biến DHT22 giao tiếp với vi điều khiển thông qua chuẩn giao tiếp 1-Wire qua 2 bước: Đầu tiên, vi điều khiển kéo chân DATA xuống mức thấp trong thời gian $>18\text{ ms}$ để phát tín hiệu Start rồi kéo lên mức cao chờ cảm biến phản hồi (khoảng $80\mu\text{s}$ mức thấp và $80\mu\text{s}$ mức cao). Sau đó, cảm biến gửi liên tiếp 40 bit dữ liệu (5 byte) gồm: byte 1 (phần nguyên độ ẩm), byte 2 (phần thập phân độ ẩm), byte 3 (phần nguyên nhiệt độ), byte 4 (phần thập phân nhiệt độ) và byte 5 (checksum kiểm tra tổng).

4. Hệ thống hỗ trợ những chế độ vận hành nào và người dùng có thể điều khiển qua các giao diện nào?
Hệ thống hỗ trợ 2 chế độ vận hành: Chế độ Auto (hệ thống tự động bật/tắt đèn sưởi, quạt hút, máy phun sương dựa trên ngưỡng môi trường cài đặt) và Chế độ Manual (người dùng bật/tắt thiết bị chủ động). Người dùng có thể giám sát và can thiệp điều khiển qua 3 giao diện: màn hình LCD 16x4 kết hợp nút nhấn tại bộ Master, ứng dụng di động trên điện thoại Android, hoặc giao diện Web Server trên máy tính.

5. Giải pháp phần cứng cho các cơ cấu chấp hành điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng trong mô hình gồm những thiết bị gì?
Các cơ cấu chấp hành được điều khiển qua module Relay XH3FF-12VDC bao gồm: đèn sưởi halogen 12VDC (chức năng tăng nhiệt độ, tăng cường độ sáng và hỗ trợ giảm độ ẩm), quạt thông gió tản nhiệt 12VDC kích thước $6 \times 6\text{ cm}$ (chức năng hạ nhiệt độ, giảm độ ẩm không khí và tăng cường độ thông thoáng) và máy tạo ẩm siêu âm 24VDC công suất $16\text{ W}$ (chức năng tăng nhanh độ ẩm không khí và hạ nhiệt độ phòng).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Thổ Văn Dũng đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu thiết kế và thi công mô hình nhà trồng nấm rơm ứng dụng công nghệ IoT. Hệ thống phân tầng kết hợp giữa vi điều khiển Arduino, ESP32, chuẩn truyền thông tầm xa LoRa và giao thức mạng MQTT đã giải quyết hiệu quả bài toán tự động hóa quá trình giám sát, điều khiển vi khí hậu từ xa. Kết quả thử nghiệm thực tế chứng minh mô hình hoạt động ổn định, cung cấp nền tảng kỹ thuật tin cậy để nhân rộng trong các ứng dụng canh tác nông nghiệp công nghệ cao.