Đồ Án HCMUTE: Thiết Kế và Thi Công Mô Hình Hệ Thống Trồng Hoa Lan Bằng Năng Lượng Mặt Trời

Khám phá đồ án HCMUTE thiết kế và thi công mô hình trồng hoa lan sử dụng năng lượng mặt trời, giải pháp bền vững cho nông nghiệp hiện đại.

• Tác giả: Nguyễn Đắc Tuấn Phương
• 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 Mô Hình Hệ Thống Trồng Hoa Lan Sử Dụng Nguồn Pin Năng Lượng Mặt Trời
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.2. MỤC TIÊU
• 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 1.4. GIỚI HẠN
• 1.5. BỐ CỤC
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. QUY TRÌNH TRỒNG HOA LAN
• 2.1.1. Đặc tính sinh trưởng của hoa lan
• 2.1.2. Mô tả quy trình chăm sóc
• 2.2. QUY TRÌNH HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG
• 2.3. TỔNG QUAN VỀ ARM STM32
• 2.4. TỔNG QUAN VỀ NODEMCU ESP8266
• 2.5. HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
• 2.5.1. Tấm pin năng lượng mặt trời
• 2.5.2. Bộ điều khiển sạc
• 2.5.3. Bình ắc quy
• 2.6. TỔNG QUAN VỀ IOT
• 2.7. TỔNG QUAN VỀ WEB
• 2.8. CÁC CHUẨN GIAO TIẾP
• 2.8.1. Chuẩn giao tiếp uart
• 2.8.2. Chuẩn giao tiếp i2c
• 2.8.3. Chuẩn giao tiếp one-wire
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
• 3.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
• 3.2. Tính toán và thiết kế mạch
• 3.3. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
• 4. CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG
• 4.1. Thi công bo mạch
• 4.2. Lắp ráp và kiểm tra
• 4.3. ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH
• 4.4. LẬP TRÌNH HỆ THỐNG
• 4.4.1. Phần mềm lập trình cho web
• 4.4.2. Công cụ lập trình Web server
• 4.5. TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ
• 5.1. NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Mô hình trồng hoa lan sử dụng năng lượng mặt trời tại HCMUTE

Đồ án tốt nghiệp này, thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (HCMUTE), tập trung vào thiết kế và thi công mô hình trồng hoa lan sử dụng nguồn pin năng lượng mặt trời. Đề tài hướng đến mục tiêu xây dựng một hệ thống điều khiển tự động, giám sát và điều chỉnh các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng để tối ưu hóa sự phát triển của hoa lan. Hệ thống tích hợp các cảm biến đo lường, vi điều khiển, và giao diện web cho phép người dùng giám sát từ xa và điều khiển các thiết bị trong mô hình. Ứng dụng năng lượng mặt trời làm nguồn năng lượng chính góp phần vào nông nghiệp bền vững và tiết kiệm năng lượng. Nghiên cứu này là một ví dụ cụ thể của mô hình nông nghiệp công nghệ cao, kết hợp công nghệ IoT trong nghiên cứu khoa học HCMUTE.

1.1. Thiết kế hệ thống và lựa chọn thiết bị

Mô hình sử dụng ARM STM32F103C8T6 làm bộ xử lý trung tâm, kết hợp với Module NODEMCU ESP8266 để kết nối mạng và điều khiển từ xa. Các cảm biến như DHT11 (đo nhiệt độ, độ ẩm), cảm biến ánh sáng, cảm biến độ ẩm đất được sử dụng để thu thập dữ liệu môi trường. Động cơ bước và Module DRV8825 điều khiển hệ thống mái che. Hệ thống tưới tự động được tích hợp. Dữ liệu được hiển thị trên màn hình LCD và truyền lên webserver cho phép giám sát từ xa. Nguồn pin năng lượng mặt trời, bộ điều khiển sạc, và ắc quy cung cấp năng lượng cho toàn hệ thống. Thiết kế hệ thống đảm bảo tính ổn định, độ tin cậy cao và dễ dàng vận hành. Kích thước mô hình 60x40x40cm giúp tối ưu hóa việc điều chỉnh môi trường trong không gian nhỏ. Việc chọn hoa lan làm đối tượng nghiên cứu giúp tập trung vào một loại cây trồng có yêu cầu cụ thể về điều kiện môi trường, làm rõ hiệu quả của hệ thống. Giải pháp năng lượng sạch này phù hợp với xu hướng phát triển nông nghiệp bền vững. Nghiên cứu này cũng đóng góp vào việc ứng dụng IoT trong nông nghiệp tại HCMUTE.

1.2. Quá trình triển khai và thử nghiệm

Đồ án bao gồm các giai đoạn: nghiên cứu lý thuyết về phần cứng, phần mềm; thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý; lập trình vi điều khiển, thiết kế webserver; thi công, lắp ráp mô hình; chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống. Quy trình trồng hoa lan được nghiên cứu kỹ lưỡng để thiết lập các thông số điều khiển tự động. Phần mềm lập trình được sử dụng để điều khiển các thiết bị và hiển thị dữ liệu. Thực nghiệm trồng hoa lan được tiến hành để đánh giá hiệu quả của hệ thống. Phân tích hiệu quả năng lượng được thực hiện để đánh giá hiệu suất sử dụng năng lượng mặt trời. Chi phí trồng hoa lan được tính toán để đánh giá tính kinh tế của mô hình. Lợi ích trồng hoa lan bằng hệ thống này bao gồm tự động hóa, tiết kiệm nhân công, tăng năng suất và chất lượng sản phẩm. Giảm thiểu tác động môi trường là một lợi ích quan trọng khác. Thí nghiệm được thiết kế để đánh giá hiệu quả của hệ thống trong việc điều khiển nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng cho hoa lan. Thu hoạch hoa lan sẽ cung cấp dữ liệu cho việc đánh giá hiệu quả của mô hình. Xu hướng trồng hoa lan hiện đại hướng đến công nghệ cao, và đồ án này đóng góp vào xu hướng đó.

1.3. Kết quả và hướng phát triển

Đồ án đã thành công trong việc thiết kế và thi công mô hình trồng hoa lan sử dụng năng lượng mặt trời. Hệ thống hoạt động ổn định, đáp ứng các yêu cầu về điều khiển nhiệt độ, độ ẩm. Dữ liệu được thu thập và hiển thị chính xác. Kết quả thử nghiệm cho thấy hiệu quả của hệ thống trong việc tăng trưởng hoa lan. Tuy nhiên, mô hình vẫn còn một số hạn chế như: công suất nhỏ, tính bảo mật chưa cao. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm: tăng công suất hệ thống, cải thiện tính bảo mật, tích hợp thêm các cảm biến khác, phát triển giao diện người dùng thân thiện hơn. Nghiên cứu khoa học HCMUTE tiếp tục hỗ trợ việc ứng dụng công nghệ cao trong nông nghiệp bền vững. Việc áp dụng rộng rãi mô hình này cần nghiên cứu thêm về giảm sát từ xa hệ thống trồng hoa lan, tối ưu hóa kỹ thuật trồng hoa lan, và chăm sóc hoa lan hiệu quả. Giống hoa lan phù hợp cũng cần được nghiên cứu để tối ưu hóa hiệu quả của hệ thống. Giá thành trồng hoa lan cũng cần được tối ưu hóa để tăng tính cạnh tranh của mô hình.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Việt Nam là một quốc gia có thế mạnh về nông nghiệp, tuy nhiên năng suất và chất lượng nông sản nói chung thường chưa đạt mức tối ưu do công nghệ sản xuất ở nhiều nơi còn lạc hậu, phụ thuộc phần lớn vào phương thức canh tác thủ công. Trong lĩnh vực trồng trọt, đặc biệt là hoa lan – loài thực vật có giá trị kinh tế cao và rất nhạy cảm với sự thay đổi của khí hậu – việc ứng dụng mô hình nhà kính tự động hóa là một giải pháp thiết yếu. Mô hình này giúp người canh tác chủ động kiểm soát vi khí hậu, kéo dài mùa vụ, giảm thiểu rủi ro từ thời tiết bất lợi (mưa đá, sương muối, nhiệt độ cực đoan) và sâu bệnh, đồng thời tiết kiệm đáng kể nhân công lao động. Xuất phát từ thực tế phát triển của công nghệ thông tin, kỹ thuật điện tử nhúng và xu hướng ứng dụng năng lượng tái tạo, đề tài "Thiết kế và thi công mô hình hệ thống trồng hoa lan sử dụng nguồn pin năng lượng mặt trời" được thực hiện nhằm xây dựng giải pháp giám sát và điều khiển môi trường nuôi trồng tự động, từ xa thông qua nền tảng Internet of Things (IoT).

Mục tiêu chính của đề tài là xây dựng một bộ điều khiển giám sát môi trường trồng hoa lan, thực hiện chức năng tự động ổn định nhiệt độ và độ ẩm thông qua việc điều khiển hệ thống quạt thông gió, máy bơm phun sương, động cơ đóng/mở mái che, đèn sưởi sợi tóc và bơm tưới nước. Đồng thời, hệ thống đảm nhận việc thu thập các thông số vi khí hậu (nhiệt độ không khí, độ ẩm không khí, độ ẩm đất) và trạng thái hoạt động của thiết bị để gửi lên máy chủ web (Webserver) phục vụ theo dõi từ xa, song song với việc hiển thị trực quan tại chỗ qua màn hình LCD.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài bao gồm 10 nội dung cụ thể:

1. Tìm hiểu và nghiên cứu về cấu tạo phần cứng, nguyên lý hoạt động, tính năng của module ARM STM32F103C8T6, module NodeMCU ESP8266, cảm biến DHT11, cảm biến mưa, cảm biến ánh sáng, cảm biến độ ẩm đất, động cơ bước và module điều khiển DRV8825.
2. Tìm hiểu về cách sử dụng nguồn pin năng lượng mặt trời.
3. Tìm hiểu và nghiên cứu về lập trình Webserver.
4. Nghiên cứu các giải pháp thiết kế hệ thống và thi công mô hình.
5. Thiết kế hệ thống điều khiển, xây dựng lưu đồ giải thuật và lập trình chương trình điều khiển mô hình.
6. Thiết kế và hoàn thiện mô hình thực tế.
7. Chạy thử nghiệm hệ thống.
8. Cân chỉnh hệ thống.
9. Viết sách luận văn báo cáo.
10. Bảo vệ đề tài tốt nghiệp.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là quy trình sinh trưởng của cây hoa lan và hệ thống phần cứng điều khiển vi khí hậu nhà kính sử dụng năng lượng mặt trời. Phạm vi không gian thực nghiệm là mô hình nhà kính thu nhỏ có kích thước 60 x 40 x 40 cm, sử dụng các thiết bị chấp hành công suất nhỏ để mô phỏng. Thời gian thực hiện đồ án diễn ra từ ngày 26/08/2019 đến ngày 20/12/2019 tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y sinh, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về mặt nông học, nước chiếm 60% đến 90% trọng lượng của cây hoa lan. Độ ẩm chi phối trực tiếp đến sự sinh trưởng của lan và được phân thành 3 cấp độ: độ ẩm vùng (phụ thuộc địa hình khu vực), độ ẩm vườn (cải tạo bằng giàn che, tưới nước, mương rãnh) và độ ẩm trong chậu (phụ thuộc cấu tạo giá thể và kỹ thuật tưới). Về nhiệt độ, hoa lan sinh trưởng tối ưu ở nhiệt độ tối hảo là 27°C, giới hạn cực đại là 35°C; nếu nhiệt độ quá thấp tế bào cây sẽ bị đóng băng và phá vỡ cấu trúc, ngược lại nhiệt độ quá cao khiến cây ngừng hô hấp do mất nước. Dựa trên nhu cầu nhiệt, lan được chia thành: nhóm ưa nóng (ngày không dưới 21°C, đêm không dưới 18,5°C), nhóm ưa lạnh (ngày không quá 14°C, đêm không quá 13°C) và nhóm chịu nhiệt trung bình (ngày không dưới 14,5°C, đêm không dưới 13,5°C). Ngoài ra, một số giống lan đòi hỏi biên độ nhiệt kích ứng đặc thù để ra hoa, ví dụ lan Bạch câu (Dendrobium crumenatum) cần giảm nhiệt độ đột ngột 5–6°C trong vài giây để nở hoa sau 9 ngày, trong khi Paphiopedilum insigne và Dendrobium nobile cần nhiệt độ hạ xuống dưới 13°C.

Về mặt kỹ thuật điện tử và truyền thông, đề tài sử dụng các chuẩn giao tiếp và giao thức mạng tiêu chuẩn:

• Chuẩn giao tiếp UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter): Sử dụng để truyền nhận dữ liệu bất đồng bộ nối tiếp giữa vi điều khiển STM32F103C8T6 và module NodeMCU ESP8266 thông qua việc kết nối chéo chân tín hiệu TX-RX và nối chung đường đất GND.
• Chuẩn giao tiếp I2C (Inter-Integrated Circuit): Giao tiếp 2 dây (SDA cho dữ liệu 2 chiều, SCL cho xung nhịp đồng hồ) theo mô hình Master - Slave, kết nối vi điều khiển với module chuyển đổi màn hình LCD 20x4 qua điện trở kéo lên nguồn (pull-up resistors).
• Chuẩn giao tiếp One-Wire: Chuẩn truyền thông 1 dây bán song công do Dallas phát triển, truyền nhận dữ liệu số dựa trên các khe thời gian (time slot) 60 µs, dùng để đọc dữ liệu 5 byte (nhiệt độ, độ ẩm và checksum) từ cảm biến DHT11.
• Giao thức MQTT (Message Queuing Telemetry Transport): Giao thức truyền thông điệp gọn nhẹ hoạt động theo mô hình Publish/Subscribe trên nền TCP/IP, sử dụng CloudMQTT làm Broker trung gian điều phối các bản tin phân phối theo Topic đến các Client (NodeMCU và Web Server).

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm: phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết kỹ thuật nhúng và đặc tính sinh học cây trồng; phương pháp tính toán, thiết kế và thi công mạch in (PCB); phương pháp lập trình điều khiển nhúng trên nền tảng vi điều khiển ARM 32-bit và ESP8266; phương pháp lập trình giao diện Web giám sát thời gian thực; và phương pháp thực nghiệm đo đạc, hiệu chỉnh hệ thống trên mô hình vật lý.

---

Thiết kế và triển khai

Hệ thống điều khiển và giám sát được tổ chức thành 7 khối chức năng liên kết chặt chẽ với nhau:

Tên khối chức năng	Phần cứng / Linh kiện sử dụng	Vai trò và thông số kỹ thuật
Khối nguồn năng lượng	Tấm pin Poly 10W, Bộ sạc Solar PWM 12V/24V 10A, Bình ắc-quy 12V-5Ah, Module LM2596	Thu năng lượng quang năng chuyển đổi thành điện năng nạp cho ắc-quy; hạ áp xuống 5V/3.3V cấp cho toàn bộ mạch điều khiển.
Khối xử lý trung tâm	Vi điều khiển ARM STM32F103C8T6 (Cortex-M3)	Hoạt động ở xung nhịp tối đa 72 MHz, Flash 64KB, SRAM 20KB, 48 chân I/O, 2 bộ ADC 12-bit (9 kênh), hỗ trợ 7 kênh DMA; thu thập dữ liệu cảm biến và ra lệnh chấp hành.
Khối giao tiếp Wifi	Module NodeMCU ESP8266 (ESP-12, chip CP2102)	Vi xử lý 32-bit (80~160 MHz), Flash 4MB, hỗ trợ Wifi 802.11 b/g/n; giao tiếp UART với STM32 và làm cầu nối truyền/nhận dữ liệu với CloudMQTT Broker.
Khối thu thập dữ liệu	DHT11, Cảm biến độ ẩm đất (LM393), Cảm biến mưa, Cảm biến ánh sáng	Đo nhiệt độ (0-50°C ±2°C), độ ẩm không khí (20-80%RH ±5%), độ ẩm đất (đầu dò LiCl/P2O5 kết hợp so sánh LM393 phân giải 10-bit), phát hiện mưa và cường độ sáng.
Khối hiển thị	Màn hình LCD 20x4 kết hợp module chuyển giao tiếp I2C	Hiển thị trực quan 4 dòng thông số vi khí hậu và trạng thái thiết bị tại chỗ, giảm thiểu số chân kết nối vi điều khiển.
Khối đóng cắt Relay	Module Relay cách ly quang	Nhận tín hiệu điều khiển logic từ STM32 để đóng ngắt các tiếp điểm rơ-le, cách ly giữa mạch điều khiển và tải công suất.
Khối chấp hành	Bơm tưới, bơm phun sương, quạt, đèn sợi tóc, chuông báo, động cơ bước + DRV8825	Thực hiện làm mát (quạt, phun sương), cấp nước (bơm tưới), sưởi ấm (đèn), cảnh báo (chuông) và đóng/mở mái che cơ khí thông qua động cơ bước.

Thông số chi tiết của hệ thống nguồn pin năng lượng mặt trời:

• Tấm pin năng lượng mặt trời: Loại Poly công suất cực đại $P_{max} = 10\text{ W}$, điện áp hở mạch $V_{oc} = 21,6\text{ V}$, dòng ngắn mạch $I_{sc} = 0,62\text{ A}$, điện áp danh định $V_{mp} = 17,07\text{ V}$, dòng danh định $I_{mp} = 0,58\text{ A}$, hiệu suất quang năng 98%, cấu tạo 36 cell, kích thước 445 x 190 x 25 mm, trọng lượng 1,2 kg.
• Bộ điều khiển sạc Solar: Model PWM10A - LCD, điện áp hoạt động tự động nhận diện 12V/24V, dòng sạc danh định 10A, ngưỡng ngắt sạc khi ắc-quy đầy $V_{batt} \ge 14,5\text{ V} \pm 2%$, ngưỡng tự động cắt tải bảo vệ xả sâu $V_{batt} \le 10,2\text{ V} \pm 2%$, ngưỡng phục hồi sạc lại $V_{batt} \le 10,5\text{ V} \pm 2%$, dòng tổn hao tĩnh 0,6 mA, hiệu suất chuyển đổi 80% $\pm$ 10.
• Bình lưu trữ: Ắc-quy khô VRLA kín khí 12V - 5Ah (10HR), kích thước 90 x 70 x 101 mm; điện trở trong khi nạp đầy đạt 0,001–0,0015 $\Omega$ và khi phóng cạn đạt 0,02–0,025 $\Omega$.

Về triển khai phần mềm:

• Phần mềm biên dịch và nạp vi điều khiển: Phần mềm Keil MDK-ARM (phiên bản MDK511) được sử dụng để lập trình firmware ngôn ngữ C cho STM32F103C8T6 thông qua mạch nạp ST-Link V2 (cổng SWD). Môi trường Arduino IDE được cấu hình thư viện ESP8266 core để nạp code giao tiếp mạng cho NodeMCU qua cổng MicroUSB (chip nạp CP2102).
• Môi trường phát triển Web và Dịch vụ Cloud: Trình soạn thảo Visual Studio Code được sử dụng để xây dựng mã nguồn giao diện Web giám sát và điều khiển. Nền tảng CloudMQTT được cấu hình để thiết lập các Topic trao đổi thông tin, cấu hình User, Password, Port (1883) kết nối hai chiều giữa máy chủ web và mạch phần cứng NodeMCU ESP8266.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 giới thiệu lý do chọn đề tài dựa trên nhu cầu hiện đại hóa nông nghiệp công nghệ cao, phân tích vai trò của nhà kính tự động đối với cây trồng giá trị cao. Xác định mục tiêu thiết kế bộ điều khiển giám sát vi khí hậu cho hoa lan, liệt kê 10 nội dung nghiên cứu cần thực hiện từ lý thuyết đến thi công thực tế, xác định các giới hạn kỹ thuật của mô hình (kích thước khung 60 x 40 x 40 cm, sử dụng tải công suất nhỏ, sử dụng nguồn năng lượng mặt trời độc lập) và trình bày bố cục tổng thể của đồ án tốt nghiệp gồm 6 chương.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày tổng quan các đặc tính sinh học của hoa lan (vai trò của nước, 3 loại độ ẩm, các khoảng nhiệt độ tối hảo 27°C, cực đại 35°C và phân loại lan theo nhu cầu nhiệt). Phân tích chi tiết cấu trúc phần cứng của vi điều khiển ARM Cortex-M3 STM32F103C8T6, module truyền thông Wifi NodeMCU ESP8266 (ESP-12 SoC), nguyên lý vận hành của hệ thống điện mặt trời (tấm pin quang điện Poly 10W, bộ điều khiển sạc PWM 10A, bình ắc-quy VRLA 12V-5Ah). Làm rõ khái niệm IoT, kiến trúc Web (URL, Webserver, CSDL), nguyên lý giao thức mạng MQTT (Broker, Client, Topic) và các chuẩn truyền thông vật lý UART, I2C, One-Wire.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 xây dựng sơ đồ khối toàn hệ thống và giải thích chức năng của từng khối cấu thành. Tiến hành tính toán và thiết kế chi tiết mạch phần cứng: mạch vi điều khiển trung tâm STM32F103C8T6, mạch ghép nối UART với NodeMCU ESP8266, mạch hiển thị LCD 20x4 qua giao tiếp I2C, mạch đọc tín hiệu cảm biến nhiệt độ/độ ẩm DHT11, cảm biến độ ẩm đất LM393, cảm biến mưa và cảm biến quang trở. Tính toán kết nối khối rơ-le công suất, động cơ bước điều khiển mái che qua driver DRV8825, mạch hạ áp nguồn LM2596 và tích hợp hệ thống sạc năng lượng mặt trời. Kết thúc chương bằng sơ đồ nguyên lý toàn mạch chi tiết.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả quy trình thi công mạch in, bố trí linh kiện trên bo mạch hai mặt (mặt trên và mặt dưới) và lắp ráp cơ khí hoàn thiện mô hình nhà kính 60 x 40 x 40 cm. Thiết kế các lưu đồ giải thuật phần mềm bao gồm: lưu đồ chương trình điều khiển chính, lưu đồ chế độ tự động (Auto), lưu đồ truyền dữ liệu lên Web và lưu đồ chế độ điều khiển thủ công qua Web. Hướng dẫn cài đặt và sử dụng các công cụ phần mềm (Keil C MDK511, Arduino IDE, Visual Studio Code), các bước thiết lập tài khoản và cấu hình Topic trên CloudMQTT, cùng tài liệu hướng dẫn vận hành hệ thống.

Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá

Chương 5 công bố các kết quả thực nghiệm đạt được trên mô hình hoàn chỉnh. Đánh giá hoạt động của các cơ cấu chấp hành: hệ thống sấy/đèn khi bật và tắt, hệ thống phun sương, bơm tưới nước, quạt thông gió, chuông báo động, trạng thái đóng/mở của mái che khi có mưa/nắng, và khả năng hiển thị dung lượng bình ắc-quy. Phân tích kết quả chạy thực tế của hệ thống qua bảng dữ liệu điều khiển trực tiếp trên phần cứng và bảng kết quả giám sát, điều khiển thiết bị thông qua giao diện Web khi nhiệt độ vượt ngưỡng cài đặt (ví dụ trường hợp nhiệt độ cao hơn 30°C).

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết toàn bộ các mục tiêu thiết kế và thi công đã hoàn thành, khẳng định hệ thống đã đáp ứng được yêu cầu đo đạc vi khí hậu và điều khiển tự động các thiết bị hỗ trợ sinh trưởng cho hoa lan. Phân tích các mặt hạn chế còn tồn tại của mô hình và đề ra các phương hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo nhằm hoàn thiện sản phẩm.

---

Kết quả và đóng góp

Hệ thống đã được thiết kế, thi công và thử nghiệm thực tế với các kết quả cụ thể:

• Chế tạo thành công bo mạch điều khiển trung tâm tích hợp vi điều khiển STM32F103C8T6, module NodeMCU ESP8266, module hạ áp LM2596 và các cổng giao tiếp ngoại vi.
• Thi công hoàn thiện khung mô hình nhà kính kích thước 60 x 40 x 40 cm có gắn đầy đủ cơ cấu chấp hành: quạt thông gió, bóng đèn sợi tóc, máy bơm tưới gốc, bơm phun sương làm mát, chuông báo và mái che di động điều khiển bằng động cơ bước kết hợp driver DRV8825.
• Vận hành thành công hệ thống nguồn năng lượng mặt trời độc lập gồm tấm pin quang điện Poly 10W nạp điện cho bình ắc-quy 12V-5Ah thông qua bộ điều khiển sạc Solar PWM10A, cấp nguồn ổn định cho toàn bộ mạch điều khiển và phụ tải.
• Đo đạc chính xác các thông số môi trường: nhiệt độ và độ ẩm không khí (DHT11), độ ẩm đất (cảm biến LM393), phát hiện trời mưa và cường độ ánh sáng môi trường.
• Truyền nhận dữ liệu thành công giữa STM32 và ESP8266 qua giao tiếp UART, gửi dữ liệu lên Web Server qua giao thức MQTT (CloudMQTT) và hiển thị đồng thời lên màn hình LCD 20x4 qua I2C.
• Vận hành tin cậy ở cả 2 chế độ: Chế độ tự động (khi nhiệt độ vượt quá 30°C hệ thống tự kích hoạt quạt/phun sương; khi đất khô tự kích hoạt bơm tưới; khi trời mưa tự kéo đóng mái che) và chế độ điều khiển thủ công từ xa thông qua giao diện Web.

Đóng góp chính của đề tài bao gồm việc xây dựng một giải pháp tích hợp giữa công nghệ điều khiển nhúng thời gian thực (ARM Cortex-M3) và công nghệ kết nối vạn vật (ESP8266/MQTT) phục vụ nông nghiệp chính xác. Đề tài chứng minh tính khả thi của việc ứng dụng nguồn năng lượng mặt trời tại chỗ để vận hành hệ thống giám sát vi khí hậu độc lập, giúp tiết kiệm năng lượng lưới và nâng cao tính chủ động trong canh tác hoa lan.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài được nhóm tác giả xác định gồm:

• Hệ thống mới dừng lại ở quy mô mô hình thực nghiệm (kích thước 60 x 40 x 40 cm), chưa được áp dụng trực tiếp ra môi trường canh tác nông nghiệp thực tế diện tích lớn.
• Các cơ cấu chấp hành trong mô hình sử dụng các linh kiện công suất nhỏ nhằm mục đích mô phỏng nguyên lý hoạt động.
• Tính năng bảo mật của hệ thống truyền dữ liệu và điều khiển qua mạng Internet chưa cao.

Hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo:

• Nâng cấp phần cứng và công suất của tấm pin năng lượng mặt trời cũng như dung lượng ắc-quy để có thể cấp nguồn cho các thiết bị chấp hành công suất lớn (máy bơm áp lực cao, quạt công nghiệp) phục vụ nhà vườn thực tế.
• Mở rộng diện tích giám sát bằng cách lắp đặt thêm nhiều nút cảm biến không dây tại các vị trí khác nhau trong vườn lan.
• Tăng cường cơ chế mã hóa và bảo mật thông tin trong quá trình truyền dữ liệu giữa vi điều khiển, MQTT Broker và Web Server.
• Thiết kế ứng dụng chuyên dụng trên điện thoại thông minh (Mobile App) để tăng tính tiện lợi cho người dùng bên cạnh giao diện trình duyệt Web.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên các ngành Kỹ thuật Điện tử Truyền thông, Điện tử Công nghiệp, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử cũng như các ngành Nông nghiệp Công nghệ cao. Cụ thể, tài liệu cung cấp giá trị thực hành cao ở các nội dung:

• Kỹ thuật ghép nối liên lạc giữa vi điều khiển 32-bit (STM32F103C8T6) và vi điều khiển Wifi (NodeMCU ESP8266) thông qua giao tiếp UART.
• Phương pháp lập trình giao tiếp các loại cảm biến môi trường phổ dụng (DHT11, cảm biến độ ẩm đất LM393, cảm biến mưa, quang trở) và module hiển thị LCD 20x4 qua chuẩn I2C.
• Phương pháp tính toán, lựa chọn linh kiện và đấu nối hệ thống nguồn điện mặt trời độc lập cơ bản (pin mặt trời, sạc PWM, ắc-quy chì-axit kín khí).
• Kiến trúc triển khai ứng dụng IoT sử dụng giao thức MQTT Broker trên nền CloudMQTT kết nối với Webserver điều khiển.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Khối xử lý trung tâm và khối truyền thông của hệ thống sử dụng các vi điều khiển nào?
Hệ thống sử dụng vi điều khiển ARM 32-bit Cortex-M3 STM32F103C8T6 (xung nhịp 72 MHz) làm bộ xử lý trung tâm đảm nhiệm thu thập dữ liệu cảm biến và điều khiển chấp hành; kết hợp với module NodeMCU ESP8266 (ESP8266EX SoC) làm khối giao tiếp truyền dữ liệu vi khí hậu lên Webserver và nhận lệnh điều khiển từ xa.

2. Nguồn điện cung cấp cho toàn bộ mô hình gồm những thành phần kỹ thuật nào?
Nguồn điện bao gồm tấm pin năng lượng mặt trời Poly công suất 10W ($V_{mp} = 17,07\text{ V}$, $I_{mp} = 0,58\text{ A}$), bộ điều khiển sạc Solar PWM10A - LCD (tự động nhận diện 12V/24V, dòng sạc 10A, có bảo vệ ngắt tải khi $V_{batt} \le 10,2\text{ V}$) và bình ắc-quy lưu trữ VRLA 12V - 5Ah, kết hợp mạch hạ áp LM2596 để cấp nguồn cho vi điều khiển và cảm biến.

3. Cơ cấu che mưa và ánh sáng trong mô hình được thiết kế vận hành như thế nào?
Mái che của mô hình được kéo đóng/mở tự động bằng một động cơ bước điều khiển thông qua mạch điều khiển động cơ bước DRV8825, nhận tín hiệu kích hoạt từ STM32F103C8T6 khi cảm biến phát hiện trời mưa hoặc cường độ ánh sáng thay đổi.

4. Dữ liệu từ mô hình được gửi lên Web thông qua giao thức và máy chủ nào?
Dữ liệu vi khí hậu được truyền từ vi điều khiển lên giao diện Web thông qua giao thức MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) theo mô hình Publish/Subscribe, sử dụng dịch vụ đám mây CloudMQTT làm Broker trung gian tại cổng truyền thông tiêu chuẩn.

5. Kích thước mô hình thử nghiệm là bao nhiêu và những thông số nào được giám sát?
Mô hình thực nghiệm có kích thước 60 x 40 x 40 cm. Các thông số môi trường được giám sát liên tục bao gồm nhiệt độ không khí, độ ẩm không khí, độ ẩm của đất, trạng thái mưa, cường độ ánh sáng, trạng thái hoạt động của các thiết bị chấp hành và dung lượng bình ắc-quy.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công mô hình hệ thống trồng hoa lan sử dụng nguồn pin năng lượng mặt trời" đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu đặt ra từ nghiên cứu lý thuyết, tính toán thiết kế phần cứng đến lập trình và thi công mô hình thực tế. Hệ thống làm chủ được quy trình giám sát vi khí hậu tự động (nhiệt độ, độ ẩm, tưới tiêu, mái che) kết hợp truyền thông dữ liệu IoT qua Webserver và sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng mặt trời độc lập. Mặc dù còn hạn chế về quy mô mô hình nhỏ và công suất thiết bị mô phỏng, đề tài đã đặt nền tảng kỹ thuật vững chắc cho việc mở rộng ứng dụng tự động hóa trong canh tác nông nghiệp công nghệ cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, giới hạn thông số và bố cục đồ án. • Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết Trong chương này trình bày về các lý thuyết có liên quan đến các vấn đề mà đề tài sẽ dùng để thực hiện thiết kế, thi công cho đề tài. • Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế 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 3 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2.1 QUY TRÌNH TRỒNG HOA LAN 2.1 Đặc tính sinh trưởng của hoa lan a. Ảnh hưởng của độ ẩm đến hoa Lan Nước là thành phần quan trọng chiếm tỷ lệ 60-90% trọng lượng của cây Lan.

Nước ở trong cây ở 3 trạng thái. Phần lớn là nước tự do làm tan các chất, như nước ở nhựa cây; chính sự thoát hơi nước làm cây héo đi vì mất lượng nước này. Phần còn lại là nước liên kết như nước ở các mao quản, nước tẩm ở trong celuloz, ở trong tinh bột. và cuối cùng là nước cấu tạo dự phần mật thiết trong sinh thái của cây.

Mất lượng nước này thì cây sẽ chết. Việc chọn địa điểm thích hợp cho việc lập vườn Lan sẽ giúp ta giảm được rất nhiều công sức chăm sóc cho Lan, trong đó yếu tố độ ẩm là yếu tố quan trọng bậc nhất vì trong thiên nhiên chính yếu tố độ ẩm chi phối việc xuất hiện các vùng có Lan. Về phương diện này, cần lưu ý 3 loại độ ẩm: • Độ ẩm của vùng là độ ẩm của khu vực rộng lớn, nơi mà ta sẽ thiết lập vườn Lan. Độ ẩm của vùng do điều kiện địa hình, địa lý ở nơi ấy định đoạt.

Ví dụ độ ẩm của vùng cạnh sông rạch cao hơn độ ẩm của vùng đồng trống nhiều gió, độ ẩm của vùng đồi trọc sẽ thấp hơn độ ẩm của vùng có vườn cây ăn trái. • Độ ẩm của vườn là độ ẩm chính ngay trong vườn lan, độ ẩm này có thể cải tạo theo ý muốn bằng cách đào ao, làm mương rãnh, trồng cây, trải cát, làm giàn che, tưới nước. • Độ ẩm trong chậu còn gọi là độ ẩm cục bộ, tuỳ thuộc cấu tạo giá thể (chất trồng), thể tích của chậu, loại chậu, vị trí đặt chậu, cách tưới nước, nghĩa là hoàn toàn tuỳ thuộc vào kỹ thuật của người trồng lan. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hoa Lan Nhiệt độ còn ảnh hưởng đến sự ra hoa của một số loài hoa Lan: hoa Lan Bạch câu Dendrobium crumenatum đòi hỏi giảm nhiệt độ đột ngột khoảng 5-6 độ C trong vài giây đồng hồ thì khoảng 9 ngày sau chúng sẽ nở hoa đồng loạt.

Ở 18,5 độ C Paphiopediluminsigne và Dendrobium nobile chỉ tiếp tục tăng trưởng mà không ra hoa nhưng chúng sẽ ra hoa khi nhiệt độ hạ xuống 13 độ C hay thấp hơn. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Tuy nhiên, nếu nhiệt độ quá thấp thì sẽ làm cho nước trong tế bào của cây kết tinh thành nước đá, làm gia tăng thể tích, phá vỡ các cấu trúc tế bào. Ngược lại, nhiệt độ tăng quá cao thì sự quang hợp ngừng lại vì nguyên sinh chất trong tế bào đặc quánh lại do mất nước, cây ngừng hô hấp và chết đi.

Và như vậy, chúng chỉ phát triển tốt nhất ở trong khoảng nhiệt độ cực đại là 35 độ C, nhiệt độ tối hảo là 27 độ C. Rõ ràng nhu cầu nhiệt độ ở cây Lan có khác nhau nên ta gặp chúng tập trung thành những nhóm Lan khác nhau ở những vùng nhiệt độ khác nhau: Lan vùng núi cao, Lan vùng đồng bằng, Lan vùng nhiệt đới, Lan vùng ôn đới …. Căn cứ vào nhu cầu nhiệt độ, ta chia Lan ra thành 3 nhóm: • Nhóm ưa nóng: Chịu nhiệt độ ban ngày không dưới 21 độ C, ban đêm không dưới 18,5 độ C. Chúng thường ở vùng nhiệt đới.

• Nhóm ưa lạnh: chịu nhiệt độ ban ngày không quá 14 độ C, ban đêm không quá 13 độ C. Chúng thường ở vùng hàn đới, ôn đới và các chỏm núi cao vùng nhiệt đới. • Nhóm chịu nhiệt độ trung bình: thích hợp với nhiệt độ ban ngày không dưới 14,5 độ C, ban đêm không dưới 13,5 độ C. Một số ảnh hưởng khác Độ thông thoáng cũng là một yếu tố cần thiết cho cây lan phát triển tốt.

Không khí nơi vườn lan cần được thay đổi mỗi phút. Nhiệt độ ở lá dưới ánh nắng vào bất kỳ thời gian nào cũng luôn luôn cao hơn nhiệt độ của không khí quanh nó. Sự tổn thương do nhiệt độ tuỳ vào thời gian phơi bày ra nắng. Không khí luân chuyển sẽ giúp tránh được điều đó.

Phần lớn cây lan chịu được nhiệt độ thấp của ban đêm, ngắn hạn thôi chứ không dai dẳng. Ngược lại nhiệt độ cao dai dẳng trong đêm không tốt cho cây vì tiến trình hô hấp gia tăng. Quang hợp thì diễn tiến suốt ngày còn hô hấp thì diễn ra suốt ngày và đêm. Bằng cách làm chậm đi sự hô hấp về đêm, thì các chất tổng hợp được ban ngày sẽ không bị sử dụng hết! Có thể làm giảm sự hô hấp ấy bằng cách hạ nhiệt độ ban đêm xuống.

Như vậy sự chênh lệch nhiệt độ giữa ngày và đêm (biên độ nhiệt) có ảnh hưởng đến sự phát triển của cây lan.2 Mô tả quy trình chăm sóc Áp dụng quy trình tưới tự động với các giá trị đã được cài đặt trước như: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT • Nhiệt độ trên – nhiệt độ dưới, đảm bảo cho hoa Lan phát triển tốt. • Độ ẩm không khí trên – độ ẩm không khí dưới, đảm bảo sự thông thoáng và nhiệt độ cho hoa Lan quang hợp. • Độ ẩm đất trên - độ ẩm đất dưới, cung nước cho hoa Lan sinh trưởng tốt và ra cây con.

Đồng thời chế độ điều khiển cho phép trực tiếp tác động đến quá trình chăm sóc Lan thông qua việc bật tắt các thiết bị như: Bơm tưới, phun sương, đèn, quạt, đóng mở mái che. Người trồng Lan có thể trực tiếp giám sát các thông số giá trị thông qua web.2 QUY TRÌNH HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG Mạch được điều khiển bởi STM32F103C8T6 đóng vai trò điều khiển trung tâm, giao tiếp với các module khác trong đề tài như: WifiEsp, Cảm biến mưa, Cảm biến ánh sáng, DHT11, Cảm biến độ ẩm đất, Module DRV8825, Động cơ Bước, LCD 20x4. Sự kết hợp của các thiết bị sẽ tạo nên một hệ thống tốt, hiện đại.3 TỔNG QUAN VỀ ARM STM32 STM32 là một trong những dòng chip phổ biến của ST với nhiều họ thông dụng như F0,F1,F2,F3,F4…. STM32F103 thuộc họ F1 với lõi là ARM COTEX M3.

STM32F103 là vi điều khiển 32 bit, tốc độ tối đa là 72Mhz. Giá thành cũng khá rẻ so với các loại vi điều khiển có chức năng tương tự. Mạch nạp cũng như công cụ lập trình khá đa dạng và dễ sử dụng. Một số ứng dụng chính: Dùng cho driver để điều khiển ứng dụng, điều khiển ứng dụng thông thường, thiết bị cầm tay, máy tính và thiết bị ngoại vi chơi game, GPS cơ bản, các ứng dụng trong công nghiệp, thiết bị lập trình PLC, biến tần, máy in, máy quét, hệ thống cảnh báo, thiết bị liên lạc nội bộ… Phần mềm lập trình: có khá nhiều trình biên dịch cho STM32 như IAR Embedded Workbench, Keil C… Thư viện lập trình: có nhiều loại thư viện lập trình cho STM32 như: STM32snippets, STM32Cube LL, STM32Cube HAL, Standard Peripheral Libraries, Mbed core.

Mạch nạp: có khá nhiều loại mạch nạp như: ULINK, J-LINK , CMSIS-DAP, STLINK… ➢ Giới thiêu về STM32C8T6: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT • ARM 32-bit Cortex M3 với clock max là 72Mhz. • Bộ nhớ: - 64 kbytes bộ nhớ Flash(bộ nhớ lập trình). • Clock, reset và quản lý nguồn.

- Điện áp hoạt động 2. - Power on reset(POR), Power down reset(PDR) và programmable voltage detector (PVD). - Sử dụng thạch anh ngoài từ 4Mhz -> 20Mhz. - Thạch anh nội dùng dao động RC ở mode 8Mhz hoặc 40khz.

- Sử dụng thạch anh ngoài 32.768khz được sử dụng cho RTC. • Trong trường hợp điện áp thấp: - Có các mode: ngủ, ngừng hoạt động hoặc hoạt động ở chế độ chờ. - Cấp nguồn ở chân Vbat bằng pin để hoạt động bộ RTC và sử dụng lưu trữ data khi mất nguồn cấp chính. • 2 bộ ADC 12 bit với 9 kênh cho mỗi bộ.

- Khoảng giá trị chuyển đổi từ 0 – 3. - Lấy mẫu nhiều kênh hoặc 1 kênh. - Có cảm biến nhiệt độ nội. • DMA: bộ chuyển đổi này giúp tăng tốc độ xử lý do không có sự can thiệp quá sâu của CPU.

Gồm 7 kênh DMA để hỗ trợ cho ADC, I2C, SPI, UART. - 3 timer 16 bit hỗ trợ các mode IC/OC/PWM. - 1 timer 16 bit hỗ trợ để điều khiển động cơ với các mode bảo vệ như ngắt input, dead-time. - 1 sysTick timer 24 bit đếm xuống dùng cho các ứng dụng như hàm Delay….

- 2 watdog timer dùng để bảo vệ và kiểm tra lỗi. • Hỗ trợ 9 kênh giao tiếp bao gồm: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT - 2 bộ I2C(SMBus/PMBus). - 1 bộ CAN interface (2.0 full-speed interface • Kiểm tra lỗi CRC và 96-bit ID.1 Hình ảnh về STM32F103C8T6 2.4 TỔNG QUAN VỀ NODEMCU ESP8266 Hình 2.