CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1.1 TỔNG QUAN IoTs là một mạng lưới khổng lồ giúp những thiết bị thông minh được tương tác thông qua mạng internet, theo dõi thông tin từ xa để cung cấp phản hồi. Sự ra đời của IoTs đã mang lại những ảnh hưởng to lớn đến sinh hoạt hàng ngày của chúng ta, ứng dụng của IoTs đã lan rộng khắp các lĩnh vực từ máy điều hòa không khí mà người dùng có thể điều khiển bằng điện thoại đến xe thông minh cung cấp tuyến đường đi ngắn nhất, hay đồng hồ thông minh đang theo dõi những hoạt động hằng ngày. Thêm vào đó là hoạt động trong công nghiệp, công nghệ IoTs đã cho phép cho các doanh nghiệp tự động hóa quá trình sản xuất và kiểm soát quy trình nhằm giảm chi phí hoạt động, giảm thiểu chất thải công nghiệp và đồng thời cải thiện chất lượng. Một số quốc gia có hơn 60% dân số phụ thuộc vào nông nghiệp để đáp ứng cho các nhu cầu cơ bản hàng ngày.
Đồng thời, khoảng 12% đất được sử dụng để trồng trọt [1]. Tuy nhiên, các phương pháp truyền thống gặp một số thách thức, điều này bao gồm tốn kém thời gian, sức lực, hạn chế kiến thức chuyên môn về chăm sóc cây trồng …Vì vậy, nhu cầu sử dụng IoTs để đóng góp cho quá trình trồng trọt và chăn nuôi ngày càng cao. Trong một cuộc khảo sát về sự phát triển của IoTs trong lĩnh vực nông nghiệp đã chứng tỏ rằng IoTs đã và đang được sử dụng đa dạng lĩnh vực bao gồm việc giám sát cây trồng, phát hiện dịch bệnh, chuỗi cung ứng và chăn thả gia súc [3].1: Tỷ lệ phần trăm đóng góp của IoTs trong lĩnh vực nông nghiệp. Hiện nay, đất dành cho nông nghiệp ngày càng thu hẹp gây ra một sự suy giảm đáng kể nguồn nhân lực trong lĩnh vực nông nghiệp.
Vì vậy, người nông dân cần ứng dụng công nghệ thông minh vào trong quá trình sản xuất của mình để đảm bảo việc duy trì và cải thiện chất lượng của nông sản cũng như giá trị của chúng trên thị trường. Chăm sóc cây trồng và rau quả là một quá trình phức tạp, đặc biệt là trồng cây theo phương pháp thủy canh vì cần đảm bảo yêu cầu của các các yếu tố môi trường để không làm ảnh hưởng đến chất lượng của cây trồng. Bên cạnh đó, các phương pháp thủ công để đo lường và giám sát các thông số mang lại hiệu quả không cao. Vì vậy, chúng ta cần một hệ thống lấy thông số từ các cảm biến và quản lý chúng thông qua tin nhắn điện thoại, thống kê và thông báo đến người dùng, giúp họ tiện lợi theo dõi và đảm bảo chất lượng nông sản [6].2: Vườn rau trồng bằng phương pháp thủy canh trụ đứng [6].
2 Tại nhiều thành phố lớn hiện nay đã sử dụng các công nghệ thông minh trong quy trình sản xuất nông nghiệp nhằm cung cấp cho người dân ở khu vực thành thị các loại thực phẩm tươi sống, được nuôi trồng không gian xanh và không khí trong lành. Tuy nhiên, các mô hình này phải đối mặt với nhiều thách thức do đa số người dân thiếu kinh nghiệm và không đủ thời gian chăm sóc cây trồng. Chính vì vậy, dẫn đến sự xuất hiện của các trang web giúp phát triển nông nghiệp, cụ thể là trong trồng trọt - chăn nuôi [7]. Với mong muốn ứng dụng công nghệ IoTs trong hệ thống trồng rau sạch dùng phương pháp thủy canh trụ đứng với quy mô nhỏ, áp dụng trong môi trường thành thị, nhóm chọn đề tài “ Thiết kế mô hình trồng rau thủy canh trụ đứng dựa trên nền tảng IoTs” làm đề tài đồ án tốt nghiệp với mục tiêu xây dựng một thành phố thông minh trong tương lai.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI Nghiên cứu và xây dựng mô hình trồng rau gồm 2 chế độ hoạt động, đó là điều khiển tự động hoặc thủ công.
Trong chế độ tự động, hàm lượng chất dinh dưỡng và nồng độ pH tự điều chỉnh trong bồn chứa theo ngưỡng được cài đặt, tự động bơm nước cho trụ thủy canh liên tục và bơm sục khí sau khi bơm các dung dịch vào bồn chứa, tự động tắt trạng thái hoạt động của máy bơm khi chất dinh dưỡng thấp hơn ngưỡng cài đặt. Trong chế độ thủ công, những thiết bị điện có thể được điều khiển bằng nút nhấn. Xây dựng phần cứng ghi nhận thông tin nhiệt độ môi trường, hàm lượng chất dinh dưỡng và nồng độ pH trong nước, mực nước và các dung dịch khác trong bồn chứa. Phần cứng bao gồm các cảm biến và nút nhấn để thay đổi chế độ vận hành và trạng thái vận hành của những thiết bị điện.
Mục tiêu tạo ra một website có giao diện gần gũi với tất cả người dùng và có khả năng hiển thị các dữ liệu đã được thu thập từ cảm biến theo thời gian thực, tiến hành theo dõi thời gian trồng rau và từ đó đưa ra những khuyến nghị về phương án chăm sóc cây trồng trong từng giai đoạn, hiển thị các thông tin cảnh báo người dùng khi thông số thu thập được từ cảm biến đã vượt quá ngưỡng cho phép để giúp người dùng dễ dàng giám sát. Bên cạnh đó, website cũng cho phép thay đổi ngưỡng nồng độ chất dinh dưỡng, 3 mực nước và trạng thái vận hành của hệ thống, điều khiển và hiển thị trạng thái vận hành của thiết bị phần cứng.3 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI Hệ thống được xây dựng với một mô hình thu nhỏ, bỏ qua các yếu tố về kích thước và quy mô, chỉ thực hiện trên một loại rau cụ thể là rau xà lách. Hệ thống chỉ thích hợp sử dụng ở khu vực đô thị nơi có internet, nguồn năng lượng điện ổn định để hệ thống có thể liên tục hoạt động.4 BỐ CỤC ĐỀ TÀI Toàn bộ đề tài sẽ được trình bày thông qua 5 chương: Chương 1: Giới thiệu. Trong chương này trình bày về tình hình các nghiên cứu trước về việc ứng dụng IoTs trong nông nghiệp nói chung và mô hình trồng rau bằng phương pháp thủy canh trụ đứng nói riêng.
Sau đó đưa ra lý do chọn đề tài cùng với mục tiêu - giới hạn của đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Giới thiệu mô hình, quy trình trồng rau bằng phương pháp thủy canh trụ đứng. Tóm tắt một số lý thuyết nền tảng để dễ dàng thực hiện thiết kế và thi công mô hình.
Bên cạnh đó, liệt kê cấu trúc của cơ sở dữ liệu và giới thiệu giao diện website nhằm phục vụ cho việc giám sát - kiểm tra các thông số của cảm biến và điều khiển những thiết bị điện thông qua website. Chương 3: Thiết kế và thi công hệ thống. Trong chương này đã trình bày yêu cầu đặt ra của hệ thống, xây dựng sơ đồ khối hệ thống phần mềm và phần cứng, trình bày thiết kế và thi công hệ thống gồm các cảm biến và thiết bị điện, thiết kế giao diện website, lập trình và liên kết những thành phần của hệ thống cho đến khi vận hành đúng yêu cầu. Chương 4: Kết quả.
Trình bày các kết quả quá trình thi công hệ thống và kết quả hoạt động thực nghiệm theo từng chức năng của hệ thống. Chương 5: Kết luận và hướng phát triển. Nhóm thực hiện đề tài đưa ra đánh giá chung cho đề tài và đề xuất những định hướng phát triển trong tương lai. 4 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 CÔNG NGHỆ IOTS 2.1 Giới thiệu về công nghệ IoTs Công nghệ IoTs là một hệ thống mạng lưới, kết nối các thiết bị và đối tượng với nhau thông qua cảm biến và công nghệ khác, cho phép trao đổi dữ liệu dễ dàng và tiện lợi [3].
IoTs tạo ra và phát triển dựa trên sự kết hợp của internet, công nghệ không dây và công nghệ cơ điện tử. Đơn giản, đó là tập hợp một hệ thống gồm các thiết bị có thể kết nối với nhau, kết nối internet và tương tác với môi trường bên ngoài để hoàn thành một việc gì đó. Do đó, IoTs giúp lan tỏa lợi ích của internet đến toàn bộ các đối tượng được liên kết chứ không chỉ một máy tính.2 Ứng dụng của hệ thống IoTs Hệ thống IoTs cung cấp các ứng dụng thiết thực cho con người. Mọi thứ từ đồ gia dụng trong nhà cho đến con người hoặc động vật đều được kết hợp trong hệ thống IoTs.
Các ứng dụng tiêu biểu của IoTs trong các lĩnh vực khác nhau [3]: ● Nhà thông minh: Thiết kế được nghiên cứu để nâng cao tính tiện lợi và đảm bảo tính an toàn cho người dùng. Các thiết bị có trong hệ thống như bóng đèn, rèm cửa và máy bơm. được kết nối với nhau, con người có thể điều khiển chúng từ xa bằng cách sử dụng các thiết bị điện tử như điện thoại thông minh. ● Quản lý hạ tầng: Các hạ tầng vật chất như trang trại, tàu hỏa, cầu cảng,.
đều có thể được Internet of Things kiểm soát toàn diện một cách chặt chẽ. Mục tiêu chính của Internet of Things là theo dõi mọi thay đổi để đảm bảo rằng hạ tầng vật chất đang được thi công an toàn. Đồng thời, những ứng dụng IoT cũng được sử dụng trong quá trình thiết lập lịch trình và khắc phục sự cố. ● Y tế: Thiết bị IoT giúp theo dõi sức khỏe của người bệnh từ xa và gửi các thông báo khẩn cấp khi tình trạng sức khỏe của người dùng thay đổi.
Bất cứ khi nào các thiết 5 bị cũng có thể theo dõi sức khỏe thông qua các hoạt động đo huyết áp, đo nhịp tim. Những máy móc, thiết bị hỗ trợ thông minh giúp theo dõi và quản lý sức khỏe con người là kỷ lục đáng chú ý mà công nghệ Internet of Things đã mang lại cho ngành y tế. ● Nông nghiệp: Thiết bị của Internet of Things cho phép người nông dân giám sát - kiểm tra các thông số của môi trường, giúp họ chủ động trong xử lý với các tình huống thời tiết thay đổi, giúp làm giảm nguy cơ cây trồng bị sâu bệnh và nâng cao chất lượng sản phẩm.2 CÁC CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU ỨNG DỤNG TRONG IOTS 2.1 Chuẩn giao tiếp UART Universal Asynchronous Reception and Transmission là một giao thức truyền thông nối tiếp đơn giản, hỗ trợ truyền dữ liệu hai chiều không đồng bộ và nối tiếp. Giao tiếp UART có hai đường dữ liệu, đường truyền (Tx) và đường nhận (Rx) được sử dụng để giao tiếp.1: Cách truyền dữ liệu của giao tiếp UART.2 Chuẩn giao tiếp SPI Trong giao thức SPI (Serial Peripheral Interface) các thiết bị được kết nối theo dạng Master- Slave trong giao diện đa điểm với Master và Slave, chỉ có một thiết bị Master nhưng có thể có một hoặc nhiều thiết bị Slave.2:Giao tiếp SPI giữa một Master và một Slave.