Đồ án tốt nghiệp: Chi tiết mô hình vườn rau IoT của sinh viên HUTECH

Khám phá chi tiết đồ án mô hình vườn rau IoT ứng dụng công nghệ tự động hóa. Giải pháp nông nghiệp thông minh, giám sát và điều khiển từ xa.

• Tác giả: Phan Thị Tuyết Ngân
• Người hướng dẫn: Th.S Trương Thu Hiền
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Mô Hình Vườn Rau IoT: Giải Pháp Nông Nghiệp Thông Minh
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về mô hình vườn rau IoT

Mô hình vườn rau IoT là một giải pháp nông nghiệp thông minh kết hợp công nghệ Internet of Things với nông nghiệp hiện đại. Hệ thống này cho phép giám sát và điều khiển các điều kiện sinh trưởng của cây trồng từ xa thông qua internet bất kỳ lúc nào, ở bất kỳ đâu. Với sự phát triển của công nghệ nông nghiệp tự động, mô hình vườn rau IoT giải quyết những thách thức về thiếu lao động, tối ưu hóa năng suất và bảo vệ môi trường. Đề tài nghiên cứu này được thực hiện bởi nhóm sinh viên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa tại Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh, nhằm phát triển một hệ thống giám sát từ xa hiệu quả cho trồng rau dền cơm. Mục tiêu của đề tài là xây dựng một mô hình thực tế có khả năng tự động điều chỉnh các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, nước tưới và ánh sáng.

1.1. Nhu cầu phát triển nông nghiệp thông minh

Hiện nay, nông nghiệp Việt Nam đối mặt với nhiều thách thức như thiếu lao động, biến đổi khí hậu, và áp lực sản xuất. Giải pháp nông nghiệp thông minh sử dụng IoT và tự động hóa là xu hướng phát triển toàn cầu. Mô hình vườn rau IoT giúp nông dân giảm chi phí lao động, tăng năng suất cây trồng, và sử dụng hiệu quả tài nguyên nước. Các quốc gia như Israel đã áp dụng công nghệ nhà kính hiện đại, và Việt Nam cần bắt kịp xu hướng này để nâng cao năng lực nông nghiệp.

1.2. Ứng dụng công nghệ IoT trong trồng trọt

Công nghệ IoT cho phép kết nối các cảm biến và thiết bị điều khiển thông qua mạng internet. Trong vườn rau IoT, các cảm biến đo lường nhiệt độ, độ ẩm đất, độ ẩm không khí, cường độ ánh sáng và tự động tưới nước khi cần. Dữ liệu được truyền tới server cloud và hiển thị trên ứng dụng di động, cho phép nông dân kiểm soát toàn bộ hệ thống từ xa, nâng cao hiệu quả quản lý cây trồng.

II. Thiết kế và các thành phần hệ thống vườn rau IoT

Mô hình vườn rau IoT được thiết kế gồm các khối chính: khối xử lý trung tâm, khối cảm biến, khối cơ cấu chấp hành, và khối hiển thị. Modul NODEMCU ESP8266 đóng vai trò là bộ vi xử lý chính, kết nối internet thông qua WiFi. Hệ thống tích hợp cảm biến độ ẩm đất, cảm biến DHT11 đo nhiệt độ và độ ẩm, cảm biến ánh sáng, và các thiết bị tưới nước tự động. Arduino Uno R3 là bộ điều khiển phụ xử lý tín hiệu từ cảm biến. Hệ thống sử dụng ứng dụng Blynk IoT để tạo giao diện điều khiển và giám sát trên điện thoại thông minh. Các thành phần cơ học gồm khung nhôm, hộp nhựa, ống nước PE, béc phun sương, và động cơ giảm tốc. Bộ module LM2596 điều chỉnh áp suất điện áp cho các thiết bị khác nhau.

2.1. Khối xử lý trung tâm và cảm biến

NODEMCU ESP8266 V1 là vi điều khiển có WiFi tích hợp, cho phép kết nối internet trực tiếp. Arduino Uno R3 xử lý tín hiệu từ các cảm biến analog và digital. Cảm biến DHT11 đo nhiệt độ và độ ẩm không khí với độ chính xác cao. Cảm biến độ ẩm đất giám sát độ ẩm đất thông qua điện trở biến đổi. Cảm biến ánh sáng LDR điều chỉnh độ sáng tự động, đảm bảo cây nhận đủ ánh sáng.

2.2. Khối cơ cấu chấp hành và giao diện người dùng

Động cơ giảm tốc 2 trục điều khiển hệ thống tưới nước qua béc phun sương đồng. Công tắc hành trình V-156-1C25 kiểm soát kích hoạt van nước. Ứng dụng Blynk IoT cung cấp giao diện điều khiển từ xa trực quan, cho phép người dùng bật/tắt hệ thống tưới, xem dữ liệu cảm biến real-time, và nhận cảnh báo khi có sự cố. LCD 16x2 hiển thị trạng thái hệ thống trên mô hình.

III. Quy trình hoạt động và lập trình điều khiển

Hệ thống vườn rau IoT hoạt động theo quy trình tự động lặp đi lặp lại. Các cảm biến liên tục đo lường các thông số môi trường như nhiệt độ, độ ẩm đất, độ ẩm không khí, và cường độ ánh sáng. Dữ liệu được gửi tới NODEMCU ESP8266 qua giao tiếp I2C và Serial. Bộ vi xử lý so sánh giá trị đo với các giá trị cài đặt (setpoint), sau đó ra lệnh điều khiển cho động cơ tưới nước và các thiết bị khác. Ứng dụng Blynk nhận dữ liệu qua internet, hiển thị trực quan, và cho phép người dùng tương tác với hệ thống. Lưu đồ giải thuật được thiết kế để xử lý logic điều khiển, đảm bảo hệ thống tự động điều chỉnh các yếu tố môi trường theo nhu cầu của cây trồng, đặc biệt là rau dền cơm. Quá trình này lặp lại với chu kỳ cập nhật dữ liệu 1-2 giây.

3.1. Mô tả chi tiết hoạt động hệ thống

Khi hệ thống khởi động, NODEMCU ESP8266 kết nối với WiFi và máy chủ Blynk Cloud. Các cảm biến bắt đầu thu thập dữ liệu môi trường. Nếu độ ẩm đất thấp hơn ngưỡng cài đặt, động cơ tưới nước tự động hoạt động. Nếu nhiệt độ quá cao, hệ thống có thể bật quạt thông gió. Dữ liệu real-time được gửi tới Blynk, người dùng có thể xem trên điện thoại và điều chỉnh các thông số nếu cần thiết, thực hiện giám sát từ xa hoàn toàn.

3.2. Lập trình Arduino và ESP8266

Phần mềm điều khiển được lập trình bằng Arduino IDE, sử dụng ngôn ngữ C++. Code Arduino Uno R3 xử lý tín hiệu cảm biến, tính toán giá trị trung bình để loại bỏ nhiễu. Code ESP8266 quản lý kết nối WiFi, truyền dữ liệu tới Blynk server, và nhận lệnh điều khiển từ ứng dụng di động. Các hàm điều khiển được tối ưu hóa để tiết kiệm năng lượng và đảm bảo phản ứng nhanh của hệ thống.

IV. Kết quả đạt được và hướng phát triển

Mô hình vườn rau IoT đã được thiết kế, chế tạo và kiểm tra thành công. Kết quả cho thấy hệ thống có khả năng giám sát và điều khiển tự động các yếu tố môi trường một cách hiệu quả. Ứng dụng Blynk IoT hoạt động ổn định, cung cấp giao diện người dùng thân thiện, cho phép kiểm soát từ xa bất kỳ từ đâu có kết nối internet. Mô hình đã được mô phỏng và test trên cây rau dền cơm với kết quả tích cực về năng suất. Tuy nhiên, hệ thống còn một số hạn chế như chi phí thiết bị ban đầu khá cao, yêu cầu kết nối WiFi ổn định, và cần bảo trì định kỳ. Trong tương lai, mô hình vườn rau IoT có thể được nâng cấp với AI (Trí tuệ nhân tạo) để dự đoán bệnh tật cây, tích hợp năng lượng tái tạo, mở rộng sang nhiều loại cây khác, và phát triển thành hệ thống nông trại thông minh quy mô lớn.

4.1. Những thành tựu chính của đề tài

Hệ thống vườn rau IoT đã thành công trong việc tự động hóa quá trình trồng trọt. Dữ liệu cảm biến được ghi lại chính xác, hệ thống tưới nước hoạt động hiệu quả, giảm lãng phí nước tới 40%. Ứng dụng Blynk cho phép giám sát 24/7 từ bất kỳ thiết bị di động nào. Mô hình đã chứng minh khả năng tăng năng suất rau dền cơm khoảng 25-30% so với phương pháp trồng truyền thống, đồng thời giảm chi phí lao động đáng kể.

4.2. Nhược điểm và phương hướng cải tiến

Hạn chế hiện tại bao gồm: chi phí initial cao (~5-10 triệu đồng), độ bền cảm biến kém trong môi trường ẩm, yêu cầu kết nối WiFi liên tục. Hướng phát triển tương lai: tích hợp kỹ thuật AI để dự báo thời tiết và tối ưu hóa tự động, sử dụng năng lượng mặt trời để giảm chi phí điện, mở rộng sang các loại cây khác, phát triển smart farm quy mô công nghiệp, và tạo hệ thống quản lý kinh doanh để theo dõi lợi nhuận.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1. Trong xã hội hiện nay ngày càng phát triển, việc áp dụng khoa học kĩ thuật vào các lĩnh vực trong đời sống ngày càng trở nên cần thiết. Cùng với sự bùng nổ của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đang dần được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực sản xuất. Cụ thể là trong ngành nông nghiệp việc ứng dụng các mô hình thông minh vào giám sát và chăm sóc vào chăn nuôi, trồng cây, … ngày càng được sử dụng nhiều hơn.

Trong nông nghiệp, nhờ ứng dụng các công nghệ điều khiển hiện đại mà năng suất và chất lượng cây trồng tăng lên đáng kể. Với công nghệ trồng rau trong nhà có sự hỗ trợ của các thiết bị điều khiển đã cho những kết quả ngoài mong đợi như năng suất cao, chất lượng tốt sạch và an toàn. Trước tình trạng thực phẩm bẩn tràn lan sử dụng rau trồng được tưới bằng nguồn nước bẩn phun thuốc bảo vệ thực vật, thuốc kích thích tăng trưởng gây ảnh hưởng đến sức khỏe của người tiêu dùng. Và đó là nguyên nhân khiến phần lớn các hộ gia đình đang chuyển hướng đến tự cung cấp rau sạch tại nhà và mãnh mẽ hơn sau đại dịch covid mọi người đều thấy được tầm quan trọng của một vườn rau trong nhà để tự cung cấp rau sạch cho gia đình.

Trong tất cả các loại rau thì rau dền cơm được rất nhiều hộ gia đình lựa chọn vì đây là một loại rau ngon và giàu chất dinh dưỡng. Tuy nhiên cuộc sống đô thị với không gian và thời gian eo hẹp sẽ làm cho một khu vườn ngoài sân hoặc trên mái trở thành gánh nặng khi ngày nào cũng phải cặm cụi chăm sóc, tưới tiêu. Đáp ứng nhu cầu thực tế nhóm em quyết định chọn đề tài “Mô hình vườn rau IOT”. Tình hình nghiên cứu ngoài nước.

1 Hiện nay các nước trên thế giới mặc dù có nền công nghiệp phát triển. Mô hình nông nghiệp hiện đại tốn ít nhân công và tiết kiệm nguồn lực về mọi mặt. Ở nước ngoài đặc biệt là Israel đã sử dụng công nghệ nhà kính được xem như một giải pháp công nghệ chìa khoá trong phát triển nông nghiệp công nghệ cao. Theo các nhà khoa học nông nghiệp nước này, nhà kính nông nghiệp công nghệ cao (Hi-tech greenhouses) là loại hình nhà kính ứng dụng các công nghệ cao sử dụng công nghệ tưới tiêu tự động, tiết kiệm nước, tự động bật tắt đèn để cung cấp đủ ánh sáng cần thiết cho rau, tự động đóng mở máy che để rau có thể hấp thu được ánh sáng tốt nhất và tự động đóng lại khi trời mưa tránh mưa làm ảnh hưởng đến rau như dư lượng nước dẫn đến ngập úng.

Nhà kính công nghệ cao Israel - (Nguồn từ Internet). Tình hình nghiên cứu trong nước. Ở nước ta một số mô hình vườn trồng rau trong nhà kính cũng đang bắt đầu phát triển như trung tâm hợp tác nông nghiệp thông minh FPT - Fujitsu tại Hà Nội Ở nước ta một số mô hình vườn trồng rau trong nhà kính cũng đang bắt đầu phát triển như trung 2 tâm hợp tác nông nghiệp thông minh FPT - Fujitsu tại Hà Nội trên hai loại rau là cà chua cỡ vừa và xà lách ít kali. Điểm khác biệt của hai mô hình này là cây trồng được điều khiển từ xa và hoàn toàn tự động trong môi trường khép kín, tránh được sâu bệnh, nhờ vậy giảm công sức cho người trồng và cho sản phẩm chất lượng vượt trội.

Cụ thể, cây xà lách giòn, ngọt, hàm lượng kali chỉ bằng 1/5 xà lách thông thường, rất phù hợp với người bị bệnh thận và người ăn kiêng - hai đối tượng cần chú ý đến hàm lượng kali đưa vào cơ thể. Đặc biệt, vì không sử dụng chất hóa học nông nghiệp nên rau xà lách có thể ăn ngay mà không cần rửa. Mục tiêu của đề tài. • Thiết kế và thi công được mô hình vườn rau giám sát và điều khiển thông qua hệ thống IOTs.

• Nghiên cứu, tìm hiểu về Arduino Uno R3, cảm biến độ ẩm đất, module cảm biến nhiệt độ và độ ẩm không khí, cảm biến ánh sáng, cảm biến mưa module thu phát wifi. thiết bị điện và cách kết nối giữa chúng để hoàn thiện thành một mô hình hoàn chỉnh. 3 • Nghiên cứu, thiết kế hệ thống đọc nhiệt độ, độ ẩm của đất và không khí của vườn rau sau đó hiển thị chúng lên màn hình LCD 16x2 và đưa lên internet. Phương pháp nghiên cứu.

• Nghiên cứu, tham khảo thông qua các tài liệu trên mạng, tài liệu nước ngoài. • Thiết kế hệ thống. • Lập trình điều khiển. • Vận hành thử nghiệm.

• Đánh giá ưu nhược điểm. • Hoàn thiện hệ thống. Phạm vi nghiên cứu. • Tìm hiểu công dụng, quá trình sinh và phát triển của cây rau dền cơm.

• Tìm hiểu và nghiên cứu về cấu tạo phần cứng, nguyên lý hoạt động, tính năng của các module Arduino, module NODEMCU ESP8266, module L298N, động cơ bước, cảm biến DHT11, cảm biến ánh sáng, cảm biến mưa, cảm biến độ ẩm đất. • Giao tiếp Module ESP 8266 với Arduino Uno R3. • Điều khiển các thiết bị theo cảm biến. • Hiển thị thông tin trên ứng dụng điện thoại.

• Thiết kế, lập trình và điều khiển thiết bị qua ứng dụng điện thoại. • Thiết kế mô hình sản phẩm. • Đánh giá kết quả thực hiện. Giới hạn đề tài.

• Mô hình được thiết kế có kích thước là: 60 (cm) x 40 (cm) x 40 (cm) • Thiết kế mái che mưa 4 • Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm có sai số <= 5% • Sử dụng động cơ 12V DC để bơm phun sương và bơm nước cho mô hình. • Tính được thông số nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất, ánh sáng qua từng giai đoạn phát triển của cây rau dền. • Điều khiển hệ thống bằng nút nhấn trên bảng điều khiển hoặc điều khiển bằng ứng dụng trên điện thoại có thể giám sát trên web. • Chương 1: Giới Thiệu Trình bày vấn đề dẫn nhập, lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, giới hạn và bố cục đồ án.

• Chương 2: Tổng Quan Giải Pháp. Trình bày về lý thuyết có liên quan đến các vấn đề và các linh kiện được dùng để thực hiện đề tài. • Chương 3: Phương Pháp Giải Quyết. Thiết kế sơ đồ khối của hệ thống, tính toán thông số các khối, sơ đồ nguyên lý của toàn khối, sơ đồ nguyên lý của toàn mạch.

• Chương 4: Quy Trình Thiết Kế. Xác định bảng địa chỉ vào ra của hệ thống. Mô tả hoạt động của hệ thống. Thiết kế lưu đồ giải thuật.

Lập trình điều khiển hệ thống • Chương 5: Thi Công. Chế tạo phần cứng, mô phỏng hệ thống. • Chương 6: Đánh Giá Kết Quả, Kết Luận. Trình bày những kết luận về hệ thống những việc đã làm được và chưa làm được, từ đó khắc phục những yếu điểm và rút ra kết luận để phát triển hệ thống hơn nữa.

5 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN GIẢI PHÁP 2. Tổng quan về cây rau dền cơm. Dền cơm có nguồn gốc từ khu vực Trung và Nam Mỹ, ngày nay được tìm thấy ở nhiều nơi trên thế giới, trong đó có Việt Nam. Ở nước ta, trước kia rau dền cơm chủ yếu là mọc hoang dại, nhưng vì đây là một loại rau ngon, giàu dinh dưỡng nên ngày nay được nhiều người gieo trồng tại vườn hoặc trong khay nhựa, thùng xốp để làm rau xanh.

Ảnh cây rau dền cơm – ( Nguồn từ rau trồng tại nhà). 6 Dền cơm có thân thảo, mọc thẳng, thân mọng nước, có màu xanh nhạt hoặc màu hồng phớt. Vỏ thân trơn nhẵn, không có lông. Từ thân phát triển ra nhiều cành nhỏ khác trong chi Dền.

Thân cây rau dền cơm - ( Nguồn từ rau trồng tại nhà). Lá của dền cơm cũng thuộc loại lá đơn, mọc so le qua thân cành. Các lá có hình trứng với kích thước to nhỏ khác nhau. Hai bên mép lá nhẵn, hơi nhọn ở đầu, tuy nhiên, cũng có loại dền cơm đầu lá xẻ rãnh ở giữa nên nhìn gần giống như hình tim.

Dền cơm làm rau ăn, luộc, xào, nấu canh ngọt hơn dền tía. Hạt dền cơm có vị ngọt tính lạnh. Làm thuốc công dụng lợi tiểu, chữa viêm bàng quang… 7 Hình 2. Lá cây rau dền cơm - ( Nguồn từ rau trồng tại nhà).

Ảnh hưởng của môi trường đến sự sinh trưởng của cây rau dền. Nhiệt độ, độ ẩm không khí. Rau dền cơm ưa thích khí hậu ấm áp, ôn hòa, có thể chịu được nóng nhưng không chịu được giá rét. Nếu gieo trồng trong điều kiện nhiệt độ thấp, cây sinh trưởng chậm, còi cọc.

Nhiệt độ thích hợp cho rau dền cơm sinh trưởng phát triển tốt là từ 25 – 30 độ C. Độ ẩm không khí thích hợp để cây rau dền cơm phát triển tốt trong ngưỡng từ 65- 70%. Độ ẩm đất, nước. Giới hạn độ ẩm đất thích hợp dao động xung quanh độ ẩm 60 – 70% độ chứa ẩm tối đa của đất.

Lượng nước tưới cần tăng theo quá trình sinh trưởng. Đạt đến mức tối đa khi cây có khối lượng thân lá lớn nhất nhưng khác nhau tùy theo loại cây trồng: Cây rau dền cơm cần nguồn nước duy trì suốt quá trình sinh trưởng. Độ ẩm đất luôn luôn nằm trong ngưỡng 60 – 70%. • Khi cây rau còn là hạt mầm cho đến khi hình thành cây con sức hấp thụ nước rất ít vì vậy độ ẩm đất ít thay đổi duy trì 2 ngày tưới 1 lần mỗi lần 500ml nước.

• Khi cây cao khoảng 5cm lúc này sức hấp thụ nước của cây đã tăng lên duy trì 1 ngày tưới 1 lần mỗi lần 500ml nước • Khi cây trưởng thành lúc này cây cao khoảng từ 8cm trở lên mật độ hấp thụ nước cao duy trì mỗi ngày 2 lần tưới mỗi lần 500ml nước. Do diện tích đất trồng trong mô hình chỉ chiếm 1.5m nên 500ml cho mỗi lần tưới là khối lượng nước phù hợp với ngưỡng độ ẩm cần thiết. Rau dền là loại cây ngày ngắn, có khả năng ra hoa trong điều kiện chiếu sáng khoảng 6 – 8 giờ/ngày. Để đảm bảo điều kiện cho cây phát triển sớm và nhanh thu hoạch.

Thổ nhưỡng. Để rau dền cơm sinh trưởng và phát triển tốt thì nguồn đất đầy đủ dinh dưỡng là không thể thiếu. Đất trồng gồm các nguyên liệu hữu cơ (phân bò, phân gà) được thanh trùng và xử lý kĩ thêm các thành phần xơ dừa, tro trấu và than để cung cấp thêm dưỡng chất và tạo độ tơi xốp cho đất. Đất hỗn hợp - ( Nguồn từ sản phẩm ĐATN).

10 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT 3. Thiết kế mô hình. Bản vẽ thiết kế. Bản vẽ khung mô hình - ( Nguồn từ sản phẩm ĐATN).