Tài liệu Kỹ thuật: Nghiên cứu và thiết kế mô hình nhà kính thông minh ứng

Tài liệu nghiên cứu Nghiên cứu và thiết kế mô hình nhà kính thông minh ứng dụng công nghệ iot, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về kỹ thuật.

• Tác giả: Nguyễn Quốc Trung
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Trọng Thắng
• Trường học: Trường Đại Học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Nghiên Cứu Và Thiết Kế Mô Hình Nhà Kính Thông Minh Ứng Dụng Công Nghệ IOT
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về b nhà kính thông minh b và ứng dụng IoT

Nhà kính thông minh là giải pháp hiện đại kết hợp công nghệ IoT để tự động hóa quá trình trồng trọt. Hệ thống này cho phép kiểm soát các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, cường độ ánh sáng một cách tự động. Ứng dụng của công nghệ IoT trong nhà kính giúp nông dân tối ưu hóa năng suất cây trồng, tiết kiệm tài nguyên nước và điện năng. Mô hình nhà kính IoT được thiết kế dựa trên nền tảng Arduino và ESP8266, cho phép giám sát từ xa thông qua các cảm biến thông minh. Đây là bước tiến lớn trong ngành nông nghiệp hiện đại, giúp nâng cao chất lượng sản xuất nông sản.

1.1. Khái niệm b nhà kính thông minh b

Nhà kính thông minh là cơ sở trồng trọt được trang bị hệ thống cảm biến và điều khiển tự động. Nó có khả năng theo dõi và điều chỉnh các thông số môi trường theo thời gian thực. Hệ thống này sử dụng các cảm biến DHT11 để đo nhiệt độ và độ ẩm, cảm biến đất để kiểm tra độ ẩm của đất, và cảm biến Lux BH1750 để đo cường độ ánh sáng. Tất cả dữ liệu được xử lý bởi Arduino UNO R3 hoặc ESP8266 để đưa ra quyết định điều khiển tự động.

1.2. Mục tiêu của b thiết kế mô hình nhà kính b

Mục tiêu chính của thiết kế nhà kính thông minh là tối ưu hóa điều kiện trồng trọt và giảm can thiệp thủ công. Hệ thống được lập trình để tự động bật/tắt quạt thông gió, hệ thống tưới nước, và điều chỉnh ánh sáng theo nhu cầu của cây trồng. Mô hình này giúp tiết kiệm chi phí vận hành, tăng năng suất và chất lượng sản phẩm nông sản.

II. Cơ sở công nghệ trong b hệ thống nhà kính thông minh b

Công nghệ cơ sở của nhà kính IoT bao gồm các thành phần điện tử hiện đại. Arduino UNO R3 là bộ vi xử lý chính quản lý toàn bộ hệ thống và xử lý tín hiệu từ các cảm biến. ESP8266 được sử dụng để kết nối Wi-Fi, cho phép giám sát hệ thống từ xa thông qua ứng dụng di động. Giao thức truyền thông UART được sử dụng để trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị. Cảm biến DHT11 đo nhiệt độ và độ ẩm không khí, trong khi cảm biến độ ẩm đất giúp xác định lúc tưới nước. Cảm biến BH1750 theo dõi cường độ ánh sáng để điều khiển hệ thống chiếu sáng.

2.1. b Arduino UNO R3 b và các thành phần xử lý

Arduino UNO R3 là bộ điều khiển vi xử lý dựa trên chip ATmega328P, có 14 chân kỹ thuật số và 6 chân analog. Nó được sử dụng làm khối xử lý trung tâm trong mô hình nhà kính để thu thập dữ liệu từ cảm biến và đưa ra lệnh điều khiển. Với tốc độ xung nhịp 16 MHz, Arduino UNO R3 có thể xử lý các tác vụ phức tạp trong thời gian thực.

2.2. b Cảm biến b và hệ thống theo dõi

Hệ thống cảm biến trong nhà kính thông minh bao gồm cảm biến DHT11 (nhiệt độ - độ ẩm), cảm biến độ ẩm đất, và cảm biến Lux BH1750 (cường độ ánh sáng). Các cảm biến này được kết nối với Arduino thông qua giao thức I2C và UART, giúp theo dõi liên tục các điều kiện môi trường bên trong nhà kính.

III. b Thiết kế mô hình b nhà kính thông minh và cơ khí

Thiết kế mô hình nhà kính thông minh được chia thành ba khối chính: khối điều khiển, khối cảm biến, và khối chấp hành. Khối cơ khí bao gồm trục cardan 2 khớp, pulley vòng bi, ống nước PE 8mm, và béc phun sương để phân phối nước đều. Hệ thống tưới nước được điều khiển bởi van điện từ tự động, giúp tiết kiệm nước. Quạt thông gió được bật/tắt tự động theo độ ẩm và nhiệt độ để duy trì môi trường tối ưu cho cây trồng. Động cơ giảm tốc điều chỉnh hệ thống mái hở nếu cần thiết. Mạch điện được cấp điện từ nguồn tổ ong 12V 5A và mạch giảm áp DC 3A LM2596HVS.

3.1. b Khối xử lý trung tâm b và quản lý tín hiệu

Khối xử lý trung tâm sử dụng Arduino UNO R3 để quản lý tất cả các tín hiệu từ cảm biến. Nó chạy chương trình lập trình C++ để so sánh dữ liệu cảm biến với các ngưỡng được đặt trước và đưa ra lệnh điều khiển. ESP8266 được gắn kết để truyền dữ liệu qua mạng Wi-Fi, cho phép người dùng giám sát từ xa.

3.2. b Hệ thống chấp hành b và các thiết bị ngoài

Hệ thống chấp hành bao gồm màn hình LCD 16x2 hiển thị các thông số môi trường, quạt thông gió, hệ thống tưới nước, và động cơ giảm tốc. Các thiết bị này được điều khiển bởi rơle điều khiển, nhận lệnh từ Arduino UNO R3. Cầu đấu dây điện và công tắc hành trình đảm bảo an toàn cho hệ thống.

IV. Kết quả thực nghiệm và b ứng dụng thực tiễn b

Kết quả thực nghiệm cho thấy mô hình nhà kính thông minh hoạt động hiệu quả với độ chính xác cao. Hệ thống tự động điều chỉnh các thông số môi trường giúp cây trồng phát triển tối ưu. Hệ thống tưới nước tự động giảm lãng phí nước lên đến 40% so với tưới thủ công. Quạt thông gió thông minh duy trì độ ẩm và nhiệt độ ổn định, giảm bệnh cây trồng. Hệ thống giám sát từ xa cho phép nông dân kiểm tra tình trạng cây bất kỳ lúc nào, ở bất kỳ đâu. Ứng dụng IoT trong nhà kính đã chứng tỏ khả năng nâng cao năng suất nông sản lên 30-50% trong các thử nghiệm.

4.1. b Hiệu quả hoạt động b của hệ thống

Hiệu quả hoạt động của nhà kính thông minh được đo lường qua các chỉ tiêu: độ chính xác cảm biến, thời gian phản ứng điều khiển, và tiết kiệm tài nguyên. Các cảm biến có độ chính xác ±2% cho nhiệt độ và ±5% cho độ ẩm. Thời gian phản ứng của hệ thống điều khiển là dưới 5 giây. Ngoài ra, hệ thống tự động giúp tiết kiệm điện năng và nước đáng kể so với phương pháp truyền thống.

4.2. b Ứng dụng thực tiễn b và phát triển trong tương lai

Mô hình nhà kính thông minh có thể ứng dụng rộng rãi cho các nông trại quy mô nhỏ, vừa và lớn. Trong tương lai, hệ thống có thể được mở rộng để tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) dự báo tăng trưởng cây và tối ưu hóa lịch tưới nước. Việc kết nối với các ứng dụng cloud computing sẽ cho phép quản lý nhiều nhà kính cùng lúc.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Tại Việt Nam, với hơn 70% dân số làm nông nghiệp, ngành nông nghiệp đóng vai trò vô cùng quan trọng đối với nền kinh tế và xã hội. Chính phủ đang đẩy mạnh chương trình tái cơ cấu toàn diện ngành nông nghiệp trong bối cảnh nông nghiệp Việt Nam đang đứng trước ngã rẽ của cả cơ hội và thách thức. Hệ thống nhà kính áp dụng trong nông nghiệp đã không còn quá xa lạ, nhưng hệ thống nhà kính này đang chỉ sử dụng ở mức độ đơn giản như đo nhiệt độ, độ ẩm và điều tiết qua hệ thống quạt thông gió một cách bán tự động. Với nâng cấp hệ thống nhà kính thông minh có thể áp dụng công nghệ tưới phun nước, thông gió, đóng mở rèm che nắng, bật tắt đèn chiếu sáng một cách hoàn toàn tự động.

Và khi ứng dụng công nghệ IoT vào hệ thống chúng ta có thể theo dõi, điều khiển nhà kính từ xa. Đối với người nông dân, khi áp dụng hệ thống nhà kính thông minh giống như một giải pháp mới không chỉ giúp cây trồng nâng cao năng suất mà có thể giúp cho quá trình giám sát, chăm sóc cây trồng tốt hơn, giảm sức người thủ công. Trong môi trường nhà kính cây trồng sẽ tránh được các loại sâu bọ gây bệnh, thay đổi thời tiết thất thường do toàn bộ nhà kính đều được phủ kín và che chắn cẩn thận. Cùng với những trang thiết bị và các kiểu nhà kính thông minh khác nhau sẽ phù hợp với từng loại cây trồng, mục đích sử dụng khác nhau.

Ngoài ra chi phí đầu tư ban đầu không quá cao, song lại mang đến nhiều lợi ích, giúp thu hồi vốn nhanh, dễ dàng trong việc tái đầu tư phát triển mô hình. Tuy vậy việc xây dựng quá nhiều nhà kính sẽ gây ảnh hưởng xấu đến môi trường như làm tăng nhiệt độ môi trường xung quanh tạo ra hiệu ứng nhà kính, làm ảnh hưởng đến chất lượng đất và gây ô nhiễm nguồn nước.2 Nội dung nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: “Mô hình nhà kính thông minh ứng dụng công nghệ IoT” sẽ phải thực hiện các nội dung như sau: • Nghiên cứu các mô hình nhà kính thông dụng. • Nghiên cứu công nghệ IoT, các chuẩn giao tiếp và phần mềm. 1 • Tính toán, lựa chọn và thiết kế mạch phần cứng cho mô hình.

• Thi công phần cứng, thử nghiệm và điều chỉnh phần cứng thiết bị • So sánh đánh giá các thông số với mô hình thực tế.3 Mục tiêu đề tài Đề tài này thiết kế, chế tạo một mô hình nhà kính ứng dụng công nghệ IoT. Hệ thống gồm khối cảm biến, khối hiển thị, khối chấp hành, khối truyền thông và khối xử lý trung tâm. • Đo và giám sát các thông số nhiệt độ, độ ẩm, độ ẩm đất và cường độ ánh sáng. • Hiển thị các thông số lên màn hình LCD 1602.

• Tự động căn cứ vào các thông số từ cảm biến để tự động điều khiển các thiết bị. • Sử dụng vi điều khiển Arduino UNO R3, ESP8266. • Kết nối, theo dõi và điều khiển từ xa qua ứng dụng Blynk.4 Các kiểu nhà kính nông nghiệp trong thực tế 1.1 Mô hình nhà kính mái hở cố định một bên Mô hình nhà kính mái vòm lệch hở cố định 1 bên, là một trong số chọn lựa cho những nhà bà con nông dân và doanh nghiệp cần duy trì không khí trồng trọt năng suất cao, sản xuất lợi nhuận với giá thành giảm [1]. 1 Nhà kính mái hở cố định một bên 2 Mái có tính nhô lên theo dạng cung tròn lệch, giữa phần lệch của 2 cung tròn là cửa thông gió, giúp giảm chiều dài và rộng bị nung nóng và làm phân tầng không khí trong nhà kính, nhờ đó tăng được kết quả làm mát vào mùa hè, kiểm soát hay sự ngưng tụ của hơi nước.

Đặc điểm thiết kế này sẽ có khả năng kết nối liên hoàn với các dạng nhà kính khác. chia thành một hế thống liên hoàn hầu hết qui mô, chiều dài và rộng trồng trọt mênh mông. Khi xây dựng nhà kính dạng này người trồng trọt cần phải chú tới hướng gió. Kết dán trực tiếp giữa các thanh vòm, cột và máng xối bằng co nối cầu kỳ chữ Y và L chia thành một kết cấu chắc chắn; có khả năng chịu chuyển vận tốt, việc lắp đặt được chóng vánh và may mắn.

Trên máng xối có lồng ghép nẹp cài sóng giúp cho công việc gắn kết lại giữa màng phủ nilon với máng xối được tất tả và hiệu quả hơn, quan trọng hơn không nên để lớp nước mưa lọt vào nhà kính.2 Mô hình nhà kính mái hở cố định hai bên Mô hình nhà kính Mái vòm lệch hở giữ chặt 2 bên cũng giống như cấu trúc mái hở giữ chặt một bên, chỉ khác ở chỗ các loại này có cửa thông gió đôi. là một chọn lựa hoàn hảo cho những nhà bà con nông dân và doanh nghiệp cần duy nhất không gian trồng trọt năng suất cao, sản xuất lợi nhuận với giá thành hạ [1]. 2 Nhà kính mái hở cố định hai bên 3 Mái có tính nhô lên theo dạng cung tròn, trên đỉnh mái có 2 cửa thông gió giữ chặt, giúp giảm diện tích bị nung nóng và làm cho phân tầng bầu không gian trong ngôi nhà kính, nhờ đó tăng được kết quả làm cho mát vào mùa nắng nóng, kiểm soát giỏi sự ngưng tụ của hơi nước. Đặc điểm xây cất này có khả năng kết dính liên hoàn với các dạng nhà kính khác.

chia thành một hế thống liên hoàn tất thảy qui mô, kích thước trồng trọt bao la. Kết nối thẳng trực tiếp giữa các thanh vòm, cột và máng xối bằng co nối cầu kỳ chữ Y và L phân thành một cấu tạo chắc chắn; sẽ có khả năng chịu chuyển vận tốt, việc lắp đặt được lập cập và dễ dàng. Trên máng xối có lồng ghép nẹp cài sóng giúp cho công việc nối lại giữa màng phủ nilon với máng xối được vội vã và hiệu quả hơn, cần thiết hơn không được để nước mưa lọt vào nhà kính.3 Mô hình nhà kính kiểu cánh bướm Nhà kính mái mở nách kiểu cánh bướm được xây dựng giành cho các nhà trồng trọt nhu muốn việc canh tác chứa tính chuyên môn hóa, các trang bị nhà kính với các công nghệ tiến bộ nhất sẽ có thể được kết nối lại, phần mềm trong mô hình nhà kính mở nách kiểu cánh bướm này [1]. 3 Nhà kính kiểu cánh bướm 4 Về cấu trúc, nhà kính mở nách kiểu cánh bướm, cơ bản không khác gì với kiểu nhà kính mái hở giữ chặt một bên và 2 bên, có điểm khác lạ ở chỗ nhà kính cần dùng công nghệ mái nhà kính đóng mở được mà không đủ sự linh hoạt của một nhà kính đích thực.

Đây chính là điểm vượt trội với các mô hình nhà kính khác, nhà kính sẽ có khả năng thông khí cho hoa màu một cách thiên nhiên, hoặc tạo môi trường khí hậu cưỡng bách trong điều kiện thời tiết sự khác biệt, nhờ vậy cây cối được sinh trưởng trong điều kiện thuận lợi nhất. Dựa trên thiết kế tuyệt hảo về bầu không gian hữu dụng, lắp đặt thuận lợi và chất lượng độ bền cao, cấu trúc nhà kính mái hở nách kiểu cánh bướm cho phép người trồng lắp đặt các hệ thống tự động che mát, làm cho tối, tưới tiêu…. Hoặc rất có thể lắp đặt hệ điều hành màng cuốn hông với thi công lạ mắt, dễ điều khiển, tiết kiệm thời gian, phát huy tốt nhất công năng vốn có của phòng kính. Mô hình nhà kính này cũng có thể xây đắp theo sở thích về cây cối – từ các cây gầy và vừa đến những cây béo hoặc cây leo cao, khác lạ cho mong muốn trồng trọt những các loại cây trồng giá trị kinh tế cao.4 Mô hình nhà kính trồng rau mini cho gia đình Hình 1.

4 Nhà kính mini cho gia đình 5 Nhà kính trồng rau sạch được thi công cho các người thương yêu trồng rau, hoa trong khuôn viên nhà ở của mỗi hộ gia đình. Kiểu này được xây dựng để lắp đặt dễ dàng. Chỉ cần có chuẩn bị một chiều dài và rộng một góc sân, tốt một góc sân vườn trong nhà của quý khách là quý khách sẽ có khả năng có được một nhà kính trồng rau sạch, trồng hoa,…mà quý khách yêu thích [1].5 Mô hình nhà kính mái vòm Cấu trúc nhà kính mái vòm sóng khuông vòm bằng thép hộp hình chữ I có tính chịu lực cao. Thiết kế kín đáo dính nối mái vòm với nhau theo hình sóng tiết kiệm được chi tiêu, tận dụng cao nhất không gian trồng trọt, khác lạ xây đắp này phục vụ cho các mặt phẳng dốc, tuyệt ruộng bậc thang.

Hàng cột cách nhau 3 mét giúp tiết kiệm tiêu phí và thời gian tồn tại đối chiếu sấp xỉ cách 1m2 của những nhà kính thông thường nhưng bà con nông dân đang làm cho bây giờ [1]. 5 Nhà kính mái vòm Không khác gì với các mô hình nhà kính khác, nhà kính mái vòm sóng này có không gian rộng để lắp thêm các khuông giàn bên trong giúp gia cố độ vững ở trong nhà kính và tăng tài năng kiến tạo thêm hệ điều hành mành cắt nắng, trang bị hệ thống phun tưới nông nghiệp điều khiển thời tiết nhà kính. Bên cạnh đó, cấu trúc này cũng được thiết kế để loại trừ sự ngưng tụ hơi nước trên mái.6 Mô hình nhà kính trồng nấm Kết hợp những quy định xây đắp của những dạng nhà kính trên, loại nhà kính này còn tính toán tới môi trường đặc biệt của việc sinh trưởng loại nấm, Việc xây dừng mô hình 6 nhà kính trồng nấm bảo đảm được những hưởng thụ trồng theo kiểu: Trồng nấm một số loại treo, trồng nấm một số loại xếp hình chữ A và trồng nấm thiên nhiên [1]. 6 Nhà kính trồng nấm 7 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ CÔNG NGHỆ ÁP DỤNG TRONG HỆ THỐNG 2.1 Giới thiệu về Arduino UNO R3 Nhắc tới dòng mạch Arduino dùng để lập trình, cái đầu tiên mà người ta thường nói tới chính là dòng Arduino UNO.

Hiện dòng mạch này đã phát triển tới thế hệ thứ 3 (R3). 1 Arduino UNO R3 Vi điều khiển Hình 2. 2 Vi điều khiển của Arduino Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8, ATmega168, ATmega328. Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,… 8 Một vài thông số của Arduino UNO R3 Bảng 2.