Thi Công Robot Tự Động Trồng Và Chăm Sóc Rau - Ứng Dụng Công Nghệ Tiên Tiến

Thi công robot trồng và chăm sóc rau tự động giúp tối ưu hóa quy trình nông nghiệp, tiết kiệm thời gian và nâng cao năng suất cây trồng hiệu quả.

• Tác giả: Nguyễn Ngọc Ân
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Thái
• Trường học: Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa
• Đề tài: Robot trồng rau cho hộ gia đình, tự động gieo hạt, tưới nước, giám sát nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng qua thiết bị di động kết nối internet theo thời gian thực
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
• PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
• NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• MỤC LỤC
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
• 1.1. Mục tiêu đề tài
• 1.2. Giới hạn đề tài
• 1.3. Nội dung đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Internet of Things là gì?
• 2.2. Các thành phần trong hệ sinh thái IoT: Mô hình kết nối hoàn chỉnh
• 2.2.1. Trạm kết nối (Gateways)
• 2.2.2. Phân tích (Analytics)
• 2.3. Thiết bị kết nối (Connectivity Of Devices)
• 2.4. Dữ liệu đám mây (Cloud)
• 2.5. Giao diện người dùng (User Interface)
• 2.6. Tiêu chuẩn và giao thức (Standards And Protocols)
• 2.7. Cơ sở dữ liệu (Database)
• 2.8. Tự động hóa (Automation)
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ
• 3.1. Thiết kế robot
• 3.2. Mô hình hoàn chỉnh sau khi kết nối các phụ kiện
• 3.3. Thiết kế các bộ phận robot
• 3.4. Lựa chọn thiết bị phần cứng
• 3.4.1. Vi điều khiển STM32F103RCT6
• 3.4.2. ESP8266 NodeMCU Lua CP2102
• 3.4.3. Cảm biến đo độ ẩm đất analog
• 3.4.4. Cảm biến cường độ ánh sáng TSL2561
• 3.4.5. Cảm biến DHT22
• 3.4.6. Động cơ bước size 42 NEMA 17 STP-43D2033
• 3.4.7. Van nước điện tử Solenoid
• 3.4.8. Mạch điều khiển động cơ bước TB6560
• 3.4.9. Module 2 relay với opto cách ly 5V
• 3.4.10. Công tắc hành trình
• 3.4.11. Nguồn tổ ong 12V 5A
• 3.5. Ưu điểm so với Farmbot bản gốc
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THI CÔNG CƠ KHÍ VÀ PHẦN MỀM
• 4.1. Thi công cơ khí
• 4.2. Cách giao tiếp giữa các module
• 4.3. Nối dây phần cứng
• 4.4. Lập trình
• 4.5. Sơ đồ giải thuật chương trình
• 4.6. Giao diện web điều khiển
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Kết quả đạt được
• 5.2. Những công việc đã thực hiện
• 5.3. Những mặt tích cực
• 5.4. Những mặt hạn chế
• 5.5. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Robot trồng rau

Robot trồng rau là một giải pháp công nghệ hiện đại, được thiết kế để tự động hóa quá trình trồng và chăm sóc rau. Dựa trên nền tảng của Farmbot, robot này được cải tiến để phù hợp với điều kiện và nhu cầu của các hộ gia đình tại Việt Nam. Robot sử dụng hệ thống 3 trục (x, y, z) để thực hiện các chức năng như gieo hạt, tưới nước, và giám sát các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, và ánh sáng. Công nghệ tự động hóa trong robot giúp giảm thiểu sự can thiệp của con người, tối ưu hóa quy trình sản xuất rau sạch tại nhà.

1.1 Thiết kế và chức năng

Robot được thiết kế với 3 trục chuyển động, sử dụng động cơ bước để điều khiển chính xác các hoạt động. Các chức năng chính bao gồm gieo hạt, tưới nước, và giám sát môi trường. Hệ thống tưới tự động được tích hợp để đảm bảo cung cấp nước đúng lượng và đúng thời điểm. Robot cũng được trang bị các cảm biến để đo độ ẩm đất, nhiệt độ, và cường độ ánh sáng, giúp người dùng theo dõi và điều chỉnh điều kiện trồng rau một cách hiệu quả.

1.2 Ứng dụng thực tế

Robot trồng rau là giải pháp lý tưởng cho các hộ gia đình muốn tự trồng rau sạch tại nhà. Với khả năng tự động hóa cao, robot giúp tiết kiệm thời gian và công sức trong việc chăm sóc cây trồng. Công nghệ hiện đại như IoT cho phép người dùng điều khiển và giám sát robot từ xa thông qua thiết bị di động kết nối internet. Điều này mang lại sự tiện lợi và linh hoạt trong quản lý nông nghiệp tại nhà.

II. Chăm sóc rau tự động

Chăm sóc rau tự động là một trong những tính năng nổi bật của robot, giúp đảm bảo cây trồng được chăm sóc một cách tối ưu. Robot sử dụng các cảm biến để theo dõi điều kiện môi trường và điều chỉnh các hoạt động như tưới nước, bón phân, và kiểm soát ánh sáng. Hệ thống tưới tự động được thiết kế để cung cấp nước một cách chính xác, đảm bảo cây trồng luôn được cung cấp đủ độ ẩm cần thiết.

2.1 Giám sát môi trường

Robot được trang bị các cảm biến như cảm biến độ ẩm đất, cảm biến nhiệt độ, và cảm biến ánh sáng để giám sát các yếu tố môi trường. Dữ liệu thu thập được sẽ được gửi lên web server và hiển thị trên giao diện người dùng, cho phép người dùng theo dõi và điều chỉnh các thông số một cách dễ dàng. Công nghệ IoT giúp kết nối các thiết bị và cung cấp dữ liệu theo thời gian thực, mang lại sự chính xác và hiệu quả trong quản lý nông nghiệp.

2.2 Tối ưu hóa quy trình

Tự động hóa nông nghiệp giúp tối ưu hóa quy trình chăm sóc rau, giảm thiểu sự can thiệp của con người và tăng năng suất cây trồng. Robot có thể thực hiện các nhiệm vụ như gieo hạt, tưới nước, và kiểm soát môi trường một cách tự động, đảm bảo cây trồng được chăm sóc một cách tốt nhất. Công nghệ sinh học cũng được áp dụng để cải thiện chất lượng và sản lượng rau trồng.

III. Công nghệ tự động hóa trong nông nghiệp

Công nghệ tự động hóa đang dần trở thành xu hướng trong nông nghiệp, giúp tăng hiệu quả sản xuất và giảm chi phí lao động. Robot nông nghiệp như robot trồng rau là một ví dụ điển hình của việc áp dụng công nghệ hiện đại vào sản xuất nông nghiệp. Với khả năng tự động hóa cao, robot có thể thực hiện các nhiệm vụ phức tạp một cách chính xác và hiệu quả.

3.1 Lợi ích của tự động hóa

Tự động hóa nông nghiệp mang lại nhiều lợi ích, bao gồm tăng năng suất, giảm chi phí lao động, và cải thiện chất lượng sản phẩm. Robot nông nghiệp có thể làm việc liên tục mà không cần nghỉ ngơi, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất. Công nghệ hiện đại như IoT và AI cũng giúp cải thiện khả năng quản lý và kiểm soát các hoạt động nông nghiệp.

3.2 Hướng phát triển

Trong tương lai, công nghệ tự động hóa sẽ tiếp tục phát triển và được áp dụng rộng rãi trong nông nghiệp. Các giải pháp như robot nông nghiệp, hệ thống tưới tự động, và quản lý nông nghiệp thông minh sẽ trở thành tiêu chuẩn trong sản xuất nông nghiệp hiện đại. Công nghệ sinh học và AI cũng sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện chất lượng và sản lượng cây trồng.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự bùng nổ của cuộc Cách mạng Công nghiệp lần thứ tư đang tạo ra những chuyển dịch sâu sắc trong phương thức sản xuất nông nghiệp. Các ứng dụng kỹ thuật số, trí tuệ nhân tạo, thiết bị di động kết hợp với cảm biến thông minh và Internet kết nối vạn vật (IoT) giúp tối ưu hóa quy trình canh tác, giám sát các thông số môi trường và giảm thiểu tối đa sức lao động của con người. Trên thế giới, công ty Farmbot tại California (Hoa Kỳ) đã nghiên cứu và thương mại hóa mô hình robot nông nghiệp mã nguồn mở có khả năng lắp ráp và vận hành tại gia đình. Tuy nhiên, mức giá nhập khẩu và chuyển giao của Farmbot lên tới khoảng 2.700 USD, vượt quá điều kiện kinh tế của đại đa số hộ gia đình tại Việt Nam có nhu cầu tự sản xuất rau sạch tại chỗ.

Từ thực tiễn đó, đề tài tập trung nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một mô hình robot trồng rau tự động ba trục có chi phí thấp, kế thừa nguyên lý chuyển động của Farmbot nhưng được nội địa hóa và điều chỉnh toàn bộ cấu hình phần cứng lẫn phần mềm điều khiển.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án được xác định gồm 4 nội dung cụ thể:

1. Nghiên cứu động học của robot 3 trục, thiết kế quỹ đạo chuyển động của các trục phục vụ cho các chức năng gieo hạt và tưới nước tự động.
2. Nghiên cứu các thành phần, cấu trúc của một hệ thống Internet of Things (IoT).
3. Nghiên cứu các loại cảm biến và vi điều khiển STM32F103RCT6 để lập trình điều khiển chuyển động và thu thập dữ liệu robot.
4. Nghiên cứu các phương pháp truyền nhận dữ liệu thời gian thực với máy chủ web.

Về nhiệm vụ thực hiện, nhóm tác giả tiến hành thiết kế và lắp đặt phần cứng robot; điều khiển động cơ bước thực hiện chu trình gieo hạt bằng cơ cấu hút chân không và tưới nước qua van điện từ; đo đạc độ ẩm đất tại tọa độ bất kỳ cùng các thông số nhiệt độ, cường độ sáng môi trường; xây dựng nền tảng web server để điều khiển robot bằng tay, chạy tự động theo tọa độ và lưu trữ dữ liệu cảm biến theo thời gian thực.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống robot tọa độ Descartes 3 trục (X, Y, Z) phục vụ canh tác nông nghiệp quy mô hộ gia đình, tích hợp mạch điều khiển nhúng và mạng cảm biến không dây. Phạm vi nghiên cứu về mặt không gian được giới hạn trong quy mô mô hình thực nghiệm hộ gia đình, hệ thống điều khiển và truyền dữ liệu vận hành trong mạng Wi-Fi cục bộ (Local Network), máy chủ web được cài đặt thử nghiệm trên máy tính xách tay cá nhân; phạm vi thời gian thực hiện đồ án từ ngày 02/10/2018 đến ngày 14/01/2019.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài được xây dựng dựa trên kiến trúc hệ sinh thái Internet of Things tiêu chuẩn, bao gồm 7 thành phần chức năng: trạm kết nối (Gateways), thiết bị kết nối (Connectivity of Devices), dữ liệu đám mây (Cloud), giao diện người dùng (User Interface), tiêu chuẩn và giao thức (Standards and Protocols), cơ sở dữ liệu (Database) và tự động hóa (Automation). Về mặt ứng dụng, tác giả hệ thống hóa các mô hình IoT trong sản xuất công nghiệp (IIoT), hạ tầng đô thị, nhà thông minh (Smart Home) và nông nghiệp chính xác.

Hệ thống sử dụng các giao thức truyền thông và mạng tiêu chuẩn:

• Giao thức điều khiển truyền vận TCP (Transmission Control Protocol) đảm bảo tính toàn vẹn và độ tin cậy của các gói tin trên nền tảng mạng IP.
• Giao thức WebSocket cho phép thiết lập kênh giao tiếp hai chiều (full-duplex) thời gian thực giữa máy chủ web và trình duyệt máy khách, giúp giảm độ trễ mạng tới 3 lần so với phương thức thăm dò HTTP AJAX định kỳ.
• Chuẩn giao tiếp nối tiếp bất đồng bộ UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) phục vụ việc truyền nhận dữ liệu giữa vi điều khiển trung tâm và module thu phát Wi-Fi.
• Chuẩn giao tiếp nối tiếp 2 dây I2C (Inter-Integrated Circuit) với hai đường truyền SDA và SCL, hoạt động ở chế độ tiêu chuẩn (Standard mode 100 kbps) hoặc chế độ nhanh (Fast mode 400 kbps) để lấy dữ liệu từ cảm biến quang học.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm phương pháp tổng hợp tài liệu kỹ thuật trong và ngoài nước; phương pháp mô hình hóa và thiết kế cơ khí 3D; phương pháp tính toán, lựa chọn linh kiện điện tử tối ưu hóa giá thành; phương pháp lập trình điều khiển nhúng cho vi điều khiển ARM Cortex-M3 và lập trình ứng dụng Web đa luồng trên nền tảng Java EE.

Nguồn dữ liệu của đề tài bắt nguồn từ các thông số kỹ thuật (datasheet) của nhà sản xuất linh kiện bán dẫn (STMicroelectronics, Espressif Systems), tài liệu thiết kế mở Farmbot, cùng chuỗi dữ liệu thực nghiệm đo đạc từ cảm biến nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất và cường độ ánh sáng trong quá trình vận hành thử nghiệm mô hình.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc phân tầng rõ ràng giữa cơ cấu chấp hành cơ khí, mạch điều khiển trung tâm và máy chủ giám sát. Mô hình cơ khí 3 trục (X, Y, Z) được thiết kế trên phần mềm SolidWorks 2015, sử dụng khung nhôm định hình kết hợp các chi tiết thép gia công CNC, xích nhựa dẫn cáp và một số chi tiết phụ trợ tạo hình bằng công nghệ in 3D. Cơ cấu chấp hành tại đầu trục Z là một cụm tích hợp "3 trong 1", bao gồm: đầu hút hạt giống nối với ống dẫn khí, que đo cảm biến độ ẩm đất cắm sâu vào môi trường giá thể, và đầu phun tưới nước nối với đường ống dẫn áp lực.

STT	Tên thiết bị / linh kiện	Số lượng	Thông số kỹ thuật chính
1	Vi điều khiển STM32F103RCT6	1	Lõi ARM Cortex-M3, tích hợp cổng JTAG, UART, SPI, I2C, ADC, kích thước 56x62 mm, nguồn 5VDC
2	Kit Wi-Fi ESP8266 NodeMCU Lua	1	Chip SoC Wi-Fi ESP8266, chip nạp CP2102, giao tiếp logic 3.3VDC, hỗ trợ tập lệnh Lua và Arduino
3	Cảm biến độ ẩm đất analog	1	Dạng điện dung, IC tạo xung NE555, điện áp 3.3V - 5V, đầu ra analog 0 - 3.0V, kích thước 98x23 mm
4	Cảm biến cường độ ánh sáng TSL2561	1	Giao tiếp I2C TTL 3.3V, tích hợp ADC nội, đo dải quang phổ khả kiến và hồng ngoại (IR), dòng tiêu thụ 0.5 mA
5	Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT22	1	Giao tiếp 1-Wire Digital, dải đo ẩm 0 - 100% RH (±2%), nhiệt độ -40 đến 80°C (±0.5°C), tần số lấy mẫu 0.5 Hz
6	Động cơ bước NEMA 17 STP-43D2033	4	Động cơ bước size 42, góc bước 1.8°, mô-men giữ 1.2 kg·cm, trục dài 8.5 mm, đường kính 5 mm, khối lượng 280 g
7	Mạch điều khiển động cơ bước TB6560	3	Mạch công suất điều khiển động cơ bước lưỡng cực, hỗ trợ vi bước và điều chỉnh dòng điện
8	Van điện từ Solenoid	1	Dạng thường đóng (NC), cuộn hút 12VDC, áp lực chịu tải 0.8 MPa, thời gian đóng/ngắt ≤ 0.3 s, phi ống 1/2 inch
9	Động cơ bơm màng P385	1	Điện áp 12VDC, công suất 3W, lưu lượng tối đa 1.8 lít/phút, đóng vai trò tạo lực hút chân không gắp hạt
10	Module 2 relay opto cách ly	1	Điện áp kích 5VDC, có optocoupler cách ly quang bảo vệ vi điều khiển, đóng ngắt tải bơm và van 12V
11	Công tắc hành trình	6	Giới hạn hành trình chuyển động hai đầu cho 3 trục tọa độ X, Y, Z
12	Nguồn tổ ong xung	1	Điện áp ngõ ra 12VDC, dòng định mức 5A, cấp nguồn tổng cho động cơ bước, van nước và bơm hút

Quy trình triển khai phần mềm và ghép nối hệ thống:

• Phần cứng nhúng: Vi điều khiển STM32F103RCT6 chịu trách nhiệm phát xung điều khiển các driver TB6560 kéo 4 động cơ bước (trục X dùng 2 động cơ đồng bộ, trục Y dùng 1 động cơ, trục Z dùng 1 động cơ); nhận tín hiệu ngắt từ 6 công tắc hành trình; đọc tín hiệu analog từ cảm biến độ ẩm đất qua kênh ADC; đọc dữ liệu nhiệt độ/độ ẩm từ DHT22 qua giao thức 1-wire và cường độ lux từ TSL2561 qua bus I2C. Vi điều khiển trung tâm nạp code qua Keil C µVision 5 và giao tiếp với ESP8266 qua cổng nối tiếp UART.
• Mạng truyền thông và máy chủ: ESP8266 NodeMCU được nạp chương trình bằng Arduino IDE, hoạt động như một cầu nối Gateway truyền dữ liệu từ UART lên Web server thông qua WebSocket TCP client.
• Máy chủ và giao diện web: Web server được phát triển bằng ngôn ngữ Java EE trên nền tảng Apache Tomcat và môi trường Eclipse IDE for Java EE Developers. Giao diện web được thiết kế bằng HTML/CSS/JavaScript, cung cấp bảng điều khiển thủ công (Manual) di chuyển các trục tới tọa độ (X, Y, Z), kích hoạt chế độ tự động gieo hạt, tự động tưới nước theo lịch trình, cùng đồ thị hiển thị các thông số môi trường cập nhật tức thời.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Chương 1 khái quát tính cấp thiết của việc tự động hóa chăm sóc cây trồng gia đình trong bối cảnh cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0. Tác giả phân tích giải pháp Farmbot thương mại với chi phí 2.700 USD là rào cản lớn đối với thị trường Việt Nam, từ đó đề ra mục tiêu chế tạo hệ thống thay thế với chi phí thấp. Chương này xác định rõ 4 mục tiêu nghiên cứu, các giới hạn vận hành (hệ thống chạy trên mạng Wi-Fi nội bộ, máy chủ đặt trên máy tính xách tay cá nhân, 4 động cơ bước tận dụng hàng bãi với giá 35.000 VNĐ/cái, và đầu công tác tích hợp cả ba chức năng dẫn tới độ chính xác gắp hạt chưa tuyệt đối) cùng cấu trúc tổng thể 5 chương của cuốn báo cáo.

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2 trình bày có hệ thống các khái niệm cốt lõi về Internet of Things, phân tích 7 thành phần cấu thành hệ sinh thái IoT và phạm vi ứng dụng trong công nghiệp sản xuất, hạ tầng kỹ thuật, nhà thông minh và nông nghiệp. Tác giả đi sâu vào nguyên lý hoạt động của Web server, cấu trúc bộ chứa servlet của Apache Tomcat chạy trên nền tảng Java EE (JSP, Java Servlet, WebSocket). Về truyền thông, chương này so sánh giao thức HTTP với WebSocket (trình bày chi tiết các thuộc tính readyState, bufferedAmount và các hàm sự kiện onopen, onmessage, onerror, onclose), phân tích cấu trúc khung truyền UART (Baudrate từ 600 đến 115200, start bit, stop bit, parity bit) và nguyên lý đường bus 2 dây I2C (SDA, SCL, điện trở kéo 1k - 4.7k, quan hệ Master/Slave). Cuối cùng, chương giới thiệu các công cụ phần mềm: Arduino IDE, Keil C µVision 5 và Eclipse IDE for Java EE Developers.

Chương 3: THIẾT KẾ VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ

Chương 3 chi tiết hóa quá trình thiết kế cơ cấu robot trên SolidWorks 2015 cho từng cụm: trục X chuyển động dọc luống, trục Y chuyển động ngang, trục Z chuyển động nâng hạ và cụm đầu hút hạt kết hợp que đo độ ẩm đất. Tác giả lập bảng danh mục 12 thiết bị, phân tích thông số kỹ thuật và nguyên lý làm việc của từng linh kiện: vi điều khiển ARM Cortex-M3 STM32F103RCT6; kit Wi-Fi ESP8266 NodeMCU Lua giao tiếp qua chip nạp CP2102; cảm biến độ ẩm đất điện dung sử dụng mạch định thời NE555 với tần số nghịch đảo $f = 1/(R \cdot C)$ tránh hiện tượng ăn mòn điện phân so với cảm biến điện trở; cảm biến ánh sáng TSL2561 xuất trực tiếp đơn vị lux qua I2C; cảm biến nhiệt ẩm DHT22; động cơ bước NEMA 17 STP-43D2033; van điện từ Solenoid 12VDC chịu áp 0.8 MPa; bơm màng hút hạt P385 12V 3W; mạch lái động cơ bước TB6560; module 2 relay có cách ly quang; 6 công tắc hành trình và nguồn tổ ong 12V 5A. Điểm nhấn của chương là phần phân tích các ưu điểm cải tiến tinh gọn kết cấu so với Farmbot gốc.

Chương 4: KẾT QUẢ THI CÔNG CƠ KHÍ VÀ PHẦN MỀM

Chương 4 mô tả kết quả thi công mô hình phần cứng thực tế, quy cách bố trí đường dây điện, sơ đồ nối dây giữa các khối điều khiển, công suất và cảm biến. Tác giả trình bày sơ đồ lưu đồ giải thuật cho ba quy trình trọng tâm: giải thuật truyền nhận dữ liệu giữa STM32, ESP8266 và Web server; giải thuật định vị tọa độ và điều khiển van tưới nước tự động; giải thuật điều khiển bơm hút chân không để gieo hạt từ khay cấp tới vị trí lỗ đất định sẵn. Đồng thời, chương công bố hình ảnh thực tế của hai giao diện web: giao diện điều khiển chế độ bằng tay kết hợp nút lệnh tự động hóa, và giao diện giám sát hiển thị trực quan các giá trị nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất và cường độ sáng theo thời gian thực.

Chương 5: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Chương 5 đúc kết các kết quả định lượng và định tính của đề tài: lắp ráp thành công mô hình cơ khí ba trục bám sát bản vẽ SolidWorks; hệ thống điện và cảm biến hoạt động tương đối ổn định, đáp ứng khả năng chạy liên tục; điều khiển giám sát từ xa qua trình duyệt di động trên nền mạng Wi-Fi. Chương cũng thẳng thắn chỉ ra các điểm yếu về cơ cấu cơ khí gắp hạt, giới hạn phạm vi mạng cục bộ và đề ra các định hướng nâng cấp phần cứng, đưa cơ sở dữ liệu lên đám mây công cộng và bổ sung chức năng xử lý ảnh diệt cỏ dại.

Kết quả và đóng góp

Về kết quả thực nghiệm, đề tài đã chế tạo hoàn chỉnh mô hình phần cứng robot ba trục tọa độ hoạt động tương đối ổn định với khả năng vận hành liên tục. Hệ thống điện tử tích hợp thành công vi điều khiển STM32F103RCT6 với module Wi-Fi ESP8266, điều khiển chính xác 4 động cơ bước thông qua driver TB6560 và thu thập dữ liệu từ toàn bộ các cảm biến (DHT22, TSL2561, cảm biến độ ẩm đất analog) đưa lên máy chủ web cá nhân qua giao thức WebSocket thời gian thực.

Về giải pháp kỹ thuật, nhóm tác giả đề xuất:

• Tích hợp cụm cơ cấu 3 chức năng (ống hút hạt nối bơm màng P385, đầu đo độ ẩm đất điện dung và đầu phun nước qua van Solenoid) trên cùng một đầu trục Z, giúp tối giản hóa cơ cấu thay đổi công cụ (tool changer) phức tạp của nguyên mẫu thương mại.
• Ứng dụng cảm biến độ ẩm đất đo bằng nguyên lý điện dung vi mạch NE555 thay cho cảm biến điện trở truyền thống, loại bỏ tình trạng oxy hóa điện cực khi cắm lâu ngày trong môi trường đất ẩm.
• Sử dụng giao thức truyền thông WebSocket thay cho HTTP thuần túy, tối ưu hóa băng thông mạng và giảm độ trễ phản hồi tới 3 lần khi trao đổi dữ liệu giữa web server và thiết bị di động.

Về mặt đóng góp khoa học và thực tiễn so với nghiên cứu trước (Farmbot bản gốc):

• Giảm thiểu giá thành chế tạo: Thay vì hệ thống đắt đỏ trị giá 2.700 USD của Farmbot, nhóm nghiên cứu đã tối ưu hóa chi phí bằng cách tận dụng động cơ bước cũ (35.000 VNĐ/cái), thiết kế lại khung cơ khí bằng nhôm định hình kết hợp in 3D và gia công thép CNC trong nước, lựa chọn linh kiện bán dẫn phổ thông giá rẻ.
• Tinh gọn thiết kế cơ khí trên SolidWorks, làm chủ toàn bộ mã nguồn điều khiển nhúng trên ARM và mã nguồn máy chủ Web Java EE, chứng minh tính khả thi của mô hình robot nông nghiệp thông minh tự chế tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài được tác giả ghi nhận bao gồm:

• Cơ cấu cơ khí đầu gieo hạt, que đo độ ẩm và vòi tưới tích hợp chung một cụm khiến việc lấy hạt và gieo hạt giống có độ chính xác chưa cao, hoạt động lấy hạt chưa thực sự ổn định.
• Hệ sinh thái phần mềm mới vận hành trên máy chủ web cục bộ đặt tại máy tính cá nhân, hệ thống chỉ điều khiển và giám sát được thông qua mạng Wi-Fi nội bộ mà chưa được triển khai lên hạ tầng máy chủ đám mây (Cloud) công cộng qua Internet diện rộng.
• Hệ thống chưa được tích hợp camera và thuật toán xử lý ảnh để thực hiện các chức năng nông nghiệp nâng cao như nhận diện và diệt cỏ tự động giống như thiết kế Farmbot thương mại.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

• Tách biệt hoặc thiết kế lại cơ cấu gắp gieo hạt chuyên dụng để tăng độ chuẩn xác khi định vị và nhả hạt giống.
• Mở rộng tầm điều khiển bằng cách đưa Web server lên dịch vụ điện toán đám mây công cộng, cho phép truy cập từ bất kỳ kết nối mạng 3G/4G/Internet bên ngoài.
• Nghiên cứu tích hợp camera giám sát và các chức năng thông minh bổ trợ như xử lý hình ảnh nhận diện sâu bệnh và cơ cấu cơ học loại bỏ cỏ dại tự động.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp này là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Máy tính và Công nghệ Nông nghiệp thông minh đang nghiên cứu về hệ thống robot tọa độ Descartes kết hợp IoT.

Nội dung đặc biệt có giá trị tham khảo chuyên sâu nằm ở:

• Bảng thiết kế chi tiết và thông số lựa chọn linh kiện phần cứng (Chương 3), đặc biệt là kinh nghiệm lựa chọn cảm biến độ ẩm đất dạng điện dung để tăng tuổi thọ và việc lựa chọn driver TB6560 điều khiển động cơ bước NEMA 17.
• Mô hình ghép nối truyền thông đa tầng giữa vi điều khiển STM32F103RCT6 và kit Wi-Fi ESP8266 qua UART, kết hợp kỹ thuật truyền nhận dữ liệu thời gian thực thông qua WebSocket trên nền Java EE Apache Tomcat (Chương 2 và Chương 4).

Câu hỏi thường gặp

1. Vi điều khiển nào đóng vai trò xử lý trung tâm và kit nào đảm nhiệm chức năng kết nối mạng không dây trong robot? Hệ thống sử dụng vi điều khiển trung tâm là kit STM32F103RCT6 dựa trên nền tảng lõi ARM Cortex-M3 để xử lý thuật toán điều khiển động cơ bước và đọc cảm biến; việc kết nối mạng không dây Wi-Fi được giao cho kit ESP8266 NodeMCU Lua tích hợp chip nạp CP2102, hai mạch này kết nối với nhau qua giao tiếp nối tiếp UART.

2. Nguyên lý thực hiện chức năng gieo hạt và cấp nước tưới của robot được thiết kế như thế nào? Chức năng gieo hạt sử dụng động cơ bơm màng P385 (12VDC, 3W, lưu lượng tối đa 1.8 L/phút) để tạo áp suất hút chân không giữ hạt giống từ khay và di chuyển đến tọa độ cần gieo; chức năng tưới nước sử dụng van điện từ Solenoid 12VDC dạng thường đóng (áp lực 0.8 MPa, thời gian đáp ứng ON ≤ 0.3s) đóng vai trò van mở nước tự động dưới sự kích đóng/ngắt từ module relay.

3. Tại sao nhóm tác giả lại chọn giao thức WebSocket thay vì HTTP thông thường để truyền dữ liệu lên Web server? Theo phân tích của nhóm tác giả trong văn bản, WebSocket là giao thức trao đổi dữ liệu hai chiều chạy trực tiếp trên TCP. Sử dụng WebSocket tránh được việc trình duyệt phải liên tục gửi các yêu cầu thăm dò AJAX lặp đi lặp lại tới server, gói tin của WebSocket nhẹ hơn HTTP rất nhiều và giúp giảm độ trễ mạng lên đến 3 lần, đáp ứng yêu cầu truyền dữ liệu và điều khiển robot theo thời gian thực.

4. Cảm biến độ ẩm đất sử dụng trong đồ án hoạt động theo nguyên lý gì và có ưu điểm gì so với cảm biến thông thường? Cảm biến độ ẩm đất được lựa chọn là cảm biến điện dung analog hoạt động ở dải điện áp 3.3V - 5V, sử dụng vi mạch tạo xung định thời NE555 với hai bản cực in trực tiếp trên hai mặt mạch PCB. Khi cắm vào đất, hơi nước đóng vai trò môi trường điện môi; độ ẩm càng cao thì hằng số điện môi tăng, làm giảm tần số xung ra theo công thức $f = 1/(R \cdot C)$. Điện áp analog đầu ra tỷ lệ với độ ẩm. Cảm biến này có độ bền và tuổi thọ vượt trội, không bị ăn mòn điện cực như các loại cảm biến đo độ ẩm đất dạng điện trở.

5. Robot này có điểm khác biệt và cải tiến gì nổi bật nhất so với mẫu Farmbot nguyên bản của Mỹ? Khác biệt lớn nhất là mức giá thành: Farmbot nguyên bản có giá thương mại 2.700 USD, trong khi robot của đồ án được tinh giản kết cấu trên SolidWorks, tận dụng các linh kiện nội địa hóa và động cơ bước mua cũ (chỉ 35.000 VNĐ/động cơ), tích hợp cả ba chức năng tưới nước, hút hạt và đo độ ẩm đất lên cùng một đầu trục Z thay vì cơ cấu cơ khí chuyển đổi công cụ đắt tiền, từ đó hạ giá thành xuống mức phù hợp cho hộ gia đình tại Việt Nam.

Kết luận

Đồ án "Thi công robot trồng và chăm sóc rau tự động" của nhóm sinh viên Nguyễn Ngọc Ân và Nguyễn Kim Việt đã hiện thực hóa thành công một mô hình robot nông nghiệp 3 trục chi phí thấp, kế thừa và tối ưu hóa từ nền tảng Farmbot. Hệ thống kết hợp hài hòa giữa cơ cấu cơ khí chính xác, mạch điều khiển trung tâm ARM Cortex-M3 STM32F103RCT6, module truyền thông Wi-Fi ESP8266 và máy chủ web thời gian thực ứng dụng giao thức WebSocket. Dù còn một số hạn chế về độ ổn định gieo hạt và mới dừng lại ở phạm vi mạng nội bộ, công trình đã giải quyết tốt bài toán tự động hóa tưới tiêu, gieo trồng và giám sát môi trường đất - khí hậu cho quy mô hộ gia đình, mở ra hướng ứng dụng thiết thực cho nông nghiệp công nghệ cao tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề, mục tiêu, giới hạn và nội dung đề tài. Chuơng II: Cơ sở lý thuyết: Chương này trình bày các định nghĩa về IoT, các thành phần trong một hệ thống IoT, các ứng dụng của IoT trong thực tế, các công nghệ và phần mềm đã sử dụng trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài này. Chương III: Thiết kế và lựa chọn thiết bị: Chương này trình bày thiết kế và thiết kế và lựa chọn thiết bị phần cứng cho robot. Chương IV: Kết quả thi công cơ khí và phần mềm: Chương này nhóm sẽ tiến hành thi công theo mô hình đã được thiết kế và kết quả đạt được.

Chương V: Kết luận và hướng phát triển: Kết luận chung về ưu điểm và hạn chế của đề tài, khẳng định những kết quả đóng góp đạt được, đề xuất ý kiến để cải thiện khuyết điểm và định hướng phát triển đề tài. 2 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Internet of Things là gì? Internet of Things (IoT) dịch tiếng là mạng lưới các thiết bị như phương tiện giao thông và thiết bị gia dụng có chứa thiết bị điện tử, phần mềm, thiết bị truyền cho phép những thiết bị này kết nối, tương tác và trao đổi dữ liệu với nhau ở bất kỳ đâu và bất kỳ lúc nào. IoT liên quan đến việc mở rộng kết nối Internet ngoài các thiết bị thường gặp, chẳng hạn như máy tính để bàn, máy tính xách tay, điện thoại thông minh và máy tính bảng, đến bất kỳ các thiết bị truyền thống nào không có internet cho đến các vật dụng quen thuộc hàng ngày như đèn ngủ, tủ lạnh, máy giặt,.

Các thiết bị này được nhúng các chứng năng công nghệ, giúp nó có thể giao tiếp và tương tác qua Internet và chúng có thể được theo dõi và kiểm soát từ xa. Các thành phần trong hệ sinh thái IoT: Mô hình kết nối hoàn chỉnh 2. Trạm kết nối (Gateways) Trạm kết nối cho phép dễ dàng quản lý lưu lượng dữ liệu truyền giữa các giao thức và mạng. Mặt khác, nó cũng là nơi trung gian giữa các giao thức mạng và đảm bảo rằng các thiết bị và cảm biến được kết nối đúng cách.

Nó cũng có thể hoạt động để xử lý trước dữ liệu từ các cảm biến và gửi chúng đến cơ sở dữ liệu cấp trên nếu đã được cấu hình phù hợp. Không những vậy, nó còn mã hóa thông tin phù hợp với lưu lượng mạng và truyền dữ liệu. Dữ liệu được truyền qua nó được bảo vệ bằng cách sử dụng các kỹ thuật mã hóa mới nhất. Bạn có thể giả sử nó giống như một lớp bổ sung giữa đám mây và các thiết bị giúp loại bỏ cuộc tấn công và truy cập mạng bất hợp pháp.

Phân tích (Analytics) Dữ liệu tương tự của thiết bị và cảm biến được chuyển đổi thành định dạng dễ đọc và phân tích. Đây là tất cả những gì có thể do hệ sinh thái IoT quản lý và giúp cải thiện hệ thống. Yếu tố chính bị ảnh hưởng là an ninh. 3 Chức năng quan trọng nhất của công nghệ IoT là nó hỗ trợ phân tích thời gian thực, dễ dàng quan sát các bất thường và ngăn ngừa mọi mất mát hoặc lừa đảo.

Ngăn chặn những tất cả những nguy cơ lừa đảo hoặc có hại tấn công các thiết bị thông minh. Điều đó sẽ không chỉ mang lại cho người dùng cảm giác an toàn mà còn lưu tất cả dữ liệu riêng tư của người dùng khỏi bị sử dụng cho mục đích bất hợp pháp.3 Thiết bị kết nối (Connectivity Of Devices) Các thành phần chính cấu thành nên lớp kết nối là cảm biến và thiết bị. Các cảm biến thu thập thông tin và gửi nó đến lớp tiếp theo nơi nó đang được xử lý. Với sự tiến bộ của công nghệ, công nghệ bán dẫn được sử dụng cho phép sản xuất các cảm biến thông minh siêu nhỏ có thể được sử dụng cho một số hoàn cảnh phức tạp cần sự tinh vi.

Các cảm biến và thiết bị thông minh hiện đại sử dụng nhiều cách khác nhau để được kết nối. Các mạng không dây như LORAWAN, Wi-Fi và Bluetooth giúp họ dễ dàng kết nối. Chúng có những ưu điểm và nhược điểm riêng được phân loại dưới nhiều hình thức khác nhau như tốc độ hiệu quả, truyền dữ liệu và sức mạnh. Dữ liệu đám mây (Cloud) Với sự trợ giúp của hệ sinh thái internet vạn vật, các công ty có thể thu thập một lượng lớn dữ liệu từ các thiết bị và ứng dụng.

Có nhiều công cụ khác nhau được sử dụng cho mục đích thu thập dữ liệu có thể thu thập, xử lý và lưu trữ dữ liệu hiệu quả trong thời gian thực. Tất cả điều này được thực hiện bởi một hệ thống đó là IoT Cloud. Đây là một mạng hiệu suất cao đáng kinh ngạc kết nối các máy chủ lại với nhau để tối ưu hóa hiệu suất của quá trình xử lý dữ liệu bởi nhiều thiết bị cùng một lúc. Nó cũng giúp kiểm soát lưu lượng và cung cấp kết quả phân tích dữ liệu với độ chính xác rất cao.

Một trong những thành phần quan trọng nhất của IoT Cloud là quản lý cơ sở dữ liệu được phân phối một cách tự nhiên. Cloud về cơ bản kết hợp nhiều thiết bị, cổng, giao thức, thiết bị và lưu trữ dữ liệu có thể được phân tích hiệu quả. Các hệ 4 thống này được sử dụng bởi nhiều công ty để phân tích dữ liệu phục vụ cho việc cải thiện và tăng tính hiệu quả của sản phẩm, giúp phát triển các dịch vụ và sản phẩm. Ngoài ra, nó cũng giúp hình thành một chiến lược chính xác có thể giúp xây dựng một mô hình kinh doanh lý tưởng.

Giao diện người dùng (User Interface) Đây là một yếu tố khác mà hệ sinh thái IoT phụ thuộc rất nhiều. Nó cung cấp một phần trực quan và vật lý mà người dùng có thể dễ dàng truy cập. Điều quan trọng đối với nhà phát triển là tạo ra một giao diện thân thiện với người dùng có thể truy cập được mà không cần phải cố gắng tìm hiểu nhiều trong đó và điều đó có thể giúp tương tác dễ dàng hơn. Với sự giúp đỡ của sự tiến bộ, có nhiều thiết kế tương tác khác nhau có thể được sử dụng dễ dàng và có thể dễ dàng giải quyết bất kỳ truy vấn phức tạp nào.

Ví dụ, ở nhà mọi người đã bắt đầu sử dụng bảng cảm ứng đầy màu sắc thay vì các công tắc điều khiển cứng nhắc đã được sử dụng trước đó. Điều này đã đặt ra một xu hướng cho các thế hệ kỹ thuật số và đã tìm cách thổi phồng thị trường cạnh tranh ngày nay. Giao diện người dùng là điều đầu tiên mà người dùng chú ý trước khi mua một thiết bị. Thêm vào đó khách hàng cũng được định hướng mua các thiết bị thân thiện với người dùng và ít phức tạp hơn có thể được sử dụng với kết nối không dây.

Tiêu chuẩn và giao thức (Standards And Protocols) Các trang web hiện đang sử dụng định dạng HTML với Cascading Style Sheets (CSS). Điều này đã làm cho internet ổn định hơn và dịch vụ đáng tin cậy để sử dụng. Chúng là các giao thức tiêu chuẩn được sử dụng nhiều nhất khiến nó không chỉ thân thiện mà còn dễ chấp nhận. Tuy nhiên, IoT không có tiêu chuẩn đó.

Điều quan trọng là chọn một nền tảng mà IoT có thể giúp xác định cách thức nền tảng đang xây dựng sẽ tương tác với hệ thống. Do đó, hệ thống được xây dựng sẽ có thể có tương tác với các thiết bị và mạng có cùng tiêu chuẩn như vậy. Điều quan trọng là có cùng một giao thức để có thể tương tác thành công. Cơ sở dữ liệu (Database) Internet of Things đang phát triển một cách linh hoạt và tất cả phụ thuộc vào dữ liệu được sử dụng rất nhiều trong các trung tâm dữ liệu.

Điều cần thiết là phải có một hệ thống cơ sở dữ liệu phù hợp có thể lưu trữ và quản lý dữ liệu đang được thu thập từ nhiều thiết bị và người dùng đầu cuối. Ngoài ra còn có các công cụ quản lý khác nhau cung cấp nhiều tính năng tự động giúp tích lũy dễ dàng dữ liệu được lưu trữ và quản lý hàng loạt tại cùng một nơi. Tự động hóa (Automation) Như đã đề cập ở trên, hệ thống cơ sở dữ liệu đang sử dụng các tính năng tự động giúp quản lý dữ liệu và tích lũy dữ liệu. Tuy nhiên, việc quản lý dữ liệu là điều hạn chế duy nhất được sử dụng bởi Internet of Things.

Hiện tại nó được sử dụng cho phiên bản cao cấp hơn nhiều cho phép điều chỉnh tự động những thứ không dây. Ví dụ, người dùng có thể dễ dàng điều khiển ánh sáng bằng một cú nhấp chuột từ xa. Điều hòa hiện được kết nối với điện thoại thông minh của họ và họ có thể bật và tắt bất cứ khi nào họ muốn. Phát triển (Development) Internet vạn vật là sự tiến bộ mới nhất trong công nghệ.

Nhu cầu phát triển ngày càng tăng theo thời gian. Mỗi người không phụ thuộc vào sự ra mắt của các thiết bị ô tô và cảm biến thông minh khác nhau. Có nhiều nguyên mẫu khác nhau đang có trên thị trường đang được triển khai và đang chạy trong giai đoạn thử nghiệm. Ngoài ra, Internet vạn vật không hoạt động chỉ với một thiết bị.

Do đó, điều quan trọng là các thiết bị phải được kiểm tra đầy đủ tính tương thích với hệ thống và được kiểm tra kỹ xem liệu các thiết bị có thể kết nối không dây hay không. Quá trình phát triển của Internet vạn vật đã diễn ra mạnh mẽ nhiều năm trở lại đây. Hệ sinh thái IoT được sử dụng để làm cho các giao thức dễ dàng truy cập, giá cả hợp lý, hiệu quả và an toàn. Sẽ rất tuyệt vời và hào hứng khi thấy những nhu cầu mới và sự phát triển trong một số lĩnh vực sẽ được đáp ứng bởi IoT.

Các ứng dụng của IoT Internet of Things (Internet vạn vật), ngay từ cái tên đã cho thấy khả năng được ứng dụng rộng rãi của công nghệ này. Sau đây, chúng tôi sẽ trình bày những gì tìm hiểu được từ một số lĩnh vực đang phát triển mạnh và ứng dụng rất nhiều công nghệ IoT vào các hoạt động chính như điều khiển, giám sát, quản lý,…Đấy là một điều quan trọng giúp nhóm có ý tưởng làm một đề tài đồ án tốt nghiệp về IoT. Sản xuất IoT có thể tạo ra sự tích hợp liền mạch của các thiết bị sản xuất khác nhau được trang bị cảm biến, nhận dạng, xử lý, giao tiếp, truyền động và khả năng kết nối mạng.