Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Nông nghiệp là ngành kinh tế chủ lực và gắn bó lâu đời với người Việt Nam. Dù việc áp dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật vào sản xuất đã mang lại nhiều thành tựu, các thiết bị và phương thức canh tác truyền thống nhìn chung vẫn còn thô sơ, chưa theo kịp trình độ công nghệ tiên tiến trên thế giới. Trong thực tế, việc trồng và giám sát các loại rau ăn lá phổ biến (như xà lách, rau muống, cải xanh) thường gặp khó khăn về năng suất do tác động bất lợi của thời tiết và sâu bệnh hại. Tình trạng lạm dụng thuốc bảo vệ thực vật nhằm đối phó sâu hại dẫn đến nguy cơ nông sản nhiễm độc, gây ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe cộng đồng. Đồng thời, tại các khu vực đô thị, hạn chế về diện tích đất cản trở nhu cầu tự sản xuất rau sạch của các hộ gia đình.

Trước thực trạng đó, mô hình giàn trồng thủy canh hồi lưu ứng dụng công nghệ IoT (Internet of Things) là giải pháp giúp tối ưu hóa không gian qua mô hình nhiều tầng, hạn chế tác động thời tiết, loại trừ sâu bệnh từ đất và loại bỏ nhu cầu sử dụng thuốc trừ sâu. Đề tài tốt nghiệp "Hệ thống thủy canh ứng dụng công nghệ IoTs" của sinh viên Trần Ngọc Hải và Phạm Tấn Phát, do ThS. Nguyễn Ngô Lâm hướng dẫn tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, được triển khai nhằm tự động hóa quy trình theo dõi và chăm sóc giàn thủy canh.

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm:

  1. Nghiên cứu, thiết kế và thi công hoàn chỉnh mô hình giàn trồng thủy canh hồi lưu quy mô nhỏ tự động kiểm soát nồng độ dinh dưỡng (EC/TDS), độ pH, nhiệt độ và mực nước dung dịch.
  2. Làm quen và ứng dụng các công nghệ lập trình Web (PHP, HTML, JavaScript) kết hợp hệ quản trị cơ sở dữ liệu MySQL (thông qua phpMyAdmin) để xây dựng hệ thống Web Server giám sát và điều khiển.
  3. Làm chủ giao tiếp phần cứng giữa vi điều khiển (Arduino Uno R3), module truyền thông WiFi (ESP8266 NodeMCU) qua các chuẩn truyền dữ liệu nối tiếp (UART, I2C, 1-Wire) và giao thức TCP/IP.
  4. Triển khai hai chế độ vận hành: Chế độ tự động (Auto) theo ngưỡng sinh trưởng từng loại rau và chế độ thủ công (Manual) điều khiển trực tiếp thiết bị qua giao diện Web; thử nghiệm thực tế với cây rau xà lách.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống thủy canh hồi lưu tuần hoàn; mạch thu thập dữ liệu cảm biến; mạch điều khiển công suất cơ cấu chấp hành; giao diện Web Server và cơ sở dữ liệu quản lý.
  • Không gian nghiên cứu: Phòng thí nghiệm và xưởng thực hành thuộc Khoa Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
  • Thời gian thực hiện: Từ ngày 07/09/2018 đến ngày 15/01/2019.
  • Giới hạn đề tài: Thiết kế dừng lại ở một mô hình giàn trồng quy mô nhỏ gồm 01 trạm thu thập dữ liệu và 01 trạm điều khiển chấp hành; đối tượng thực nghiệm chăm sóc trực tiếp là rau xà lách kết hợp dung dịch dinh dưỡng Hydro Leafy (A và B).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình kỹ thuật sử dụng trong công trình gồm các nội dung trọng tâm:

  • Nguyên lý kỹ thuật thủy canh hồi lưu: Trồng cây không dùng đất, rễ cây ngập một phần trong máng dẫn chứa dung dịch dinh dưỡng tuần hoàn. Hệ thống cung cấp khoáng chất, $CO_2$ và $O_2$, duy trì nhiệt độ nước dưới 28°C, nồng độ pH từ 5.5 đến 6.5 nhằm tối ưu hóa khả năng hấp thụ của bộ rễ.
  • Mối quan hệ độ dẫn điện (EC) và nồng độ chất rắn hòa tan (TDS): Sự hiện diện của các ion khoáng tan ($NaCl, KCl, SO_4^{2-}, NO_3^-$) quyết định độ dẫn điện. Quan hệ giữa TDS và EC trong nông nghiệp xác định theo công thức: $$TDS , (ppm) = 0.64 \times EC , (\mu S/cm) = 640 \times EC , (dS/m)$$ Mạch đo sử dụng bộ khuếch đại đảo và chỉnh lưu giá trị tuyệt đối để chuyển đổi tín hiệu điện trở $R$ của dung dịch thành điện áp $V_{out}$ tuyến tính đưa về bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC).
  • Chỉ số nồng độ pH: Thang đo từ 0 đến 14 xác định tính axit/kiềm của môi trường nước; kiểm soát độ lệch chuẩn nhằm tránh hiện tượng kết tủa khoáng chất hoặc ngộ độc rễ.
  • Chuẩn giao tiếp và giao thức mạng:
    • Chuẩn UART: Truyền thông nối tiếp bất đồng bộ qua hai đường Tx/Rx, sử dụng khung dữ liệu chuẩn gồm Start bit (mức thấp 0V), Data bits, Parity bit và Stop bit (mức cao).
    • Chuẩn I2C: Giao tiếp nối tiếp đồng bộ 2 dây (SCL, SDA) theo cấu trúc Master/Slave, hỗ trợ định địa chỉ 7-bit (112 thiết bị) và 10-bit (1008 thiết bị).
    • Giao thức 1-Wire: Thu thập dữ liệu nhiệt độ số từ cảm biến DS18B20 trên một đường dây tín hiệu duy nhất.
    • Ngăn xếp TCP/IP và HTTP: Sử dụng giao thức TCP đảm bảo truyền tin tin cậy thông qua gói tin có cấu trúc 11 trường header; ứng dụng phương thức HTTP GET và HTTP POST để truyền/nhận dữ liệu giữa vi điều khiển và máy chủ web.

Phương pháp nghiên cứu thực tế:

  • Phương pháp thiết kế kỹ thuật phần cứng: Tính toán thông số mạch, thiết kế sơ đồ nguyên lý và layout mạch in (PCB) cho khối thu thập dữ liệu và khối mạch lực điều khiển.
  • Phương pháp lập trình hệ thống nhúng và mạng: Lập trình xử lý tín hiệu cảm biến trên vi điều khiển ATmega328P bằng C/C++ (Arduino IDE); lập trình truyền thông không dây WiFi trên ESP8266 NodeMCU.
  • Phương pháp lập trình Web và quản trị cơ sở dữ liệu: Thiết kế giao diện Web động bằng HTML/CSS/JavaScript, xử lý phía máy chủ (server-side) bằng ngôn ngữ kịch bản PHP và lưu trữ dữ liệu tập trung qua MySQL.
  • Phương pháp thực nghiệm mô hình: Thi công lắp ráp mô hình giàn ống PVC, kiểm tra mạch nguồn, đánh giá sai số cảm biến và thực hiện chu trình gieo trồng rau xà lách từ hạt mầm đến giai đoạn trưởng thành.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được tổ chức thành ba khối chức năng chính liên kết chặt chẽ thông qua mạng không dây và cơ sở dữ liệu trung tâm:

Khối chức năng Phần cứng & Công nghệ chính Chức năng kỹ thuật chi tiết
Khối thu thập dữ liệu (Sensor Node) - Vi điều khiển Arduino Uno R3 (ATmega328P)
- Module WiFi ESP8266 NodeMCU V1.0
- Cảm biến EC (DFRobot)
- Cảm biến pH (Que đo BNC)
- Cảm biến nhiệt độ DS18B20
- Cảm biến mực nước Analog
- Màn hình OLED SSD1306 0.96 inch		 - Đọc giá trị Analog/Digital từ 4 cảm biến môi trường.
- Tính toán, bù nhiệt và hiển thị giá trị tức thời lên màn hình OLED qua I2C.
- Đóng gói dữ liệu và truyền sang ESP8266 qua chuẩn UART.
- ESP8266 gửi dữ liệu lên cơ sở dữ liệu máy chủ bằng phương thức HTTP GET/POST qua sóng WiFi.
Khối Web Server & Cơ sở dữ liệu - Phần mềm lập trình PHP Designer 8
- Hệ quản trị phpMyAdmin & MySQL
- Giao diện HTML/CSS/JavaScript
- Web Server Apache (Ngăn xếp LAMP/WAMP)		 - Tiếp nhận và lưu trữ liên tục các tham số môi trường.
- Cung cấp giao diện bảng điều khiển (Dashboard) trực quan trên trình duyệt.
- Cho phép lựa chọn chế độ vận hành: Tự động (Auto) hoặc Thủ công (Manual).
- Thiết lập bảng ngưỡng dinh dưỡng (ppm), pH, nhiệt độ cho từng loại cây.
- Phát tín hiệu cảnh báo trực quan khi thông số vượt ngưỡng an toàn.
Khối điều khiển chấp hành (Actuator Node) - Module WiFi ESP8266 NodeMCU
- Khối cách ly đệm công suất (Relay/Opto)
- Bơm nhu động 12VDC (5W, 5.2–90 ml/phút)
- Van điện từ phi 21 (12VDC, 300mA, 0.8 MPa)
- Bơm nước tuần hoàn LifeTech AP3100 (220VAC, 28W, 1350 L/h, đẩy cao 2.8m)
- Nguồn tổ ong 12VDC – 5A		 - ESP8266 kết nối WiFi, định kỳ truy vấn bảng trạng thái từ MySQL.
- Chế độ Auto: Tự động so sánh dữ liệu cảm biến với bảng ngưỡng cài đặt để kích hoạt động cơ châm dinh dưỡng A/B, châm pH Up/Down, xả van cấp nước hoặc chạy bơm hồi lưu.
- Chế độ Manual: Kích hoạt bật/tắt tức thời từng bơm và van theo nút bấm ON/OFF trên Web.
- Đảm bảo cách ly an toàn giữa phần điều khiển logic 5V/3.3V và phụ tải công suất 12VDC/220VAC.

Thông số kỹ thuật các linh kiện phần cứng chính

  1. Vi điều khiển Arduino Uno R3:
    • Vi điều khiển trung tâm: ATmega328P họ 8-bit.
    • Điện áp hoạt động: 5VDC (nguồn khuyên dùng 7–12VDC).
    • Bộ nhớ: 32 KB Flash (0.5 KB dành cho bootloader), 2 KB SRAM, 1 KB EEPROM.
    • Số chân I/O: 14 chân Digital (dòng ra tối đa 40mA/chân), 6 chân Analog Input.
  2. Module WiFi ESP8266 NodeMCU V1.0:
    • Vi xử lý: ESP8266EX (Module ESP-12E), tích hợp giao tiếp USB-UART CP2102.
    • Chuẩn WiFi: 2.4 GHz hỗ trợ IEEE 802.11 b/g/n, hỗ trợ bảo mật WPA/WPA2.
    • Bộ nhớ Flash: 4 MB; tích hợp sẵn ngăn xếp giao thức TCP/IP.
  3. Module cảm biến nồng độ dinh dưỡng (EC):
    • Nhà sản xuất: DFRobot; ngõ ra tín hiệu Analog tỷ lệ tuyến tính với độ dẫn điện.
    • Phạm vi đo: 1 mS/cm – 20 mS/cm; điện áp hoạt động: +5VDC.
    • Độ chính xác: $<\pm 10%$ FS (Full Scale); que đo chuẩn kết nối BNC.
  4. Module cảm biến nồng độ pH:
    • Phạm vi đo: 0 – 14 pH; nguồn cấp: 5VDC.
    • Độ chính xác: $\pm 0.1 \text{ pH}$ (tại nhiệt độ chuẩn 25°C); thời gian đáp ứng: $< 60 \text{ giây}$.
  5. Cảm biến nhiệt độ dung dịch DS18B20:
    • Giao tiếp: Chuẩn 1-Wire (1 dây tín hiệu); tầm đo: $-55^\circ\text{C}$ đến $+125^\circ\text{C}$.
    • Độ chính xác: $\pm 0.5^\circ\text{C}$ trong dải từ $-10^\circ\text{C}$ đến $+85^\circ\text{C}$; độ phân giải tùy chọn: 9 đến 12 bit.
  6. Màn hình hiển thị OLED SSD1306:
    • Kích thước: 0.96 inch; độ phân giải: $128 \times 64 \text{ pixel}$.
    • Chuẩn giao tiếp: I2C (chân SCL, SDA); điện áp hoạt động: 3V – 5VDC; công suất tiêu thụ: 0.08W.
  7. Cơ cấu chấp hành định lượng và cấp nước:
    • Bơm nhu động 12VDC: Công suất 5W, lưu lượng $5.2 \text{ ml/phút} - 90 \text{ ml/phút}$, ống dẫn silicon co bóp bằng hệ thống 3 con lăn (dùng châm vi lượng dung dịch A, B, pH).
    • Van điện từ 12VDC: Phi 21 (1/4 inch), dòng kích 300mA, áp lực chịu đựng 0.8 MPa.
    • Bơm nước chìm LifeTech AP3100: Điện áp 220VAC, công suất 28W, lưu lượng cực đại 1350 L/h, cột áp 2.8m.
    • Nguồn cấp toàn hệ thống: Nguồn tổ ong xung 220VAC sang 12VDC – 5A.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tổng quan về vai trò của nông nghiệp tại Việt Nam, sự phát triển của công nghệ tự động hóa và xu hướng vạn vật kết nối Internet (IoTs). Tác giả làm rõ tính cấp thiết của việc xây dựng hệ thống thủy canh tự động nhằm giải quyết bài toán rau sạch an toàn trong bối cảnh thực phẩm bẩn lan tràn và diện tích đất đô thị bị thu hẹp. Chương này xác định rõ mục tiêu trang bị kiến thức về thiết kế phần cứng, lập trình vi điều khiển, quản trị cơ sở dữ liệu web và phân định giới hạn đề tài ở mô hình thực nghiệm quy mô nhỏ.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp toàn bộ nền tảng lý thuyết và thông số kỹ thuật của các công nghệ, linh kiện cấu thành:

  • Lý thuyết truyền thông nối tiếp UART, Bus I2C, giao thức mạng TCP/IP và sóng WiFi theo chuẩn IEEE 802.11 b/g/n (băng tần 2.4GHz, các chuẩn a/b/g/n).
  • Kiến trúc Web động Client-Server, cơ chế nhúng ngôn ngữ kịch bản PHP vào mã HTML, phân tích phương thức truyền dữ liệu GET (qua URL query string, giới hạn 1024 ký tự) và POST (qua HTTP header, bảo mật hơn, hỗ trợ dữ liệu lớn).
  • Cơ sở khoa học về độ dẫn điện dung dịch (EC/TDS), thang đo pH và kỹ thuật thủy canh hồi lưu tuần hoàn.
  • Bảng tổng hợp nhu cầu dinh dưỡng và pH của một số loại cây trồng phổ biến:
Loại rau – quả Giai đoạn cây con (ppm) Giai đoạn trưởng thành (ppm) Giai đoạn thu hoạch (ppm) Độ pH thích hợp
Dâu tây 450 – 550 800 – 900 800 – 900 6.0 – 6.5
Húng quế 590 – 690 840 – 1050 800 – 900 6.0 – 7.0
Diếp xoăn 780 – 880 1100 – 1280 1250 – 1280 5.5 – 6.5
  • Thuyết minh chi tiết thông số kỹ thuật và nguyên lý đo lường của toàn bộ linh kiện: Arduino Uno R3, ESP8266 NodeMCU, cảm biến EC DFRobot, que đo pH, cảm biến nhiệt độ DS18B20, cảm biến mực nước, màn hình OLED SSD1306, bơm nhu động 12VDC, van điện từ phi 21, bơm LifeTech AP3100 và nguồn tổ ong 12V–5A.

Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống

Chương 3 chi tiết hóa quy trình thiết kế kỹ thuật của hệ thống:

  • Xây dựng sơ đồ khối tổng quát và sơ đồ chi tiết từng khối: Khối nguồn, khối xử lý trung tâm, khối giao tiếp mạng, khối cảm biến và khối mạch lực điều khiển thiết bị chấp hành.
  • Bảng ánh xạ kết nối chân vi điều khiển cho trạm thu thập dữ liệu và trạm điều khiển.
  • Môi trường phát triển phần mềm: Thiết kế website trên PHP Designer 8, xây dựng bảng cơ sở dữ liệu chedo, giatri trên phpMyAdmin.
  • Xây dựng lưu đồ thuật toán và chương trình phần mềm:
    • Thuật toán đọc cảm biến và gửi dữ liệu từ Arduino sang ESP8266 qua UART.
    • Thuật toán ESP8266 đẩy dữ liệu lên cơ sở dữ liệu MySQL qua giao thức HTTP.
    • Thuật toán xử lý chế độ AUTO: Các chương trình con tự động kiểm tra và kích hoạt bơm nước, bơm bù pH Up/Down, bơm dinh dưỡng A/B, bơm hồi lưu tuần hoàn và bơm phun sương làm mát.
    • Thuật toán xử lý chế độ MANUAL: Tiếp nhận trực tiếp trạng thái nút bấm từ giao diện web.
  • Quy trình thực nghiệm gieo trồng rau xà lách qua các giai đoạn: Gieo hạt nảy mầm, chăm sóc cây con với dung dịch pha loãng (Hydro Leafy A, B), đưa cây lên giàn thủy canh ở giai đoạn trưởng thành và duy trì dinh dưỡng đến khi thu hoạch.

Chương 4: Kết quả và thực nghiệm

Chương 4 công bố các kết quả chế tạo và thử nghiệm phần cứng, phần mềm thực tế:

  • Kết quả thi công bảng mạch in (PCB) cho cả khối thu thập dữ liệu và khối điều khiển.
  • Lắp đặt hoàn thiện tủ điện điều khiển công nghiệp và mô hình giàn trồng thủy canh ống PVC nhiều tầng trong thực tế.
  • Kết quả kiểm tra hoạt động của khối nguồn xung 12VDC và các cấp nguồn phụ 5V, 3.3V.
  • Kiểm thử giao diện Web Server: Hiển thị thời gian thực các thông số nồng độ dinh dưỡng (ppm), độ pH, nhiệt độ nước dung dịch và phản hồi trạng thái điều khiển ON/OFF tức thời.
  • Kiểm thử màn hình OLED SSD1306: Hiển thị đồng thời các thông số môi trường tại trạm đo.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương 5 tổng kết mức độ hoàn thành nhiệm vụ theo mục tiêu đề ra, đánh giá sự phối hợp nhịp nhàng giữa mạch phần cứng và hệ thống Web Server trong việc giám sát mô hình thủy canh. Đồng thời, tác giả đề xuất các định hướng mở rộng kỹ thuật cho các giai đoạn nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm cụ thể

  • Chế tạo thành công 02 mạch in PCB chuyên dụng: Mạch thu thập dữ liệu cảm biến và mạch điều khiển công suất chấp hành, bố trí gọn gàng trong tủ điện cách điện an toàn.
  • Tích hợp và hiệu chuẩn hoạt động ổn định của hệ thống 4 cảm biến: Cảm biến EC đo nồng độ dinh dưỡng (1–20 mS/cm), que đo nồng độ pH (0–14 pH), cảm biến nhiệt độ dung dịch DS18B20 (sai số $\pm 0.5^\circ\text{C}$), và cảm biến mực nước analog.
  • Xây dựng hoàn chỉnh Web Server trên nền tảng PHP/MySQL, cho phép điều khiển 2 chế độ (Auto/Manual), theo dõi biểu đồ nồng độ dinh dưỡng và giám sát trực quan các thông số trên cả Web và màn hình OLED SSD1306 ($128 \times 64 \text{ pixel}$).
  • Hệ thống cơ cấu chấp hành (bơm nhu động 12V châm dung dịch A/B và pH, van điện từ phi 21 cấp nước nguồn, máy bơm tuần hoàn LifeTech AP3100 công suất 28W) đáp ứng chính xác theo thuật toán cài đặt sẵn.
  • Thực hiện chu trình trồng thử nghiệm thành công đối tượng cây rau xà lách trên giàn thủy canh hồi lưu với dung dịch dinh dưỡng Hydro Leafy.

Đóng góp kỹ thuật của đề tài

  • Hiện thực hóa mô hình nông nghiệp thông minh quy mô nhỏ (Smart Home Hydroponics) kết hợp hài hòa giữa hệ thống nhúng mã nguồn mở và công nghệ Web Server.
  • Cung cấp giải pháp định lượng hóa chất/dinh dưỡng tự động bằng bơm nhu động tốc độ thấp ($5.2 - 90 \text{ ml/phút}$), giúp giải quyết nhược điểm biến động pH và thiếu hụt khoáng chất của phương pháp thủy canh thủ công.
  • Xây dựng tài liệu kỹ thuật chi tiết về sơ đồ nguyên lý mạch, layout mạch in và mã nguồn kết nối vi điều khiển với cơ sở dữ liệu MySQL qua giao thức HTTP.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của công trình:

  • Hệ thống mới dừng lại ở quy mô mô hình thử nghiệm nhỏ với 01 trạm đo (node), chưa triển khai mạng lưới nhiều trạm cho diện tích canh tác lớn.
  • Đầu đo cảm biến EC và que đo pH đòi hỏi phải vệ sinh và hiệu chuẩn lại định kỳ sau mỗi tháng ngâm liên tục trong môi trường dung dịch dinh dưỡng để tránh hiện tượng trôi dạt thông số.
  • Máy chủ Web Server và hệ quản trị cơ sở dữ liệu MySQL mới được cài đặt và vận hành thử nghiệm trên mạng nội bộ (máy chủ cục bộ localhost/mạng LAN), chưa triển khai trên nền tảng điện toán đám mây công cộng (Cloud Server).
  • Chưa xây dựng ứng dụng chuyên dụng trên thiết bị di động (Mobile App) để tăng tính tiện dụng cho người quản lý.

Hướng phát triển đề xuất:

  • Phát triển và mở rộng mạng lưới nhiều Node cảm biến không dây phân tán để phục vụ các nhà kính hoặc trang trại diện tích rộng.
  • Nâng cấp sử dụng các dòng cảm biến công nghiệp cao cấp có khả năng tự làm sạch điện cực và tuổi thọ ngâm dung dịch dài hạn.
  • Đưa hệ thống máy chủ và cơ sở dữ liệu lên Cloud để hỗ trợ giám sát toàn cầu qua Internet mọi lúc mọi nơi.
  • Xây dựng ứng dụng di động trên nền tảng Android/iOS tích hợp tính năng gửi tin nhắn cảnh báo khẩn cấp (Push Notification / SMS) khi các thông số vượt ngưỡng nguy hiểm.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo kỹ thuật trực tiếp cho các nhóm đối tượng:

  • Sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Cơ điện tử, Công nghệ Thông tin và Nông nghiệp Công nghệ cao.
  • Người làm đề tài tốt nghiệp hoặc dự án nghiên cứu về hệ thống nhúng IoT ứng dụng trong giám sát nông nghiệp thông minh, trạm quan trắc chất lượng nước hoặc trạm châm hóa chất tự động.

Các nội dung và hạng mục đáng tham khảo nhất trong công trình:

  • Sơ đồ mạch nguyên lý phối ghép cảm biến công nghiệp (EC, pH, DS18B20, mực nước) với vi điều khiển ATmega328P và mạch hiển thị I2C OLED SSD1306.
  • Giải pháp truyền thông nối tiếp liên vi điều khiển (UART giữa Arduino Uno và ESP8266 NodeMCU) kết hợp cơ chế đẩy dữ liệu lên cơ sở dữ liệu MySQL qua kịch bản PHP (HTTP GET/POST).
  • Thiết kế mạch động lực điều khiển bơm nhu động 12VDC và máy bơm tuần hoàn AC 220V đảm bảo cách ly an toàn.
  • Thuật toán điều khiển tự động cân bằng nồng độ dinh dưỡng và nồng độ pH theo từng giai đoạn phát triển của cây trồng.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương trình quy đổi giữa độ dẫn điện (EC) và tổng chất rắn hòa tan (TDS) trong dung dịch thủy canh được đề tài áp dụng là gì?

Trong dung dịch loãng phục vụ nông nghiệp và thủy lợi, đề tài xác định mối quan hệ giữa tổng lượng chất rắn hòa tan (TDS) và độ dẫn điện (EC) theo công thức: $$\text{TDS (ppm)} = 0.64 \times \text{EC } (\mu\text{S/cm}) = 640 \times \text{EC (dS/m)}$$ Mạch cảm biến đo điện trở dung dịch thông qua đầu dò 2 cực dẫn và khuếch đại điện áp đưa về chân ADC vi điều khiển để tính toán nồng độ ppm tương ứng.

2. Hệ thống sử dụng thiết bị chấp hành nào để bơm vi lượng phân bón dinh dưỡng và dung dịch điều chỉnh pH?

Hệ thống sử dụng các bơm nhu động 12VDC (công suất 5W). Bơm nhu động hoạt động dựa trên nguyên lý ép ống dẫn silicon bằng 3 con lăn quay tròn luân phiên, tạo lưu lượng nhỏ được kiểm soát chặt chẽ từ $5.2 \text{ ml/phút}$ đến $90 \text{ ml/phút}$, cho phép cấp chính xác từng lượng nhỏ dung dịch dinh dưỡng A, B hoặc dung dịch điều chỉnh pH mà không làm sốc môi trường nước.

3. Giao tiếp dữ liệu giữa khối vi điều khiển Arduino Uno R3 và module WiFi ESP8266 NodeMCU được thực hiện như thế nào?

Dữ liệu đo đạc từ các cảm biến sau khi được Arduino Uno R3 tính toán sẽ truyền sang module ESP8266 NodeMCU thông qua giao tiếp nối tiếp bất đồng bộ UART (sử dụng hai chân truyền nhận Tx và Rx). Sau khi nhận gói tin, ESP8266 kết nối WiFi và đóng gói dữ liệu vào các yêu cầu HTTP để gửi trực tiếp lên máy chủ cơ sở dữ liệu MySQL.

4. Trong chế độ tự động (Auto), các thông số tối ưu để hệ thống kiểm soát môi trường trồng rau xà lách được quy định ra sao?

Hệ thống duy trì các thông số kiểm soát tối ưu cho rau xà lách gồm: Nhiệt độ dung dịch nước không vượt quá 28°C, nồng độ pH duy trì quanh ngưỡng 6.0 (cho phép trong dải 5.5 – 6.5), nồng độ dinh dưỡng EC khoảng $0.5 - 1.5 \text{ mS/cm}$ (tương ứng với giai đoạn cây con và trưởng thành), kết hợp chu kỳ bơm nước tuần hoàn hồi lưu liên tục.

5. Màn hình OLED SSD1306 tại khối thu thập dữ liệu giao tiếp với vi điều khiển bằng chuẩn giao tiếp nào và hiển thị những thông số gì?

Màn hình OLED SSD1306 (kích thước 0.96 inch, độ phân giải $128 \times 64 \text{ pixel}$) giao tiếp với vi điều khiển Arduino Uno R3 thông qua chuẩn giao tiếp nối tiếp 2 dây I2C (chân SCL và SDA). Màn hình hiển thị thời gian thực 4 thông số môi trường gồm: Nồng độ dinh dưỡng (ppm), nhiệt độ dung dịch (°C), nồng độ pH và trạng thái mực nước.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công hệ thống thủy canh ứng dụng công nghệ IoTs" đã xây dựng thành công mô hình giàn trồng thủy canh hồi lưu tự động hóa từ phần cứng đo đạc, mạch lực chấp hành đến hệ thống máy chủ Web Server giám sát qua mạng WiFi. Công trình làm chủ kỹ thuật đo lường các thông số quan trọng (EC/TDS, pH, nhiệt độ, mực nước) và điều khiển định lượng chính xác dung dịch dinh dưỡng bằng bơm nhu động, tạo điều kiện thuận lợi cho sự sinh trưởng của rau xà lách. Kết quả thực nghiệm khẳng định tính khả thi của giải pháp trong việc ứng dụng công nghệ IoT vào nông nghiệp đô thị, cung cấp nguồn tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cao cho các nghiên cứu phát triển hệ thống nhúng và nông nghiệp thông minh.