Đồ án thiết kế và thi công mô hình trồng rau thủy canh trong nhà kính ứng dụng IoT - ĐH SPKT TP.HCM

Hướng dẫn thiết kế và thi công mô hình trồng rau thủy canh nhà kính ứng dụng IoT. Tối ưu chi phí, nâng cao năng suất và tự động hóa quy trình chăm sóc.

• Tác giả: Trương Trịnh Nhựt Hoàng
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Phan Thanh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện, Điện tử
• Đề tài: Thiết kế và thi công mô hình trồng rau thủy canh trong nhà kính ứng dụng IoT
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan mô hình trồng rau thủy canh IoT tại ĐH SPKT TP

Nghiên cứu mô hình trồng rau thủy canh nhà kính ứng dụng IoT được thực hiện tại Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Đề tài tập trung thiết kế và thi công hệ thống tự động hóa khép kín. Cấu trúc hệ thống sử dụng phương pháp thủy canh màng dinh dưỡng hồi lưu NFT. Kỹ thuật này dẫn dòng dưỡng chất chảy mỏng liên tục qua rễ cây. Cây cải ngọt được lựa chọn làm đối tượng canh tác thử nghiệm chính. Giống rau này có thời gian sinh trưởng ngắn và nhu cầu dinh dưỡng thay đổi rõ rệt qua từng thời kỳ. Mô hình tích hợp nhiều cảm biến công nghiệp để đo lường các thông số môi trường thực tế. Vi điều khiển trung tâm thu thập dữ liệu và xử lý tín hiệu tự động. Nền tảng điều khiển phân tán cho phép cập nhật trạng thái hoạt động theo thời gian thực. Hệ thống giúp giảm thiểu tối đa sức lao động thủ công trong chăm sóc nông nghiệp. Thiết kế đảm bảo tính ổn định cao và tiêu thụ điện năng tiết kiệm. Đây là bước tiến quan trọng trong ứng dụng công nghệ cao vào sản xuất nông nghiệp đô thị bền vững.

1.1. Bản chất công nghệ thủy canh màng dinh dưỡng hồi lưu NFT

Phương pháp thủy canh màng dinh dưỡng hồi lưu NFT cung cấp dòng nước mỏng liên tục qua rễ cây. Rễ cây hấp thụ khoáng chất hòa tan trực tiếp mà không cần giá thể đất. Nước thừa hồi lưu về bể chứa thông qua đường ống dốc nghiêng định sẵn. Kỹ thuật này giúp tiết kiệm tối đa lượng nước và phân bón tiêu hao. Rễ cây luôn duy trì độ ẩm lý tưởng kết hợp tiếp xúc oxy dồi dào trong không khí. Nồng độ dinh dưỡng và độ pH trong bể được giám sát nghiêm ngặt. Cây trồng sinh trưởng nhanh và đồng đều hơn so với canh tác thổ nhưỡng truyền thống. Phương pháp giảm thiểu nguy cơ phát sinh mầm bệnh từ đất. Mô hình đảm bảo môi trường phát triển sạch và an toàn vệ sinh thực phẩm.

1.2. Vai trò chuyển đổi số của IoT trong sản xuất nông nghiệp

Internet of Things đóng vai trò trung tâm trong tự động hóa canh tác nhà kính hiện đại. Công nghệ kết nối mạng lưới các cảm biến với thiết bị chấp hành thông minh. Mọi chỉ số vi khí hậu được truyền tải liên tục đến hệ thống điều khiển trung tâm. Người quản lý theo dõi toàn diện quy trình sinh trưởng từ xa thông qua giao diện Web Server. Dữ liệu thời gian thực hỗ trợ đưa ra quyết định canh tác chuẩn xác và kịp thời. Tự động hóa thay thế thao tác thủ công dễ xảy ra sai sót của con người. Năng lượng tiêu thụ và tài nguyên tưới tiêu được quản trị tối ưu. Nền tảng IoT tạo tiền đề xây dựng mô hình nông nghiệp đô thị chính xác và bền vững.

II. Thách thức kiểm soát môi trường thủy canh nhà kính hiện nay

Canh tác thủy canh truyền thống gặp nhiều trở ngại lớn về kiểm soát thông số vi khí hậu. Môi trường nhà kính thường chịu tác động nặng nề bởi biến động thời tiết bên ngoài. Nhiệt độ và độ ẩm không khí tăng cao bất thường gây sốc nhiệt cho cây. Cây cải ngọt phản ứng rất nhạy cảm với điều kiện khắc nghiệt. Lá cây dễ héo rũ và cháy rìa khi nhiệt độ vượt ngưỡng an toàn. Cường độ ánh sáng không đồng đều ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình quang hợp. Thao tác đo đạc thủ công thường thiếu tính chính xác và không kịp thời. Việc pha dung dịch dinh dưỡng bằng tay tiềm ẩn nguy cơ sai lệch nồng độ TDS. Cây con bị ngộ độc khoáng chất hoặc còi cọc do thiếu dinh dưỡng thiết yếu. Đất canh tác truyền thống chứa nhiều vi sinh vật gây hại và nấm bệnh hại rễ. Sự phụ thuộc vào sức người khiến chi phí nhân công vận hành tăng cao. Thiếu hệ thống giám sát tự động dẫn đến rủi ro hư hỏng toàn bộ vườn rau khi mất điện hoặc nghẽn bơm.

2.1. Rủi ro sai lệch nồng độ dinh dưỡng và các yếu tố vi khí hậu

Nồng độ dung dịch dinh dưỡng TDS thay đổi liên tục theo các giai đoạn phát triển của cây cải ngọt. Giai đoạn cây con cần nồng độ khoáng thấp để tránh cháy rễ. Giai đoạn tăng trưởng đòi hỏi hàm lượng ion khoáng cao để thúc đẩy sinh khối. Nắng nóng kích thích cây thoát hơi nước nhanh làm dung dịch cô đặc đột ngột. Nếu không bổ sung nước kịp thời, rễ cây sẽ tổn thương nghiêm trọng. Nhiệt độ buồng kính vượt quá ngưỡng chịu đựng làm giảm khả năng hấp thu khoáng chất. Độ ẩm cao tạo điều kiện cho nấm mốc phát triển ở phần cổ rễ. Kiểm soát thủ công không thể phản ứng tức thời trước các biến động này.

2.2. Hạn chế về nguồn lực quản lý và nguy cơ gián đoạn vận hành

Các trang trại thủy canh quy mô nhỏ thường thiếu nhân sự túc trực liên tục tại hiện trường. Sự cố đường ống cấp nước hoặc máy bơm ngừng hoạt động gây chết cây chỉ sau vài giờ. Rễ cây trong hệ thống màng dinh dưỡng NFT rất nhạy cảm với việc thiếu nước tưới. Người nông dân gặp khó khăn khi phát hiện sớm sâu bệnh và các cá thể rau bất thường. Việc lưu trữ dữ liệu môi trường bằng sổ tay làm mất dấu các chu kỳ sinh trưởng quan trọng. Chi phí điện năng cho hệ thống chiếu sáng và quạt thông gió thường bị lãng phí do chạy thủ công liên tục. Thiếu hụt công cụ giám sát từ xa cản trở khả năng mở rộng sản xuất.

III. Giải pháp thiết kế hệ thống thủy canh IoT tại ĐH SPKT TP

Nhóm nghiên cứu tại ĐH SPKT TP.HCM phát triển kiến trúc phần cứng phân tầng hiện đại. Khối điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển Arduino Mega 2560 kết hợp vi xử lý ESP32. Hệ thống thu thập thông số môi trường qua mạng lưới cảm biến đa chỉ tiêu. Cảm biến DHT21 đo chính xác nhiệt độ và độ ẩm không khí bên trong nhà kính. Cảm biến quang học BH1750 theo dõi liên tục cường độ chiếu sáng của vườn rau. Cảm biến TDS chuyên dụng giám sát nồng độ dung dịch khoáng hòa tan trong bể chứa. Dữ liệu thô được lọc nhiễu và xử lý tại khối trung tâm theo chu kỳ định sẵn. Arduino Mega 2560 kích hoạt các module relay để điều khiển thiết bị chấp hành tương ứng. Bơm dinh dưỡng và bơm nước sạch tự động châm bù khi TDS vượt ngưỡng dung sai. Bơm phun sương và quạt hút luân chuyển không khí khi buồng kính vượt nhiệt độ cài đặt. Đèn LED nông nghiệp bổ sung dải quang phổ thích hợp khi ánh sáng tự nhiên suy giảm. Module ESP32 đồng bộ dữ liệu lên Web Server để điều khiển và giám sát từ xa qua mạng Wi-Fi.

3.1. Cấu trúc phần cứng điều khiển và cơ chế giám sát vi khí hậu

Kiến trúc phần cứng của hệ thống lấy Arduino Mega 2560 làm bộ não điều khiển trung tâm. Vi điều khiển này sở hữu nhiều chân xuất nhập để quản lý đa dạng module ngoại vi. Cảm biến DHT21 cung cấp dữ liệu nhiệt độ và độ ẩm với sai số rất thấp. Cảm biến ánh sáng BH1750 sử dụng chuẩn giao tiếp I2C cho kết quả đo chính xác cao. Mạch hạ áp Buck DC-DC 5A chuyển đổi nguồn 24V thành các mức điện áp ổn định. Mạch này triệt tiêu xung nhiễu và chống sụt áp cho vi mạch điều khiển. Màn hình LCD 20x4 kết hợp bàn phím ma trận 4x4 hỗ trợ thiết lập tham số ngay tại chỗ. Mọi dữ liệu đo đạc được lưu vết và xử lý đồng bộ liên tục.

3.2. Thuật toán pha chế dinh dưỡng và giao tiếp mạng truyền thông

Thuật toán điều khiển tự động duy trì nồng độ TDS theo từng giai đoạn phát triển của rau. Cảm biến TDS đo điện dẫn để suy ra mật độ dinh dưỡng hiện thời trong bồn nước. Khi TDS giảm xuống dưới ngưỡng cài đặt, Arduino kích hoạt relay bơm dung dịch mẹ đậm đặc. Nếu TDS tăng quá cao, bơm nước sạch lập tức hoạt động để hòa loãng dung dịch. Khối truyền thông ESP32 nhận dữ liệu từ Arduino Mega qua giao thức UART nối tiếp. ESP32 đóng vai trò cổng kết nối mạng Internet qua Wi-Fi cục bộ. Trang Web Server trực quan biểu diễn đồ thị thông số môi trường theo thời gian thực. Người dùng giám sát từ xa và gửi lệnh điều khiển tức thời an toàn.

IV. Kết luận và tiềm năng ứng dụng mô hình thủy canh IoT thực tế

Đồ án tốt nghiệp tại Trường ĐH SPKT TP.HCM chứng minh tính khả thi cao của mô hình. Hệ thống tích hợp IoT giúp kiểm soát tối ưu quy trình trồng rau cải ngọt trong nhà kính. Thời gian sinh trưởng của rau rút ngắn còn 25 đến 30 ngày kể từ khi gieo hạt. Tỷ lệ rau đạt tiêu chuẩn thương phẩm đồng đều và không nhiễm dư lượng thuốc bảo vệ thực vật. Mức độ tiêu thụ nước và phân bón giảm đáng kể nhờ chu trình hồi lưu NFT khép kín. Người trồng tiết kiệm hơn 70% thời gian chăm sóc và kiểm tra thực địa mỗi ngày. Khả năng phát hiện lỗi kỹ thuật qua giao diện Web Server giúp giảm thiểu rủi ro thất thoát. Mô hình hoạt động ổn định trong nhiều điều kiện khí hậu đô thị khắc nghiệt. Toàn bộ thiết kế phần cứng có chi phí đầu tư ban đầu hợp lý và dễ chế tạo. Nghiên cứu tạo nền tảng vững chắc cho việc nhân rộng mô hình nông nghiệp công nghệ cao. Giải pháp góp phần đảm bảo nguồn cung thực phẩm tươi sạch cho các khu đô thị lớn.

4.1. Hiệu quả canh tác và thời điểm thu hoạch cải ngọt tối ưu

Cải ngọt trồng theo mô hình thủy canh NFT phát triển nhanh qua ba giai đoạn sinh trưởng. Cây đạt độ xanh tốt đồng nhất, thân giòn và bộ rễ khỏe mạnh không bị thối. Thời gian thu hoạch chuẩn xác rơi vào khoảng 25 đến 30 ngày sau khi gieo hạt giống. Thời điểm thu hoạch lý tưởng nhất là sáng sớm trước 9 giờ hoặc chiều mát sau 16 giờ. Khung thời gian này hạn chế hiện tượng rau bị héo rũ do mất nước đột ngột khi cắt cuống. Dinh dưỡng trong lá được bảo toàn trọn vẹn giúp tăng giá trị thương phẩm trên thị trường. Năng suất thu hoạch cao hơn đáng kể so với phương pháp trồng đất truyền thống.

4.2. Hướng phát triển và khả năng nhân rộng trong nông nghiệp đô thị

Mô hình thủy canh ứng dụng IoT mở ra hướng phát triển bền vững cho nông nghiệp đô thị. Cấu trúc module linh hoạt cho phép mở rộng quy mô từ ban công hộ gia đình đến trang trại công nghiệp. Trong tương lai, hệ thống có thể tích hợp thuật toán trí tuệ nhân tạo để nhận diện sâu bệnh qua camera. Ứng dụng điện toán đám mây sẽ nâng cao khả năng phân tích dữ liệu lớn qua nhiều vụ mùa liên tiếp. Các nguồn năng lượng tái tạo như pin mặt trời có thể bổ sung để cấp điện tự chủ. Sự phát triển này giúp giảm chi phí sản xuất và nâng cao năng lực cạnh tranh cho nông sản sạch Việt Nam.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh đô thị hóa và áp lực gia tăng dân số, nhu cầu về thực phẩm sạch, an toàn cho sức khỏe ngày càng trở thành vấn đề thiết yếu. Phương thức canh tác truyền thống bộc lộ nhiều điểm hạn chế khi tiêu tốn tài nguyên đất đai, nguồn nước, phân bón hóa học và nhân công, đồng thời chịu tác động tiêu cực từ hiện tượng suy thoái đất nông nghiệp và biến đổi khí hậu thất thường. Để giải quyết các thách thức này, mô hình trồng rau thủy canh trong nhà kính nổi lên như một giải pháp canh tác không phụ thuộc vào đất, hạn chế sâu bệnh và tối ưu hóa diện tích, có thể ứng dụng từ quy mô trang trại đến hộ gia đình (như tận dụng sân thượng, gác mái). Việc tích hợp công nghệ Internet of Things (IoT) vào hệ thống nhà kính cho phép giám sát, kiểm soát môi trường tự động và điều khiển từ xa, giúp giảm sức lao động và nâng cao năng suất cây trồng.

Đề tài "Thiết kế và thi công mô hình trồng rau thủy canh trong nhà kính ứng dụng IoT" do nhóm sinh viên Trương Trịnh Nhựt Hoàng và Nguyễn Quốc Huy thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Phan Thanh tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (tháng 6/2025) nhằm giải quyết các yêu cầu kỹ thuật trên.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể qua bốn nội dung:

1. Nghiên cứu tổng quan về hệ thống trồng rau thủy canh trong môi trường nhà kính.
2. Tìm hiểu cơ sở lý thuyết liên quan đến vi điều khiển Arduino, các loại cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, TDS) và ứng dụng của chúng trong hệ thống.
3. Tiến hành thiết kế và lắp đặt hệ thống trồng rau thủy canh trong nhà kính, đảm bảo tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật.
4. Tích hợp bộ điều khiển với module ESP32 để xây dựng giao diện web, hỗ trợ người dùng giám sát, thiết lập thông số và điều khiển thiết bị từ xa.

Đối tượng nghiên cứu trọng tâm bao gồm: bo mạch vi điều khiển Arduino Mega 2560 giữ vai trò xử lý trung tâm điều khiển và giám sát các chỉ số môi trường; các cảm biến đo lường môi trường (DHT21, BH1750, TDS); vi điều khiển ESP32-WROOM-32 đảm nhiệm kết nối truyền thông và giao diện Web Server; cùng các giải pháp thiết kế mạch công suất, mạch nguồn và giải thuật điều khiển thiết bị chấp hành. Đối tượng sinh học thực nghiệm được lựa chọn là cây cải ngọt (Brassica rapa var. chinensis) canh tác theo kỹ thuật màng dinh dưỡng (NFT).

Phạm vi và giới hạn của đề tài được tác giả xác định rõ:

• Thiết kế kết cấu mô hình mang tính chất thử nghiệm quy mô nhỏ, tính thẩm mỹ chưa đạt mức tối ưu.
• Hệ thống chỉ tích hợp các cảm biến đo lường cơ bản (nhiệt độ, độ ẩm không khí, cường độ ánh sáng và nồng độ chất rắn hòa tan TDS), chưa tích hợp cảm biến đo nồng độ pH hay khí $CO_2$.
• Nguồn cấp sơ cấp sử dụng điện lưới xoay chiều 220V, chuyển đổi sang các cấp điện áp một chiều 24V, 5V và 3.3V qua các bộ chuyển đổi để cung cấp cho linh kiện điện tử và tải công suất.
• Do hạn chế về thời gian thực hiện, mô hình chưa được kiểm nghiệm chu kỳ vận hành liên tục dài hạn qua nhiều vụ mùa liên tiếp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đề tài kết hợp giữa kỹ thuật nông nghiệp công nghệ cao và kỹ thuật điều khiển nhúng - IoT:

• Kỹ thuật thủy canh: Đồ án hệ thống hóa các phương thức thủy canh bao gồm thủy canh tĩnh, thủy canh động tuần hoàn sâu (DWC), thủy canh màng dinh dưỡng (NFT) và thủy canh ngập - rút định kỳ (Ebb and Flow). Trong đó, kỹ thuật NFT được chọn làm nền tảng thi công nhờ ưu điểm màng dung dịch mỏng tuần hoàn liên tục giúp rễ cây vừa tiếp xúc với chất dinh dưỡng vừa hấp thụ oxy hòa tan tối ưu.
• Sinh lý cây cải ngọt: Cây cải ngọt thuộc họ Cải (Brassicaceae), thích hợp với khoảng nhiệt độ mát mẻ từ 20 đến 25°C, chu kỳ sinh trưởng từ 25 đến 30 ngày (vụ xuân hè) hoặc 30 đến 40 ngày (vụ đông xuân). Quy trình cung cấp dinh dưỡng bằng chỉ số tổng chất rắn hòa tan (TDS) qua 3 giai đoạn: cây con (khoảng 300 ppm), cây phát triển (600–800 ppm) và giai đoạn chăm sóc trưởng thành (800–1000 ppm), thu hoạch khi cây đạt chiều cao 20–30 cm.
• Công nghệ truyền thông và IoT: Hệ thống sử dụng mạng cảm biến kết hợp cơ chế truyền thông có dây và không dây. Giao thức nối tiếp không đồng bộ UART được dùng để truyền nhận dữ liệu hai chiều giữa vi điều khiển trung tâm Arduino Mega 2560 và module ESP32. Chuẩn truyền thông I2C (Inter-Integrated Circuit) với hai đường tín hiệu SDA (Serial Data) và SCL (Serial Clock) được áp dụng để kết nối đồng thời các thiết bị tớ như cảm biến ánh sáng BH1750, mạch thời gian thực RTC DS3231 và màn hình hiển thị LCD 20x4.
• Khảo sát các mô hình thực tế: Đồ án tham khảo thông số từ các dự án thực tế tại Việt Nam gồm Hợp tác xã Thủy canh Huế (1.000 m²), vườn rau thủy canh Tuấn Ngọc tại TP.HCM (1.000 m² ứng dụng NFT), dự án Hachi Việt Nam tại Mộc Châu (15.000 m²) và Jolly Farm tại Đà Lạt (1.000 m²).

Bảng so sánh đặc tính kỹ thuật các phương pháp thủy canh theo tổng hợp của tác giả:

Tiêu chí	Thủy canh tĩnh	Thủy canh động (DWC)	Thủy canh màng dinh dưỡng (NFT)	Thủy canh ngập rút định kỳ
Nguyên lý hoạt động	Dung dịch đứng yên, rễ ngập hoàn toàn trong dung dịch	Rễ ngập trong dung dịch có sục khí liên tục	Dung dịch chảy thành màng mỏng liên tục qua rễ	Bơm dung dịch ngập rễ định kỳ rồi rút về bể chứa
Mức cung cấp oxy	Hạn chế, cần máy sục khí bổ sung	Rất tốt nhờ hệ thống bọt khí liên tục	Rất tốt nhờ lớp màng dinh dưỡng mỏng tiếp xúc không khí	Tốt nhờ thời gian rút cạn nước tạo vùng thoáng khí
Chi phí đầu tư	Thấp, cấu tạo đơn giản, ít thiết bị	Trung bình, cần máy bơm và hệ thống sục khí	Trung bình đến cao, cần độ dốc máng chuẩn và bơm liên tục	Trung bình, cần khay ngập, van xả và bộ hẹn giờ
Rủi ro khi mất điện	Khá thấp, dung dịch nước vẫn tồn tại sẵn	Cao, rễ ngập dễ thiếu hụt oxy hòa tan	Cao, không có dòng chảy làm rễ cây nhanh bị khô	Cao, hệ thống ngưng bơm xả dẫn đến cây bị héo
Loại cây phù hợp	Rau ăn lá nhỏ, cây ngắn ngày	Rau ăn quả (cà chua, dưa leo), cây rễ lớn	Rau ăn lá, cây thân thảo, rễ nông	Rau ăn lá, cây thân thảo nhỏ

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm bốn giai đoạn:

1. Phương pháp thu thập dữ liệu: Thu thập tài liệu chuyên ngành về kỹ thuật thủy canh, tập lệnh lập trình Arduino/ESP32 và thông số kỹ thuật (datasheet) của linh kiện điện tử.
2. Phương pháp phân tích: Phân tích các thông số vật lý cần giám sát (nhiệt độ, độ ẩm không khí, cường độ sáng, nồng độ TDS) để thiết lập phạm vi ngưỡng điều khiển phù hợp cho cây cải ngọt.
3. Phương pháp thực nghiệm: Tính toán thiết kế mạch nguyên lý, lựa chọn công suất thiết bị, thi công lắp ráp tủ điều khiển, đường ống thủy canh và lập trình thuật toán điều khiển.
4. Phương pháp đánh giá: Vận hành hệ thống trong điều kiện thực tế, đo đạc độ ổn định của các cảm biến và kiểm tra khả năng đáp ứng của giao diện Web Server.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa phân tầng, kết hợp giữa tầng xử lý chấp hành thời gian thực và tầng kết nối mạng giám sát.

Kiến trúc phần cứng và tính toán lựa chọn thiết bị

Sơ đồ khối hệ thống gồm 6 khối chức năng chính:

• Khối nguồn: Nguồn tổ ong ngõ vào 110V/220VAC, ngõ ra 24VDC dòng định mức 5A, công suất 48–500W. Một mạch hạ áp Buck DC-DC 5A (điện áp vào 5–32V, điều chỉnh ngõ ra 1.25–30V, hiệu suất 90%) hạ điện áp từ 24V xuống 5V để cấp nguồn cho Arduino, ESP32, relay và các cảm biến. Tổng dòng điện tiêu thụ tính toán của các thiết bị điều khiển là 988.5 mA.
• Khối xử lý trung tâm: Bo mạch Arduino Mega 2560 tích hợp vi điều khiển ATmega2560 hoạt động ở xung nhịp 16 MHz, cung cấp 54 chân I/O số (15 chân PWM), 16 ngõ vào analog và 4 cổng UART phần cứng, đảm bảo đủ tài nguyên giao tiếp với các cảm biến và cơ cấu chấp hành.
• Khối truyền thông: Module ESP32-WROOM-32 sử dụng chip ESP32-D0WDQ6, tích hợp Wi-Fi và Bluetooth, kết nối với Arduino Mega qua cổng UART để nhận dữ liệu cảm biến và gửi lệnh điều khiển từ xa.
• Khối cảm biến:
  • Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT21 (AM2301): Dải đo nhiệt độ -40 đến +80°C (sai số ±0.5°C), độ ẩm 0–100% RH (sai số ±3% RH), chuẩn giao tiếp 1-wire digital.
  • Cảm biến cường độ sáng BH1750FVI: Dải đo 1–65.535 lux, giao tiếp I2C.
  • Cảm biến nồng độ dinh dưỡng TDS DFRobot Gravity: Dải đo 0–1000 ppm, ngõ ra analog 0–2.3VDC, sai số ±10% tại 25°C.
  • Module thời gian thực DS3231: Giao tiếp I2C, tích hợp thạch anh bù nhiệt và pin nuôi nguồn dự phòng CR2032.
• Khối giao tiếp tại chỗ: Màn hình LCD 20x4 ký tự kết nối qua giao tiếp I2C kết hợp bàn phím ma trận 4x4 (keypad) cho phép người dùng quan sát chỉ số và cấu hình thông số trực tiếp tại tủ điện.
• Khối chấp hành:
  • Bơm tuần hoàn dinh dưỡng: Điện áp 24VDC, lưu lượng tính toán 7 lít/giờ dựa trên công thức lưu lượng thủy lực: $$Q = A \times v$$ với $A$ là tiết diện dòng chảy và $v$ là vận tốc dòng chảy trong máng NFT.
  • Bơm phun sương và bơm dung dịch bổ sung: Điện áp 24VDC, dòng làm việc 88 mA, lưu lượng 1–1.2 lít/giờ.
  • Quạt thông gió: Điện áp 24VDC, dòng 0.25A, tốc độ 2500–3000 vòng/phút, lưu lượng 70–100 m³/h, tính toán theo công thức trao đổi không khí: $$\sum V = V \times ACH$$ với thể tích phòng $V$ và bội số trao đổi không khí $ACH = 30 - 50$ lần/giờ.
  • Đèn LED quang hợp nhân tạo: Điện áp 220VAC, công suất chọn 30W, tính theo công thức tích lũy ánh sáng hàng ngày (DLI): $$P = \frac{DLI \times S}{t \times E \times 10^{-6}}$$ với $DLI = 8 - 10\text{ mol/m}^2\text{/ngày}$, thời gian chiếu sáng $t = 10 - 12\text{ giờ}$, diện tích $S = 0.36\text{ m}^2$.
  • Động cơ kéo rèm che nắng: Điện áp 24VDC, dòng không tải 0.3A, tốc độ 600 vòng/phút, công suất 7.2W, điều khiển đảo chiều quay qua module mạch cầu H kép L298N.
  • Đóng ngắt thiết bị công suất cao: Sử dụng module relay 5V kích mức cao/thấp, ngõ ra tiếp điểm chịu tải AC 250V/10A hoặc DC 30V/10A.

Bảng thông số kỹ thuật các linh kiện phần cứng chính của hệ thống:

Tên thiết bị / Module	Điện áp hoạt động	Dải đo / Công suất	Giao thức / Chuẩn kết nối	Vai trò trong hệ thống
Arduino Mega 2560	5VDC (nguồn vào 7–12V)	54 chân I/O, flash 256 KB	UART, I2C, SPI	Xử lý trung tâm, đọc cảm biến, điều khiển chấp hành
ESP32-WROOM-32	3.0–3.6VDC	Dòng tiêu thụ ~80 mA	Wi-Fi 802.11 b/g/n, UART	Kết nối mạng, lưu trữ web server, nhận lệnh điều khiển
Cảm biến DHT21	3.5–5.5VDC	-40 đến +80°C; 0–100% RH	1-wire digital	Thu thập nhiệt độ và độ ẩm không khí trong nhà kính
Cảm biến BH1750	4.5VDC	1–65.535 lux	I2C	Đo lường mức độ chiếu sáng môi trường
Cảm biến TDS DFRobot	3.3–5.5VDC	0–1000 ppm	Analog (0–2.3V)	Đo tổng lượng chất rắn hòa tan trong bồn dinh dưỡng
Mạch RTC DS3231	3.3–5.5VDC	Giờ, phút, giây, ngày, năm	I2C	Định thời thực cho chu kỳ bơm và chiếu sáng
Màn hình LCD 20x4	3.3–5.0VDC	20 ký tự x 4 dòng	I2C	Hiển thị thông số môi trường và giao diện cài đặt
Nguồn tổ ong 24V	110V/220VAC	24VDC – 5A (120W)	Trực tiếp	Cấp nguồn động lực cho toàn bộ thiết bị chấp hành

Thiết kế phần mềm và giải thuật điều khiển

Chương trình điều khiển được xây dựng trên môi trường Arduino IDE, phân định hai chế độ vận hành độc lập:

1. Chế độ tự động (Auto): Vi điều khiển Arduino Mega 2560 liên tục đọc giá trị từ các cảm biến. Khi nhiệt độ vượt ngưỡng cài đặt hoặc độ ẩm thấp, hệ thống tự động kích hoạt quạt thông gió và bơm phun sương làm mát. Khi cảm biến ánh sáng ghi nhận cường độ thấp hơn mức quang hợp của cây, hệ thống bật đèn LED chiếu sáng nhân tạo; ngược lại nếu nắng quá gắt, động cơ L298N sẽ quay để kéo rèm che nắng. Khi chỉ số TDS trong bồn dinh dưỡng tụt xuống dưới ngưỡng sinh trưởng của rau cải ngọt (dưới 800 ppm ở giai đoạn phát triển), bơm dung dịch sẽ được kích hoạt để bổ sung dinh dưỡng đậm đặc vào bồn nước tuần hoàn.
2. Chế độ thủ công (Manual): Người vận hành có thể can thiệp cưỡng bức bật hoặc tắt từng thiết bị (bơm dinh dưỡng, bơm phun sương, quạt, đèn, rèm) thông qua bàn phím ma trận 4x4 tại tủ điện hoặc thông qua các nút gạt điều khiển trên giao diện trang Web. Hệ thống trang bị nút dừng khẩn cấp (EMG) để ngắt toàn bộ hoạt động khi phát sinh sự cố kỹ thuật.
3. Giao diện Web Server ESP32: Module ESP32 đóng vai trò máy chủ cục bộ, cung cấp trang web giao diện có tính năng xác thực đăng nhập người dùng, hiển thị trực quan các chỉ số cảm biến theo thời gian thực, hiển thị trạng thái hoạt động của từng rơ-le chấp hành và cho phép người dùng thay đổi các ngưỡng cài đặt thông số môi trường từ xa.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Mở đầu

Chương này làm rõ bối cảnh nhu cầu rau sạch trong xã hội, thực trạng đất nông nghiệp bị suy thoái và biến đổi khí hậu tại Việt Nam. Tác giả trình bày tính cấp thiết của việc áp dụng mô hình thủy canh nhà kính kết hợp công nghệ IoT. Nội dung xác định 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể, chỉ rõ đối tượng nghiên cứu là bo mạch vi điều khiển (Arduino Mega 2560, ESP32-WROOM-32), các cảm biến môi trường và mạch điều khiển; đồng thời nêu bật 4 điểm giới hạn của đề tài về mặt thẩm mỹ, chủng loại cảm biến, nguồn điện lưới và thời gian kiểm nghiệm.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 khái quát bản chất của phương pháp thủy canh, phân tích sâu cơ chế hoạt động của bốn mô hình thủy canh cơ bản (tĩnh, động DWC, màng dinh dưỡng NFT, ngập rút định kỳ) và tổng hợp bảng so sánh ưu nhược điểm kỹ thuật giữa các phương pháp. Tác giả dẫn chứng bốn dự án nông nghiệp công nghệ cao tiêu biểu tại Việt Nam (Hueponics, Vườn rau Tuấn Ngọc, Hachi Việt Nam, Jolly Farm Đà Lạt). Tiếp theo, chương trình bày đặc tính sinh học của cây cải ngọt (Brassica rapa var. chinensis), quy trình canh tác NFT qua 3 giai đoạn và các yếu tố môi trường then chốt (ánh sáng, nhiệt độ 20–25°C, độ ẩm, nồng độ TDS/EC). Phần cuối chương giới thiệu tổng quan kiến trúc mạng IoT, các chuẩn giao tiếp vật lý UART, I2C và môi trường phát triển phần mềm Arduino IDE.

Chương 3: Thiết kế và thi công hệ thống

Chương 3 tập trung chi tiết hóa thiết kế kỹ thuật của hệ thống. Tác giả trình bày các yêu cầu chức năng, xây dựng mô hình tổng thể và sơ đồ khối 6 thành phần. Trong phần tính toán phần cứng, các công thức thủy lực và quang học được đưa vào để tính toán lưu lượng bơm tuần hoàn NFT ($Q = A \times v$), lưu lượng quạt làm mát ($\sum V = V \times ACH$), và công suất đèn LED chiếu sáng theo chỉ số DLI. Tác giả phân tích thông số kỹ thuật của từng cảm biến (DHT21, BH1750, TDS Gravity, RTC DS3231), module hiển thị LCD 20x4, ma trận phím 4x4, module rơ-le, mạch cầu H L298N, Arduino Mega 2560 và ESP32. Bảng cân bằng năng lượng được lập với tổng dòng tiêu thụ tính toán 988.5 mA, làm cơ sở lựa chọn bộ nguồn tổ ong 24VDC 5A và mạch Buck 5A. Toàn bộ sơ đồ nối dây toàn hệ thống cùng 14 lưu đồ giải thuật chi tiết (giải thuật xử lý trung tâm, giải thuật chọn chế độ Auto/Manual, các thuật toán điều khiển nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, nồng độ dinh dưỡng và lưu đồ Web Server trên ESP32) được thiết lập đầy đủ.

Chương 4: Kết quả và đánh giá

Chương 4 công bố kết quả hiện vật và thực nghiệm sau khi hoàn thiện chế tạo. Tác giả giới thiệu hình ảnh mô hình khung nhà kính, kết cấu cơ khí giàn thủy canh, bố trí các động cơ rèm, quạt thông gió, hệ thống bồn chứa – đường ống bơm và tủ điện điều khiển chứa nguồn cùng các bo mạch vi điều khiển. Phần kết quả thực nghiệm ghi nhận hệ thống vận hành đúng chức năng: cảm biến đo lường và hiển thị chính xác các giá trị nhiệt độ, độ ẩm, cường độ sáng và TDS lên cả màn hình LCD 20x4 và giao diện website; các thiết bị chấp hành đóng ngắt chính xác theo lệnh thủ công (Manual) cũng như tự động (Auto) dựa trên ngưỡng tham số; tính năng thay đổi cài đặt ngưỡng môi trường trên LCD và Web Server hoạt động đồng bộ và ổn định.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương 5 tóm tắt các kết quả đạt được: xây dựng thành công mô hình phần cứng hoạt động ổn định, thực hiện tự động hóa việc kiểm soát môi trường dinh dưỡng và vi khí hậu nhà kính, kết hợp quản lý từ xa qua mạng Internet. Tác giả cũng thẳng thắn chỉ ra các điểm còn tồn tại và đề xuất hướng phát triển tiếp theo nhằm hoàn thiện mô hình.

Kết quả và đóng góp

Đồ án ghi nhận các kết quả thực nghiệm và đóng góp cụ thể:

• Chế tạo thành công mô hình vật lý hoàn chỉnh: Bao gồm khung nhà kính mô phỏng diện tích 0.36 m², tủ điện điều khiển chứa bo mạch Arduino Mega 2560, module ESP32-WROOM-32, bộ nguồn tổ ong 24V 5A, mạch hạ áp Buck 5A, các module relay và mạch công suất L298N.
• Tự động hóa giám sát và điều hòa môi trường: Hệ thống đo đạc chính xác các thông số môi trường thông qua cảm biến DHT21 (nhiệt độ, độ ẩm), BH1750 (ánh sáng) và TDS (dinh dưỡng). Các cơ cấu chấp hành (bơm dinh dưỡng lưu lượng 7 l/h, bơm dung dịch/phun sương 1–1.2 l/h, quạt hút 70–100 m³/h, đèn LED 30W và động cơ rèm 24V) vận hành ổn định theo đúng các giải thuật logic được lập trình.
• Phát triển giao diện điều khiển kép: Cho phép người dùng vừa thao tác tại chỗ thông qua màn hình LCD 20x4 và ma trận phím 4x4, vừa giám sát - điều khiển từ xa thông qua giao diện Web Server được lưu trữ trực tiếp trên vi điều khiển ESP32, có phân quyền bảo mật đăng nhập và nút dừng khẩn cấp (EMG).
• Đóng góp so với các nghiên cứu trước: Khác với các hệ thống điều khiển đơn lẻ, đồ án tích hợp thành công cấu trúc điều khiển phân tầng vi điều khiển kép (Master-Slave giữa Arduino Mega 2560 và ESP32 qua UART), giúp tối ưu hóa khả năng xử lý: Arduino Mega chuyên trách đọc tín hiệu cảm biến và kích hoạt tải thời gian thực, trong khi ESP32 tập trung xử lý kết nối mạng Wi-Fi và phục vụ Web Server, tránh tình trạng nghẽn luồng xử lý vi điều khiển. Ngoài ra, việc lựa chọn công suất thiết bị chấp hành được lượng hóa bằng các công thức kỹ thuật nông nghiệp cụ thể (công thức lưu lượng NFT, DLI và ACH).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Theo công bố của nhóm tác giả, đồ án còn tồn tại một số hạn chế kỹ thuật:

• Tính thẩm mỹ và tối ưu hóa kết cấu mô hình: Do thi công thủ công trong điều kiện phòng thí nghiệm, kết cấu cơ khí và cách bố trí dây dẫn trong tủ điều khiển chưa đạt độ tinh gọn cao.
• Số lượng thông số quan trắc còn giới hạn: Hệ thống mới chỉ tập trung vào 4 chỉ số cơ bản (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, TDS), chưa tích hợp cảm biến đo độ pH của nước – yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng hấp thụ khoáng chất của rễ, và cảm biến $CO_2$ để đánh giá hiệu quả quang hợp.
• Phụ thuộc nguồn điện lưới: Hệ thống sử dụng nguồn điện 220VAC chuyển đổi, chưa có hệ thống lưu điện dự phòng (UPS) hoặc tích hợp nguồn năng lượng tái tạo, dẫn đến rủi ro cây bị khô rễ nhanh chóng nếu xảy ra sự cố mất điện kéo dài đối với mô hình NFT.
• Chưa thử nghiệm dài hạn: Hệ thống chưa được theo dõi liên tục trong nhiều tháng qua các chu kỳ sinh trưởng trọn vẹn từ lúc gieo hạt đến thu hoạch của cây trồng thực tế để đánh giá chi tiết năng suất sinh khối và độ bền linh kiện.

Các hướng phát triển được đề xuất bao gồm:

• Tích hợp thêm cảm biến đo nồng độ pH của dung dịch và cảm biến nồng độ khí $CO_2$ trong không khí nhà kính.
• Cải tiến thiết kế cơ khí, tối ưu hóa kích thước mô hình và nâng cao tính thẩm mỹ của tủ điều khiển.
• Nghiên cứu tích hợp hệ thống pin năng lượng mặt trời kết hợp bộ lưu điện để đảm bảo hệ thống vận hành liên tục không phụ thuộc vào điện lưới.
• Thử nghiệm canh tác mở rộng trên nhiều giống rau ăn lá và cây ăn quả ngắn ngày khác nhau để kiểm chứng tính linh hoạt của phần mềm điều khiển.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn đối với sinh viên, học viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Máy tính và Nông nghiệp Công nghệ cao.

Các nội dung có giá trị ứng dụng cao bao gồm:

• Phương pháp tính toán kỹ thuật: Cách thức áp dụng công thức vật lý và nông nghiệp (tính toán lưu lượng chất lỏng màng mỏng NFT, tính toán bội số trao đổi không khí ACH cho quạt thông gió, tính toán công suất quang hợp DLI cho đèn chiếu sáng chuyên dụng) để lựa chọn thông số động cơ và thiết bị điện phù hợp.
• Kiến trúc phần cứng nhúng kết hợp: Giải pháp thiết kế phối hợp hai vi điều khiển (Arduino Mega 2560 và ESP32) giao tiếp qua cổng nối tiếp UART, giúp chia sẻ tải giữa tác vụ điều khiển thời gian thực và tác vụ truyền thông mạng Internet.
• Thiết kế mạch nguồn và phối ghép giao tiếp: Phương pháp thiết kế hệ thống nguồn đa cấp (24VDC, 5VDC, 3.3VDC), mạch cầu H điều khiển động cơ rèm và cách thức gom bus truyền thông I2C cho nhiều module ngoại vi đồng thời.

Câu hỏi thường gặp

Hệ thống sử dụng phương pháp thủy canh nào và vì sao nhóm tác giả lại lựa chọn phương pháp này?

Hệ thống sử dụng kỹ thuật thủy canh màng dinh dưỡng (NFT - Nutrient Film Technique). Phương pháp này được chọn vì dung dịch dinh dưỡng được bơm tuần hoàn liên tục thành một lớp màng rất mỏng qua rễ cây, tạo diện tích tiếp xúc lớn giữa dung dịch và không khí. Điều này giúp oxy khuếch tán liên tục vào nước, hạn chế tối đa nguy cơ úng rễ so với thủy canh tĩnh, đồng thời nước được thu hồi về bồn tuần hoàn giúp tiết kiệm tài nguyên nước và phân bón.

Cấu trúc xử lý và điều khiển trung tâm của mô hình được tổ chức như thế nào?

Hệ thống sử dụng cấu trúc vi điều khiển kép: bo mạch Arduino Mega 2560 (dựa trên chip ATmega2560) giữ vai trò khối xử lý trung tâm chuyên trách đọc tín hiệu từ các cảm biến môi trường (DHT21, BH1750, TDS, DS3231), xuất dữ liệu lên LCD 20x4 và điều khiển các thiết bị chấp hành thông qua relay và module L298N. Module ESP32-WROOM-32 giữ vai trò khối truyền thông, kết nối với Arduino Mega qua cổng UART để nhận dữ liệu, khởi tạo Web Server cho phép người dùng giám sát và gửi lệnh điều khiển từ xa.

Các thiết bị chấp hành trong mô hình được tính toán lựa chọn dựa trên những cơ sở nào?

Các thiết bị chấp hành đều được tính toán theo công thức kỹ thuật chuyên ngành: bơm tuần hoàn dinh dưỡng (lưu lượng 7 l/h) được tính theo công thức lưu lượng thủy lực $Q = A \times v$; quạt thông gió (lưu lượng 70–100 m³/h) tính theo công thức thể tích phòng và hệ số trao đổi khí $\sum V = V \times ACH$; hệ thống chiếu sáng đèn LED (30W) tính toán dựa trên tổng lượng ánh sáng tích lũy hàng ngày $P = \frac{DLI \times S}{t \times E \times 10^{-6}}$ cho diện tích 0.36 m²; và động cơ rèm che nắng sử dụng điện áp 24VDC điều khiển đảo chiều qua module L298N.

Người dùng có thể vận hành và giám sát hệ thống qua những phương thức nào?

Người dùng có thể vận hành qua hai phương thức: tại chỗ hoặc từ xa. Tại chỗ, người dùng theo dõi giá trị môi trường qua màn hình LCD 20x4 và thao tác điều khiển, cài đặt thông số ngưỡng bằng bàn phím ma trận 4x4 gắn trên tủ điện. Từ xa, người dùng truy cập giao diện website do ESP32 tạo ra từ máy tính hoặc điện thoại thông minh để xem dữ liệu cảm biến thời gian thực, bật/tắt thiết bị thủ công, cấu hình tham số hoặc sử dụng nút dừng khẩn cấp (EMG).

Hệ thống phản ứng tự động như thế nào khi các thông số môi trường thay đổi?

Ở chế độ tự động (Auto), khi nhiệt độ không khí tăng cao hoặc độ ẩm giảm xuống dưới ngưỡng cài đặt, Arduino Mega sẽ kích hoạt quạt thông gió và máy bơm phun sương làm mát. Khi cường độ ánh sáng môi trường thấp hơn nhu cầu sinh trưởng của cây, đèn LED chiếu sáng nhân tạo sẽ tự động bật; nếu ánh sáng ngoài trời quá gay gắt, rèm che nắng sẽ được kéo ra. Khi nồng độ dinh dưỡng TDS trong bồn sụt giảm dưới ngưỡng cho phép của từng giai đoạn sinh trưởng cây cải ngọt, bơm dinh dưỡng đậm đặc sẽ tự động châm thêm vào bồn chứa.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công mô hình trồng rau thủy canh trong nhà kính ứng dụng IoT" của sinh viên Trương Trịnh Nhựt Hoàng và Nguyễn Quốc Huy đã hiện thực hóa thành công một hệ thống nông nghiệp thông minh khép kín quy mô nhỏ, giải quyết hài hòa bài toán kiểm soát vi khí hậu và dinh dưỡng cây trồng. Nghiên cứu kết hợp hiệu quả nền tảng phần cứng nhúng giữa Arduino Mega 2560 và module truyền thông ESP32, cung cấp khả năng tự động hóa cơ cấu chấp hành theo các công thức tính toán khoa học kết hợp giám sát kép qua màn hình LCD và giao diện Web Server. Mặc dù còn những giới hạn về chủng loại cảm biến và sự phụ thuộc vào nguồn điện lưới, công trình đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu đặt ra, cung cấp tài liệu thiết kế và giải thuật có giá trị ứng dụng cao cho lĩnh vực kỹ thuật điều khiển và tự động hóa nông nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu Trình bày lí do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu và giới hạn của đề tài. Chương 2: Cơ sở lí thuyết Trình bày các kiến thức liên quan đến thủy canh, nhà kính, các điều kiện môi trường liên quan, giới thiệu các cảm biến và thiết được sử dụng trong. Chương 3: Thiết kế hệ thống 2 Thiết kế hệ thống bao gồm tính toán chọn thiết bị, thiết kế phần cứng, phần mềm, sơ đồ đấu nối, giải thuật điều khiển và cấu trúc giao diện IoT. Chương 4: Kết quả và đánh giá Trình bày kết quả nghiên cứu, đưa ra các nhận xét đánh giá hiệu quả vận hành, nêu ra các ưu điểm và hạn chế của mô hình.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của đề tài Tổng kết lại kết quả nghiên cứu, rút ra kết luận và đưa ra hướng phát triển của đề tài sau này. 3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Tổng quan về thủy canh 2.1 Thủy canh là gì ? Thủy canh là phương pháp canh tác hiện đại, trong đó cây được trồng mà không cần sử dụng đất. Thay vào đó, rễ cây được hấp thụ trực tiếp các chất dinh dưỡng từ dung dịch được pha sẵn trong nước, đi kèm với các loại giá thể như xơ dừa, sỏi nhẹ, hoặc bông khoáng nhằm cố định cây.

Mô hình thủy canh trong nhà kính là sự kết hợp giữa kỹ thuật trồng cây không đất và môi trường nhà kính khép kín. Việc trồng cây trong nhà kính giúp dễ dàng điều chỉnh các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và phòng tránh sâu bệnh. Nhờ đó, cây có điều kiện phát triển tối ưu hơn, góp phần tăng năng suất, tiết kiệm tài nguyên nước và giảm thiểu việc sử dụng thuốc bảo vệ thực vật.2 Phân biệt các hệ thống thủy canh Phương pháp trồng thủy canh gồm ba yếu tố chính: cây trồng, giá thể và dung dịch dinh dưỡng. Tùy theo cách cung cấp dung dịch dinh dưỡng cho cây, có thể phân loại thủy canh thành một số hệ thống cơ bản.

- Hệ thống thủy canh tĩnh: là một trong những dạng đơn giản nhất. Trong hệ thống này, rễ cây được ngâm trực tiếp và liên tục trong dung dịch dinh dưỡng không tuần hoàn. Ưu điểm của phương pháp này là cấu tạo đơn giản, dễ lắp đặt và chi phí đầu tư thấp. Tuy nhiên, nhược điểm là dung dịch dễ bị thiếu oxy nếu không có biện pháp sục khí phù hợp, ngoài ra dung dịch nếu để lâu cũng có thể bị chua, ảnh hưởng đến sự phát triển của cây.1 Hệ thống thủy canh tĩnh 4 - Hệ thống thủy canh động ra đời nhằm khắc phục những hạn chế của mô hình thủy canh tĩnh, đặc biệt là tình trạng thiếu oxy và sự ổn định của dung dịch dinh dưỡng.

Trong hệ thống này, dung dịch thủy canh được lưu thông liên tục hoặc theo chu kỳ nhờ vào máy bơm và hệ thống đường ống dẫn, giúp cung cấp dưỡng chất đều đặn cho cây. Một số mô hình phổ biến hiện nay thuộc nhóm này bao gồm: hệ thống màng dinh dưỡng (NFT) – nơi dung dịch chảy thành một lớp mỏng qua rễ cây, hệ thống ngập – rút định kỳ (Ebb and Flow) – hoạt động bằng cách luân phiên bơm dung dịch vào khay trồng rồi rút ra, giúp rễ cây được cung cấp cả dưỡng chất lẫn oxy.2 Hệ thống thủy canh động • Hệ thống thủy canh màng dinh dưỡng (NFT) là một dạng hệ thống thủy canh động. Đặc điểm nổi bật của hệ thống này là dung dịch dinh dưỡng chảy thành một lớp rất mỏng liên tục qua các ống hoặc máng trồng cây, giúp rễ cây tiếp xúc trực tiếp với dung dịch. Ưu điểm của hệ thống là diện tích tiếp xúc giữa dung dịch và không khí rất lớn, nhờ đó dung dịch luôn được cung cấp đầy đủ oxy.

Việc dung dịch liên tục chuyển động tạo điều kiện cho oxy khuếch tán hiệu quả vào dung dịch, giúp cây phát triển tốt hơn so với hệ thống thủy canh tĩnh, nơi dung dịch đứng yên dễ thiếu oxy.3 Hệ thống thủy canh màng dinh dưỡng (NFT) • Hệ thống thủy canh ngập – rút định kỳ (Ebb and Flow) hoạt động dựa trên nguyên tắc bơm dung dịch dinh dưỡng từ bể chứa vào khay trồng cây rồi xả dung dịch trở lại bể theo chu kỳ đã cài đặt trước. Dung dịch này sẽ ngấm vào giá thể giúp cung cấp dinh dưỡng cho cây, phần dư thừa sẽ chảy qua hệ thống ống dẫn về lại bể chứa để tái sử dụng, tạo thành một vòng tuần hoàn kín. Điểm đặc biệt của hệ thống là rễ cây chỉ ngập trong dung dịch trong một khoảng thời gian nhất định, sau đó sẽ được để khô ráo, giúp rễ có thể tiếp xúc với không khí và hấp thụ oxy hiệu quả hơn.4 Hệ thống thủy canh ngập, rút định kỳ Mỗi phương pháp nêu trên có những ưu và nhược điểm riêng, người nông dân phải lựa chọn sao cho phù hợp với điều kiện và mục đích gieo trồng. Chúng tôi đã so sánh các phương pháp theo từng tiêu chí giúp mọi người hiểu rõ hơn về đề tài.1 So sánh các loại thủy canh Thủy canh Thủy canh Thủy canh Tiêu chí Thủy canh tĩnh màng dinh ngập rút định động (DWC) dưỡng (NFT) kỳ Dung dịch đứng Rễ ngập trong Dung dịch Bơm nước Nguyên lí yên, rễ ngập dung dịch có chảy mỏng liên ngập rễ rồi rút hoạt động trong dung dịch sục khí liên tục tục qua rễ cây theo chu kỳ Trung bình do Tốt nhờ thời Hạn chế, cần oxy có thể Cung cấp Rất tốt nhờ bọt gian rút nước thêm máy sục được lấy từ lớp oxy cho rễ khí liên tục tạo vùng oxy khí nếu lâu dài mỏng dinh hóa dưỡng Trung bình đến Trung bình vì Trung bình vì cao do cần độ Chi phí đầu Thấp do đơn cần hẹn giờ cần bơm và nghiêng và tư giản, ít thiết bị bơm, khay sục khí kiểm soát dòng ngập chảy Hạn chế, khó Rất tốt, phù Khả năng quản lý đồng hợp sản xuất Tốt mở rộng Tốt đều quy mô lớn Cao vì không Cao vì nếu Khá thấp vì Cao vì có khả Rủi ro khi có dòng chảy nước không dung dịch vẫn năng thiếu oxy mất điện làm cho rễ ngập dẫn đến tồn tại nhanh chóng nhanh khô cây héo nhanh Khá khó do Khó hơn vì Khá khó vì cần Bảo trì và phải kiểm tra ống dễ bị tắt và Dễ vì ít thiết bị canh lịch quản lí oxy và bơm cần dốc chính ngập/xả thường xuyên xác Rau ăn quả (cà Loại cây phù Rau ăn lá nhỏ, Rau ăn lá, cây Rau ăn lá, cây chua, dưa leo), hợp cây ngắn ngày thân nước nhỏ rễ nông cây có bộ rễ phát triển 7 2.3 Ưu và nhược điểm của phương pháp thủy canh NFT Tuy chưa phải là tối ưu nhất nhưng phương pháp thủy canh động có những ưu điểm rõ ràng so với các phương pháp khác, bên cạnh đó cũng có những nhược điểm mà các hệ thống thủy canh thường gặp, đây cũng là một trong những lý do chúng tôi chọn phương pháp này để thực hiện đề tài.

• Ưu điểm: - Dung dịch dinh dưỡng liên tục chuyển động giúp rễ nhận được nhiều oxi hơn, giảm nguy cơ úng rễ và thúc đẩy tăng trưởng. - Hệ thống tuần hoàn đảm bảo tất cả cây đều nhận lượng dinh dưỡng đồng đều. Cây thường phát triển nhanh hơn nhờ điều kiện dinh dưỡng và oxy lý tưởng. - Phù hợp với các hệ thống tự động điều khiển bơm, cảm biến, giúp kiểm soát hiệu quả.

- Nước được tuần hoàn lại nên giảm lượng tiêu hao so với hệ thống tĩnh hoặc trồng đất. • Nhược điểm: - Hệ thống phụ thuộc vào việc được cung cấp điện một cách đầy đủ và liên tục. - Chi phí đầu tư ban đầu cao hơn so với cách trồng truyền thống. - Cần kiểm tra, vệ sinh bơm, đường ống, chống tắc nghẽn thường xuyên.

- Dễ phát tán bệnh từ một cây ra cả hệ thống. Các công trình nghiên cứu liên quan Ở Việt Nam, công nghệ thủy canh trong nhà kín không còn quá xa lạ với nhiều công trình nghiên cứu và phát triển thành công trên khắp cả nước, dưới đây là một số công trình tiêu biểu như: - Mô hình trồng rau sạch trong nhà kính bằng công nghệ thủy canh nhỏ giọt hồi lưu Isreal của Hợp tác xã dịch vụ nông nghiệp Thủy canh Huế (Hueponics) ra mắt ngày 1/1/2024 tại phường Lương Thủy, thị xã Hương Thủy, tỉnh Thừa Thiên – Huế với diện tích 1000 m2.5 Mô hình trồng rau thủy canh của Hợp tác xã dịch vụ nông nghiệp Thủy canh Huế (Hueponics) - Vườn rau thủy canh Tuấn Ngọc với quy mô diện tích 1000m2 tại quận 9 TP.HCM áp dụng công nghệ thủy canh NFT, hệ thống kiểm soát dinh dưỡng tự động.6 Khu vực trồng rau cải thủy canh của trang trại anh Tuấn Ngọc - Dự án nhà kính 15.000m2 trồng cà chua trái vụ tại Tân Lập, Mộc Châu vào tháng 3/2024 được công ty cổ phần công nghệ cao Hachi Việt Nam.7 Dự án của Công ty cổ phần công nghệ cao Hachi Việt Nam 9 - Dự án trồng rau thủy canh của công ty Thiết kế thi công farm sản xuất – Jolly Farm Đà Lạt thiết kế và thi công cho một khách hang ở Đà lạt với diện tích khoảng 1000m2, dự án được hoàn thành trong 3 tháng.8 Dự án của Công ty Thiết kế thi công farm sản xuất – Jolly Farm Đà Lạt 2. Đối tượng khảo sát và nghiên cứu của đề tài Đối tượng khảo sát và nghiên cứu của đề tài “Thiết kế và thi công mô hình trồng rau thủy canh trong nhà kính ứng dụng IoT” bao gồm nhiều khía cạnh liên quan đến cả kỹ thuật và sinh học. Trước hết, đề tài tập trung khảo sát các mô hình thủy canh phổ biến như hệ thống hồi lưu (NFT), tĩnh và nhỏ giọt, đồng thời nghiên cứu cấu trúc nhà kính phù hợp với điều kiện khí hậu nhằm đảm bảo khả năng cách nhiệt, chiếu sáng và thông gió hiệu quả.

Bên cạnh đó, đề tài cũng nghiên cứu các loại rau ăn lá phù hợp với phương pháp thủy canh như cải ngọt, xà lách, rau muống,. để xác định điều kiện sinh trưởng tối ưu như ánh sáng, độ ẩm, nhiệt độ và nồng độ dinh dưỡng. Ngoài ra, hệ thống còn tích hợp các cảm biến IoT để theo dõi các thông số môi trường quan trọng như nhiệt độ, độ ẩm không khí, cường độ ánh sáng, độ pH và nồng độ dinh dưỡng (EC), từ đó giúp giám sát và điều khiển hoạt động tưới tiêu, cấp dinh dưỡng và điều hòa môi trường một cách tự động.