Chương 1: Tổng quan. Ở chương này, đồ án trình bày tổng quan về IoTs cùng với ứng dụng của IoTs trong nông nghiệp, phân tích tương quan tài liệu để từ đó đưa ra các mục tiêu và giới hạn nghiên cứu của đề tài cũng như bố cục của đồ án. Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Trình bày nghiên cứu và các lý thuyết liên quan về việc ứng dụng IoTs trong khí canh.
Chương 3: Thiết kế hệ thống. Thiết kế phần cứng, phần mềm, các khối chức năng và nguyên lý hoạt động của toàn bộ hệ thống. Chương 4: Kết quả thực hiện. Kết quả thực hiện sau khi hoàn thành hệ thống, đánh giá kết quả trong quá trình thực hiện đồ án giữa những gì thực hiện thực tế so với kết quả trong lý thuyết.
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển. Dựa trên những kết quả mà nhóm đã thực hiện. Đưa ra những kết luận đã hoàn thành và chưa hoàn thành. Những mặt hạn chế của đề tài và hướng phát triển của đề tài trong tương lai.
4 do an Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Công nghệ IoTs Công nghệ IoTs là mạng lưới vạn vật kết nối Internet hay được hiểu như là một mạng các thiết bị kết nối internet với nhau viết tắt là IoTs và cũng chính là một kịch bản của thế giới, mọi thiết bị được định danh bởi một tên riêng, thông qua internet có thể trao đổi dữ liệu tài nguyên giữa các thiết bị với nhau. IoTs đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet [4]. Nói đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện một công việc nào đó.1: The Internet of Things Một vật trong IoTs có thể là một người với một trái tim cấy ghép, một động vật ở trang trại với bộ chip sinh học, một chiếc xe với bộ cảm ứng tích hợp cảnh báo tài xế khi bánh xe xẹp hoặc bất kỳ vật thể tự nhiên hay nhân tạo nào mà có thể gán được một địa chỉ IP và cung cấp khả năng truyền dữ liệu thông qua mạng lưới internet.
Cho đến nay, IoTs là những liên kết máy-đến-máy (M2M) trong ngành sản xuất, công nghiệp năng lượng. Khả năng sản phẩm được tích hợp máy-đến-máy thường được xem như là thông minh [5]. Mô hình hệ thống IoTs Về cơ bản một hệ thống IoTs được xây dựng từ sự kết hợp của 4 lớp sau [6]: Lớp ứng dụng: Cung cấp các dịch vụ cá nhân hoá theo nhu cầu của người sử dụng (truy cập internet, truyền hình). Lớp h`ỗ trợ dịch vụ và hỗ trợ ứng dụng: Thiết lập một nền tảng hỗ trợ cho lớp ứng dụng.
Đóng vai trò kết hợp lớp ứng dụng phía trên và lớp mạng phía dưới. Lớp mạng: Truyền tải thông tin từ lớp cảm quan, xử lý sơ bộ, phân loại và trùng hợp thông tin. Lớp thiết bị: Thu thập tất cả các loại thông tin thông qua các thiết bị vật lý (cảm biến, đầu đọc RFID, GPS) và nhận diện thế giới vật chất. Các chuẩn truyền thông của thiết bị IoTs Hiện nay có nhiều công nghệ được biết đến như Wifi, Bluetooth, Zigbee và mạng di động 2G/3G/4G.
Các giao thức giao tiếp không dây trong thế giới IoTs được thiết kế để thỏa mãn các yêu cầu cơ bản sau: Tiêu tốn ít năng lượng chọn việc thu/phát sóng. Tiêu tốn ít băng thông để giảm gánh nặng cho router và hệ thống mạng. Hoạt động trong mạng mắt lưới. Một số ứng dụng trong IoTs [8].
Thành phố thông minh. Cơ sở hạ tầng thông minh Máy bay không người lái. Nông trại thông minh. Kỹ thuật trồng khí canh Khí canh là một phương thức canh tác mới trong nông nghiệp, trồng cây không sử dụng địa canh, thủy canh mà trồng trong môi trường không khí có chứa dinh dưỡng 6 do an dưới dạng phun sương.
Đồng thời làm cho không khí xung quanh luôn được giữ ẩm. Các bụi thể dinh dưỡng cung cấp cho rễ để cây sinh trưởng và phát triển. So với các phương pháp canh tác khác, khí canh giúp tiết kiệm phân bón, giảm tiêu thụ nước, hạn chế thuốc bảo vệ thực vật, có thể tăng mùa vụ trong năm cho năng suất cây trồng cao. Hệ thống khí canh: Là hệ thống mà rễ cây được đặt trong môi trường bão hòa với các bụi thể dinh dưỡng liên tục hay gián đoạn dưới dạng phun sương.
Hệ thống này cây được trồng trong những lỗ ở các tấm nhựa polystyrene hoặc vật liệu khác, nhưng rễ cây chỉ được treo lơ lững trong môi trường không khí phía dưới tâm đỡ. Trong hộp có phun sương, hộp được che kín sao cho rễ nằm trong hộp được phun định kì 2 -3 phút 1 lần. Với hệ thống này không phải dùng giá thể để đở thân cây và dinh dưỡng được phun trực tiếp đến rễ, oxy được cung cấp đầy đủ. Tuy nhiên có hạn chế là khó thực hiện được trên những loại cây có thời gian sinh trưởng dài ngày và bộ rễ lớn.
Ưu điểm: Năng suất cao hơn so với thủy canh. Khí canh cung cấp oxy tốt hơn, chất lượng rau được đảm bảo. Rễ cây trong môi trường giàu oxy làm cho cây có sức đề kháng tốt, hạn chế các nguy hại từ các loại loại nấm và mầm bệnh nguy hiểm. Tiết kiệm không gian.
Trụ khí canh thẳng đứng phù hợp với nhà ở đô thị, có thể trồng ở ban công, các tầng thượng, kể cả ở trong nhà nếu được cấp ánh sáng đầy đủ. Linh hoạt hơn, hệ thống khí canh chứa ít nước nên tương đối nhẹ, dễ dàng bảo dưỡng và vệ sinh. Một số mô hình có thiết kế theo module nên cũng dễ dàng nâng cấp. Trồng được nhiều vụ, có thể trồng trái vụ.
Tự động tưới tiêu là ưu điểm lớn nhất so với phương pháp trồng trọt truyền thống. 7 do an Khuyết điểm: Chi phí đầu tư ban đầu cao. Đòi hỏi trình độ chuyên môn về nông nghiệp cao để sản xuất có hiệu quả. Kỹ thuật kết hợp nước, không khí và chất dinh dưỡng cần phải có thiết bị chuyên sâu và am hiểu kỹ thuật trồng rau sạch tại nhà bằng phương pháp khí canh.
Những thay đổi đột ngột các yếu tố môi trường cũng như việc cung cấp dinh dưỡng và thời gian phun dinh dưỡng không đúng có thể gây ra những rối loạn sinh trưởng ở cây. Trên thực tế có hai loại hình canh tác khí canh phổ biến nhất là. Hệ thống khí canh dạng máng như hình 2.2a và hệ thống khí dạng trụ như hình 2.2: a) Khí canh dạng máng, b) Khí canh dạng trụ [3] Các yếu tố dinh dưỡng cây trồng Dinh dưỡng là yếu tố đặc biệt quan trọng cho sự phát triển của cây. Tùy vào từng loại cây trồng và từng giai đoạn phát triển nên ta phải điều chỉnh nồng độ dinh dưỡng sao cho phù hợp.
8 do an Bảng 2.1: Chế độ dinh dưỡng của các loại cây trồng theo độ dẫn điện Giai đoạn Giai đoạn RAU – QUẢ Giai đoạn thu hoạch(ppm) pH cây con (ppm) cây trưởng thành(ppm) Dâu tây 450-550 800-900 800-900 6 – 6.0 Húng quế 590 – 690 840 – 1050 800 – 900 6–7 Diếp xoăn 780 – 880 1100 – 1280 1250 – 1280 5.5 Cùng với đó ta áp dụng công thức bơm 1 phút tưới 3 phút nghỉ, kiểm soát nhiệt độ nước không quá 27 độ C, nồng độ pH 6.0 và Ec(mM/cm) là 0.5 cho cây phát triển tốt nhất. Hệ điều hành Android Android là một hệ điều hành dành cho điện thoại di động do tổng công ty Google phát triển, là hệ điều hành dựa trên hạt nhân Linux. Giao diện người dùng dễ sử dụng bằng cách thao tác trực tiếp, từ điều này nên các thiết bị chủ yếu được thiết kế dưới dạng màn hình cảm ứng. Được ứng dụng trên các thiết bị như điện thoại thông minh và máy tính bảng.
Hệ điều hành Android là một tập hợp của các thành phần phần mềm có cấu trúc được chia thành 5 phần chính [7]. 9 do an Hình 2.3: Cấu trúc Hệ điều hành Android Linux Kernel: Là lớp thấp nhất, nó cung cấp các chức năng cơ bản như quản lý tiến trình, quản lý bộ nhớ, quản lý thiết bị như camera, bàn phím, màn hình. Ngoài ra, nó còn quản lý mạng, driver của các thiết bị, điều này gỡ bỏ sự khó khăn về giao tiếp với các thiết bị ngoại vi. Libraries: Phía trên Linux Kernel là tập hợp các bộ thư viện mã nguồn mở WebKit, cơ sở dữ liệu SQLite hữu ích cho việc lưu trữ và chia sẻ dữ liệu, bộ thư viện có thể phát, ghi âm về âm thanh, hoặc video.
Thư viện SSL chịu trách nhiệm cho bảo mật internet. Android Runtime: Đây là thành phần thứ 3 trong cấu trúc, thuộc về lớp 2 tính từ dưới lên. Phần này cung cấp một thành phần quan trọng gọi là Dalvik Virtual Machine là một máy ảo Java đặt biệt, được thiết kế tối ưu cho Android. Application Framework: Lớp này cung cấp nhiều dịch vụ cấp cao hơn cho các ứng dụng trong các class Java.
Các lập trình viên cũng được phép sử dụng các dịch vụ này trong các ứng dụng của họ. 10 do an Applications: Chúng ta sẽ thấy tất cả các ứng dụng Android ở lớp trên cùng. Ứng dụng được viết sẽ được cài đặt vào lớp này. Android được cung cấp với mã nguồn mở cho các nhà phát triển được phép tùy chỉnh và phân phối Android mà không phải chịu sự ràng buộc về bản quyền vì lý do này nó phổ biến với các công ty công nghệ [3].
Để lập trình được ứng Android ta cần cài đặt môi trường JDK, Android SDK và Android Studio. JDK (Java Development Kit): dùng để tạo ra môi trường thực thi máy ảo cho hệ điều hành mà chúng ta đang sử dụng. Android SDK (Software Development Kit): chứa các phiên bản Android, các hàm API cần thiết, mã nguồn minh họa cũng như các công cụ hỗ trợ lập trình khác. Android Studio: là môi trường phát triển chính thức dành cho phát triển nền tảng Android.
11 do an Chương 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3. Yêu cầu hệ thống Hệ thống khí canh được kết nối hệ thống xử lý trung tâm và với các cảm biến giúp giám sát các thông số như nồng độ pH, độ dẫn điện trong nước, nhiệt độ trong nước, cường độ ánh sáng và mực nước trong các bình dung dịch sau đó gửi các thông số trên về ứng dụng trên di động để người dùng quan sát. Có hai lựa chọn cho người dùng trên ứng dụng điện thoại.