Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Nông nghiệp là ngành kinh tế chủ lực và gắn bó lâu đời với người dân Việt Nam. Mặc dù việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào trồng trọt đã mang lại nhiều thành tựu, phần lớn trang thiết bị trong sản xuất nông nghiệp nội địa vẫn còn thô sơ, chưa theo kịp trình độ công nghệ tiên tiến trên thế giới. Trong bối cảnh thực trạng kinh doanh nông sản tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn vệ sinh thực phẩm khi lợi ích thương mại bị đặt lên trên sức khỏe cộng đồng, nhu cầu tiếp cận nguồn rau sạch, an toàn của người tiêu dùng ngày càng trở nên cấp thiết.

Sự phát triển của xu hướng Vạn vật kết nối (Internet of Things - IoT) đã tạo ra giải pháp tự động hóa và thông minh hóa quy trình sản xuất, cho phép định danh, kết nối, giám sát và điều khiển các thiết bị từ xa qua hạ tầng mạng. Công nghệ này không chỉ phát huy hiệu quả ở các nông trại quy mô lớn mà còn mở ra tiềm năng ứng dụng ở quy mô hộ gia đình tại các đô thị. Trên thế giới, các doanh nghiệp như AeroFarm (Hoa Kỳ) đã ứng dụng tự động hóa vào sản xuất quy mô công nghiệp; tại Việt Nam, kỹ thuật khí canh thông minh bước đầu được triển khai tại LangbiangFarm (Đà Lạt) với hệ thống bơm công suất lớn. Tuy nhiên, việc ứng dụng khí canh tích hợp IoT ở quy mô nhỏ, phù hợp với không gian nhà ở đô thị vẫn còn hạn chế do chi phí đầu tư ban đầu và rào cản kỹ thuật chuyên sâu.

Đề tài "Ứng dụng công nghệ IoTs trong hệ thống khí canh" được thực hiện nhằm giải quyết bài toán tự động hóa canh tác rau sạch quy mô gia đình. Đồ án xác định các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể sau:

  1. Tìm hiểu tổng quan về công nghệ IoT, kiến trúc hệ thống và các ứng dụng của IoT trong nông nghiệp thông minh.
  2. Nghiên cứu kỹ thuật canh tác khí canh, cơ chế hấp thụ dinh dưỡng của rễ cây và các yêu cầu kiểm soát môi trường (nồng độ pH, độ dẫn điện EC, nhiệt độ, chu kỳ tưới).
  3. Thiết kế và thi công phần cứng mô hình hệ thống khí canh quy mô nhỏ, bao gồm khối xử lý trung tâm, các module cảm biến thu thập thông số môi trường và khối chấp hành công suất.
  4. Xây dựng ứng dụng di động trên nền tảng Android kết hợp cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase để giám sát và điều khiển hệ thống từ xa qua Internet.
  5. Vận hành thử nghiệm, hiệu chỉnh và đánh giá sự tương thích giữa mô hình thực tế với các thông số lý thuyết.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống khí canh tuần hoàn khép kín ứng dụng công nghệ IoT. Phạm vi nghiên cứu về không gian tập trung vào môi trường đô thị (nhà phố, ban công, sân thượng) có hạ tầng Internet và nguồn điện ổn định. Về đối tượng sinh học, hệ thống thử nghiệm chu trình tự động hóa đối với cây rau xà lách (Salad). Thời gian thực hiện đề tài kéo dài từ ngày 25/02/2018 đến ngày 19/07/2018 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài được xây dựng dựa trên sự giao thoa giữa kỹ thuật điện tử - máy tính và công nghệ sinh học nông nghiệp:

  • Mô hình kiến trúc IoT 4 lớp: Bao gồm Lớp thiết bị (thu thập dữ liệu từ cảm biến pH, EC, nhiệt độ, siêu âm), Lớp mạng (truyền tải dữ liệu qua chuẩn không dây Wi-Fi), Lớp hỗ trợ dịch vụ/ứng dụng (nền tảng trung gian điện toán đám mây Firebase Realtime Database) và Lớp ứng dụng (giao diện điều khiển, giám sát trên hệ điều hành Android).
  • Kỹ thuật trồng khí canh (Aeroponics): Phương thức canh tác không sử dụng đất (địa canh) hay dung dịch nước tĩnh (thủy canh), rễ cây được treo lơ lửng trong không gian kín và được cung cấp dinh dưỡng định kỳ dưới dạng sương mù giàu oxy. Kỹ thuật này giúp tiết kiệm nước, tối ưu hóa phân bón, hạn chế sâu bệnh và tăng năng suất cây trồng.
  • Chế độ dinh dưỡng và chu kỳ sinh trưởng: Kiểm soát dung dịch nuôi dưỡng dựa trên chỉ số nồng độ chất rắn hòa tan (PPM), độ dẫn điện (EC tính bằng mS/cm) và nồng độ ion hydro ($pH$). Chế độ vận hành chuẩn áp dụng chu kỳ bơm phun sương 1 phút tưới và 3 phút nghỉ; nhiệt độ nước duy trì dưới 27°C, nồng độ pH ổn định ở mức 6.0 và EC đạt 0.5 mS/cm đối với giai đoạn phát triển tiêu chuẩn.
Loại cây trồng Giai đoạn cây con (PPM) Giai đoạn trưởng thành (PPM) Giai đoạn thu hoạch (PPM) Ngưỡng pH thích hợp
Dâu tây 450 – 550 800 – 900 800 – 900 6.0
Húng quế 590 – 690 840 – 1050 800 – 900 6.0 – 7.0
Diếp xoăn 780 – 880 1100 – 1280 1250 – 1280 5.5
  • Kiến trúc phần mềm Android: Hệ điều hành nhân Linux với 5 tầng cấu trúc (Linux Kernel, Libraries, Android Runtime với Dalvik Virtual Machine, Application Framework và Applications). Ứng dụng được xây dựng trên công cụ phát triển Android Studio, Android SDK và Java Development Kit (JDK).

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

  • Phương pháp phân tích và tổng hợp tài liệu chuyên ngành về kỹ thuật khí canh, vi điều khiển và giao thức truyền thông không dây.
  • Phương pháp thiết kế kỹ thuật: Phân rã hệ thống thành các khối chức năng độc lập (xử lý trung tâm, cảm biến, hiển thị, công suất, nguồn hạ áp).
  • Phương pháp lập trình nhúng và phát triển ứng dụng di động: Lập trình giao tiếp UART giữa vi điều khiển ATmega328P và SoC ESP8266, lập trình kết nối API cơ sở dữ liệu Firebase.
  • Phương pháp thực nghiệm - kiểm thử: Kiểm tra mạch in (PCB), đo đạc sai số của từng cảm biến trong môi trường dung dịch thực tế và đánh giá độ chính xác của giải thuật pha trộn dung dịch tự động.

Nguồn dữ liệu sử dụng trong nghiên cứu gồm các tài liệu đặc tính kỹ thuật linh kiện (datasheet của vi điều khiển, cảm biến, module hạ áp), bảng chỉ số dinh dưỡng nông nghiệp và số liệu thu thập trực tiếp qua hệ thống cảm biến trong quá trình thử nghiệm.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo mô hình 3 phần chính: Hệ thống xử lý trung tâm, Nền tảng Cloud trung gian (Firebase) và Ứng dụng giám sát di động Android.

+------------------------+      UART      +--------------------------+
|  Khối Vi Điều Khiển    |<-------------->|   Khối Xử Lý Wi-Fi       |
|  (Arduino Uno R3)      |                |   (NodeMCU ESP8266)      |
+------------------------+                +--------------------------+
     |              |                                  |
     v              v                                  v
+----------+  +------------+                     +-------------+
| Cảm Biến |  | Màn Hình   |                     | Firebase DB |
| pH, EC,  |  | OLED 0.96" |                     +-------------+
| DS18B20, |  +------------+                            |
| SRF05    |                                            v
+----------+                             +-----------------------------+
                                         | Ứng Dụng Di Động Android    |
+------------------------+               | (Chế độ: Auto & Manual)     |
| Khối Công Suất (Relay) |               +-----------------------------+
| - Bơm nhu động 12V     |
| - Bơm sục khí 220V     |
| - Bơm phun sương 24V   |
+------------------------+

1. Khối phần cứng và thiết bị xử lý

  • Khối vi điều khiển: Sử dụng cấu trúc vi điều khiển kép:
    • Arduino Uno R3: Trang bị chip ATmega328P (tần số 16 MHz, 14 chân Digital I/O, 6 chân Analog Input, 2 KB SRAM, 1 KB EEPROM), đảm nhận nhiệm vụ đọc tín hiệu từ các cảm biến đo lường và giao tiếp dữ liệu với NodeMCU qua chuẩn nối tiếp UART.
    • Kit NodeMCU ESP8266: Đóng vai trò làm bộ xử lý mạng Wi-Fi SoC, tích hợp chip nạp CP2102, nhận chuỗi dữ liệu từ Arduino để truyền lên Firebase, xuất dữ liệu ra màn hình OLED và gửi tín hiệu kích hoạt mạch Relay điều khiển công suất.
  • Khối cảm biến thu thập thông số:
    • Cảm biến đo nồng độ pH: Phạm vi đo từ 0 đến 14 pH, độ chính xác ±0.1 pH (tại 25°C), thời gian đáp ứng dưới 60 giây, kết nối với que đo qua chuẩn BNC và xuất tín hiệu analog về vi điều khiển.
    • Cảm biến nhiệt độ dung dịch DS18B20: Dạng dây đo chống nước, giao tiếp qua chuẩn 1-Wire, dải đo -55°C đến +125°C, độ chính xác ±0.5°C trong phạm vi -10°C đến +85°C, độ phân giải cấu hình 9 - 12 bit.
    • Cảm biến đo độ dẫn điện EC (DFRobot): Điện cực dẫn điện với hằng số $K=1$, đầu nối BNC, phạm vi đo từ 1 mS/cm đến 20 mS/cm, độ chính xác $<\pm10%$ FS, nhiệt độ hoạt động 5 - 40°C.
    • Cảm biến siêu âm SRF05: Sử dụng 5 cảm biến để đo mực nước trong bình chứa dung dịch dinh dưỡng chính và các bình chứa dung dịch mẹ/hiệu chỉnh; tính toán khoảng cách dựa trên thời gian truyền - nhận sóng siêu âm chia cho hằng số 29.412 $\mu s/cm$.
  • Khối hiển thị: Màn hình OLED 0.96 inch, độ phân giải 128x64 pixel, sử dụng IC điều khiển SSD1106, giao tiếp qua chuẩn I2C, công suất tiêu thụ 0.04W.
  • Khối công suất và cơ cấu chấp hành: Điều khiển qua hệ thống mạch Relay cách ly:
    • Bơm nhu động 12VDC: Công suất 5W, lưu lượng bơm từ 5.2 ml/phút đến 90 ml/phút, ống dẫn silicon chuyên dụng; dùng để châm một lượng nhỏ dung dịch dinh dưỡng cốt A, B và dung dịch tăng/giảm pH.
    • Máy bơm sục khí LifeTech AP3500: Điện áp 220V - 240VAC/50Hz, công suất 45W, lưu lượng 2000 lít/giờ; có chức năng khuấy đảo dung dịch chống lắng cặn các khoáng chất (Fe, Mn, Zn, Cu, K) và bổ sung oxy hòa tan cho rễ.
    • Máy bơm phun sương 24VDC: Công suất 30W, áp lực nước 130 PSI, lưu lượng 1.6 lít/phút, kết nối hệ thống 1 - 10 béc phun tạo hạt sương dinh dưỡng siêu nhỏ trực tiếp vào khoang rễ.
  • Khối nguồn: Nguồn xung tổ ong biến đổi từ điện áp lưới xoay chiều sang 12VDC/10A (hoạt động trong dải tần 47 - 63 Hz, bảo vệ quá tải, quá áp, ngắn mạch). Từ nguồn 12VDC, hệ thống sử dụng mạch hạ áp LM2596 ADJ (tần số 150 kHz, dòng tải tối đa 3A) để tạo mức điện áp 5VDC ổn định cung cấp cho Arduino Uno, NodeMCU và các mạch cảm biến.
Thiết bị / Module Điện áp hoạt động Thông số kỹ thuật chính Chức năng trong hệ thống
Arduino Uno R3 5V DC ATmega328P, 16 MHz, 14 Digital I/O, 6 Analog Đọc tín hiệu cảm biến, truyền dữ liệu qua UART
NodeMCU ESP8266 5V DC (MicroUSB/Vin) Wi-Fi SoC, Firmware Lua, Chip CP2102 Kết nối Firebase, điều khiển Relay và màn hình OLED
Module đo pH 5V DC Dải đo 0 – 14 pH, sai số ±0.1 pH Đo nồng độ axit/kiềm của dung dịch nuôi cây
DS18B20 3.0V – 5.5V DC Dải đo -55°C đến +125°C, chuẩn 1-Wire Đo nhiệt độ dung dịch dinh dưỡng
Module đo EC 5V DC 1 – 20 mS/cm, sai số < ±10% FS, BNC K=1 Đo độ dẫn điện để xác định hàm lượng khoáng
SRF05 5V DC Tần số siêu âm, góc quét < 15 độ Đo khoảng cách mực nước trong các bình chứa
OLED 0.96 inch 3.3V – 5V DC 128x64 pixel, Driver SSD1106, giao tiếp I2C Hiển thị thông số môi trường tại chỗ
Bơm nhu động 12V DC 5W, lưu lượng 5.2 – 90 ml/phút Châm dung dịch đậm đặc A, B và dung dịch chỉnh pH
LifeTech AP3500 220V – 240V AC 45W, lưu lượng 2000 l/h Sục khí hòa tan và trộn đều khoáng chất
Bơm phun sương 24V DC 30W, áp lực 130 PSI, lưu lượng 1.6 l/phút Phun mù dinh dưỡng trực tiếp vào khoang rễ
Nguồn xung tổ ong 110V/220V AC Đầu ra 12V DC, dòng cực đại 10A – 20A Cung cấp nguồn tổng cho hệ thống chấp hành
Module LM2596 4.5V – 40V DC Đầu ra chỉnh 1.2V – 37V DC, dòng ra max 3A Hạ áp từ 12V xuống 5V cho vi điều khiển, cảm biến

2. Thiết kế phần mềm và thuật toán điều khiển

  • Thuật toán điều khiển nhúng: Arduino Uno thực hiện lấy mẫu định kỳ từ các cảm biến pH, EC, nhiệt độ và 5 cảm biến siêu âm, tính toán giá trị trung bình sau đó đóng gói thành chuỗi ký tự gửi qua UART sang NodeMCU. NodeMCU giải mã dữ liệu, hiển thị lên màn hình OLED, đồng thời đẩy lên Firebase Realtime Database.
  • Cơ chế điều chỉnh dinh dưỡng tự động: Khi giá trị EC đo được thấp hơn ngưỡng cài đặt, hệ thống kích hoạt bơm nhu động để châm dung dịch dinh dưỡng nguyên chất A và B. Khi giá trị pH vượt ra ngoài dải cho phép (quá cao hoặc quá thấp), bơm nhu động tương ứng sẽ châm dung dịch axit/bazơ điều chỉnh. Song song đó, máy sục khí LifeTech AP3500 được kích hoạt để hòa tan đồng nhất dung dịch trước khi cảm biến lấy mẫu lại.
  • Ứng dụng di động Android: Giao diện gồm 4 màn hình chức năng:
    • Màn hình đăng nhập: Xác thực tài khoản người dùng để cấp quyền truy cập hệ thống.
    • Màn hình hiển thị thông tin hệ thống: Cập nhật theo thời gian thực các chỉ số pH, EC, nhiệt độ, lưu lượng dung dịch trong các bình chứa và trạng thái hoạt động của bơm phun.
    • Màn hình cài đặt (Chế độ Manual): Cho phép người dùng tùy chỉnh thủ công các ngưỡng cận trên/dưới của pH, EC và thiết lập khoảng thời gian bật/tắt của máy bơm phun sương.
    • Màn hình cài đặt tự động (Chế độ Auto): Cung cấp chương trình canh tác tự động theo mùa vụ cho cây rau Salad (chu kỳ gieo hạt - nảy mầm trong 1 tuần đầu với hạt giống ươm sâu 1mm vào mút xốp), kèm nút dừng khẩn cấp (Stop System) để ngắt toàn bộ hệ thống khi xảy ra sự cố.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày bối cảnh chuyển dịch nông nghiệp truyền thống sang nông nghiệp thông minh thông qua việc ứng dụng công nghệ IoT. Tác giả phân tích các mô hình canh tác hiện đại trên thế giới và trong nước, chỉ rõ khoảng trống công nghệ trong việc triển khai hệ thống khí canh tự động ở quy mô hộ gia đình thành thị. Từ đó, chương xác định mục tiêu nghiên cứu, phạm vi giới hạn của đề tài (tập trung vào mô hình nhỏ, phụ thuộc kết nối Internet và nguồn điện ổn định) và cấu trúc 5 chương của báo cáo tốt nghiệp.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương này tập hợp các kiến thức nền tảng phục vụ thiết kế hệ thống:

  • Phân tích bản chất của mạng lưới vạn vật kết nối (IoT), kiến trúc phân lớp tiêu chuẩn và các chuẩn giao tiếp không dây trong IoT.
  • Trình bày chi tiết kỹ thuật khí canh, cấu trúc rễ cây trong môi trường bão hòa sương mù dinh dưỡng, so sánh ưu điểm (tiết kiệm không gian, năng suất cao, giàu oxy, sạch bệnh) và nhược điểm (chi phí đầu tư, rủi ro khi mất điện hoặc lỗi kỹ thuật pha trộn).
  • Phân tích các yếu tố dinh dưỡng cây trồng, đưa ra số liệu chuẩn về nồng độ dinh dưỡng theo độ dẫn điện của một số loại cây thông dụng (Dâu tây, Húng quế, Diếp xoăn).
  • Trình bày cấu trúc 5 tầng của hệ điều hành Android và quy trình xây dựng ứng dụng với Android SDK, Android Studio.

Chương 3: Thiết kế hệ thống

Chương 3 là nội dung cốt lõi của đồ án, mô tả toàn diện quá trình thiết kế phần cứng và phần mềm:

  • Xây dựng sơ đồ khối tổng thể gồm 5 khối chức năng: Xử lý trung tâm, Cảm biến, Hiển thị, Công suất và Khối nguồn.
  • Lựa chọn linh kiện và phân tích nguyên lý hoạt động: Cặp vi điều khiển Arduino Uno R3 và NodeMCU ESP8266; module cảm biến pH (0 - 14 pH); cảm biến nhiệt độ 1-Wire DS18B20; cảm biến EC DFRobot; 5 cảm biến khoảng cách siêu âm SRF05; màn hình OLED 0.96 inch SSD1106 I2C; mạch nguồn xung 12V/10A kết hợp module hạ áp LM2596 ADJ.
  • Tính toán thiết kế khối công suất: Sử dụng Relay điều khiển bơm nhu động 12VDC, bơm sục khí 220VAC LifeTech AP3500 và bơm phun sương 24VDC 130 PSI.
  • Thiết kế phần mềm: Xây dựng lưu đồ giải thuật cho chương trình chính, giải thuật đọc cảm biến, truyền thông UART, giải thuật tự động pha trộn dung dịch pH/EC, giải thuật tưới theo chu kỳ và thiết kế 4 màn hình giao diện ứng dụng Android kết nối Firebase.

Chương 4: Kết quả và thực nghiệm

Chương 4 công bố các kết quả chế tạo và thử nghiệm thực tế:

  • Hình ảnh thi công khung mô hình thực tế, bao gồm thùng chứa hỗn hợp dinh dưỡng, thùng khí canh trụ đứng, hệ thống đường ống và béc phun.
  • Chế tạo thành công 2 bo mạch in (PCB) gồm PCB mạch chính và PCB mạch relay điều khiển công suất.
  • Kết quả đo kiểm thực nghiệm các khối: Khối nguồn tổ ong và module LM2596 cung cấp điện áp ngõ ra chính xác; các cảm biến pH, EC, nhiệt độ và siêu âm SRF05 hoạt động ổn định, đọc và hiển thị dữ liệu chính xác lên màn hình OLED và gửi lên cơ sở dữ liệu Firebase.
  • Kiểm tra vận hành khối công suất: Bơm phun sương, bơm sục khí và bơm nhu động đóng ngắt chuẩn xác theo tín hiệu điều khiển từ Relay.
  • Đánh giá ưu điểm và hạn chế của hệ thống sau quá trình thử nghiệm thực tế.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương 5 đúc kết các hạng mục đã hoàn thành của đồ án: Thiết kế và thi công hoàn chỉnh mô hình khí canh quy mô nhỏ ứng dụng IoT, xây dựng thành công ứng dụng giám sát và điều khiển trên Android với 2 chế độ vận hành (Auto và Manual). Đồng thời, nhóm tác giả chỉ ra các hạn chế còn tồn tại và đề xuất định hướng phát triển trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Chế tạo hoàn chỉnh mô hình phần cứng: Thi công thành công khung mô hình khí canh trụ đứng mini kết hợp hệ thống béc phun áp lực cao và các thùng chứa dung dịch. Hoàn thiện 02 mạch in PCB chuyên dụng (bo mạch xử lý trung tâm và bo mạch điều khiển công suất relay).
  • Tích hợp hệ thống cảm biến chính xác: Hệ thống thu thập và hiển thị chính xác các thông số môi trường thực tế:
    • Nồng độ pH trong dung dịch (độ chính xác ±0.1 pH).
    • Độ dẫn điện EC (dải đo 1 - 20 mS/cm).
    • Nhiệt độ dung dịch dinh dưỡng (duy trì kiểm soát dưới 27°C).
    • Khoảng cách mực nước trong 5 bình chứa thông qua cảm biến siêu âm SRF05.
  • Tự động hóa chu trình pha chế và tưới tiêu: Thực hiện thành công cơ chế tự động bù dinh dưỡng (qua bơm nhu động 12V), tự động điều chỉnh độ pH, sục khí oxy định kỳ (qua máy sục khí LifeTech AP3500 công suất 45W) và duy trì chu kỳ phun sương 1 phút tưới - 3 phút nghỉ bằng bơm áp lực 130 PSI.
  • Xây dựng phần mềm giám sát đa chức năng: Phát triển ứng dụng Android hoàn chỉnh kết nối đồng bộ với Firebase Realtime Database, cho phép người dùng theo dõi thông số theo thời gian thực, điều khiển từ xa, cài đặt thông số thủ công (Manual) hoặc kích hoạt chế độ canh tác tự động (Auto) cho cây rau Salad, tích hợp nút dừng khẩn cấp an toàn.

2. Giải pháp kỹ thuật và đóng góp của đề tài

  • Đề xuất giải pháp kiến trúc phần cứng lai tối ưu chi phí: Phối hợp giữa Arduino Uno R3 (mạnh về xử lý tín hiệu analog/digital từ cảm biến) và ESP8266 NodeMCU (đảm nhận kết nối không dây và truyền thông đám mây), giúp giảm tải tính toán và tăng tính ổn định của hệ thống nhúng.
  • Hiện thực hóa mô hình khí canh tuần hoàn khép kín quy mô gia đình, chứng minh tính khả thi của việc ứng dụng công nghệ IoT vào nông nghiệp đô thị nhằm tạo ra nguồn thực phẩm sạch tại chỗ với mức tiêu thụ nước và phân bón thấp hơn đáng kể so với phương pháp truyền thống.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

1. Hạn chế của đề tài

  • Hệ thống mới được xây dựng và thử nghiệm dưới dạng mô hình quy mô nhỏ, chưa triển khai thử nghiệm trên diện rộng hoặc môi trường nhà kính thương mại.
  • Cơ sở dữ liệu và thuật toán canh tác tự động (chế độ Auto) mới chỉ được thiết lập hoàn chỉnh cho 01 loại cây trồng là rau Salad (xà lách); chưa hỗ trợ đa dạng các loại cây ăn trái hoặc rau củ dài ngày.
  • Hoạt động của hệ thống phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn năng lượng điện lưới và hạ tầng kết nối Internet liên tục; chưa có hệ thống nguồn điện dự phòng khi xảy ra sự cố mất điện.
  • Điện cực đo độ dẫn điện EC có hạn mức ngâm liên tục trong dung dịch khoảng 01 tháng và cần phải tiến hành bảo dưỡng, vệ sinh định kỳ để đảm bảo độ chính xác.

2. Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp

  • Tích hợp thêm dữ liệu sinh trưởng của nhiều loại cây trồng khác nhau vào cơ sở dữ liệu chế độ Auto.
  • Mở rộng ứng dụng điều khiển sang nền tảng hệ điều hành iOS để tăng khả năng tiếp cận của người dùng.
  • Tối ưu hóa kích thước mạch phần cứng, thiết kế vỏ hộp công nghiệp có khả năng chống ẩm và chống nước chuẩn IP phục vụ môi trường thực tế.
  • Bổ sung camera và ứng dụng thuật toán học máy (Machine Learning) để nhận diện sâu bệnh và theo dõi tốc độ phát triển tán lá của cây trồng tự động.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Máy tính, Điện tử - Viễn thông, Tự động hóa: Tham khảo phương pháp thiết kế hệ thống nhúng phân tán (phối hợp Arduino và ESP8266 qua giao tiếp UART), kỹ thuật xử lý tín hiệu từ các cảm biến nông nghiệp (pH, EC, DS18B20, siêu âm) và cách thức kết nối vi điều khiển với cơ sở dữ liệu đám mây Firebase Realtime Database.
  • Sinh viên và nhà nghiên cứu ngành Nông nghiệp Công nghệ cao / Công nghệ Sinh học: Tham khảo tài liệu về nguyên lý khí canh tuần hoàn, bảng chế độ dinh dưỡng theo độ dẫn điện (EC/PPM) và chu kỳ tưới sương tối ưu cho cây trồng trong môi trường kiểm soát.
  • Kỹ sư và nhà phát triển thiết bị Smart Agriculture: Tham khảo giải pháp thiết kế mạch công suất đóng cắt Relay cho các loại bơm chuyên dụng (bơm nhu động châm hóa chất, bơm sục khí oxy, bơm phun sương cao áp 130 PSI) và giao diện ứng dụng giám sát thời gian thực trên di động.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống sử dụng những loại cảm biến nào để giám sát môi trường khí canh và thông số kỹ thuật của chúng ra sao?

Hệ thống tích hợp 4 loại cảm biến chính kết nối với Arduino Uno R3:

  • Cảm biến pH: Dải đo 0 – 14 pH, độ chính xác ±0.1 pH tại 25°C, kết nối que đo chuẩn BNC.
  • Cảm biến nhiệt độ DS18B20: Giao tiếp 1-Wire, dải đo -55°C đến +125°C, độ chính xác ±0.5°C trong khoảng -10°C đến +85°C.
  • Module cảm biến EC (DFRobot): Dải đo 1 mS/cm – 20 mS/cm, sai số < ±10% FS, hằng số điện cực $K=1$.
  • Cảm biến siêu âm SRF05: 5 cảm biến dùng đo khoảng cách mực nước trong các bình chứa, hoạt động dựa trên nguyên lý phát xung trigger 5$\mu s$ và đo thời gian phản hồi xung echo.

2. Cơ chế truyền nhận dữ liệu giữa vi điều khiển và ứng dụng di động được thiết kế như thế nào?

Arduino Uno R3 chịu trách nhiệm đọc các giá trị analog/digital từ cảm biến, sau đó truyền chuỗi dữ liệu sang kit NodeMCU ESP8266 thông qua chuẩn giao tiếp nối tiếp UART (chân Tx/Rx). NodeMCU nhận dữ liệu, xử lý và đẩy trực tiếp lên cơ sở dữ liệu thời gian thực Google Firebase qua kết nối Wi-Fi. Ứng dụng di động Android kết nối với Firebase để đồng bộ hóa dữ liệu hiển thị theo thời gian thực và ghi nhận các lệnh điều khiển từ người dùng để gửi ngược về NodeMCU.

3. Khối công suất của hệ thống gồm những thiết bị chấp hành nào và đảm nhận nhiệm vụ gì?

Khối công suất được điều khiển thông qua mạch Relay cách ly gồm:

  • Bơm nhu động 12VDC (5W, lưu lượng 5.2 – 90 ml/phút): Dùng để châm chính xác một lượng nhỏ dung dịch mẹ A, B và dung dịch điều chỉnh nồng độ pH (+/-).
  • Bơm sục khí chìm LifeTech AP3500 (220VAC, 45W, lưu lượng 2000 l/h): Sục khí hòa tan oxy và khuấy đều các khoáng chất trong thùng dung dịch chống lắng cặn.
  • Bơm phun sương 24VDC (30W, áp lực 130 PSI, lưu lượng 1.6 l/phút): Phun sương áp lực cao qua hệ thống béc phun để cấp dưỡng chất trực tiếp vào rễ cây.

4. Hệ thống vận hành theo những chế độ nào và quy trình tự động cho rau Salad được thiết lập ra sao?

Hệ thống hỗ trợ 2 chế độ vận hành:

  • Chế độ Manual: Người dùng tự do thiết lập ngưỡng trên/dưới cho nồng độ pH, độ dẫn điện EC và cài đặt thời gian bật/tắt của bơm phun sương theo nhu cầu riêng.
  • Chế độ Auto: Hệ thống tự động kiểm soát toàn bộ thông số theo dữ liệu cây trồng cài đặt sẵn. Đối với rau Salad, quy trình được chia theo từng giai đoạn sinh trưởng (giai đoạn 1: gieo hạt - nảy mầm trong 1 tuần đầu, hạt được ươm sâu 1mm trên giá thể mút xốp) và tự động duy trì chu kỳ tưới chuẩn 1 phút phun, 3 phút nghỉ; kiểm soát nhiệt độ nước không quá 27°C, pH ổn định ở 6.0 và EC đạt 0.5 mS/cm.

5. Tại sao hệ thống cần sử dụng máy bơm sục khí trong bình chứa dung dịch dinh dưỡng?

Trong dung dịch dinh dưỡng khí canh có chứa nhiều phân tử hóa học và vi lượng khoáng chất (Fe, Mn, Zn, Cu, K) dễ bị lắng đọng xuống đáy bình sau một thời gian lưu trữ. Máy bơm sục khí LifeTech AP3500 có nhiệm vụ khuấy đảo liên tục để các chất dinh dưỡng hòa tan đồng nhất, giúp các đầu đo cảm biến pH và EC thu thập giá trị chính xác, đồng thời tăng cường hàm lượng oxy hòa tan trong nước giúp rễ cây hô hấp và phát triển tốt.

Kết luận

Đồ án "Ứng dụng công nghệ IoTs trong hệ thống khí canh" của nhóm sinh viên Trần Minh Sang và Đoàn Trọng Hiếu (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình khí canh thông minh khép kín quy mô nhỏ. Bằng sự kết hợp giữa kiến trúc vi điều khiển kép (Arduino Uno R3 và NodeMCU ESP8266), hệ thống cảm biến chuyên dụng cùng nền tảng đám mây Firebase và ứng dụng Android, công trình đã tự động hóa hiệu quả chu trình pha trộn dinh dưỡng và phun sương cho cây trồng. Kết quả nghiên cứu là tài liệu thực nghiệm có giá trị cao, mở ra hướng ứng dụng thiết thực cho các mô hình nông nghiệp thông minh tại không gian đô thị trong tương lai.