CHƯƠNG 1. TONG QUAN ĐÈ TÀI 1. Giới thiệu đề tài Thủy canh được xem là một phương pháp trồng cây hiệu quả trong không gian hạn chế hoặc môi trường nội thất, giúp tiết kiệm nước, không gian và nguồn lực. Tuy nhiên, việc chăm sóc và quản lý cây trong hệ thống thủy canh vẫn đòi hỏi sự can thiệp thủ công và quan sát liên tục từ phía người điều hành.
Đây là nơi mà sự kết hợp giữa IoT và trí tuệ nhân tạo đem lại sự tiễn bộ đáng kê. Dé thực hiện điều này, chúng ta cần xây dựng một mô hình học sâu dé xác định loại cây trồng cụ thé va đưa ra lời khuyên về cách thay đổi các yếu tố môi trường phù hợp với mỗi loại cây. Thông tin về cây trồng và môi trường sẽ được cung cấp cho mô hình huấn luyện dé mô hình có thé xác định loại cây và đưa ra những đề xuất điều chỉnh cần thiết. Ngoài ra, việc tự động hóa quá trình chăm sóc cây còn giúp tăng quy mô sản xuât nông nghiệp và giảm thiêu sai sót do con người.
Tổng quan về tình hình trong và ngoài nước 2. Tình hình trong nước Tại Việt Nam, việc trồng theo phương pháp thủy canh đã được thực hiện nhiều và thành công. Việc sử dụng thủy canh giúp tăng chất lượng sản phẩm, năng suất và giảm sự lãng phí tài nguyên. Hiện tại, việc sử dụng thủy canh kết hợp trí tuệ nhân tạo vẫn chưa phát triển mạnh mẽ tại Việt Nam.
Mặc dù có những nỗ lực và các dự án nghiên cứu trong lĩnh vực này, nhưng chưa có nhiêu ứng dụng thực tê được triên khai và áp dụng rộng rãi. Việt Nam đã có nhiều nghiên cứu và phát triển các ứng dụng IoT trong lĩnh vực nông nghiệp. Một sô loại nghiên cứu được coi là quan trọng bao gôm: - _ Nghiên cứu của Lương Vinh Quốc Danh (2019) [1]: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ IoT và nông nghiệp thông minh tại Việt Nam. Phân tích xu thế ứng dụng tự động hóa và dự báo sự phát triển của thị trường nông nghiệp thông minh.
- Nghiên cứu của Chu Đức Hoàng (2017) [2]: Nghiên cứu này sử dụng công nghệ Internet of Things và mô hình thủy canh hồi lưu để nâng cao mô hình trồng rau thủy canh. Mô hình này sử dụng các cảm biến như nhiệt độ, độ 4m, ánh sáng, pH và EC đề đảm bảo kiêm soát nồng độ dinh dưỡng chính xác. Đồng thời, kết nối 3G và WIFI cho phép giám sát từ xa từ bất kỳ nơi nào. Điều này dẫn đến việc tạo ra môi trường sinh trưởng tốt nhất cho rau thủy canh.
Tình hình nghiên cứu ngoài nước Ở Mỹ, thủy canh đã trở thành một phương pháp trồng cây phổ biến trong các hệ thong nông nghiệp đô thị và trang trại nhỏ. Các trang trại thủy canh được thiết kế hiện đại và tự động, sử dụng các công nghệ tiên tiến như cảm biến, tự động hóa và quản lý thông minh Tai Nhật Bản, việc sử dụng thủy canh cũng đã phat triển mạnh mẽ, đặc biệt trong các đô thị lớn. Các hệ thống thủy canh được tích hợp vào kiến trúc đô thị và sử dụng công nghệ IoT đê giám sát và điêu khiên từ xa. Một sô nghiên cứu quôc tê đã áp dụng các thuật toán học máy và học sâu được sử dụng dé nhận diện và phân loại cây trông, dự đoán năng suât và điêu chỉnh điêu kiện môi trường phù hợp.
- Nghiên cứu của Mohamed Farag Taha (2022) [3]: Nghiên cứu nay sử dụng công nghệ hình ảnh đề thu thập dữ liệu về cây trồng được trồng trong hệ thống thủy canh. Một mạng CNN được xây dựng và huấn luyện dé nhận dạng và phân loại các hiện tượng thiếu dinh dưỡng trong cây trồng dựa trên hình ảnh. - _ Nghiên cứu cua Sandy C. Lauguico (2020) [4]: Sử dụng công nghệ hình ảnh máy tính, nghiên cứu này thu thập đữ liệu về tăng trưởng của cây rau trong hệ thống thủy canh.
Sau đó, phân loại và dự đoán giai đoạn tăng trưởng của cây rau được thực hiện bang cách sử dung các thuật toán hoc máy. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu của nghiên cứu này là tạo ra một hệ thống thủy canh kết hợp IoT và mô hình học máy, học sâu nhăm: - - Xác định loại cây trồng: xây dựng một hệ thống nhận diện cây trồng dé xác định loại cây được trồng trong hệ thông thủy canh - Dé xuất điều chỉnh yêu tô môi trường: xây dựng một hệ thống dé đề xuất thay đổi các yếu tô môi trường như nhiệt độ, độ am, ánh sáng và chất dinh dưỡng dé phù hợp với điều kiện sống của mỗi loại cây trồng. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu trong đề tài này là rau xà lách và rau muống. Hai loại cây trồng này được chọn vì sự phô biến và tiềm năng trong việc trồng trọt thủy canh.
Cả rau xà lách và rau muống là hai loại rau có thời sinh trưởng ngắn, hình dạng và cấu trúc khác nhau giúp cho quá trình thu thập dữ liệu tiện lợi hơn và bộ dữ liệu cũng trở nên đa dạng hơn. Khao sát đề tài Hiện nay có khá nhiều khóa luận, bài báo có làm về chủ đề liên quan đến thủy canh và thủy canh tự động hay là nông nghiệp tự động trong nhà kính trong đó có những chủ đề như: - “Xây Dựng Mô Hình Quản Lý Nhà Kính Thông Minh Tự Động Chăm Sóc Cây Trong Dùng Nên Tang loT (Building A Model Of Manager A Smart Greenhouse: Automatic Cultivating Crop Plants With The lot Technology)” do anh Trần Cao Lam va Nguyén Quéc Viét thuc hién cùng su hướng dẫn của Th.S Lê Hoài Nghia - “Vườn Rau Thúy Canh Thông Minh Sử Dung Anh Sáng Đèn Led (Smart Hydroponics Garden Using Led Light)” do anh Nguyễn Thiện Nhân và Nguyễn Phúc Thịnh thực hiện cùng sự hướng dẫn từ Th.S Phan Đình Duy Hầu hết ở những bài nghiên cứu, bài báo trên thì chung quy đều hướng tới một mục đích đó chính là làm cách nào dé có thé tự động hóa quy trình trồng rau, củ quả một cách tự động, giúp tiết kiệm chi phí, công sức, hạn chế rủi ro và tăng năng suất cây trong. Nhưng ta có thé thấy những hệ thống trên có lượng dữ liệu về cây trồng và dé có thê xác định cây trồng tốt ở mức nào khá là hạn ché, có thé không hề cho biết được liệu với những thông số môi trường hiện tại có thé giúp cây trồng phát triển được hay không. CƠ SỞ LÝ THUYET VE THUY CANH VA CAC THIET BI 1.
Mô hình thủy canh hồi lưu Thủy canh là một hình thức trồng cây mà không cần sử dụng đất mà thay vào đó sử dụng dung dịch chứa dưỡng chat dé cung cấp cho cây trồng. Hệ thống thủy canh cho phép cây trồng được trồng trong môi trường kiểm soát, điều chỉnh độ âm, nhiệt độ và chất dinh dưỡng. Điều này giúp tăng năng suất, sử dụng nước hiệu quả hơn và tiết kiệm diện tích. Thủy canh hồi lưu là một trong các loại hệ thống thủy canh phổ biến.
Trong hệ thống này, dung dịch chứa chất dinh dưỡng sẽ cung cấp cho cây trồng thông qua một hệ thống đường ống. Sau khi cây trồng hấp thụ chất dinh dưỡng, dung dịch thừa được thu hồi và chuyền về bề chứa dé tái sử dụng. Khi dung dịch được cung cấp đầy đủ chất dinh dưỡng, dung dịch này sẽ được chảy qua chậu hoặc hệ thông ống và từ từ lưu về bề chứa. Quá trình này được điều khiển bang van hoặc bộ điều khiển tự động dé đảm bảo dung dịch chảy qua cây trồng với tốc độ và thời gian thích hợp.
Drip system Aeroponics Hình 2. Một số mô hình thủy canh thông dụng Ống cấp dung dịch Ống PVC Ống nước đưa môi trường đã qua sử dụng vào bể chứa Bể chứa mỗi trường định dưỡng Ưu điểm của mô hình thủy canh hồi lưu: Tiết kiệm nước: Dung dịch được tái sử dụng, giúp giảm lượng nước sử dụng so với phương pháp trồng cây truyền thống. Kiểm soát môi trường: Môi trường trồng cây có thể được điều chỉnh chính xác, tạo điều kiện tối ưu cho sự phát triên của cây trồng. Năng suất cao: Mô hình thủy canh hồi lưu thường cho phép tăng năng suất trồng cây so với phương pháp truyền thống, nhờ điều khiển chất dinh dưỡng va môi trường tốt.
Nhược điểm của mô hình thủy canh hồi lưu: Đầu tư ban đầu: Xây dựng và thiết lập một hệ thống thủy canh hồi lưu đòi hỏi một đầu tư ban đầu lớn, bao gồm các thiết bị như bề chứa, hệ thống đường ống, bơm và thiết bị kiểm soát. Kiến thức và kỹ năng: Mô hình thủy canh hồi lưu yêu cầu kiến thức và kỹ năng dé thiết lập và vận hành hệ thống. Người trồng cây cần hiểu về quản lý chất dinh dưỡng, điều khién môi trường và xử lý các vấn đề có thé phát sinh. Rủi ro: Nếu hệ thong không được vận hành hoặc kiểm soát đúng cách, có thê xảy ra các van đề như vi khuân, nắm mốc hay sự suy thoái của chất dinh dưỡng, ảnh hưởng đến sức khỏe và năng suất cây trồng.
Yếu tố môi trường ảnh hướng đến cây trồng trong thủy canh Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra răng trong hệ thống thủy canh, các yếu tố môi trường như ánh sáng, nhiệt độ, độ 4m, khí CO2, độ dẫn điện EC, tong lượng chất rắn hòa tan (TDS) và độ pH tác động đến các loại rau trồng. Tìm hiéu vê cảm biên Cảm biến (sensor) là một thiết bị hoặc một phần của hệ thống, có khả năng thu thập thông tin về yêu tô môi trường và chuyên đôi thành tín hiệu điện tử hoặc tín hiệu khác đê có thê được xử lý và sử dụng. Nguyên lý hoạt động: Mỗi loại cảm biến hoạt động dựa trên một nguyên lý cơ bản khác nhau. Ví dụ, cảm biến nhiệt độ dựa trên sự biến đổi điện trở của một vật liệu dẫn điện khi nhiệt độ thay đổi.
Cảm biến ánh sáng sử dụng các hiện tượng như quang điện, hoặc sự thay đôi của các thuộc tính quang học dé đo lường ánh sáng. Tìm hiểu về Arduino Nano R3 Arduino là một bo mach dùng dé xử lý các tín hiệu nhận được từ cảm biến hoặc dé điêu khiên các thiệt bị kích hoạt Arduino Nano R3 là một phiên bản nhỏ gọn và phố biến của bo mạch Arduino. Đây là phiên bản thứ ba của dòng Arduino Nano, với nhiêu cải tiên và tính năng mới so với các phiên bản trước. Arduino Nano R3 có 14 chan I/O kỹ thuật s6, 8 chan analog dé doc giá tri từ các cảm biên analog 5.
Tìm hiểu về Module Wifi ESP8266 Module WiFi ESP8266, dựa trên vi điều khiển ESP8266, cho phép kết nối với mang WiFi và truyền dit liệu qua giao thức TCP/IP hoặc MQTT.