TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Giới thiệu
Trong kỷ nguyên số 4.0, Internet of Things (IoT) đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối và thu thập dữ liệu từ các thiết bị thông minh, cho phép chúng tương tác và truyền thông tin qua mạng Internet mà không cần sự can thiệp của con người IoT không chỉ tối ưu hóa quy trình sản xuất, tăng năng suất và giảm chi phí, mà còn cải thiện chất lượng cuộc sống, mang lại nhiều tiện ích cho con người Ứng dụng IoT trong nông nghiệp, như trong dự án xây dựng hệ thống kiểm soát phân bón và dự đoán sâu bệnh, giúp quản lý và giám sát tài nguyên nông nghiệp hiệu quả, từ đó giảm chi phí và tạo ra lợi ích kinh tế lớn.
Dâu tây là đặc sản nổi bật của tỉnh Lâm Đồng, đặc biệt tại thành phố Đà Lạt, nơi có diện tích trồng dâu tây khoảng 120-130 ha, độ cao từ 1400 đến 1535m so với mực nước biển, cung cấp trung bình 1500 tấn mỗi năm Tuy nhiên, phần lớn diện tích trồng vẫn sử dụng phương pháp canh tác truyền thống, dẫn đến việc tiêu tốn nhiều nhân lực, chịu ảnh hưởng lớn từ thời tiết, làm giảm năng suất và tăng chi phí sản xuất Thiếu nguồn nước tưới và thời tiết khắc nghiệt cũng ảnh hưởng đến chất lượng dâu tây Do đó, việc áp dụng khoa học công nghệ trong quy trình chăm sóc cây dâu tây là rất cần thiết để vượt qua những thách thức này.
Vấn nạn thực phẩm bẩn và hàng giả đang làm giảm lòng tin của người tiêu dùng, tạo ra nhu cầu cấp bách về dâu tây sạch Nhóm nghiên cứu đã quyết định áp dụng mô hình IoT trong sản xuất dâu tây tại Đà Lạt, tỉnh Lâm Đồng, nhằm cải thiện chất lượng sản phẩm và kết hợp giải pháp truy xuất nguồn gốc để cung cấp thông tin chi tiết về nguồn gốc cây dâu tây Để tăng độ tin cậy cho người tiêu dùng, công nghệ Blockchain sẽ được áp dụng trong quy trình truy xuất nguồn gốc, giúp đảm bảo tính minh bạch và hiệu quả cho nhà sản xuất Công nghệ Blockchain đang trở thành xu hướng mới với tiềm năng lớn trong việc giải quyết các vấn đề liên quan đến nguồn gốc sản phẩm.
Việc áp dụng giải pháp IoT và công nghệ Blockchain trong mô hình trồng và truy xuất nguồn gốc dâu tây sạch từ Đà Lạt, Lâm Đồng là rất quan trọng Những giải pháp này không chỉ đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm và bảo vệ sức khỏe người tiêu dùng mà còn gia tăng giá trị lợi nhuận cho người sản xuất.
Tình hình nghiên cứu
Hiện nay, nghiên cứu ứng dụng IoT và Blockchain đang phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu, đặc biệt tại Việt Nam Các công nghệ này được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như nông nghiệp, y tế, sản xuất, tài chính, bảo hiểm, chứng khoán và quản lý chuỗi cung ứng IoT giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm chi phí và nâng cao an toàn giao thông, đồng thời cải thiện chất lượng cuộc sống Tuy nhiên, việc áp dụng IoT cũng đối mặt với thách thức về bảo mật và quản lý dữ liệu Các nghiên cứu hiện nay đang tập trung vào việc giải quyết những vấn đề này để đảm bảo tính bảo mật và hiệu suất cho hệ thống IoT.
Công nghệ Blockchain đang được 3 cứu nghiên cứu để mở rộng ứng dụng và triển khai vào đời sống Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần giải quyết, đặc biệt là vấn đề bảo mật và tính thống nhất của hệ thống để thúc đẩy sự phát triển của công nghệ này.
Trong bối cảnh phát triển công nghệ, việc ứng dụng IoT trong nông nghiệp tại Việt Nam đang diễn ra mạnh mẽ, mang lại nhiều lợi ích to lớn Các mô hình IoT đã chứng minh giá trị của mình trong nền nông nghiệp nước nhà, như được nêu trong bài báo [4] Đồng thời, việc áp dụng Blockchain để truy xuất nguồn gốc sản phẩm cũng đang được triển khai, với những dự án tiêu biểu như chăn nuôi tại Đồng Nai [5] và truy xuất nguồn gốc bưởi tại công ty FOODTECH [6] Tuy nhiên, lĩnh vực trồng dâu tây vẫn chưa được chú trọng, đặc biệt là ở Đà Lạt, nơi chưa có dự án nổi bật kết hợp giải pháp IoT và Blockchain.
Cuộc cách mạng IoT và Blockchain đang diễn ra mạnh mẽ trên thế giới, mang lại nhiều lợi ích cho ngành nông nghiệp thực phẩm Các dự án ứng dụng cụ thể đã cho thấy sự thành công đáng kể trong việc truy xuất nguồn gốc sản phẩm, không chỉ trong lĩnh vực thực phẩm mà còn trong các sản phẩm chăm sóc sức khỏe và thời trang Tuy nhiên, để thúc đẩy quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước, cần phải phát triển và ứng dụng nhiều hơn các công nghệ này trong nước.
Mục tiêu đề tài
Trong đề tài này, nhóm thực hiện thiết kế hệ thống đáp ứng với những yêu cầu như sau:
- Thu thập các thông số dữ liệu từ môi trường sử dụng các cảm biến: ánh sáng, mưa, độ ẩm đất, nhiệt độ và độ ẩm không khí
Thiết kế ứng dụng di động trên hệ điều hành Android nhằm tạo ra giao diện thân thiện và dễ sử dụng, giúp người chủ trang trại giám sát và điều khiển các hệ thống thiết bị trong nhà kính, bao gồm tưới nước, phun sương, đèn và mái che.
Hệ thống điều khiển thiết bị được thiết kế với hai chế độ hoạt động: thủ công và tự động, cho phép người sử dụng dễ dàng thao tác và tùy chỉnh thông qua việc cài đặt ngưỡng.
- Thiết kế giao diện Website thể hiện nguồn gốc các quả dâu tây thông qua mã
QR khi người dùng quét
Hợp đồng thông minh được thiết kế để tương tác và cập nhật thông tin nguồn gốc dâu tây giữa Website và nền tảng Blockchain Ethereum, giúp lưu trữ công khai, đảm bảo tính minh bạch và tạo niềm tin cho người tiêu dùng.
Phương pháp nghiên cứu
Các phương pháp nghiên cứu nhóm sử dụng bao gồm:
Phương pháp điều tra bao gồm việc tìm hiểu chi tiết các đặc điểm của cây dâu tây, từ đó rút ra bản chất và yêu cầu cần thiết cho đề tài nghiên cứu.
Phương pháp thu thập số liệu bao gồm việc tìm kiếm và tổng hợp thông tin, kiến thức, lý thuyết liên quan đến quá trình chăm sóc và truy xuất nguồn gốc cây dâu tây từ các nguồn tài liệu sẵn có.
Phương pháp phân tích tổng kết kinh nghiệm là quá trình thu thập và tổng hợp các kết quả từ những nghiên cứu trước đây, nhằm tạo nền tảng vững chắc cho nghiên cứu hiện tại.
Phương pháp phân tích và tổng hợp là quá trình quan trọng trong việc xử lý các kết quả thu thập được Đầu tiên, các dữ liệu sẽ được phân tích để rút ra những thông tin cần thiết Sau đó, những thông tin này sẽ được tổng hợp lại thành các phần cụ thể, phù hợp với mục đích của đề tài Qua đó, hệ thống sẽ bắt đầu được triển khai một cách hiệu quả.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu sẽ tập trung vào các trang trại và khu vực sản xuất cây dâu tây tại tỉnh Lâm Đồng, đặc biệt là thành phố Đà Lạt, nơi có nhu cầu cao về loại trái cây này.
Khu vực này có mức tiêu thụ dâu tây rất cao, nhờ vào điều kiện khí hậu và thời tiết lý tưởng cho sự phát triển của cây dâu tây.
Nghiên cứu này tập trung vào việc thiết kế và triển khai hệ thống cảm biến IoT nhằm giám sát môi trường trồng cây dâu tây Đồng thời, nó phát triển các thuật toán và hệ thống điều khiển tự động, cũng như nghiên cứu giải pháp Blockchain để đảm bảo độ tin cậy của thông tin về nguồn gốc sản phẩm.
Bố cục quyển báo cáo
Nhóm chia đề tài thành 5 chương để dễ dàng và thực hiện nghiên cứu như sau:
Chương 1: Tổng quan về đề tài: Giới thiệu chung về các vấn đề đề cập trong đề tài, nêu ra tầm quan trọng và sự cấp thiết của đề tài Chỉ ra rõ được sự phát triển và ứng dụng của IoT và Blockchain trong thực tế, từ đó đưa ra lý do lựa chọn đề tài Đồng thời xác định mục tiêu, đối tượng và phạm vi sẽ nghiên cứu cho đề tài
Chương 2: Cơ sở lý thuyết: Nghiên cứu về cây dâu tây và quy trình ứng dụng
IoT và Blockchain là hai công nghệ tiên tiến có tiềm năng lớn trong nhiều lĩnh vực Bài viết này sẽ trình bày tổng quan về lý thuyết và nguyên lý hoạt động của các cảm biến và module được sử dụng trong hệ thống Đồng thời, chúng tôi cũng sẽ giới thiệu các ngôn ngữ lập trình và công nghệ ứng dụng trong đề tài, nhằm cung cấp cái nhìn sâu sắc hơn về sự kết hợp giữa IoT và Blockchain.
Chương 3: Thiết kế hệ thống: Trình bày về sơ đồ khối hệ thống, tính toán và chọn lựa linh kiện sử dụng, thiết kế sơ đồ nguyên lý phần cứng Thiết kế cấu trúc giao diện và lưu đồ hoạt động của ứng dụng di động Android, Blockchain truy xuất nguồn gốc kết hợp Website Từ đó lập trình và thi công cho hệ thống
Chương 4: Kết quả: Trình bày các kết quả thu được sau khi hoàn thành thi công hệ thống bằng cách thông qua hình ảnh bao gồm hệ thống nhà kính và hệ thống Blockchain truy xuất nguồn gốc kết hợp Website
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển: Dựa trên kết quả của chương 4, nhóm đưa ra kết luận cho đề tài dựa các mục tiêu đã đề ra ở chương 1 Đồng thời đề ra các phương hướng cải thiện và xu hướng phát triển trong tương lai để đề tài hoàn chỉnh và được ứng dụng rộng rãi trong thực tế hơn.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Giới thiệu về cây dâu tây
Dâu tây là loại trái cây được ưa chuộng nhờ vị ngọt, chua và hàm lượng dinh dưỡng cao, bao gồm vitamin C, B6, B9, K, E, cùng các khoáng chất như Mangan và Kali Loại trái cây này không chỉ bổ dưỡng mà còn có tác dụng chữa bệnh, giúp bồi bổ cơ thể, mát máu, giải độc và điều hòa tiêu hóa Đà Lạt nổi tiếng với giống dâu tây Mỹ Đá, chiếm phần lớn diện tích trồng dâu tại đây Tuy nhiên, việc trồng dâu ngoài trời gặp nhiều khó khăn do tác động môi trường và thiếu kiểm soát chất lượng sản phẩm, điều này đang là mối quan tâm lớn của người sản xuất Vì vậy, nhóm nghiên cứu sẽ tập trung vào giống dâu tây Mỹ Đá tại Đà Lạt để giải quyết những vấn đề này.
2.1.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển của cây dâu tây a Yếu tố nhiệt độ Để cây có thể phát triển tốt nhất, yếu tố không thể không kể đến và vô cùng quan trọng đó là nhiệt độ Nhiệt độ phù hợp với cây dâu tây là từ 13 – 21 độ C Do đó trồng dâu tây ở Đà Lạt là thích hợp nhất [12] Để đề phòng những trường hợp điều kiện xấu như thời tiết quá nóng hoặc quá lạnh thì trong môi trường nhà kính cần có các thiết bị làm mát hoặc làm ấm để giữ cho nhiệt độ ở mức phù hợp b Yếu tố ánh sáng Ánh sáng là yếu tố quan trọng thứ hai đi kèm song song với nhiệt độ Dâu tây cần được phơi với nắng tự nhiên trong khoảng 8 – 12 tiếng mỗi ngày, đặc biệt là vào sáng sớm [12] Nên nhà kính cần có hệ thống mái che để linh hoạt đóng mở khi cần Nếu khu vực trồng không có đủ ánh sáng tự nhiên để cung cấp cho cây thì chúng ta cần lắp đặt đèn trồng nhân tạo
Độ ẩm không khí và độ ẩm đất là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự phát triển của cây dâu tây, đặc biệt là giống dâu tây Mỹ Đá Cây dâu tây này cần độ ẩm không khí dao động từ 40 đến 70%, trong khi độ ẩm đất lý tưởng nằm trong khoảng 60 - 80% Điều kiện này tạo ra môi trường tối ưu cho cây sinh trưởng và phát triển.
2.1.2 Quy trình giám sát và chăm sóc cây dâu tây
Để giám sát và chăm sóc giống cây dâu tây Mỹ Đá, việc sử dụng thiết bị cảm biến chuyên dụng là giải pháp hiệu quả Các thiết bị này thu thập thông số môi trường và hiển thị trên ứng dụng di động, giúp người trồng dễ dàng giám sát từ xa Qua ứng dụng, người dùng có thể điều khiển các thiết bị như bơm tưới, phun sương, đèn và mái che Hệ thống còn tự động bật tắt các thiết bị dựa trên các giá trị cài đặt trước như cường độ ánh sáng, độ ẩm đất, nhiệt độ và độ ẩm không khí, đảm bảo cây dâu tây phát triển tối ưu.
2.1.3 Lợi ích và quy trình ứng dụng Blockchain vào truy xuất nguồn gốc cây dâu tây
Sau khi tìm hiểu về ứng dụng công nghệ Blockchain vào truy xuất nguồn gốc sản phẩm thì nhóm rút ra được những lợi ích sau:
Công nghệ Blockchain tạo ra sự đáng tin cậy và minh bạch nhờ vào hệ thống phân tán và bảo mật, cho phép xác định nguồn gốc sản phẩm một cách rõ ràng Với khả năng không thể sửa đổi hay xóa bỏ thông tin, Blockchain đảm bảo tính toàn vẹn và chính xác của dữ liệu.
Nhà sản xuất có thể tạo ra lợi thế cạnh tranh bằng cách cung cấp thông tin chi tiết về các mắt xích trong quy trình cung ứng sản phẩm, từ đó giúp người tiêu dùng hiểu rõ nguồn gốc sản phẩm và đảm bảo an toàn thực phẩm.
Blockchain giúp tiết kiệm chi phí và giảm áp lực cho các nhà sản xuất trong việc chứng minh nguồn gốc sản phẩm của họ.
Blockchain cho phép người dùng truy xuất nguồn gốc sản phẩm một cách nhanh chóng và chính xác, mang lại độ tin cậy cao trong việc kiểm tra thông tin.
Quyền lợi của người tiêu dùng được bảo vệ nhờ khả năng xác minh thông tin sản phẩm về nguồn gốc và chất lượng trước khi mua Việc này giúp ngăn chặn hàng giả, hàng nhái và hàng kém chất lượng, vì dữ liệu trên blockchain không thể sửa đổi, làm cho việc thay đổi thông tin hoặc làm giả dữ liệu trở nên rất khó khăn.
Tăng cường quản lý chuỗi cung ứng: Blockchain cung cấp một cơ sở dữ liệu phân tán và công cộng, giúp cải thiện việc quản lý chuỗi cung ứng [13]
Nhóm nghiên cứu sẽ thiết kế một Website nhằm thể hiện quy trình chăm sóc và nguồn gốc của cây dâu tây Website này sẽ tích hợp công nghệ Blockchain, đảm bảo rằng tất cả thông tin được hiển thị đều được lưu trữ chọn lọc trên nền tảng Blockchain Mỗi hộp dâu khi xuất ra thị trường sẽ được đính kèm một mã, giúp người tiêu dùng truy xuất nguồn gốc một cách minh bạch và an toàn.
QR riêng biệt để truy cập Website truy xuất nguồn gốc khi người dùng cần xác minh thông tin bằng cách quét mã QR này
Hình 2.1: Quy trình ứng dụng Blockchain vào truy xuất nguồn gốc [13]
Giới thiệu phần cứng
ESP32 là bộ vi điều khiển tích hợp Wi-Fi và Bluetooth LE, được phát triển bởi Espressif Systems Với thiết kế nhỏ gọn, ESP32 cung cấp khả năng xử lý mạnh mẽ, linh hoạt và tiết kiệm năng lượng, trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng IoT, bao gồm hệ thống nhúng, nhà thông minh và thiết bị điện tử.
Hình 2.2: Phần cứng MCU ESP32
Hình 2.3 và bảng 2.1 cung cấp sơ đồ chân và các thông số kỹ thuật cơ bản của ESP32
Hình 2.3: Sơ đồ chân ESP32
Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật của ESP32
STT Thông số Giá trị
6 Tần số hoạt động 80 – 240 MHz
7 Wifi 2.4Ghz, tốc độ lên tới 150Mbps
8 Giao tiếp với máy tính Cable Micro USB
9 Chuẩn giao tiếp hỗ trợ UART, SPI, I2C, ADC,…
10 CPU Xtensa® Dual – core 32-bit LX6
2.2.2 Giới thiệu các cảm biến sử dụng a Cảm biến độ ẩm đất đầu dò chống ăn mòn a) b)
Cảm biến độ ẩm đất đầu dò chống ăn mòn là thiết bị chuyên dụng để đo độ ẩm trong đất, thường được sử dụng trong các hệ thống tưới nước tự động và vườn thông minh Thiết bị này xác định độ ẩm thông qua đầu dò và cung cấp hai loại giá trị là Analog và Digital qua hai chân giao tiếp tương ứng.
11 chân của vi điều khiển để thực hiện cho các ứng dụng khác nhau [15] Cảm biến được chia làm hai phần:
Đầu dò của cảm biến độ ẩm đất được thiết kế để cắm trực tiếp vào khu vực cần đo độ ẩm, với chất liệu Inox giúp chống ăn mòn, mang lại độ bền và ổn định cao.
Cảm biến sử dụng IC LM393 để xử lý tín hiệu từ đầu dò Người dùng có thể điều chỉnh mức ngưỡng cảm biến thông qua biến trở trên mạch chuyển đổi Khi mức ngưỡng cài đặt cao hơn độ ẩm đo được, cảm biến sẽ xuất ra tín hiệu mức thấp, và ngược lại, khi độ ẩm cao hơn mức ngưỡng, tín hiệu sẽ là mức cao.
Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật của cảm biến độ ẩm đất đầu dò chống ăn mòn
STT Thông số Giá trị
1 Điện áp đầu vào 3.3-12VDC
3 Chiều dài dây cảm biến 1m
Bảng 2.3: Thông tin các chân của cảm biến độ ẩm đất
1 VCC Chân để cung cấp nguồn từ 3.3V(DC) đến 12V(DC)
2 GND Chân nối đất, thường được nối chung GND của vi điều khiển
3 DO Chân đầu ra Digital của cảm biến
4 AO Chân đầu ra Analog của cảm biến b Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750
Cảm biến cường độ ánh sáng này đo lường ánh sáng theo đơn vị lux, với độ phân giải cao từ 1 đến 65535 lux Nó được trang bị bộ chuyển đổi ADC 16 Bit, cho phép tạo ra tín hiệu số, cùng với bộ tiền xử lý tích hợp, mang lại giá trị trực tiếp và chính xác.
12 của cường độ ánh sáng lux Cảm biến được trang bị chuẩn giao tiếp I2C để truyền nhận dữ liệu với vi điều khiển [16] a) b)
Hình 2.5: Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750
Bảng 2.4: Thông số kỹ thuật của cảm biến cường độ ánh sáng BH1750
STT Thông số Giá trị
1 Điện áp đầu vào 3 ~ 5VDC
Bảng 2.5: Thông số đo thông dụng của cảm biến cường độ ánh sáng BH1750
STT Thông số Giá trị
2 Trong nhà trời nhiều mây 5-50 lux
3 Ngoài trời nhiều mây 50-500 lux
4 Trong nhà trời nắng 100-1000 lux
5 Phù hợp với đọc sách 50-60 lux
Bảng 2.6: Thông tin các chân của cảm biến cường độ ánh sáng BH1750
1 VCC Chân cung cấp nguồn từ 3V(DC) đến 5V(DC)
2 GND Chân nối đất, thường được nối chung GND của vi điều khiển
3 SCL Chân xung Clock cung cấp xung nhịp trong giao thức I2C
4 SDA Chân truyền dữ liệu trong giao thức I2C
Khi có hơn hai cảm biến kết nối, việc sử dụng 5 ADDR cho phép chọn địa chỉ thiết bị để giao tiếp hiệu quả Một trong những cảm biến phổ biến trong hệ thống này là cảm biến nhiệt độ và độ ẩm không khí DHT11.
Cảm biến DHT11 là thiết bị nhỏ gọn, tích hợp khả năng đo nhiệt độ và độ ẩm không khí trên cùng một mạch, trở thành lựa chọn phổ biến hiện nay Cảm biến sử dụng NTC (điện trở nhiệt) để đo nhiệt độ và một tấm nền kim loại giữ ẩm giữa hai điện cực để đo độ ẩm Thiết kế giao tiếp qua chuẩn 1 wire giúp người dùng dễ dàng kết nối Ngoài ra, DHT11 còn được trang bị bộ tiền xử lý tín hiệu, mang lại dữ liệu chính xác mà không cần tính toán phức tạp Khoảng cách truyền tối đa của cảm biến lên đến 20m.
Hình 2.6: Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm không khí DHT11
Bảng 2.7: Thông số kỹ thuật của cảm biến nhiệt độ và độ ẩm không khí DHT11
STT Thông số Giá trị
1 Điện áp đầu vào 3~5VDC
5 Tốc độ lấy mẫu 1Hz
6 Độ ẩm có thể đo 20-90%
8 Nhiệt độ có thể đo 0-50°C
Bảng 2.8: Thông tin chân cảm biến nhiệt độ và độ ẩm không khí DHT11
1 VCC Chân cung cấp nguồn từ 3V(DC) đến 5V(DC)
2 Data Chân dùng để giao tiếp dữ liệu theo chuẩn 1 wire
3 GND Chân nối đất d Cảm biến mưa Yl-83
Cảm biến mưa là thiết bị phát hiện sự hiện diện của nước hoặc các dung dịch dẫn điện, và khi chúng tiếp xúc với bề mặt cảm biến, sẽ phát ra tín hiệu thông báo Thiết bị này thường được sử dụng trong các ứng dụng tự động như phát hiện mưa và báo mực nước Cảm biến bao gồm một bảng kim loại để phát hiện mưa, thường được lắp đặt ngoài trời, cùng với phần xử lý tín hiệu sử dụng IC so sánh LM393 để so sánh giá trị.
Cảm biến phát hiện mưa hoạt động đơn giản với bảng kim loại hình lưới đặt ngoài trời Khi không có mưa, chân DO giữ ở mức cao (5V) Khi có mưa, điện trở dẫn thấp làm điện áp ngõ vào bộ so sánh giảm, dẫn đến ngõ ra bộ so sánh ở mức thấp (0V) và đèn LED hiển thị trạng thái sáng.
Bảng 2.9: Thông số kỹ thuật của cảm biến mưa
STT Thông số Giá trị
1 Điện áp đầu vào 3~5VDC
3 Kích thước tấm cảm biến mưa 54x40mm
Bảng 2.10: Thông tin các chân cảm biến mưa
1 VCC Chân cấp nguồn từ 3.3V(DC) đến 5V(DC)
2 GND Chân nối đất, thường được nối chung GND của vi điều khiển
3 DO Chân đầu ra digital Đầu ra mức thấp cho biết đang phát hiện mưa và ngược lại mức cao không phát hiện mưa
4 AO Chân đầu ra Analog Đầu ra là một tín hiệu tương tự
2.2.3 Giới thiệu các thiết bị điều khiển a Bóng đèn sợi đốt
Bóng đèn sợi đốt là loại đèn truyền thống phổ biến trong nhiều lĩnh vực, từ gia đình đến công nghiệp Nguyên lý hoạt động của bóng đèn này là đốt sợi tóc giấy hoặc sợi tơ, tạo ra ánh sáng khi có dòng điện chạy qua.
16 bóng đèn này cho hệ thống chiếu sáng và làm ấm khi độ sáng hoặc nhiệt độ môi trường xuống thấp
Bảng 2.11: Thông số kỹ thuật của đèn sợi đốt
STT Thông số Giá trị
Động cơ bơm nước mini tự mồi YYP370 là giải pháp lý tưởng cho những ai cần một thiết bị bơm nước tiện lợi và hiệu quả Với nhiệt độ màu khoảng 2700K, ánh sáng ấm áp từ sản phẩm tạo cảm giác dễ chịu Đặc biệt, YYP370 không cần phải mồi nước sau mỗi lần khởi động, giúp tiết kiệm thời gian và công sức Thiết kế nhỏ gọn, tiếng ồn thấp và độ bền cao của động cơ này làm cho nó trở thành lựa chọn hoàn hảo cho các ứng dụng trong gia đình và công nghiệp.
Hình 2.9: Động cơ bơm nước mini tự mồi YYP370
Bảng 2.12: Thông số kỹ thuật của động cơ bơm nước mini tự mồi YYP370
STT Thông số Giá trị
1 Điện áp đầu vào 24VDC
Động cơ phun sương GT18 với đầu phun siêu âm giúp giảm nhiệt độ hiệu quả và tăng cường độ ẩm không khí Sản phẩm này dễ dàng lắp đặt và lý tưởng cho việc nâng cao độ cao 3m.
Hình 2.10: Động cơ phun sương GT18
Bảng 2.13: Thông số kỹ thuật của động cơ phun sương GT18
STT Thông số Giá trị
1 Điện áp đầu vào 24VDC
5 Mực nước hoạt động 40 – 95mm
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng động cơ DC 24VDC để mô phỏng hệ thống mái che trong đề tài Động cơ này có kích thước nhỏ gọn và đạt được tốc độ quay ổn định, phù hợp cho ứng dụng trong hệ thống.
Hình 2.11: Động cơ DC 24VDC
Bảng 2.14: Thông số kỹ thuật của động cơ phun sương GT18
STT Thông số Giá trị
1 Điện áp đầu vào 24VDC
Relay 5VDC-SL-C là thiết bị điều khiển hiệu quả, cho phép bật tắt các thiết bị điện với công suất tải AC 220V lên đến 10A Hoạt động với nguồn cấp 5VDC, Relay này được thiết kế để đóng ngắt mạch điện, mang lại sự tiện lợi và an toàn cho các ứng dụng điều khiển.
Bảng 2.15: Thông số kỹ thuật của Relay 5VDC-SL-C
STT Thông số Giá trị
1 Điện áp đầu vào 5VDC
5 Thời gian tác động 10ms
6 Thời gian nhả hãm 5ms
Giới thiệu về Web3 trong công nghệ Blockchain
Web3 đề cập đến việc ứng dụng công nghệ Blockchain trong các trang web, cho phép các ứng dụng Web tương tác với hợp đồng thông minh Khi tương tác với Blockchain, Web3 giao tiếp với các nút mạng, giúp ứng dụng truy cập thông tin từ Blockchain, bao gồm tài khoản, giao dịch, hợp đồng thông minh và dữ liệu liên quan Preethi Kasireddy đã viết một blog giải thích về "Ứng dụng Web3 trong Blockchain", kèm theo mô hình minh họa của tác giả.
Hình 2.13: Mô hình ứng dụng Web3 trong Blockchain [19]
Giới thiệu ứng dụng Android
Ứng dụng Android là phần mềm dành cho điện thoại di động chạy trên hệ điều hành Android, được phát triển bằng ngôn ngữ lập trình Java hoặc Kotlin thông qua công cụ Android Studio Với giao diện thân thiện, hiệu suất cao và độ bảo mật tốt, ứng dụng Android dễ dàng tương tác với các ứng dụng khác, đồng thời cho phép cài đặt và cập nhật thuận tiện Đây là công cụ hữu ích cho các nhà phát triển và doanh nghiệp nhằm tạo ra các ứng dụng tiện ích và nâng cao trải nghiệm người dùng.
Giới thiệu Firebase và Realtime Database
Firebase là nền tảng đám mây của Google, cung cấp API dễ sử dụng mà không cần backend hay server Nền tảng này được ưa chuộng trong việc xây dựng, phát triển và mở rộng ứng dụng di động và website nhanh chóng, hiệu quả.
Realtime Database là một trong những tính năng nổi bật của Firebase, cung cấp cơ sở dữ liệu NoSQL trên đám mây Nó cho phép người dùng lưu trữ và đồng bộ dữ liệu theo thời gian thực, mang lại trải nghiệm mượt mà và hiệu quả cho các ứng dụng.
Realtime Database cho phép lưu trữ dữ liệu dưới dạng JSON, giúp các nhà phát triển theo dõi và lắng nghe các sự kiện khi có thay đổi dữ liệu trên máy chủ.
Giới thiệu truy xuất nguồn gốc
Truy xuất nguồn gốc là quá trình theo dõi và ghi lại thông tin về sản phẩm hoặc nguyên liệu từ khi sản xuất đến tay người tiêu dùng Vai trò của truy xuất nguồn gốc rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực như thực phẩm, sản xuất, y tế và công nghiệp Đặc biệt trong ngành thực phẩm, nó giúp xác định nguồn gốc của các thành phần như thịt và rau củ, đảm bảo an toàn và chất lượng sản phẩm Hệ thống này cho phép nhà sản xuất và người tiêu dùng nắm rõ quy trình từ trang trại đến điểm bán lẻ Chính phủ Việt Nam đã đề ra kiến trúc triển khai hệ thống truy xuất nguồn gốc cho hàng hóa nhằm nâng cao minh bạch và trách nhiệm trong sản xuất.
Hình 2.17: Kiến trúc dữ liệu hệ thống truy xuất nguồn gốc
Giới thiệu công nghệ Blockchain
Blockchain là công nghệ phân tán giúp lưu trữ và trao đổi thông tin một cách an toàn và tin cậy Công nghệ này cho phép xây dựng hệ thống mà không cần phụ thuộc vào một bên trung gian duy nhất, đồng thời cung cấp khả năng kiểm tra và xác minh thông tin một cách độc lập.
Blockchain là một chuỗi các khối dữ liệu liên kết với nhau, trong đó mỗi khối chứa thông tin giao dịch và thông tin của khối trước đó Các khối này tạo thành một hệ thống an toàn và minh bạch, giúp theo dõi và xác thực các giao dịch một cách hiệu quả.
Một số đặc điểm chính của công nghệ Blockchain:
Phi tập trung: Dữ liệu được phân tán và lưu trữ trên nhiều nút trong mạng Không có một bên duy nhất kiểm soát toàn bộ hệ thống
Công nghệ Blockchain đáng tin cậy nhờ vào việc mọi giao dịch và thông tin đều được kiểm tra và xác minh bởi cộng đồng người dùng thông qua các quy tắc và thuật toán đã được thiết lập Điều này tạo ra tính bất biến cho dữ liệu và làm cho hệ thống khó bị tấn công.
Blockchain đảm bảo bảo mật dữ liệu thông qua việc sử dụng mã hóa Mỗi giao dịch chỉ được xác minh và ghi vào khối mới khi nhận được sự chấp thuận từ nhiều người dùng độc lập.
Bảo mật danh tính: Cung cấp khả năng xác minh và bảo vệ danh tính của người dùng thông qua các cơ chế mã hóa
2.7.1 Giới thiệu hợp đồng thông minh
Hợp đồng thông minh là mã lập trình trên nền tảng Blockchain, cho phép thực hiện thỏa thuận và giao dịch một cách an toàn, minh bạch mà không cần bên trung gian Chúng được triển khai dựa trên các quy tắc logic và điều kiện đã được lập trình, thực hiện tự động khi các điều kiện được đáp ứng Việc sử dụng hợp đồng thông minh đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu và giảm thiểu sai sót do con người.
Hình 2.18: Giao dịch thông qua hợp đồng thông minh
Nhà khoa học máy tính Nick Szabo đã nhấn mạnh tầm quan trọng của hợp đồng thông minh không chỉ trong việc đảm bảo tính toàn vẹn thông tin mà còn trong nhiều lĩnh vực như giao dịch tài chính, bất động sản, và y tế Đặc biệt, trong lĩnh vực truy xuất nguồn gốc sản phẩm, hợp đồng thông minh đóng vai trò thiết yếu trong hệ thống chuỗi cung ứng, giúp thực hiện việc truy xuất nguồn gốc một cách đáng tin cậy và an toàn.
ABI key là thành phần thiết yếu cho việc tương tác với hợp đồng thông minh trên nền tảng Blockchain Nó chứa thông tin và phương thức mà hợp đồng thông minh định nghĩa, đồng thời là mã hoặc chuỗi dùng để gọi các phương thức từ hợp đồng này.
Hình 2.19: Sơ đồ trực quan hóa hợp đồng thông minh
Việc sử dụng ABI key, như thể hiện trong hình 2.19, là cần thiết để tương tác giữa ứng dụng Web và mạng lưới Ethereum Điều này cho phép người dùng dễ dàng tương tác với các hợp đồng thông minh trên Blockchain.
24 bạn cần biết ABI key của hợp đồng thông minh để gọi các phương thức của hợp đồng đó
2.7.1.2 Giới thiệu địa chỉ hợp đồng Địa chỉ hợp đồng thông minh là một chuỗi ký được tạo ra khi một hợp đồng thông minh được triển khai trên nền tảng Blockchain Mỗi địa chỉ hợp đồng cho phép người dùng truy cập và tương tác với hợp đồng đó trên các ứng dụng thanh toán Theo như Crypto Market Pool là một trang Web nổi tiếng về Blockchain đã đưa ra một mô hình về địa chỉ hợp đồng thông minh [22] Hình 2.20 là mô hình cụ thể của họ
Hình 2.20: Giao dịch thông qua địa chỉ hợp đồng thông minh
Metamask là ứng dụng thanh toán giúp người dùng tương tác và kết nối với các nền tảng Blockchain Ứng dụng này hỗ trợ nhiều tài khoản như Ethereum, Binance Smart Chain, Polygon và nhiều blockchain khác Metamask cho phép thực hiện các giao dịch Blockchain, bao gồm giao dịch tiền điện tử một cách dễ dàng.
Metamask là ví điện tử phổ biến trong Blockchain, đặc biệt trong việc thực thi hợp đồng thông minh trên nền tảng Ethereum Nó hỗ trợ người dùng quản lý và tương tác với tài sản của mình một cách dễ dàng.
25 mô hình của thể do chuyên viên phân tích phát triển ứng dụng Hamza Khattabi phát triển
Hình 2.22: Sự tương quan Metamask và hợp đồng thông minh [23]
Metamask là một nhà cung cấp quan trọng trong việc triển khai các hợp đồng thông minh, giúp định nghĩa thông tin sản phẩm Sau khi được triển khai, các hợp đồng này sẽ được lưu trữ trên mạng lưới Blockchain, đảm bảo tính minh bạch và an toàn Bên cạnh đó, thông tin giao dịch qua Metamask cũng được lưu trữ và kiểm soát chặt chẽ trên mạng lưới, mang lại sự tin cậy cho người dùng.
2.7.3 Giới thiệu Ethereum Blockchain và Mainnet, Testnet
Ethereum là một nền tảng Blockchain cho phép phát triển ứng dụng phân tán và hợp đồng thông minh So với Bitcoin, nền tảng Blockchain đầu tiên và phổ biến nhất, Ethereum sở hữu nhiều tính năng đa dạng và tiên tiến hơn.
Ethereum cho phép phát triển các hợp đồng thông minh thông qua ngôn ngữ lập trình Solidity Đồng thời, Ethereum cũng có đồng tiền mã hóa Ether, đóng vai trò quan trọng trong việc thanh toán giao dịch và hỗ trợ nền tảng blockchain.
Ethereum hỗ trợ phát triển và vận hành hợp đồng thông minh trên nhiều nút mạng toàn cầu, đảm bảo tính phân tán và an toàn cho nền tảng Đây là một trong những nền tảng Blockchain phổ biến nhất, được ứng dụng trong nhiều dự án Blockchain trên toàn thế giới Hình 2.25 minh họa mô hình Ethereum hoạt động qua nhiều nút mạng, do chuyên gia Jitendra Chittoda trong ngành Blockchain đề xuất.
Hình 2.24: Kiến trúc của Ethereum [25]
THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Yêu cầu thiết kế
Hệ thống được thiết kế dựa trên những yêu cầu cụ thể như sau:
Thiết kế mô hình IoT cho việc chăm sóc cây dâu tây, cho phép giám sát và điều khiển linh hoạt theo hai chế độ: tự động và thủ công Ứng dụng Android sẽ được sử dụng để điều chỉnh các yếu tố sinh trưởng phù hợp với đặc điểm của cây dâu tây.
Xây dựng website truy xuất nguồn gốc sản phẩm trên nền tảng Blockchain Ethereum giúp cung cấp thông tin chi tiết về nguồn gốc và quá trình chăm sóc sản phẩm Các thông tin này được chọn lọc và lưu trữ trên Blockchain, đảm bảo tính minh bạch và độ tin cậy về nguồn gốc sản phẩm.
Ứng dụng mã QR trong việc truy cập website truy xuất nguồn gốc đã tích hợp công nghệ Blockchain, giúp người dùng dễ dàng truy xuất thông tin chỉ bằng cách quét mã QR.
Mô hình hệ thống
Hệ thống ứng dụng Android giúp theo dõi và điều khiển thiết bị trong nhà kính trồng dâu tây, thu thập thông số môi trường như độ ẩm đất, độ sáng, tình trạng thời tiết, độ ẩm và nhiệt độ không khí Dữ liệu này được gửi lên ứng dụng qua Wifi, cho phép điều khiển các thiết bị như tưới nước, phun sương, đèn và mái che Người dùng có thể lựa chọn chế độ điều khiển thủ công hoặc tự động, với các ngưỡng linh hoạt, nhằm tạo điều kiện tối ưu cho sự phát triển của cây dâu tây.
Khi thu hoạch dâu, mỗi hộp sẽ được dán mã QR để người tiêu dùng có thể quét và truy cập vào website cung cấp thông tin nguồn gốc cây dâu tây Trang web sẽ hiển thị mã truy xuất, ngày thu hoạch, khối lượng hộp, giá thành, giống loài, quy trình sản xuất, công dụng, cách bảo quản, hình ảnh sản phẩm và trang trại, cùng với giấy chứng nhận và thông tin liên hệ với trang trại Tất cả các thông tin này sẽ được lưu trữ an toàn trên nền tảng Blockchain.
Hình 3.1: Mô hình hệ thống.
Thiết kế phần cứng
Hình 3.2: Sơ đồ khối phần cứng
Hệ thống nhà kính được thiết kế đặc biệt cho các chủ trang trại trồng dâu tây, nhằm nâng cao hiệu quả và dễ dàng sử dụng Để đáp ứng nhu cầu kỹ thuật, phần cứng của hệ thống cần có thiết kế linh hoạt và tốc độ xử lý nhanh Sơ đồ khối tổng quát của phần cứng được trình bày trong hình 3.2.
Phần cứng sẽ gồm 4 khối chính: khối xử lý trung tâm, khối thu thập dữ liệu, khối thiết bị điều khiển và khối nguồn:
Khối thu thập dữ liệu có nhiệm vụ thu thập các thông số môi trường ảnh hưởng đến sự phát triển của cây dâu tây thông qua các cảm biến chuyên dụng và gửi thông tin trực tiếp đến khối xử lý trung tâm.
Khối xử lý trung tâm nhận dữ liệu từ các cảm biến và kết hợp với thông số cài đặt từ ứng dụng Android qua cơ sở dữ liệu Firebase Tại đây, tất cả thông tin được xử lý để đưa ra lệnh điều khiển phù hợp cho thiết bị điều khiển.
Khối thiết bị điều khiển bao gồm Relay, động cơ và đèn, tất cả đều được cung cấp nguồn từ khối nguồn Các thiết bị này hoạt động theo lệnh điều khiển được gửi từ khối xử lý trung tâm.
Khối nguồn đóng vai trò quan trọng trong hệ thống, chịu trách nhiệm chuyển đổi và cung cấp nguồn năng lượng cho khối xử lý trung tâm, khối thu thập dữ liệu, cũng như các thiết bị điều khiển.
3.3.2.1 Khối xử lý trung tâm
ESP32 là vi điều khiển trung tâm với khả năng xử lý nhanh và linh hoạt, đáp ứng đầy đủ yêu cầu của hệ thống Nó tích hợp bộ I2C và các GPIO có thể cấu hình để kết nối cảm biến trong khối thu thập dữ liệu và điều khiển thiết bị Hỗ trợ kết nối Wifi giúp truyền nhận dữ liệu với Firebase dễ dàng và nhanh chóng Với giá cả hợp lý và độ phổ biến trên thị trường, việc thay thế và sửa chữa ESP32 cũng rất thuận lợi Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm được thiết kế như hình 3.3.
Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm
3.3.2.2 Khối thu thập dữ liệu Để có thể theo dõi sự phát triển của cây dâu tây, nhóm triển khai thu thập các thông số sau:
Độ ẩm đất trong nhà kính được theo dõi bằng cảm biến độ ẩm đất đầu dò chống ăn mòn Nhóm nghiên cứu sử dụng chân Analog của cảm biến để thu thập chính xác độ ẩm đất hiện tại, từ đó gửi dữ liệu trực tiếp về khối xử lý trung tâm.
Trong việc đo độ sáng trong nhà kính, nhóm đã sử dụng cảm biến cường độ ánh sáng BH1750 Cảm biến này giao tiếp qua chuẩn I2C, với hai chân SCL và SDA được kết nối trực tiếp vào GPIO 22 và GPIO 21 của ESP32.
Cảm biến DHT11 là lựa chọn phổ biến để đo nhiệt độ và độ ẩm không khí trong nhà kính, đặc biệt trong việc trồng dâu tây Với giao tiếp tín hiệu 1 wire, cảm biến này đảm bảo độ chính xác cao và sai số thấp, phù hợp cho việc theo dõi các thông số môi trường quan trọng.
Cảm biến mưa YL-83 được lắp đặt bên ngoài nhà kính với độ nhạy cao, giúp phát hiện mưa kịp thời Nhóm nghiên cứu sử dụng chân Digital của cảm biến làm chân tín hiệu, đáp ứng yêu cầu của hệ thống trong việc xác định tình trạng có mưa hay không.
Theo dữ liệu vừa phân tích ở trên, sơ đồ kết nối chân và thông số hoạt động của các cảm biến được liệt kê lần lượt ở bảng 3.1 và bảng 3.2
Bảng 3.1: Kết nối chân các cảm biến với ESP32
Tên cảm biến Chân kết nối Chân ESP32
Cảm biến độ ẩm đất đầu dò chống ăn mòn A0 GPIO 33
Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750 SCL SCL (GPIO 22)
SDA SDA (GPIO 21) Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm không khí DHT11 DATA GPIO 32
Cảm biến mưa Yl-83 D0 GPIO 34
Bảng 3.2: Thông số điện áp hoạt động của các cảm biến
STT Tên cảm biến Điện áp hoạt động
1 Cảm biến độ ẩm đất đầu dò chống ăn mòn 5VDC
2 Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750 5VDC
3 Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm không khí DHT11 5VDC
4 Cảm biến mưa Yl-83 5VDC
Dựa vào bảng 3.1 và bảng 3.2 ở trên, sơ đồ nguyên lý của khối thu thập dữ liệu kết nối với khối xử lý trung tâm sẽ triển khai như hình 3.4
Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý khối thu thập dữ liệu
3.3.2.3 Khối thiết bị điều khiển
Trong hệ thống, các thiết bị điều khiển sẽ được khối xử lý trung tâm điều khiển trạng thái thực hiện việc đóng ngắt nguồn điện từ khối nguồn cung cấp thông qua Relay Các thiết bị điều khiển này đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý và điều phối hoạt động của toàn bộ hệ thống.
Hệ thống đèn sợi đốt được sử dụng để chiếu sáng và sưởi ấm cho cây dâu tây tại thành phố Đà Lạt, nơi có nhiệt độ trung bình thấp hơn mức cần thiết cho sự phát triển của cây Việc áp dụng hệ thống này giúp duy trì điều kiện lý tưởng cho cây dâu tây, đảm bảo năng suất và chất lượng trái cây.
Hệ thống tưới nước trong nhà kính được triển khai phù hợp với quy mô đề tài, sử dụng động cơ bơm nước mini tự mồi YYP370 để đảm bảo hiệu quả và tiện lợi trong quá trình tưới tiêu.
- Hệ thống phun sương: để phù hợp cho mô hình của đề tài, với hệ thống phun sương nhóm quyết định sử dụng động cơ phun sương GT18
Hệ thống mái che sử dụng động cơ DC để điều khiển trạng thái mở và đóng của mái che Khi động cơ ở trạng thái ON, mái che sẽ mở, và khi ở trạng thái OFF, mái che sẽ đóng.
Bảng 3.3 liệt kê các thông số hoạt động của các động cơ và đèn sử dụng trong khối thiết bị điều khiển:
Bảng 3.3: Thông số điện áp hoạt động của các cảm biến
STT Tên thiết bị Điện áp hoạt động
2 Động cơ bơm nước mini tự mồi YYP370 24VDC
3 Động cơ phun sương GT18 24VDC
Relay 5VDC-SL-C hoạt động với điện áp 5VDC và có khả năng chịu đựng hiệu điện thế lên đến 250VAC 10A, phù hợp cho việc điều khiển các thiết bị bằng ESP32 Mạch Relay được thiết kế cho các thiết bị động cơ và đèn theo hai sơ đồ nguyên lý như trong hình 3.5.
Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý mạch Relay
Thiết kế phần mềm
Phần mềm ứng dụng Android cung cấp nhiều chức năng quan trọng cho việc giám sát và điều khiển các hệ thống nhà kính trồng dâu tây, giúp tối ưu hóa quá trình chăm sóc cây trồng Các tính năng này bao gồm theo dõi nhiệt độ, độ ẩm, và ánh sáng trong nhà kính, cho phép người dùng điều chỉnh các yếu tố môi trường phù hợp với nhu cầu phát triển của dâu tây Ngoài ra, phần mềm còn hỗ trợ cảnh báo khi có sự cố xảy ra, đảm bảo cây trồng luôn được bảo vệ và phát triển khỏe mạnh.
Ứng dụng cần hiển thị đầy đủ dữ liệu từ các cảm biến giám sát môi trường cây dâu tây, bao gồm nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất, ánh sáng và tình trạng thời tiết Việc theo dõi các thông số này giúp xác định trạng thái của nhà kính, từ đó phát hiện và xử lý kịp thời các vấn đề có thể xảy ra.
Điều khiển động cơ: Cung cấp tính năng điều khiển động cơ từ xa, cho phép người dùng có thể điều khiển linh hoạt hoạt động của động cơ
Để kết hợp linh hoạt với chế độ tự động, ứng dụng cần cung cấp tính năng xét ngưỡng, cho phép người dùng điều khiển động cơ tự động dựa trên dữ liệu từ các cảm biến khi so sánh với ngưỡng.
Chế độ tự động của ứng dụng cho phép hệ thống hoạt động mà không cần sự can thiệp của người dùng, dựa trên các cấu hình đã được thiết lập trước đó để tự động thực hiện các nhiệm vụ điều khiển động cơ.
Ứng dụng cần cung cấp hướng dẫn chi tiết về cách sử dụng động cơ trong chế độ tự động, nhằm giúp người dùng dễ dàng chăm sóc cây cối của họ một cách hiệu quả hơn.
3.4.1.1 Lưu đồ tổng quát ứng dụng Android Ứng dụng Android được thiết kế chia thành 5 trang chính bao gồm 1 trang chủ và
4 trang giao diện để giám sát và điều khiển như mô tả trong hình 3.9
Hình 3.9: Lưu đồ tổng quát ứng dụng Android
3.4.1.2 Cấu trúc và lưu đồ hoạt động từng giao diện
Hình 3.10: Cấu trúc giao diện trang chủ
Trang chủ là điểm khởi đầu khi người dùng truy cập ứng dụng, nơi họ có thể xem tổng quan các thông số từ nhiều cảm biến khác nhau Bên cạnh đó, trang còn cung cấp mã QR để người dùng dễ dàng quét và truy cập vào website nhằm kiểm tra nguồn gốc sản phẩm.
3.4.1.2.2 Giao diện trang nhiệt độ - độ ẩm không khí
Trang giao diện cung cấp thông tin về độ ẩm và nhiệt độ không khí xung quanh, dựa trên dữ liệu từ cảm biến Người dùng có khả năng thiết lập ngưỡng nhiệt độ và độ ẩm để điều khiển động cơ phun sương, cho phép hoạt động tự động hoặc thủ công Hình 3.11 minh họa cấu trúc của trang giao diện này.
Hình 3.11: Cấu trúc giao diện trang nhiệt độ - độ ẩm không khí
Trong chế độ tự động, hệ thống sẽ tự động kích hoạt động cơ phun sương khi độ ẩm không khí thấp hơn ngưỡng đã định và nhiệt độ không khí cao hơn ngưỡng đã xét, nhằm tăng cường độ ẩm và giảm nhiệt độ môi trường cho cây Nếu không đáp ứng cả hai điều kiện này, động cơ phun sương sẽ không hoạt động Khi chế độ tự động tắt, người dùng có thể điều khiển động cơ phun sương một cách thủ công Tất cả dữ liệu điều khiển sẽ được đồng bộ và gửi lên Firebase.
Hình 3.12: Lưu đồ hoạt động giao diện trang nhiệt độ - độ ẩm không khí
3.4.1.2.3 Giao diện trang độ sáng
Hình 3.13: Cấu trúc giao diện trang độ sáng
Hình 3.13 mô tả cấu trúc giao diện trang ánh sáng, hiển thị độ sáng môi trường và nhiệt độ trong nhà kính dựa trên dữ liệu từ cảm biến Ngưỡng độ sáng và nhiệt độ được sử dụng để điều khiển tự động các thiết bị đèn Hình 3.14 trình bày lưu đồ hoạt động của trang này.
Nếu chế độ tự động được kích hoạt, hệ thống đèn sẽ tự động bật khi đạt một trong hai điều kiện nhất định Hình 3.14 minh họa lưu đồ hoạt động của giao diện điều chỉnh độ sáng.
Nhiệt độ trong nhà kính thấp hơn ngưỡng được đặt trước
Độ sáng trong nhà kính thấp hơn ngưỡng được đặt trước
Nếu chế độ tự động tắt, người dùng có thể bật hoặc tắt đèn một cách thủ công Các dữ liệu liên quan như trạng thái đèn, ngưỡng nhiệt độ, độ sáng và chế độ hoạt động sẽ được ghi lại và gửi lên Firebase.
3.4.1.2.4 Giao diện trang độ ẩm đất
Hình 3.15: Cấu trúc giao diện trang độ ẩm đất
Hình 3.16: Lưu đồ hoạt động giao diện trang độ ẩm đất
Trang hiển thị độ ẩm đất cung cấp dữ liệu từ cảm biến độ ẩm, cho phép người dùng thiết lập ngưỡng độ ẩm để điều khiển động cơ tưới nước, từ đó điều chỉnh độ ẩm đất hiệu quả Cấu trúc và lưu đồ hoạt động của giao diện được thể hiện trong Hình 3.5 và 3.16.
Hệ thống tưới nước tự động hoạt động dựa trên độ ẩm đất, với chế độ tự động bật khi độ ẩm thấp hơn ngưỡng đã định Khi đó, động cơ tưới nước sẽ tự động hoạt động để cung cấp nước và cải thiện độ ẩm cho cây Nếu độ ẩm đất không đạt yêu cầu, hệ thống sẽ tắt động cơ tưới Trong trường hợp chế độ tự động tắt, người dùng có thể điều khiển động cơ tưới nước một cách thủ công Dữ liệu hoạt động cũng được đồng bộ và gửi lên Firebase để quản lý hiệu quả.
3.4.1.2.5 Giao diện trang thời tiết
Giao diện trang thời tiết cung cấp thông tin thời tiết hiện tại như tình trạng nắng/mưa và độ sáng môi trường Người dùng có thể điều khiển động cơ màn che thông qua các nút nhấn đơn giản Cấu trúc và lưu đồ hoạt động của giao diện này được minh họa trong hình 3.17 và hình 3.18.
Hình 3.17: Cấu trúc giao diện trang thời tiết
Hình 3.18: Lưu đồ hoạt động giao diện trang thời tiết
Khi chế độ tự động được bật, hệ thống sẽ tự động mở màn che khi trời nắng và độ sáng môi trường thấp hơn ngưỡng đã thiết lập; ngược lại, nếu không đủ điều kiện, màn che sẽ đóng lại Nếu chế độ tự động tắt, việc đóng/mở màn che sẽ phụ thuộc vào điều khiển thủ công của người dùng Sau khi thực hiện các hoạt động này, dữ liệu về trạng thái chế độ tự động, trạng thái mái che và ngưỡng độ sáng sẽ được gửi lên Firebase.
Mô hình hệ thống nhà kính
Mô hình hệ thống nhà kính được thiết kế đơn giản và gọn gàng trong một hộp nhựa mica trong suốt với kích thước 20 x 30 x 7 cm Động cơ và đèn được kết nối với mạch in qua các domino gắn với Relay, giúp dễ dàng điều khiển và lắp đặt trong nhà kính Các đầu cảm biến của cảm biến mưa và độ ẩm đất được nối dây ra khỏi mạch in, cho phép thu thập dữ liệu môi trường chính xác hơn.
Hình 4.1: Mô hình phần cứng bên ngoài
Hình 4.2: Mô hình phần cứng bên trong
Mạch in được thiết kế dựa trên sơ đồ nguyên lý phần cứng, bao gồm vi điều khiển ESP32, khối nguồn, và 4 Relay để điều khiển động cơ Hệ thống còn tích hợp các cảm biến thu thập dữ liệu như ánh sáng, độ ẩm đất, mưa, và nhiệt độ - độ ẩm không khí Hình 4.3 trình bày kết quả thi công mạch in của nhóm.
Hình 4.3: Kết quả thi công mạch in
4.1.2 Giao diện ứng dụng Android a) b) c)
Hình 4.4: Giao diện ứng dụng Android
Giao diện ứng dụng Android, như thể hiện trong Hình 4.4, cho phép giám sát và điều khiển các thiết bị trong mô hình nhà kính của hệ thống Ứng dụng đã được thiết kế theo đúng cấu trúc và các chức năng cần thiết mà nhóm đã xác định trong chương trước.
3 bao gồm các giao diện sau:
Trang chủ (hình 4.4a) hiển thị thông tin thu thập từ môi trường qua các cảm biến, đồng thời cung cấp mã QR để người dùng dễ dàng truy cập vào website tra cứu nguồn gốc.
Các trang giao diện giám sát và điều khiển bao gồm trang nhiệt độ và độ ẩm, độ sáng, độ ẩm đất và thời tiết, tất cả đều được thiết kế để hiển thị các thông số dữ liệu môi trường tương ứng Mỗi giao diện được trang bị nút cho chế độ tự động và thủ công, cùng với cách thanh kéo thả để cài đặt ngưỡng Ngoài ra, góc trên bên phải mỗi giao diện còn có hướng dẫn cho người dùng về chế độ tự động.
4.1.3 Mô tả hoạt động của mô hình nhà kính
4.1.3.1 Trang nhiệt độ - độ ẩm a) b) c) d)
Hình 4.5 minh họa hoạt động của hệ thống điều khiển nhiệt độ và độ ẩm Khi động cơ phun sương được bật thủ công (hình 4.5a), Relay sẽ được kích hoạt, đèn LED trên Relay sáng để báo hiệu, và động cơ sẽ hoạt động (hình 4.5c) Tuy nhiên, khi chuyển sang chế độ tự động (hình 4.5b), động cơ sẽ ngay lập tức dừng hoạt động (hình 4.5d) do giá trị nhiệt độ và độ ẩm không đạt yêu cầu để kích hoạt động cơ theo ngưỡng đã định.
Hình 4.6: Hoạt động của trang độ sáng
Khi bật bóng đèn thủ công như trong hình 4.6a, kết quả phần cứng hiển thị ở hình 4.6d Khi chuyển sang chế độ tự động (hình 4.6b) với các giá ngưỡng đã cài đặt, bóng đèn sẽ tự động tắt (hình 4.6e) vì nhiệt độ và độ sáng môi trường vượt quá ngưỡng Ngược lại, nếu giá trị ngưỡng độ sáng được điều chỉnh cao hơn mức độ sáng hiện tại, bóng đèn sẽ được bật lại như thể hiện ở hình 4.6d.
Hình 4.7: Hoạt động của trang độ ẩm đất
Khi đầu dò độ ẩm đất chưa tiếp xúc với môi trường ẩm ướt và động cơ tắt, trạng thái được thể hiện trong hình 4.7a và 4.7c Ngược lại, khi chế độ tự động được bật và đầu dò tiếp xúc với nước, như trong hình 4.7b và 4.7d, nếu độ ẩm hiện tại thấp hơn ngưỡng quy định, đèn LED báo hiệu Relay sẽ sáng và động cơ bắt đầu bơm nước.
Hình 4.8: Hoạt động của trang thời tiết
Khi chế độ tự động được kích hoạt và độ sáng môi trường thấp hơn ngưỡng, trong khi cảm biến không phát hiện mưa, đèn LED và động cơ mái che sẽ hoạt động Ngược lại, nếu cảm biến phát hiện mưa, động cơ mái che sẽ ngừng hoạt động mặc dù độ sáng môi trường vẫn thấp hơn ngưỡng.
4.1.4 Đánh giá kết quả hoạt động của mô hình nhà kính
Sau khi xác minh tính chính xác của các giao diện, nhóm đã tiến hành kiểm tra tính ổn định và thống kê kết quả hoạt động của mô hình phần cứng Kết quả được trình bày trong bảng 4.1 và bảng 4.2 dưới đây.
Bảng 4.1: Bảng thống kê tình trạng hoạt động của mô hình
Thời gian Các cảm biến Vi điều khiển Các thiết bị điều khiển
Sau 30 phút Ổn định Ổn định Ổn định
Sau 1 tiếng Ổn định Ổn định Ổn định
Nhóm đã tiến hành kiểm thử mô hình trong 1 giờ với nguồn điện 220VAC Trong suốt quá trình kiểm thử, không xảy ra tình trạng sụt áp hay thiết bị ngưng hoạt động, và các thao tác điều khiển vẫn diễn ra bình thường Kết quả cho thấy các thiết bị trong mô hình hoạt động ổn định cả trong và sau thời gian kiểm thử.
Bảng 4.2: Bảng thống kê điều khiển thiết bị
Số lần điều khiển (Sau 30 lần) Ứng dụng Android Phần cứng
Trang nhiệt độ - độ ẩm Thành công 30/30 Thành công 30/30
Sau 30 lần kiểm tra, các chỉ số như độ sáng, độ ẩm đất và thời tiết đều đạt kết quả thành công 30/30 Kết quả điều khiển thiết bị cho thấy sự tương tác giữa ứng dụng Android và phần cứng hoàn toàn ổn định và chính xác.
Blockchain truy xuất nguồn gốc kết hợp Website
4.2.1 Triển khai hợp đồng thông minh
Hình 4.9: Triển khai hợp đồng thông minh
Hợp đồng thông minh trên mạng lưới Blockchain, như hình 4.9, chứa thông tin quan trọng về sản phẩm bao gồm tên, giống loài, và ngày hết hạn Những thông tin này được hiển thị rõ ràng cho người mua, giúp họ có cái nhìn toàn diện về sản phẩm.
Hợp đồng thông minh chứa dữ liệu về nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất và ánh sáng môi trường, nhưng chỉ có những người kiểm duyệt có thẩm quyền mới được truy cập thông tin này để đảm bảo tính xác thực và độ tin cậy Nhà phát triển cũng có quyền truy cập để cải thiện hợp đồng Để triển khai hợp đồng thông minh, nhóm sử dụng ví điện tử Metamask, đảm bảo an toàn cho giao dịch trên Blockchain Phí giao dịch được xác định dựa trên độ phức tạp của hợp đồng, giúp đảm bảo tính công bằng và linh hoạt trong giao dịch.
4.2.2 Tương tác và theo dõi dữ liệu trên mạng lưới Blockchain
Hình 4.10 và hình 4.11 dưới đây cho thấy rõ cách theo dõi thông tin được yêu cầu và nhận từ mạng lưới Blockchain thông qua API của INFURA
Hình 4.10: Theo dõi dữ liệu với lựa chọn mạng
Hình 4.11: Trạng thái của các yêu cầu
Trong hình 4.10a, chúng ta thấy các yêu cầu gửi và nhận thông tin từ mạng lưới Blockchain đã chọn, với biểu đồ thể hiện thời gian và số lượng yêu cầu thực hiện Ví dụ, nhóm đang sử dụng mạng lưới Goerli (Testnet) để thực hiện các yêu cầu Hình 4.10b cho phép theo dõi tất cả các yêu cầu trên các mạng lưới khác nhau, cung cấp thông tin chi tiết về số lượng và thời gian chính xác của các yêu cầu.
Hình 4.11 cung cấp cái nhìn tổng quan về hoạt động của các yêu cầu thông tin đến mạng lưới Blockchain, bao gồm tổng số yêu cầu, thời gian phục vụ trung bình và trạng thái của từng yêu cầu (thành công, thất bại, đang chờ xử lý) Thông tin này giúp chúng ta hiểu rõ hơn về quy trình xử lý yêu cầu thông tin và tình trạng hiện tại của chúng.
Bằng cách theo dõi và phân tích thông tin qua đồ thị của dịch vụ INFURA, chúng ta có thể đánh giá hiệu suất và tình trạng của các yêu cầu tương tác với mạng lưới Blockchain Điều này giúp kiểm tra và phát triển hợp đồng thông minh trên mạng lưới Blockchain một cách dễ dàng và an toàn thông qua API của INFURA.
4.2.3 Hiển thị thông tin từ Blockchain lên Website
Hình 4.12: Website hiển thị thông tin
Tất cả thông tin công khai trong hợp đồng thông minh sẽ được hiển thị trên website do nhóm thiết kế, giúp khách hàng dễ dàng truy cập thông tin nguồn gốc sản phẩm Tuy nhiên, do tính chất và yếu tố thời gian liên quan đến thu hoạch và mã truy xuất, hai thông tin này sẽ thay đổi nhanh chóng Vì vậy, không sử dụng mạng lưới Blockchain để lưu trữ thông tin này do tính không thể chỉnh sửa của Blockchain.
Thông tin về ngày thu hoạch và mã truy xuất sẽ được cập nhật trên Website theo thời gian thực, đảm bảo khách hàng luôn nhận được thông tin chính xác và kịp thời.
Khách hàng sẽ nhận được thông tin mới nhất về ngày thu hoạch, mã truy xuất và chất lượng sản phẩm mà họ mua Để đảm bảo sự tin tưởng, thông tin này sẽ được lưu trữ trên Blockchain, và người tiêu dùng sẽ nhận mã giao dịch của hợp đồng thông minh Nhờ vào các mã giao dịch này, người tiêu dùng có thể xác minh tính chính xác của thông tin và đảm bảo rằng các dữ liệu đã được lưu trữ trên Blockchain không thể bị thay đổi.
4.2.4 Mã QR liên kết tới Website
Hình 4.13: Mã QR dẫn đến Website
Mã QR trong hình 4.13 được liên kết với một Website cụ thể, như thể hiện trong hình 4.14 Mỗi mã QR mang một mã truy xuất và ngày thu hoạch riêng, và mỗi hộp dâu bán ra đều được dán một mã QR, giúp khách hàng dễ dàng và nhanh chóng truy cập vào Website.
Hình 4.14: Website được truy cập khi quét mã QR
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Hướng phát triển
Với đề tài lần nhóm đề xuất các ý tưởng có thể phát triển sau:
- Cải thiện hệ thống thu thập dữ liệu môi trường với nhiều thông số hơn như là: độ pH, nồng độ chất lượng không khí
Cải thiện ứng dụng Android với nhiều chức năng đa dạng, giao diện bắt mắt và khả năng điều khiển nhiều hệ thống nhà kính khác nhau từ một ứng dụng duy nhất.
- Tăng thêm độ chính xác và thời gian thực giữa ứng dụng Android và hệ thống phần cứng
Ứng dụng di động giám sát và điều khiển nhà kính hiện tại chỉ tương thích với hệ điều hành Android Tuy nhiên, chúng ta có thể mở rộng phát triển để hỗ trợ nhiều hệ điều hành khác, nhằm nâng cao tính khả dụng và tiếp cận người dùng.
Cải thiện website truy xuất nguồn gốc giúp nâng cao khả năng tìm kiếm sản phẩm qua mã truy xuất, đồng thời phân biệt quyền truy cập giữa người sản xuất và người tiêu dùng.
- Mở rộng quy mô người tham gia vào quản lý Blockchain truy xuất nguồn gốc để mang lại hiệu quả tốt nhất