Để có thể vận hành và theo dõi từ xa, người dùng sẽ sử dụng máy tính có internet để theo dõi và quản lý hoạt động của các thiết bị có trong hệ thống thông qua giao diện điều khiển.. Tron
GIỚI THIỆU
ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngành nông nghiệp đang trải qua sự phát triển mạnh mẽ nhờ sự góp mặt của các công nghệ hiện đại Việc áp dụng công nghệ vào nông nghiệp không chỉ giúp tăng thêm năng suất và chất lượng sản phẩm mà còn giảm thiểu các tác động xấu tới môi trường Một trong những ứng dụng nổi bật của công nghệ trong nông nghiệp là hệ thống trồng trọt trong nhà kính kết hợp với Internet of Things (IoT)
Dâu tây là một mặt hàng có giá trị kinh tế cao và có nhu cầu tiêu thụ cao Tuy nhiên, việc trồng dâu tây không hề đơn giản vì nó đòi hỏi các điều kiện môi trường mà ở nước ta chỉ một vài địa phương đáp ứng được điều kiện môi trường thích hợp có thể canh tác Chính vì vậy, để có thể tăng cao năng suất của loại cây này và mở rộng môi trường trồng trọt chúng ta cần ứng dụng công nghệ tiên tiến vào canh tác dâu tây
Trong bối cảnh đó, dự án “Thiết kế và thi công hệ thống trồng dâu tây thủy canh trong nhà kính ứng dụng IoT” được thực hiện với mục tiêu tạo ra một mô hình trồng dâu tây hiệu quả, thông minh và ứng dụng các tiến bộ công nghệ hiện đại Hệ thống này cho phép giám sát và kiểm soát từ xa các điều kiện môi trường, tự động hóa quá trình cung cấp nước và cung cấp chất dinh dưỡng, cũng như thu thập dữ liệu để phân tích và tối ưu hóa quá trình phát triển.
MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
Hệ thống này ứng dụng vào nhằm mục đích xây dựng hệ thống IoT phục vụ việc trồng cây dâu tây giúp người dùng có thể theo dõi và điều chỉnh môi trường sống cho cây dâu tây một cách hiệu quả, đồng thời cung cấp khả năng giám sát và điều khiển ngay tại hệ thống và từ xa qua mạng internet
Hệ thống xây dựng phần cứng thu thập các số liệu về nhiệt độ, độ ẩm môi trường, nồng độ chất dinh dưỡng, nồng độ pH, mực nước trồng cây, mực dung dịch dinh dưỡng, mực dung dịch tăng/giảm nồng độ pH, cường độ ánh sáng Phần cứng bao gồm các cảm biến cùng với bàn phím để chọn chế độ hoạt động và các thiết bị
Người sử dụng có khả năng theo dõi các dữ liệu từ cảm biến, theo dõi trạng thái các thiết bị, điều khiển hoạt động các thiết bị, điều chỉnh các ngưỡng giá trị trên giao diện website của hệ thống.
TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước
Việc nghiên cứu về công nghệ IoT và ứng dụng chúng vào nông nghiệp ở nước ta đang ngày càng phát triển Một số dự án và nghiên cứu liên quan đến việc xây dựng hệ thống nhà kính trồng dâu tây thủy canh ứng dụng IoT bao gồm: Ứng dụng IoT trong canh tác cây dâu tây, cà chua tại Đà Lạt: Tại Đà Lạt, đã triển khai mô hình “Ứng dụng IoT trong việc tưới nước và châm phân tự động điều khiển qua điện thoại dựa trên cảm biến và phần mềm phân tích trên cây dâu tây và cà chua trồng trên giá thể trong nhà kính” Hệ thống này giúp tiết kiệm lượng phân, nước và cung cấp thông tin liên tục cho người quản lý vườn.
Tại hội nghị quốc tế về phân tích và tính toán nâng cao (ACOMPA) năm
2023, đề tài “Thiết kế hệ thống nhà màng thông minh và xây dựng phần mềm quản lý trang trại dưa để phát triển nông nghiệp công nghệ cao” của các tác giả Quang-Hung Nguyen, Hoành-Sữ Lê và Trần Duy Thanh đã đưa ra nghiên cứu và xây dựng mô hình màng thông minh và các công cụ quản lý trang trại trồng dưa
Hệ thống hỗ trợ quản lý được triển khai qua website và ứng dụng di động, giúp nông dân Việt Nam quản lý cây trồng hiệu quả hơn [2]. Đề tài “Thiết kế hệ thống nông nghiệp xanh sử dụng Internet vạn vật và kỹ thuật xử lý hình ảnh” của các tác giả Hà Anh Minh Trần, Hà Quang Thịnh Ngô, Thanh Phương Nguyễn và Hùng Nguyên đã đưa ra nghiên cứu và xây dựng
3 mô hình trồng cây tự động và giám sát từ xa Hệ thống này sử dụng công nghệ Internet of Things (IoT) và xử lý hình ảnh để cải thiện quy trình canh tác Các thông số hệ thống được cập nhật thường xuyên và lưu trữ trên đám mây Bên cạnh đó, các đồn điền được giám sát liên tục bằng camera kỹ thuật số, và hình ảnh thu thập được sẽ được phân tích bởi PC chủ để dự đoán quá trình phát triển cây trồng Hệ thống này giúp nông dân ước tính thời gian thu hoạch tốt nhất và đảm bảo sản xuất hàng loạt lương thực một cách hiệu quả [3].
1.3.2 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài Ở nước ngoài, IoT đã trở thành một phần quan trọng trong lĩnh vực nông nghiệp Các quốc gia phát triển đã đi đầu trong việc áp dụng công nghệ này để tạo ra các hệ thống trồng trọt thông minh và tự động Các dự án nghiên cứu tập trung vào việc phát triển các giải pháp thông minh để quản lý nước, phân bón và chăm sóc cây trồng Các nghiên cứu và dự án thực tiễn đã cho thấy rằng IoT đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất của ngành nông nghiệp trên toàn cầu Ấn Độ là một đất nước mà có hơn 70% dân số phụ thuộc vào nông nghiệp, giải pháp duy nhất để cải thiện sự phát triển của đất nước này là áp dụng nông nghiệp thông minh, hiện đại hóa các kỹ thuật canh tác Công nghệ IoT đã mang lại nhiều lợi ích cho nông nghiệp của nước này ví dụ như nhiều cảm biến IoT khác nhau có thể được sử dụng để theo dõi các yếu tố quan trọng quyết định năng suất Tại đây, nhà kính thông minh, tích hợp hệ thống thủy canh và aquaponic vi mô, là một ví dụ tiêu biểu của Internet of Things (IoT) Những nhà kính này giám sát và điều chỉnh các yếu tố phân bón, từ đó cải thiện sự phát triển, năng suất cây trồng [4].
NỘI DUNG THỰC HIỆN
Đề tài đã thực hiện với các nội dung sau:
• Nghiên cứu đặc tính của cây dâu tây và tính cấp thiết của việc ứng dụng IoT vào việc trồng cây dâu tây bằng phương pháp thủy canh trong nhà kính
• Nghiên cứu và đưa ra các yêu cầu về tính năng và kỹ thuật của hệ thống
• Tìm hiểu tính năng và nguyên lý hoạt động của vi xử lý và các thiết bị ngoại vi
• Thiết kế, xây dựng mô hình và lập trình giao diện website điều khiển của hệ thống
• Tiến hành thực nghiệm và đánh giá kết quả dựa trên yêu cầu hệ thống.
BỐ CỤC BÀI BÁO CÁO
Toàn bộ báo cáo được trình bày trong 5 chương:
Chương 1 Giới thiệu: Giới thiệu tổng quan đề tài đồ án và mục tiêu đề tài Trình bày về tình hình nghiên cứu và các nội dung sẽ thực hiện.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CÔNG NGHỆ IOT
2.1.1 Giới thiệu công nghệ IoT
Internet Of Thing (IoT) đại diện cho bước tiến mạnh mẽ trong quá trình hiện đại hóa thế giới công nghệ Công nghệ IoT tạo ra một mạng lưới kết nối giữa các đối tượng được kết nối internet nhằm mục đích dễ dàng và tiện lợi kết nối, trao đổi dữ liệu qua mạng internet
Tưởng tượng rằng mỗi thiết bị, từ chiếc điện thoại thông minh đến máy giặt, tivi hay cả chiếc xe của bạn, đều có thể trò chuyện với nhau và với internet Chúng có thể chia sẻ thông tin, nhận lệnh, và thậm chí tự động hoạt động để giúp bạn cuộc sống trở nên thuận tiện hơn và hiệu quả hơn
Nhờ vào IoT, không còn có giới hạn trong việc nối kết và truy cập thông tin giữa mọi thứ với nhau Nó giúp mở ra một thế giới mới, nơi mọi thứ từ nhà ở đến công việc đều có thể được kết nối và điều khiển thông qua một mạng lưới thông minh và linh hoạt
Một số ứng dụng phổ biến của công nghệ IoT hiện nay đang có:
• Nhà Thông Minh: Bạn có thể kiểm soát đèn, rèm cửa, máy lạnh và các thiết bị gia dụng khác từ xa thông qua điện thoại di động của mình Bạn có thể nhận được các cảnh báo an ninh, các cảnh báo cháy, khí gas kịp thời
• Quản Lý Hạ Tầng: Trong lĩnh vực quản lý hạ tầng, IoT giúp theo dõi và kiểm soát các hệ thống như trang trại, cảng biển Nhờ vào việc tự động hóa và giám sát từ xa, ta có thể đảm bảo hoạt động diễn ra an toàn và hiệu quả
• Y Tế: Trong lĩnh vực y tế, người ta sử dụng các thiết bị IoT giúp theo dõi sức khỏe và cung cấp thông tin về tình trạng sức khỏe của bệnh nhân Điều này giúp cải thiện quản lý bệnh nhân và tiện lợi cho người dùng
• Nông Nghiệp: Trong nông nghiệp, công nghệ IoT được dùng rộng rãi và phổ biến, chủ yếu để giám sát môi trường, điều khiển từ xa và tự động hóa quá trình sản xuất Nhờ vào việc tự động hóa quy trình và thu thập dữ liệu, ta có thể tối ưu hóa năng suất và giảm lãng phí
2.1.3 Ứng dụng IoT trong nông nghiệp
Nông nghiệp hiện đại khác với nông nghiệp truyền thống ở chỗ nó sử dụng các công nghệ hiện đại để tối ưu hóa quá trình sản xuất nông nghiệp Nó bao gồm việc áp dụng các thiết bị kết nối và công nghệ hiện đại vào trong lĩnh vực nông nghiệp Trong nông nghiệp thông minh, IoT đóng vai trò quan trọng, giúp giảm bớt nhân công và tăng hiệu suất sản xuất, giúp nông dân theo dõi và điều chỉnh quá trình trồng trọt một cách hiệu quả
Nông nghiệp thông minh dựa trên IoT giúp nâng cao hiệu suất của hệ thống nông nghiệp Nhờ vào việc giám sát thời gian thực và kết nối các thiết bị cảm biến, nó giúp tiết kiệm thời gian và tối ưu hóa sử dụng tài nguyên Điều này mang lại lợi ích to lớn cho nông dân và môi trường, tạo ra một nền nông nghiệp hiệu quả và phát triển bền vững
Hình 2.1: Mô hình IoT trong nông nghiệp
2.1.4 Quy trình trồng dâu tây bằng phương pháp thủy canh hồi lưu
Phương pháp trồng thủy canh hồi lưu là một kỹ thuật hiện đại trong lĩnh vực nông nghiệp, cho phép cây trồng phát triển mà không cần sử dụng đất Thay vào đó, cây được nuôi dưỡng bằng dinh dưỡng hòa tan trong nước Hệ thống thủy canh hồi lưu bao gồm các thành phần như bể chứa dung dịch dinh dưỡng, bơm nước và các ống dẫn để tuần hoàn dung dịch qua rễ cây Một trong những ưu điểm lớn của phương pháp này là khả năng tái sử dụng dung dịch dinh dưỡng, giúp tiết kiệm nước và phân bón Để tăng năng suất đồng thời tiết kiệm năng lượng để có thể áp dụng mô hình hệ thống ở các vùng nóng như TP Hồ Chí Minh thì chúng tôi thiết kế mô hình áp dụng cho giống dâu tây chịu nhiệt Hana của Nhật Điều kiện sinh trưởng của dâu tây hana trên hệ thống thủy canh:
Dâu tây Hana là một loại cây có khả năng chịu nhiệt khá tốt, có thể sống ở nhiệt độ khoảng 40 độ C Tuy nhiên, để đạt năng suất tốt nhất, nên duy trì nhiệt độ dưới 30 độ C Nhiệt độ quá cao có thể làm giảm tốc độ phát triển và ảnh hưởng đến chất lượng quả
Dâu tây Hana cần được cung cấp đủ 8-12 giờ ánh sáng mỗi ngày để đảm bảo quá trình sinh trưởng và phát triển diễn ra thuận lợi Hệ thống thủy canh được trang bị đèn LED chuyên dụng để bổ sung ánh sáng cho cây trồng, đặc biệt là trong những ngày mưa hoặc mùa đông khi ánh sáng tự nhiên không đủ
Trong thủy canh, mức độ pH của dung dịch chơi vai trò then chốt và có liên quan trực tiếp đến sự phát triển và tăng trưởng của cây Độ pH lý tưởng cho dâu tây Hana là trong khoảng từ 5.8 đến 6.2 Kiểm soát độ pH trong khoảng này giúp cây hấp thụ dinh dưỡng tốt nhất, tránh các vấn đề như thiếu hụt hoặc thừa chất dinh dưỡng
Nồng độ chất dinh dưỡng trong nước cũng là một yếu tố quan trọng trong quá trình cây dâu tây phát triển, nó sẽ thay đổi theo từng giai đoạn từ cây con cho
8 tới khi trưởng thành Khi cây còn non, nồng độ ppm thích hợp là khoảng 450ppm, sau đó cứ cách 7 ngày tăng 100ppm cho đến khi cây trưởng thành, duy trì ở mức khoảng 800-1000ppm Việc điều chỉnh nồng độ dinh dưỡng phù hợp giúp cây phát triển cân đối, ra hoa và ra trái đúng thời điểm.
CHUẨN GIAO TIẾP ỨNG DỤNG TRONG IOT
UART là 1 giao thức nối tiếp bất đồng bộ, sử dụng một đường gửi và một đường nhận dữ liệu, 2 chân của UART được nối chéo với nhau[5]
Hình 2.2: Chuẩn truyền dữ liệu bất đồng bộ UART
Các khái niệm cần nắm rõ trong giao tiếp UART:
Tốc độ Baud: Số bit truyền đi trong một giây Ví dụ: 9600 bit/giây nghĩa là 9600 bit dữ liệu được truyền mỗi giây
Khung truyền: Xác định số bit truyền, gồm Start bit, Stop bit, và Parity bit [5]
Hình 2.3: Khung truyền dữ liệu trong UART
Start bit: Bit thông báo quá trình truyền dữ liệu được Start bit là một phần bắt buộc của mỗi khung truyền
Data: Số bit dữ liệu truyền
Parity bit: Kiểm tra tính đúng đắn của dữ liệu, có thể là bit chẵn hoặc lẻ, và không bắt buộc [5]
Stop bits: Thông báo kết thúc truyền dữ liệu và giúp thiết bị nhận kiểm tra khung dữ liệu
SPI là một chuẩn truyền thông đồng bộ sử dụng cấu trúc master-slaver, có thể truyền tín hiệu giữa 1 Master và nhiều Slave [6]
Hình 2.4: Chuẩn truyền dữ liệu đồng bộ SPI
Cấu tạo của giao tiếp SPI [6]:
• SCK: Chia sẻ tín hiệu xung nhịp
• MOSI : Dữ liệu truyền từ Master tới các Slave
• MISO: Dữ liệu truyền từ các Slave tới Master
• SS/CS: Tín hiệu để Master chọn slave nào sẽ tham gia truyền thông
“I2C là giao thức giao tiếp nối tiếp đồng bộ Dùng để truyền dữ liệu giữa bộ xử lý trung tâm và các thiết bị dùng hai đường truyền[7]”
Khung truyền dữ liệu bao gồm 1 Star bit, các bit địa chỉ thiết bị, bit đọc/ghi, bit ACK/NACK và 1 Stop bit
Hình 2.5: Truyền dữ liệu trong giao thức I2C
Start Condition: Thông báo bắt đầu truyền dữ liệu bởi Master
Contains Address: Khối địa chỉ bao gồm các bit và địa chỉ của Slave mà Master cần gửi hoặc nhận dữ liệu
Bit read/write: xác nhận Master đang truyền hay đang nhận dữ liệu
Bit ACK/NACK: Bit này sẽ được thiết bị Slave đặt bằng 0 khi địa chỉ của Slave đó giống với địa chỉ mà Master phát, ngược lại nếu không trùng thì bit sẽ được đặt bằng 1
Stop condition: Thông báo kết thúc truyền nhận dữ liệu
2.2.3 Chuẩn truyền thông không dây IEEE 802.11 Wifi
Chuẩn IEEE 802.11, hay còn được gọi là Wifi, mô tả một phương thức truyền dẫn tín hiệu qua không gian bằng sóng vô tuyến giữa các thiết bị điện tử không dây và một điểm phát sóng hoặc giữa các thiết bị điện tử không dây với nhau
Chuẩn 802.11n sử dụng kỹ thuật MIMO (Multiple Input, Multiple Output) để truyền và nhận dữ liệu qua nhiều anten không dây, tăng phạm vi và thông lượng của mạng Nó sử dụng nhiều ăng ten đồng thời, tăng hiệu suất truyền dẫn.
CƠ SỞ DỮ LIỆU
Cơ sở dữ liệu thời gian thực của Firebase là một cơ sở dữ liệu trên cloud cho phép người dung lưu trữ và cập nhật dữ liệu các thiết bị kết nối theo dữ liệu mới nhất
Các khả năng chính của cơ sở dữ liệu này bao gồm:
Dữ liệu được tổ chức dưới dạng cây JSON: Giúp việc quản lý và truy vấn dữ liệu trở nên đơn giản Đồng bộ thời gian thực: Dữ liệu sẽ được cập nhật ngay sau khi có sự đổi mới, tất cả các thiết bị đã kết nối sẽ nhận được các cập nhật sau khi thay đổi được thực hiện
Lưu trữ ngoại tuyến: Khi người dùng không sử dụng mạng, dữ liệu sẽ lưu trữ tạm thời trong bộ nhớ đệm, và sẽ được đồng bộ một cách tự động khi thiết bị kết nối lại mạng
Truy cập bằng thiết bị khác: Cơ sở dữ liệu này có thể tiếp cận từ cả thiết bị khác mà không cần phải có một máy chủ riêng biệt Cho phép kiểm soát quyền truy cập dựa trên các điều kiện cụ thể.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG
YÊU CẦU TÍNH NĂNG HỆ THỐNG
Hệ thống là một mô hình trồng dâu tây trong nhà kính bằng phương pháp thủy canh đáp ứng được các yêu cầu về tính năng như sau:
• Giám sát các thông tin của không gian xung quanh (nhiệt độ và độ ẩm không khí, cường độ ánh sáng)
• Theo dõi các số liệu của nước trồng thủy canh (nồng độ pH, nồng độ chất dinh dưỡng)
• Theo dõi mức dung dịch pH, dung dịch dinh dưỡng, nước trồng thủy canh còn lại cung cấp cho cây, cảnh báo cho người dùng khi mức còn lại thấp
• Theo dõi trạng thái hoạt động của thiết bị trong cả hệ thống, thông báo khi thiết bị có sự cố
• Hệ thống có khả năng tự điều khiển để tạo môi trường phù hợp cho cây bao gồm: nhiệt độ môi trường, độ pH, độ dinh dưỡng nước trồng thủy canh, luân chuyển nước trồng thủy canh
• Điều khiển bật/tắt các thiết bị trong hệ thống bằng nút nhấn tại vườn hoặc thông qua màn hình máy tính
• Hiển thị thông tin lên màn hình tại hệ thống và trên màn hình máy tính
• Cập nhật các giá trị dữ liệu người dùng đưa ra (ngưỡng độ pH, nhiệt độ, độ dinh dưỡng cần cho cây).
YÊU CẦU KỸ THUẬT
• Truyền nhận dữ liệu qua wifi
• Thu thập và giám sát các giá trị của môi trường
• Vận hành và giám sát thiết bị có trong hệ thống
• Cho phép người dung tương tác
• Giám sát và cảnh báo khi thiết bị gặp sự cố trong hệ thống
Với các cảm biến, tùy thuộc vào thiết kế và vật liệu chế tạo, sẽ có sai số khác nhau Sai số cho phép của các cảm biến dùng trong hệ thống như sau:
• Sai số của cảm biến đo nhiệt độ: ±2%
• Sai số của cảm biến đo nồng độ pH: ±0.1 pH
• Sai số của cảm biến đo nồng độ dinh dưỡng: ±10%
Hệ thống điều khiển được thực hiện qua màn hình máy tính và dữ liệu được truyền thông qua mạng wifi, do đó cần có thời gian chờ để truyền nhận và xử lý dữ liệu Thời gian phản hồi cho phép của các thiết bị đối với lệnh điều khiển từ người dùng nằm trong khoảng < 7s
Trong mô hình trồng dâu tây, hệ thống cần phải hoạt động liên tục, do đó nhiệt độ của hệ thống cần được duy trì ở mức an toàn để tránh cháy nổ và hư hại Nhiệt độ hoạt động cho phép của hệ thống nằm trong khoảng từ 0-40 độ C
Công suất tiêu thụ điện năng của hệ thống phải được thiết kế hợp lý để đảm bảo tiết kiệm năng lượng cho vườn trồng dâu tây Vì vậy, công suất tiêu thụ tối đa cho phép được giới hạn là < 60W
Kích thước mô hình: 45x35x35 cm.
MÔ HÌNH TỔNG THỂ HỆ THỐNG
Mô hình nhà kính trồng dâu tây thủy canh ứng dụng IoT được xây dựng và phát triển cho nông nghiệp thông minh được phác họa theo hình3.1 bên dưới:
Hình 3.1: Mô tả mô hình hệ thống
Hệ thống này có nhiệm vụ quản lý các thông số: nhiệt độ, độ ẩm, cường độ ánh sáng, nồng độ dinh dưỡng, nồng độ pH, và mực nước trong hệ thống trồng thủy canh Sau đó, nó hiển thị các giá trị này lên bảng điều khiển và màn hình máy tính để người dùng có thể theo dõi
` Chế độ tự động: Các thiết bị và động cơ sẽ tự động hoạt động dựa trên các giá trị cảm biến
Chế độ thủ công : Thiết bị và động cơ được điều khiển bằng bảng điều khiển hoặc màn hình máy tính
Trên màn hình máy tính và bảng hiển thị, người dùng có thể theo dõi trạng thái của các thiết bị (hoạt động hay không) Nếu có thiết bị nào gặp sự cố, hệ thống sẽ hiển thị lên màn hình để người dùng biết Ngoài ra, nếu mực dinh dưỡng, dung dịch pH hoặc mực nước trong hệ thống trồng thủy canh sắp hết, hệ thống cũng sẽ hiển thị cảnh báo
THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
3.4.1 Sơ đồ khối phần cứng
Hình 3.2: Sơ đồ khối của hệ thống
Hệ thống của chúng tôi gồm 9 khối được kết nối như hình 3.2:
• Khối xử lý trung tâm: Lấy dữ liệu từ khối cảm biến, khối nút nhấn và khối truyền thông, xử lý các tín hiệu và dữ liệu này, sau đó chuyển dữ liệu đến khối truyền thông, khối hiển thị và truyền tín hiệu đến khối điều khiển thiết bị
• Khối cảm biến: Đo đạc các giá trị môi trường độ ẩm, nhiệt độ, cường độ ánh sáng, nồng độ pH, nồng độ chất dinh dưỡng và đưa đến khối xử lý trung tâm
• Khối nút nhấn: Để lựa chọn chế độ, cung cấp tín hiệu bật, tắt thiết bị
• Khối hiển thị: Màn hình hiển thị tất cả dữ liệu của hệ thống
• Khối truyền thông: Truyền nhận dữ liệu giữa khối xử lý trung tâm và khối lưu trữ dữ liệu
• Khối điều khiển thiết bị: Điều khiển thiết bị dựa trên tín hiệu từ khối xử lý trung tâm
• Khối lưu trữ dữ liệu: Lưu trữ dữ liệu nhận được từ khối truyền thông và khối điều khiển ứng dụng
• Khối điều khiển ứng dụng: Gửi và nhận dữ liệu điều khiển với khối lưu trữ
• Khối nguồn: Cấp nguồn điện cho sự vận hành của cả hệ thống
3.4.2 Thiết kế chi tiết phần cứng
Dựa theo sơ đồ khối và yêu cầu kỹ thuật, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu và tìm hiểu phần cứng tương ứng với các khối chức năng như sau a Khối cảm biến
• Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm không khí Để đo nhiệt độ và độ ẩm trong không gian trồng cây, với yêu cầu sai số nhiệt độ dưới 2 độ C, có nhiêu loại cảm biến phù hợp với yêu cầu trên như DHT11, DHT22, BME280,
Bảng 3.1: So sánh các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm phổ biến [8]
Phạm vi đo nhiệt độ (°C) 0 – 50 -40 – 80 -40 – 85 Độ chính xác nhiệt độ
Phạm vi đo độ ẩm (%) 20 – 90 0 – 100 0 – 100 Độ chính xác độ ẩm (%) ±5 ±2-5 ±3
Giao tiếp Digital Digital I2C, SPI Điện áp hoạt động (V) 3 – 5.5 3 – 5.5 1.8 – 3.6
250.000 Trong đề tài này, chúng tôi đã quyết định chọn cảm biến DHT11 vì nó đáp ứng đủ nhu cầu sử dụng, sử dụng giao tiếp digital 1-wire, giúp truyền dữ liệu đơn
19 giản và hiệu quả, giúp việc lấy dữ liệu trở nên dễ dàng và linh hoạt hơn Các dữ liệu cho ra chính xác mà không cần thực hiện các phép toán phức tạp
Hình 3.3: Sơ đồ kết nối của DHT11 với Arduino Mega 2560
Với yêu cầu đo được dải ánh sáng tính theo đơn vị lux, phân biệt được ánh sáng ban ngày và ban đêm, chúng tôi đã cân nhắc đên cảm biến BH1750, cảm biên TEMT6000…
Bảng 3.2: So sánh các loại cảm biến ánh sáng phổ biến [9]
Thông số Bh1750 TEMT6000 Điện áp hoạt động (VDC) 2.4-5.6 3.3 – 6
Công suất tiêu tán (mW) 0.36 100 Độ nhạy (nm) 560 570
Chúng tôi đã lựa chọn cảm biến BH1750 vì BH1750 đo được cường độ ánh sáng với giá trị lux trong phạm vi rộng từ 0 lux đến 65535 lux, nó tích hợp bộ ADC giúp đo được giá trị trực tiếp của cường độ ánh sáng mà không cần thông qua các bước xử lý phức tạp Bh1750 giao tiếp qua giao thức I2C, giúp kết nối thuận tiện, tiêu thụ dòng thấp, giúp tiết kiệm năng lượng
Hình 3.4: Sơ đồ kết nối module Bh1750 với Arduino Mega 2560
• Cảm biến nồng độ chất dinh dưỡng trong nước
21 Để cây dâu tây phát triển tốt trong hệ thống thủy canh, cần duy trì dung dịch dinh dưỡng ở mức 450 ppm đến 950 ppm Chúng tôi sử dụng module TDS (Total Dissolved Solids) để đo lượng chất dinh dưỡng trong dung dịch nước Module này gồm một que đo và mạch xử lý TDS Meter V1.0, cho phép đo chính xác nồng độ chất rắn hòa tan trong khoảng 0 ppm đến 1000 ppm, giúp phát hiện các biến động nhỏ trong nồng độ dinh dưỡng TDS Meter V1.0 cũng tiết kiệm điện năng, giúp tối ưu hóa hiệu quả hệ thống
Hình 3.5: Module cảm biến chất lượng nước TDS Meter V1.0
Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật module TDS Meter V1.0 [10]
Cảm biến Water TDS Analog Sensor được dùng để xác định chỉ số TDS trong nước, sau đó truyền giá trị điện áp Analog tương ứng cho vi điều khiển để
22 giao tiếp Mạch xử lý TDS Meter V1.0 có khả năng khuếch đại tín hiệu để tạo ra tín hiệu Analog và vi điều khiển sử dụng chân ADC để đọc tín hiệu từ mạch xử lý TDS Mạch này có 4 chân bao gồm Vcc, Gnd, tín hiệu analog đầu ra và chân kết nối cảm biến
Hình 3.6: Sơ đồ kết nối module TDS Meter V1.0 với Arduino Mega 2560
• Cảm biến nồng độ pH
Có nhiều loại module đo nồng độ PH đáp ứng được các yêu cầu của hệ thống Sau khi xem xét, nhóm đã quyết định chọn DFRobot Gravity Analog pH Meter Kit Bộ kit này bao gồm một que đo và mạch xử lý Mạch xử lý của DFRobot Gravity Analog pH Meter Kit với khả năng đo độ PH của nước với độ chính xác lên đến 0.1PH
Hình 3.7: Module cảm biến đo độ pH Analog DFRobot
Bảng 3.4: Thông số kỹ thuật DFRobot Gravity Analog pH Meter Kit [11]
Hình 3.8: Sơ đồ kết nối DFRobot Gravity Analog pH Meter Kit với Arduino
Trong hệ thống thủy canh, cây trồng cần được cung cấp dinh dưỡng liên tục, nên dung dịch trong bình sẽ dần cạn kiệt theo thời gian Để duy trì hoạt động phun dinh dưỡng cho cây, cần bổ sung nước vào bình khi cần thiết Vì vậy, hệ thống cần một cảm biến để xác định mực nước trong bình chứa và yêu cầu tối thiểu đo được khoảng cách từ 2-35cm Trên thị đang lưu hành nhiều loại cảm biến được sử dụng để đo khoảng cách, chẳng hạn như cảm biến HC-SR04, cảm biến US-016
Bảng 3.5: Bảng so sánh các loại cảm biến siêu âm phổ biến [12]
Thông số US-016 HC-SR04 Điện áp hoạt động 5 VDC 5 VDC
Dòng điện tiêu thụ 3.8 mA 10 ~ 40mA
Khoảng cách phát hiện 2cm-300cm 2 ~ 450cm
25 Độ chính xác 3mm 3mm
Nhìn chung cả 2 loại cảm biến đều đáp ứng đủ nhu cầu sử dụng và giá thành của HC-SR04 chỉ chưa tới ẵ US-016 nờn chỳng tụi đó quyết định sử dụng cảm biến HC-SR04 để đo khoảng cách đến mặt nước từ đó tính ra mực nước còn lại và các dung dịch trong thùng chứa Cảm biến HC-SR04 có khả năng đo khoảng cách từ 2cm đến 450cm và kết nối với vi điều khiển thông qua 2 chân Trigger và Echo, cảm biến có độ chính xác cao trong việc đo khoảng cách, giúp xác định chính xác mực nước trong bình
Hình 3.9: Sơ đồ kết nối HC-SR04 với Arduino Mega 2560
Thị trường có các dòng cảm biến đo cường độ dòng điện phổ biến chẳng hạn cảm biến Hall effect, cảm biến shunt, và cảm biến biến áp dòng Mỗi loại đều có những ưu điểm riêng, chẳng hạn như cảm biến Hall effect cho phép đo
26 không tiếp xúc, cảm biến shunt cung cấp độ chính xác cao, và cảm biến biến áp dòng thì thích hợp cho các ứng dụng đo dòng điện cao
LƯU ĐỒ XỬ LÝ CHỨC NĂNG HỆ THỐNG
3.5.1 Lưu đồ giải thuật khối xử lý trung tâm Arduino Mega 2560
Khối này có nhiệm giám sát điều khiển hệ thống, cũng như là giao tiếp với khối truyền thông, truyền dữ liệu tới khối hiển thị
Hình 3.18: Lưu đồ giải thuật khối xử lý trung tâm Arduino Mega 2560 Giải thích:
Khởi đầu, hệ thống nhận dữ liệu từ ESP32 gửi đến Khi nhận được dữ liệu, hệ thống sẽ xử lý dữ liệu tương ứng Ngược lại, hệ thống sẽ xem có phím nào được nhấn hay không Nếu có nút được nhấn thì sẽ điều khiển thiết bị tương ứng Còn nếu không có nút nào được nhấn, hệ thống sẽ chuyển sang thực hiện việc đọc cảm biến và thiết bị Sau đó, hệ thống sẽ gửi dữ liệu nhận được đến ESP32 và truyền lên màn hình TFT để hiển thị
3.5.2 Lưu đồ giải thuật lựa chọn chế độ hoạt động
Với phím số 9 trên keypad, khi nhấn phím đó sẽ chuyển qua lại giữa chế độ đang hoạt động trên hệ thống Khi ở chế độ tự động sẽ có led báo hiệu cho người dùng
Hình 3.19: Lưu đồ giải thuật lựa chọn chế độ hoạt động Giải thích:
Hệ thống chờ người dùng nhấn phím 9, nếu phím 9 được nhấn thì hệ thống sẽ đảo trạng thái biến mode, ban đầu biến mode khởi tạo giá trị bằng false
Nếu giá trị biến mode bằng true thì chuyển sang tự động, nếu giá trị biến mode bằng false thì ở thủ công Khi ở chế độ tự động thì đèn led báo hiệu trạng thái hoạt động của hệ thống sẽ sáng và ngược lại đèn sẽ tắt và nó cũng sẽ hiện lên màn hình cho dùng theo dõi
3.5.3 Lưu đồ giải thuật hệ thống hoạt động theo chế độ thủ công
Người sử dụng sẽ toàn quyền điều khiển hệ thống bằng các phím trên keypad tùy theo ý người dùng
Hình 3.20: Lưu đồ giải thuật chế độ hoạt động thủ công
Hệ thống kiểm tra các phím được nhấn, khi nhấn phím từ 1-7 thì thuưc hiện điều khiển tương ứng theo giá trị của relay Hệ thống sử dụng module relay kích mức thấp, nên khi giá trị relay là LOW thì sẽ bật thiết bị và ngược lại Chức năng của các phím từ 1-7 như sau:
• Bấm phím “1”: Điều khiển đèn
• Bấm phím “2”: Điều khiển động cơ quạt
• Bấm phím “3”: Điều khiển động cơ phun sương
• Bấm phím “4”: Điều khiển động cơ bơm nước
• Bấm phím “5”: Điều khiển động cơ bơm dung dịch tăng nồng độ pH
• Bấm phím “6”: Điều khiển động cơ bơm dung dịch giảm nồng độ pH
• Bấm phím “7”: Điều khiển động cơ bơm dung dịch dinh dưỡng
3.5.4 Lưu đồ giải thuật hệ thống hoạt động theo chế độ tự động Ở chế độ này không thể điều chỉnh các thiết bị trên hệ thống, chúng sẽ tự hoạt động dựa vào các ngưỡng giá trị của mà người dùng thiết lập
Hình 3.21: Lưu đồ giải thuật chế độ hoạt động tự động Giải thích:
Hệ thống thực hiện các bước sau: đọc các giá trị cảm biến, sau đó so sánh chúng với các ngưỡng giá trị mà người dùng thiết lập, điều khiển các thiết bị trong hệ thống a Lưu đồ giải thuật tự động điều chỉnh nhiệt độ cho cây
Hệ thống sẽ tự điều khiển các thiết bị để duy trì nhiệt độ trong ngưỡng mà người dùng thiết lập chế độ tự động Nếu nhiệt độ quá cao sẽ bật các thiết bị để giảm nhiệt độ, khi nhiệt độ quá thấp sẽ báo hiệu cho người dùng biết
Hình 3.22: Lưu đồ giải thuật tự động điều chỉnh nhiệt độ
Hệ thống nhận giá trị nhiệt độ từ cảm biến, kiểm tra giá trị với ngưỡng nhiệt độ cao nhất tempMax, nếu giá trị cao hơn thì hệ thống sẽ bật các động cơ quạt, động cơ phun sương để làm giảm nhiệt độ Sau đó hệ thống sẽ kiểm tra nó với giá trị nhiệt độ thấp nhất tempMin nếu thấp hơn thì sẽ báo hiệu cho người dùng, nếu cả hai trường hợp đều sai thì sẽ tắt các động cơ b Lưu đồ giải thuật tự động bật đèn cho cây
Hê thống tự điều khiển bật/tắt đèn để duy trì cường độ ánh sáng cần thiết cho cây ở trạng thái tự động Nếu cường độ ánh sáng yếu thì bật thêm đèn và ngược lại sẽ tắt
Hình 3.23: Lưu đồ giải thuật tự động bật đèn Giải thích:
Hệ thống đọc giá trị cường độ ánh sáng, so sánh giá trị với giá trị lightMin và 1, nếu giá trị thuộc ngưỡng lớn hơn 1 và bé hơn lightMin thì hệ thống sẽ bật đèn chiếu sáng thêm cho cây, nếu không thuộc ngưỡng thì sẽ tắt đèn Cường độ ánh sáng nhỏ hơn 1 thì trời tối, cây chỉ cần chiếu sáng vào ban ngày, nên khi ở ban ngày mà cường độ ánh sáng yếu sẽ bật đèn chiếu thêm cho cây c Lưu đồ giải thuật tự động cung cấp dinh dưỡng cho cây
Hệ thống sẽ tự điều khiển động cơ bơm dinh dưỡng cho cây ở chế độ tự động Khi nồng độ dinh dưỡng thấp thì sẽ bơm thêm dinh dưỡng cho cây, còn khi nồng độ dinh dưỡng quá cao sẽ báo hiệu thêm nước
Hình 3.24: Lưu đồ giải thuật tự động cung cấp dinh dưỡng cho cây
Hệ thống sẽ đọc giá nồng độ hòa tan tds, so sánh giá trị với ngưỡng tds thấp nhất người dùng thiết lập, nếu giá trị tds thấp hơn mức tdsMin thì hệ thống sẽ bật các động cơ bơm dinh dưỡng cho cây Nếu giá trị tds cao hơn mức tdsMax thì sẽ cảnh báo cho người dùng thêm nước Nếu giá trị tds nằm trong ngưỡng cho mà người dùng thiết lập thì sẽ tắt động cơ bơm dinh dưỡng d Lưu đồ giải thuật tự động cân bằng nồng độ pH cho cây
Hệ thống sẽ so sánh giá trị nồng độ pH với ngưỡng mà người dùng cài đặt, nếu giá trị không thuộc ngưỡng cho phép thì hệ thống sẽ bật các động cơ tăng/giảm nồng độ pH điều chỉnh giá trị về ngưỡng theo yêu cầu của người dùng
Hình 3.25: Lưu đồ giải thuật tự động cân bằng nồng độ pH
Hệ thống sẽ đọc nồng độ pH, so sánh với giá trị pH nhỏ nhất, nếu thấp hơn thì sẽ bật động cơ bơm dung dịch tăng nồng độ pH cho cây, nếu cao hơn thì sẽ tắt động cơ bơm dung dịch tăng nồng độ pH Sau đó hệ thống sẽ đối chiếu với giá trị pH lớn nhất, nếu cao hơn thì sẽ bật động cơ bơm dung dịch giảm nồng độ pH, nếu thấp hơn thì sẽ tắt động cơ bơm dung dịch giảm nồng độ pH
3.5.5 Lưu đồ giải thuật hiển thị dữ liệu lên màn hình
Tất cá thông tin hiển thị đầy đủ trong 4 màn hình khác nhau trên màn hình TFT
Hình 3.26: Lưu đồ giải thuật hiển thị dữ liệu lên màn hình TFT
KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ
KẾT QUẢ THI CÔNG CỦA HỆ THỐNG
Khi đã hoàn hành đề tài, chúng tôi trình bày kết quả mà hệ thống đạt được như sau:
Hình ảnh mạch PCB đã khi được lắp ráp hoàn thiện:
Hình 4 1: Ảnh thực tế mạch PCB sau khi lắp ráp
Vị trí các thành phần trong mạch PCB được sắp xếp như sau:
• Vị trí 1: Khối xử lý trung tâm Arduino Mega 2560
• Vị trí 2: Khối truyền thông ESP32
• Vị trí 3: Khối điều khiển thiết bị relay 8 kênh
• Vị trí 4: Khối hiển thị màn hình TF
• Vị trí 5: Khối nút nhấn bàn phím ma trận 4x4
Các vị trí còn lại là khối cảm biến của hệ thống, hệ thống thiết kế với các chân được hàn trên mạch để cắm cảm biến bao gồm: cảm biến dht11, cảm biến
60 bh1750, cảm biến nồng độ dinh dưỡng TDS, cảm biến pH, cảm biến siêu âm, cảm biến dòng điện
Chúng tôi sử dụng tấm formex để làm hộp điều khiển cho mô hình Hình ảnh hộp điều khiển cho mô hình như sau
Hình 4 2: Ảnh thực tế hộp điều khiển của hệ thống
Mặt trên của hộp sẽ bao gồm màn hình TFT để hiển thị, bàn phím điều khiển hoạt động của hệ thống, đèn báo nguồn, đèn báo chế độ hoạt động tự động, nút nhấn reset hệ thống
Mô hình nhà kính trồng thủy canh được nhóm thiết kế bằng khung lưới sắt kích thước 35x35x35 cm, bao xung quanh bằng màng PE phủ nhà kính Các động cơ, đèn, quạt và cảm biến được gắn vào mô hình được thể hiện như trong sau
Hình 4 3: Mặt trước mô hình vườn trồng dâu tây thủy canh và hộp điều khiển hệ thống
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Khi đã hoàn thành hệ thống, chúng tôi đã chạy thử để kiểm tra hoạt động và chỉnh sửa lỗi Phần kết thực nghiệm được ghi lại dưới đây
4.2.1 Kết quả giao diện Website
Giao diện đăng nhập: Để xác nhận danh tính người dùng một cách đơn giản, chúng tôi đã thiết kế giao diện phục vụ cho việc đăng nhập đối với người đã có tài khoản
Hình 4 4: Giao diện đăng nhập của Website
Nếu nhập sai tên một trong 2 thông tin trên, hệ thống sẽ nhảy ra cảnh báo, còn khi nhập đúng đúng tài khoản và mật khẩu đã được đăng ký, giao diện sẽ hiện thông báo đăng nhập thành công và trực tiếp chuyển sang trang giao diện hiển thị
Hình 4 5: Giao diện đăng nhập khi nhập sai email hoặc mật khẩu
Giao diện trang đăng ký: dung cho việc đăng ký tài khoản, với điều kiện là tài khoản đăng ký email đó chưa tồn tại Hình 4.6b mô tả quá trình đăng ký tài khoản với tài khoản đã tồn tại, khi tài khoản đã tồn tại thì hệ thống sẽ không cho
63 người dùng đăng ký lại Hệ thống chỉ cho mỗi email đăng ký một lần, hình 4.6a mô tả quá trình đăng ký thành công với tài khoản email hợp lệ
Hình 4 6: Giao diện khi đăng ký thành công và thất bại
Các tài khoản đã đăng ký được chúng tôi lưu trữ và quản lý tại Firebase Authentication
Giao diện trang hiển thị: Nơi hiển thị thông tin có được do hệ thống thu thập Cùng với đó là hiển thị cảnh báo khi giá trị mực nước thấp hơn mức tối thiểu
Hình 4 8: Giao diện hiển thị
Giao diện trang thiết lập: Người dùng có thể tự thiết lập các thông số ngưỡng nồng độ chất dinh dưỡng, ngưỡng PH, và nhiệt độ bằng cách nhập các giá trị từ bàn phím Ngoài ra người dùng còn có thể cài đặt thời gian bắt đầu trồng cây, hệ thống sẽ tự tính toán và đưa ra số ngày đã trồng để người dùng có thể điều chỉnh các thông số phù hợp trong từng giai đoạn
Hình 4 9: Giao diện trang thiết lập
Giao diện trang điều khiển: Trang này được xây dựng để theo dõi và điều khiển các động cơ, chọn chế độ hoạt động là tự động hay thủ công, đồng thời hiện cảnh báo khi các động cơ gặp sự cố
Hình 4 10: Giao diện trang điều khiển ở trạng thái thủ công
Ngoài ra, màn hình chính sẽ luôn hiển thị thời tiết được tích hợp API dự báo thời tiết để người dùng có thể theo dõi thời tiết sắp tới một cách nhanh chóng
Sau khi hệ thống được cấp nguồn, đèn báo nguồn sẽ sáng lên và màn hình TFT sẽ hiển thị dữ liệu hệ thống
Hình 4 11: Ảnh thực tế hộp điều khiển sau khi được cấp nguồn
Nhận xét: Sau khi cấp nguồn, màn hình TFT sẽ thể hiện các dữ liệu như tên hệ thống, chế độ hoạt động và các giá trị cảm biến có trong hệ thống, đây là màn hình mặc định khi khởi động của hệ thống
Kế tiếp tiến hành kiểm tra thao tác nút nhấn trên mô hình hệ thống Đầu tiên nhấn phím “B” trên bàn phím ma trận để chuyển các dữ liệu hiển thị trên màn hình TFT Màn hình này hiển thị như hình 4.12 Nhấn phím “C” để chuyển sang màn hình hiển thị mực nước các dung dịch và trạng thái điều khiển của các động cơ còn lại của hệ thống
Hình 4 12: Màn hình B hiển thị trạng thái hoạt động của các thiết bị
Hình 4 13: Màn hình C hiển thị mực các dung dịch và trạng thái hoạt động của các thiết bị còn lại
Nhận xét: Sau khi nhấn phím “C”, màn hình TFT sẽ chuyển sang màn hình chế độ điều khiển các thiết bị còn lại và hiển thị mực nước các dung dịch
Khi nhấn các phím từ “1”, “2”, “3”, “4”, “5”, “6”, “7” hệ thống sẽ bật/tắt relay từ đó sẽ điều khiển các động cơ Module relay có đèn để báo trạng thái hoạt động, nếu đèn sáng thì relay đang bật và ngược lại Các trạng thái của động cơ sẽ được hiện trên màn hình TFT cho người dùng theo dõi
Bảng 4.1: Bảng chức năng các nút trên bàn phím ma trận
Khi người dùng nhấn phím “D” hệ thống sẽ chuyển sang màn hình sẽ hiển thị trạng thái hoạt động của các động cơ
Hình 4 14: Màn hình kiểm tra trạng thái các thiết bị
Nhận xét: Khi động cơ được bật thì hệ thống sẽ kiểm tra dòng điện qua động cơ, nếu có dòng qua động cơ thì hiển thị lên màn hình là hoạt động và ngược lại Màn hình này giúp người dùng kiểm tra các động cơ có gặp sự cố hay không
Khi nhấn phím “9”, hệ thống sẽ đổi chế độ hoạt động Lúc đang ở tự động, led báo hiệu chế động hoạt động tự động sẽ sáng, như hình 4.15
Hình 4 15: Hệ thống ở chế độ tự động 4.2.3 Kết quả hoạt động
Khi đã khởi động phần cứng và đảm bảo cả phần cứng và phần mềm đều có kết nối internet, chúng tôi đã tiến hành thực nghiệm hệ thống trong điều kiện thực tế để đánh giá sự tương thích và hiệu quả hoạt động của hệ thống a Giám sát và hiển thị giá trị cảm biến
Hệ thống có thể theo dõi thông tin môi trường đo được từ các cảm biến ở cả màn hình hệ thống và cả website
Hình 4 16: Giá trị dữ liệu cảm biến tại màn hình hệ thống
Hình 4 17: Giao diện website hiển thị các giá trị dữ liệu cảm biến
Nhận xét: Ở cùng một thời điểm, các giá trị cảm biến hiển thị ở màn hình
TFT trên phần cứng và giá trị hiển thị trên website là trùng khớp Các giá trị được hiển thị rõ ràng, dễ đọc và chính xác, dễ dàng theo dõi môi trường trong thời gian thực b Điều khiển thiết bị
