TỔNG QUAN 1
Lý do chọn đề tài
Trong xã hội hiện đại, con người thường bị cuốn vào guồng quay công việc, khiến việc chăm sóc một vườn rau tại nhà trở nên khó khăn và dường như không thể thực hiện.
Chúng em đã ứng dụng công nghệ IoT vào việc trồng rau, giúp nâng cao năng suất và giảm thiểu công sức chăm sóc Bằng cách tự động hóa các công việc như chiếu sáng và tưới nước, chúng em tối ưu hóa quy trình sản xuất, mang lại kết quả đáng mong đợi.
Theo dõi nhiệt độ, độ ẩm và tình trạng thời tiết của vườn rau giúp người trồng chủ động trong việc chăm sóc vườn từ xa, đảm bảo hiệu quả sản xuất.
Phương pháp này giúp tiết kiệm công sức và thời gian lao động, đồng thời nâng cao hiệu quả kinh tế bằng cách tưới cây với lưu lượng nhất định, phù hợp với chu trình sinh trưởng của cây, từ đó giảm thiểu lãng phí trong quá trình chăm sóc cây trồng.
Mục đích nghiên cứu
Giảm được công sức, thời gian chăm sóc và cho năng suất vượt trội.
Hệ thống cảm biến sẽ thu thập dữ liệu môi trường như nhiệt độ, độ ẩm không khí và độ ẩm đất, từ đó điều chỉnh phù hợp với sự phát triển của cây trồng theo chu kỳ sinh trưởng của chúng.
Dữ liệu thu thập được sẽ được hiển thị qua ứng dụng, giúp người dùng dễ dàng theo dõi được quá trình sinh trưởng của cây.
Đối tượng sử dụng
Các hộ gia đình có mô hình vườn rau quy mô vừa và nhỏ.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu được tiến hành như sau :
Tìm hiểu cách thức hoạt động của board mạch Arduino.
Tìm hiểu về các cảm biến cần thiết và cách kết nối các cảm biến với board mạch chính để thu thập dữ liệu.
Xây dựng sơ đồ giải thuật cho hệ thống cần dựa vào chu kỳ sinh trưởng của cây trồng và các yếu tố môi trường thu thập được Nguyên lý hoạt động của hệ thống sẽ được xác định thông qua việc phân tích mối quan hệ giữa các yếu tố này, nhằm tối ưu hóa quá trình phát triển của cây trồng.
Xây dựng mô hình thực tế.
Tiến hành chạy thử và đánh giá tính hiệu quả của mô hình.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3
Công nghệ IoT (Internet of Things)
Internet Vạn Vật (IoT) là khái niệm được Kenvin Ashton giới thiệu vào năm 1999, đề cập đến các thiết bị có khả năng nhận biết và chỉ ra sự tồn tại của chúng trong một hệ thống kết nối.
Trong đó các thiết bị, phương tiện vận tải (được gọi là "thiết bị kết nối" và
Thiết bị thông minh bao gồm phòng ốc và các trang thiết bị được tích hợp với bộ phận điện tử, phần mềm, cảm biến và cơ cấu chấp hành, cho phép kết nối mạng máy tính để thu thập và truyền tải dữ liệu Trong môi trường này, mỗi cá nhân, thiết bị hay đối tượng đều được gán một mã số định danh riêng.
Chúng giao tiếp với nhau qua mã số này mà không cần đến sự tác động của con người.
Hiểu một cách đơn giản, Internet of Things là môi trường mà ở đó mọi vật được kết nối với internet và "giao tiếp" với nhau.
Con người có khả năng theo dõi, giám sát và điều khiển các thiết bị thông minh như điện thoại di động và máy tính bảng thông qua kết nối internet.
2.1.2 Xu hướng và tính chất của IoT
Mục tiêu của hệ thống IoT là tạo ra một mạng lưới các thực thể tự tổ chức và hoạt động linh hoạt trong các tình huống và môi trường khác nhau, đồng thời cho phép kết nối và chia sẻ dữ liệu giữa các thực thể này.
2.1.2.2 Kiến trúc dựa trên sự kiện
Các thiết bị hoạt động trong hệ thống IoT sẽ phản hồi các sự kiện diễn ra trong lúc chúng hoạt động theo thời gian thực.
Một mạng lưới các sensor chính là một thành phần cơ bản của hệ thống IoT.
IoT là một hệ thống cực kỳ phức tạp khi đòi hỏi rất nhiều thiết bị kết nối với nhau.
Mạng lưới IoT có khả năng kết nối từ 50 đến 100 nghìn tỉ đối tượng, giúp theo dõi hoạt động của từng đối tượng một cách cụ thể và hiệu quả.
2.1.2.4 Vấn đề không gian, thời gian
Về lý thuyết, IoT sẽ là hệ thống thu thập rất nhiều dữ liệu, trong đó có dữ liệu về vị trí chính xác của một vật nào đó.
So với Internet truyền thống, nơi thông tin được quản lý bởi con người, hệ thống IoT thu thập một lượng lớn dữ liệu thừa không cần thiết trong quá trình xử lý thông tin.
Việc xử lý khối lượng dữ liệu lớn trong thời gian ngắn để đáp ứng nhu cầu của người dùng hiện nay đang là một thách thức đáng kể.
Việc xử lý khối lượng dữ liệu lớn trong thời gian ngắn để đáp ứng nhu cầu người dùng là thách thức lớn trong việc áp dụng hệ thống IoT quy mô lớn hiện nay.
Trên toàn cầu, Internet vạn vật (IoT) đang tạo ra ảnh hưởng sâu rộng trong nhiều lĩnh vực như kinh tế, giáo dục, dịch vụ y tế, kỹ thuật, giao thông, xây dựng và quản lý cơ sở hạ tầng.
IoT là yếu tố quyết định cho sự thành công, mang lại bước ngoặt và cơ hội lớn trong tương lai, giúp tối ưu hóa các vấn đề hiện tại và nâng cao giá trị cuộc sống cho người dùng.
Hình 2.1: Sự phát triển của IoT
Các yếu tố ảnh hưởng đến cây trồng
Gồm có nhiệt độ không khí và nhiệt độ đất.
Nhiệt độ tác động lên cây trồng bằng nhiều cách :
+ Bằng số lượng, trị số nhiệt;
+ Bằng biến động của trị số nhiệt độ;
Gồm có thành phần ánh sáng, cường độ ánh sáng, thời gian chiếu sáng.
Gồm có độ ẩm không khí, độ ẩm đất.
Nước tác động lên cây trồng thông qua khối lượng và chất lượng.
Đề xuất giải pháp
Chủ động tưới nhỏ giọt nếu độ ẩm đất < 50%.
Ưu điểm giải pháp
Tiết kiệm nước, tránh gây ứ đọng không cần thiết.
Tưới nhỏ giọt tiết kiệm 40 - 50% nước so với phương pháp tưới mặt.Nước tác động lên cây trồng thông qua khối lượng và chất lượng.
Nhược điểm giải pháp
Giá thành đầu tư ban đầu cao.
PHÂN TÍCH THIẾT KẾ 7
Sơ đồ khối hệ thống tưới tự động
Tại đây chúng em mô tả sơ đồ giải thuật khi nhận được dữ liệu đầu vào (độ ẩm đất).
Sau đó chúng em xét điều kiện nếu độ ẩm đất < 60% thì nước sẽ tự động tưới.
Tỷ lệ 60% chúng em rút ra được từ việc nghiên cứu độ ẩm đất của nhiều loại đất khác nhau, ở môi trường khác nhau.
Nếu độ ẩm đất > 60% thì nước sẽ không tưới mà quay lại nhận dữ liệu.
Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống tưới tự động
Nội dung nghiên cứu được tổ chức theo một trình tự hợp lý, bắt đầu từ những kiến thức cơ bản và dần dần nâng cao độ phức tạp trong việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống Các nội dung chính của đề tài nghiên cứu được phân chia rõ ràng để đảm bảo tính logic và hiệu quả.
- Nghiên cứu board mạch Arduino và những chức năng liên quan.
- Nghiên cứu về phương thức truyền wifi thông qua ESP8266
- Nghiên cứu các loại cảm biến cần thiết phục vụ cho nội dung đề tài.
- Xây dựng các yêu cầu của các loại cây trồng khác nhau.
- Xây dựng việc hiển thị, điều khiển hệ thống từ xa qua app.
- Tiến hành xây dựng mô hình thực tế dựa vào các nội dung đã nghiên cứu, xây dựng và phát triển.
3.4 Xây dựng các module thành phần của hệ thống
Dựa trên các loại cảm biến cũng như mục đích của đề tài, đề tài sẽ được chia thành các module thành phần như sau:
- Module thông tin đầu vào là thông tin từ các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm,
- Module thông tin đầu ra là bật/ tắt van nước điện tử dựa vào các thông số thu thập được cho phù hợp với mục đích.
- Module điều khiển trung tâm của hệ thống là Node MCU ESP8266 và Arduino.
- Ứng dụng hiển thị thông tin thu thập được module đầu vào để người dùng theo dõi cũng như đưa ra quyết định tương ứng.
Xây dựng các module thành phần của hệ thống
Dựa trên các loại cảm biến cũng như mục đích của đề tài, đề tài sẽ được chia thành các module thành phần như sau:
- Module thông tin đầu vào là thông tin từ các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm,
- Module thông tin đầu ra là bật/ tắt van nước điện tử dựa vào các thông số thu thập được cho phù hợp với mục đích.
- Module điều khiển trung tâm của hệ thống là Node MCU ESP8266 và Arduino.
- Ứng dụng hiển thị thông tin thu thập được module đầu vào để người dùng theo dõi cũng như đưa ra quyết định tương ứng.
TÌM HIỂU LINH KIỆN 10
Node MCU ESP 8266
Kít ESP8266 là một bộ phát triển dựa trên chíp Wifi SoC ESP8266, được thiết kế thân thiện với người dùng nhờ vào việc tích hợp mạch nạp sử dụng chíp CP2102 trên bo mạch Với lõi vi xử lý có sẵn trong ESP8266, người dùng có thể lập trình trực tiếp mà không cần thêm bất kỳ vi xử lý nào khác.
Hiện nay, ESP8266 có thể được lập trình bằng hai ngôn ngữ: một là thông qua phần mềm IDE của Arduino với bộ thư viện riêng, và hai là sử dụng phần mềm NodeMCU.
Ic chính ESP8266 Wifi SoC
GPIO giao tiếp mức logic 3.3v
Có hỗ trợ Flash ngoài
64 Kb RAM thực thi lệnh
Hỗ trợ WPA/WPA2, Open Netwwork
Hỗ trợ nhiều giao thức khác nhau: UART, SPI, I2C, PWM Dải nhiệt rộng: -40 oC 125oC
Arduino Uno R3
Arduino Uno R3 là sản phẩm phổ biến nhất trong dòng Arduino, được trang bị vi điều khiển ATmega328, phù hợp với nhiều ứng dụng điện tử hiện đại và hỗ trợ toàn bộ thư viện lập trình của Arduino.
Bảng 4.1: Bảng thông số kỹ thuật của board Arduino Uno R3
Vi điều khiển ATMega328 Điện áp hoạt động 5V DC Xung clock 16 Mhz Dòng tiêu thụ 30 mA
Cảm biến độ ẩm đất
Cảm biến độ ẩm đất được dùng để đo độ ẩm trực tiếp tại vườn cây.
Người dùng có thể theo dõi và điều chỉnh việc tưới cây thông qua độ ẩm thu được, đảm bảo cung cấp độ ẩm phù hợp cho sự sinh trưởng của cây Độ nhạy của cảm biến độ ẩm đất có thể được điều chỉnh dễ dàng bằng cách thay đổi biến trở màu xanh trên board mạch.
Phần đầu dò của cảm biến được cắm trực tiếp vào đất để đo giá trị.
Cảm biến độ ẩm đất có thể đo và tính toán ra phần trăm độ ẩm dựa vào khả năng dẫn điện của đất.
Module cảm biến độ ẩm đất có thể sử dụng ở một trong hai chế độ là Analog hoặc Digital:
- Đọc giá trị Digital (đọc bằng chân D0): Khi độ ẩm đạt ngưỡng thiết lập, đầu ra D0 sẽ chuyển trạng thái từ mức thấp lên mức cao.
- Đọc giá trị Analog (đọc bằng chân A0): Giá trị đầu ra sẽ có điện áp từ 0 – 5V DC tương ứng với độ ẩm từ 0 - 100
Bảng 4.2: Bảng sơ đồ chân cảm biến độ ẩm đất
Chân VCC Chân cấp nguồn Chân GND Chân nối đất Chân A0 Chân lấy tín hiệu analog Chân D0 Chân lấy tín hiệu digital
GIAO DIỆN HIỂN THỊ CỦA BLYNK 16
Giới thiệu chung
Blynk là ứng dụng IoT trên nền tảng Android và iOS, cho phép hiển thị dữ liệu cảm biến, điều khiển thiết bị từ xa và lưu trữ dữ liệu Ứng dụng này giải quyết các vấn đề liên quan đến IoT như kết nối thiết bị với Internet, quản lý nhiều thiết bị, chia sẻ quyền điều khiển và cập nhật trạng thái hoạt động trong thời gian thực Blynk hỗ trợ nhiều loại phần cứng như Arduino, ESP8266 và Raspberry Pi, giúp người dùng dễ dàng thực hiện các dự án IoT mà không cần nhiều kiến thức lập trình.
Cách hoạt động
Blynk hoạt động dựa vào ba phần chính trong nền tảng, đó là:
- Blynk App: Cho phép tạo giao diện App theo các Widget khác nhau mà nhà thiết kế đã chế tạo sẵn.
Blynk Server đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý dữ liệu giữa điện thoại và thiết bị phần cứng Với mã nguồn mở, người dùng có thể lựa chọn sử dụng Blynk Cloud do Blynk cung cấp hoặc tự xây dựng máy chủ Blynk riêng cho mình.
Thư viện Blynk hỗ trợ nhiều nền tảng phần cứng phổ biến, cho phép thiết bị giao tiếp với máy chủ và xử lý toàn bộ thông tin gửi và nhận.
Việc cấu hình App Blynk được thực hiện theo các bước sau:
- Tạo tài khoản Blynk (có thể dùng Gmail, Facebook ).
Để bắt đầu, bạn cần điền tên Project và chọn phần cứng, mỗi Project sẽ nhận được một mã Auth Token riêng biệt Mã Auth Token này cần được nhập vào code của board mạch điều khiển NodeMCU Tiếp theo, bạn sẽ lựa chọn các chức năng có sẵn từ Blynk để đưa vào Project và cấu hình các chân cùng mức logic Sau khi hoàn tất cài đặt trên điện thoại, bạn sẽ tiến hành lập trình cho board mạch phần cứng Thư viện Blynk trên Arduino IDE cung cấp nhiều ví dụ hữu ích để bạn có thể thử nghiệm và tìm hiểu cách thức hoạt động của Blynk.
Khi thực hiện các dự án IoT, Blynk mang lại nhiều lợi ích, đặc biệt cho những người không có kiến thức lập trình chuyên sâu, nhờ vào giao diện thân thiện và khả năng tùy chỉnh dễ dàng.
- Dễ sử dụng: Việc cài đặt ứng dụng, đăng ký tài khoản Blynk trên 2 nền tảng Android và IOS hoàn toàn miễn phí và dễ dàng.
Blynk cung cấp nhiều chức năng phong phú với giao diện đẹp mắt và sinh động, cho phép người dùng dễ dàng cấu hình và sử dụng thông qua tính năng kéo thả.
Blynk là ứng dụng lý tưởng cho những người dùng có kiến thức lập trình hạn chế, giúp họ dễ dàng tiếp cận và khám phá thế giới Internet of Things (IoT).
Dễ dàng giám sát và điều khiển thiết bị từ xa thông qua Internet, cho phép người dùng truy cập và đồng bộ hóa trạng thái trên nhiều thiết bị khác nhau.
Ưu điểm Blynk
Khi thực hiện các dự án IoT, Blynk là lựa chọn lý tưởng cho những người không có kiến thức lập trình sâu, nhờ vào những ưu điểm vượt trội mà nó mang lại.
- Dễ sử dụng: Việc cài đặt ứng dụng, đăng ký tài khoản Blynk trên 2 nền tảng Android và IOS hoàn toàn miễn phí và dễ dàng.
Blynk cung cấp nhiều chức năng phong phú với giao diện đẹp mắt và sinh động, cho phép người dùng dễ dàng cấu hình và sử dụng thông qua tính năng kéo thả.
Blynk là một ứng dụng lý tưởng cho những người có kiến thức lập trình hạn chế, giúp họ dễ dàng tiếp cận với thế giới IoT.
Dễ dàng giám sát và điều khiển thiết bị từ xa qua Internet, cho phép người dùng truy cập và đồng bộ hóa trạng thái trên nhiều thiết bị khác nhau.
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 18
Giao diện hiển thị của Blynk
Giao diện người dùng hiển thị trực quan các thông số quan trọng của vườn cây, bao gồm nhiệt độ và độ ẩm, giúp người sử dụng dễ dàng giám sát và đưa ra quyết định chăm sóc cây trồng hợp lý.
Giao diện điều khiển trên Blynk cung cấp hai chế độ chăm sóc cây trồng: thủ công và tự động Trong chế độ thủ công, người dùng có thể điều khiển chiếu sáng và tưới nước từ xa thông qua hai nút nhấn Ngược lại, ở chế độ tự động, van nước điện từ sẽ tự động mở để tưới nước cho cây dựa trên các thông số sinh trưởng, đặc biệt khi độ ẩm đất dưới 60%.
Mô hình thực tế
Sau một thời gian nghiên cứu và phát triển, chúng tôi đã hoàn thành mô hình hệ thống chăm sóc vườn rau tự động ứng dụng công nghệ IoT, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu cơ bản.
- Thực hiện việc bật/ tắt hệ thống tưới tự động dựa vào đặc tính của từng loại cây trồng khác nhau để đảm bảo hiệu quả sản xuất.
Để tối ưu hóa sự phát triển của cây trồng, việc thu thập các thông số môi trường như nhiệt độ và độ ẩm là rất quan trọng Người dùng có thể dựa vào những thông số này để thực hiện các điều chỉnh thủ công phù hợp hơn.
Xây dựng cơ sở dữ liệu sinh học cho nhiều loại cây trồng giúp người dùng tự động điều chỉnh cách chăm sóc phù hợp với từng loại cây.
- Giám sát, điều khiển hệ thống từ xa thông qua apps mobile.
Mặc dù hệ thống có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số vấn đề cần khắc phục để nâng cao hiệu quả khi áp dụng trên quy mô lớn và trong thời gian dài Những nhược điểm chính của hệ thống bao gồm:
- Chi phí lắp đặt ban đầu tương đối cao do phải lắp đặt thêm hệ thống các cảm biến, vi điều khiển để xử lý tín hiệu.
Quy trình lắp đặt, vận hành và sửa chữa hệ thống khi gặp lỗi là một quá trình phức tạp, yêu cầu người sử dụng phải có kiến thức kỹ thuật nhất định.
