HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP XÂY DỰNG GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TỰ ĐỘNG TRONG MÔ HÌNH CÂY TRỒNG THỦY CANH Ngành : Kỹ thuật điều khiển và tự
TỔNG QUAN VỀ NỘI DUNG ĐỒ ÁN
Đặt vấn đề
Các giải pháp công nghệ cao trong nông nghiệp đang mở ra cơ hội lớn để giải quyết vấn đề lương thực và thực phẩm, không chỉ ở các quốc gia phát triển mà còn ở những quốc gia có điều kiện nông nghiệp khó khăn Israel là một ví dụ tiêu biểu cho việc ứng dụng công nghệ hiện đại vào nông nghiệp, giúp nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.
Việt Nam sở hữu tiềm năng nông nghiệp lớn và có khả năng trở thành cường quốc nông nghiệp công nghệ cao nếu biết khai thác và phát triển thế mạnh của mình Nhiều chuyên gia trong ngành nhận định rằng, với nguồn nước phong phú như ở đồng bằng sông Cửu Long, Việt Nam hoàn toàn có thể vươn lên trở thành quốc gia xuất khẩu nông sản hàng đầu thế giới.
Mặc dù có những nỗ lực từ chính sách của Nhà nước nhằm thúc đẩy tư duy và tạo điều kiện cho cá nhân, doanh nghiệp đầu tư vào nông nghiệp công nghệ cao, nhưng thực tế vẫn đối mặt với nhiều thách thức như mùa màng không ổn định, biến động giá cả, thực phẩm không an toàn và tác động tiêu cực đến môi trường.
Là sinh viên ngành Điện - Điện tử với nguồn gốc từ gia đình nông nghiệp, chúng em nhận thức rõ về thách thức và tiềm năng của nền nông nghiệp Việt Nam Trước sự phát triển của xã hội, chúng em quyết định áp dụng kiến thức chuyên môn và đam mê vào nghiên cứu lĩnh vực nông nghiệp công nghệ cao.
Nhằm hỗ trợ và thực hiện ý tưởng này, chúng em đã nhận được sự hỗ trợ tích cực từ
Dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy Lê Công Danh, nhóm chúng em đã quyết định chọn đề tài "XÂY DỰNG GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TỰ ĐỘNG TRONG MÔ HÌNH TRỒNG CÂY THỦY CANH" Đề tài này không chỉ đánh dấu bước khởi đầu trong nghiên cứu của chúng em mà còn tạo nền tảng cho các ứng dụng công nghệ cao trong lĩnh vực nông nghiệp trong tương lai.
Mục tiêu của đồ án
Hệ thống tự động hóa giám sát và điều chỉnh các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ pH và cung cấp chất dinh dưỡng cho cây trồng sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất sản xuất cây trồng trong quá trình trồng thủy canh Giao diện dễ sử dụng cho phép người trồng cây quản lý và kiểm soát hệ thống một cách hiệu quả, giảm thiểu sự can thiệp thủ công và nâng cao độ chính xác, đáng tin cậy trong quá trình trồng Điều này không chỉ nâng cao năng suất mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành nông nghiệp thông qua việc áp dụng công nghệ vào quản lý trồng trọt.
Đối tượng, phạm vi đồ án
➢ Hệ thống Trồng cây thủy canh: bao gồm các yếu tố nhiệt độ nước,pH, mật độ khoáng chất (TDS) và quá trình cung cấp dung dịch dinh dưỡng
Mô hình thủy canh là một phương pháp trồng cây hiện đại, trong đó việc áp dụng hệ thống điều khiển và giám sát đóng vai trò quan trọng Nghiên cứu này tập trung vào việc trồng rau mầm và các loại cây khác trong môi trường thủy canh, nhằm tối ưu hóa quá trình phát triển và năng suất cây trồng.
Công nghệ ứng dụng trong trồng cây thủy canh sẽ tập trung vào việc sử dụng cảm biến, vi điều khiển, mạng internet và giao thức điều khiển từ xa Những công nghệ này giúp tối ưu hóa quy trình trồng trọt, nâng cao hiệu quả sản xuất và quản lý tài nguyên một cách thông minh.
➢ Giao diện Website: Cung cấp cho người sử dụng khả năng kiểm soát từ xa và quản lý thông qua giao diện
Nghiên cứu và phát triển giải pháp điều khiển và giám sát tự động cho mô hình trồng cây thủy canh nhằm ứng dụng trong môi trường hộ gia đình tại khu vực thành phố, đặc biệt là ở những nơi có diện tích đất hạn chế.
Nội dung, phương pháp nghiên cứu
1.5.1 Nội dung đồ án (nghiên cứu, đề tài…)
Nghiên cứu và phát triển hệ thống điều khiển tự động nhằm xây dựng một hệ thống thông minh có khả năng tự động điều chỉnh các thông số như nhiệt độ, độ pH và cung cấp chất dinh dưỡng cho cây trồng trong mô hình thủy canh Hệ thống này cũng sẽ lưu trữ tất cả dữ liệu để phục vụ cho việc phân tích và cải thiện quy trình canh tác.
Tích hợp thiết bị thông minh là quá trình tìm kiếm, lựa chọn và kết hợp các cảm biến, vi điều khiển, máy bơm, thiết bị đo đạc cùng với công nghệ IoT (Internet of Things) nhằm xây dựng một hệ thống hoạt động tự động hiệu quả.
Phát triển giao diện điều khiển từ xa qua website giúp người dùng theo dõi và điều chỉnh các thông số của mô hình trồng cây thủy canh từ bất kỳ đâu có kết nối internet.
Thực hiện các thử nghiệm và đánh giá hiệu suất nhằm kiểm tra khả năng hoạt động, độ chính xác và hiệu quả của hệ thống điều khiển và giám sát tự động so với các phương pháp can thiệp thủ công.
Các phương pháp chính được sử dụng trong quá trình thực hiện luận án gồm:
1 Phương pháp thu thập dữ liệu:Sử dụng để thu thập thông tin cụ thể và chi tiết từ các thiết bị cảm biến, máy móc hoặc người dùng về nhiệt độ, pH, mức độ dinh dưỡng, v.v để đưa vào hệ thống giám sát và điều khiển
2 Phương pháp nghiên cứu định lượng: Sử dụng để đo lường và phân tích dữ liệu số hoặc thông tin con số từ các cảm biến để xác định mức độ chính xác và đáng tin cậy của dữ liệu
3 Phương pháp nghiên cứu định tính: Sử dụng để mô tả và diễn giải những thông tin không dễ đo lường như sự phát triển của cây, trạng thái môi trường xung quanh và cách hệ thống phản ứng với điều kiện xung quanh
4 Phương pháp thực nghiệm: Sử dụng để thử nghiệm các thiết bị, bộ cảm biến
16 hoặc chương trình điều khiển trong môi trường thực tế, để đánh giá hiệu suất và khả năng hoạt động của chúng
5 Phương pháp chuyên gia: Sử dụng để tư vấn từ các chuyên gia trong lĩnh vực nông nghiệp, điện tử, và tự động hóa để có cái nhìn chuyên sâu và kiến thức chuyên môn
6 Phương pháp phân tích và tổng hợp: Sử dụng để tổng hợp và phân tích dữ liệu thu thập được từ các phương pháp trên để đưa ra kết luận, đánh giá hiệu suất của hệ thống, và đề xuất các cải tiến hoặc điều chỉnh.
CƠ SƠ LÝ THUYẾT THỰC HIỆN ĐỒ ÁN
Tổng quan về trồng cây thủy canh
Trồng cây thủy canh là phương pháp trồng cây không cần đất, sử dụng môi trường nước, đã được ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp đô thị và nghiên cứu khoa học Phương pháp này mang lại nhiều lợi ích và tiềm năng đáng kể cho sự phát triển bền vững.
2.1.1 Ứng dụng và tiềm năng của trồng cây thủy canh
Hệ thống trồng cây thủy canh có nhiều ứng dụng và tiềm năng trong các lĩnh vực khác nhau:
Nông nghiệp đô thị, thông qua việc trồng cây thủy canh trên sân thượng và trong nhà kính nhỏ, không chỉ mang lại không gian xanh mà còn cung cấp sản phẩm sạch và nguồn thực phẩm địa phương Những người sản xuất ở diện tích nhỏ có thể tự cung cấp sản phẩm và bán lượng dư thừa, từ đó tăng thu nhập Sản phẩm từ nông nghiệp đô thị giúp người dân thành phố tiếp cận thực phẩm tươi ngon mà không lo lắng về việc hư hỏng do phải vận chuyển từ xa.
Nghiên cứu khoa học về trồng cây thủy canh trong phòng thí nghiệm giúp tìm hiểu sinh thái cây trồng, tối ưu hóa quá trình tưới và cung cấp chất dinh dưỡng, đồng thời phân tích dữ liệu để nâng cao hiệu quả sản xuất nông nghiệp.
Hệ thống trồng cây thủy canh đang được áp dụng rộng rãi trong các nhà máy sản xuất thực phẩm, trang trại thủy canh và trang trại chăn nuôi cá, tôm, chân trắng cùng nhiều loại thực phẩm khác.
Trồng cây thủy canh là giải pháp hiệu quả cho việc trồng cây trong không gian hạn chế như tòa nhà cao tầng, hầm mỏ hoặc những khu vực không thể áp dụng phương pháp truyền thống.
Hình 2.1 Hình minh họa cho các ứng dụng của hệ thống trồng cây thủy canh
2.1.2 Ứng dụng công nghệ IoT trong hệ thống trồng cây thủy canh
Công nghệ IoT (Internet of Things) có thể cải thiện hệ thống trồng cây thủy canh bằng cách tăng cường khả năng giám sát và điều khiển từ xa Việc sử dụng các thiết bị cảm biến giúp đo lường các thông số quan trọng như nhiệt độ, pH và độ dẫn điện (TDS), từ đó tối ưu hóa quá trình trồng trọt.
Việc ứng dụng IoT trong thủy canh được thực hiện qua một số giải pháp sau:
Thiết kế phần cứng và lập trình mã nhúng, cùng với phát triển ứng dụng trên iOS và Android, tạo ra giải pháp nông nghiệp thông minh Hệ thống tự động hóa IoT 4.9 được tích hợp vào trang trại thủy canh, giúp người dùng thực hiện cài đặt và điều khiển dễ dàng từ điện thoại di động.
Quy trình chăm sóc và công thức dinh dưỡng hữu cơ cho hệ thống thủy canh đảm bảo cung cấp nguồn dinh dưỡng an toàn và tối ưu hóa năng suất cho rau Việc ứng dụng công nghệ IoT trong thủy canh giúp nông dân quản lý trang trại một cách hiệu quả mà không cần có mặt liên tục Thông qua điện thoại di động, họ có thể theo dõi và điều chỉnh các thông số quan trọng như nồng độ dinh dưỡng, pH, nhiệt độ và độ ẩm, từ đó tối ưu hóa năng suất và giảm rủi ro, hướng tới nền nông nghiệp chính xác và hiệu quả.
Hình 2.2 Hình minh họa cho các ứng dụng IoT vào trồng cây thủy canh
2.1.3 Những hệ thống thủy canh phổ biến
- Hệ thống thủy canh dạng NFT (Nutrient Film Technique):
Hệ thống NFT (Nutrient Film Technique) hoạt động dựa trên nguyên lý cung cấp chất dinh dưỡng qua một lớp nước mỏng chảy trên các ống hoặc tấm mạch Cây trồng được đặt trên mạch mỏng, chỉ cần một lượng nước vừa đủ để đảm bảo sự tưới dưỡng và hấp thụ chất dinh dưỡng hiệu quả.
Hình 2.3 Hình minh họa dạng thủy canh NFT
- Ưu điểm: Tiết kiệm nước, giảm nguy cơ bị tắc nghẽn do không sử dụng chất dẫn dinh dưỡng dày đặc, tạo môi trường tối ưu cho cây trồng
- Hạn chế: Khó điều chỉnh nồng độ chất dinh dưỡng, đòi hỏi kiểm soát độ chảy của nước [2]
- Hệ thống thủy canh dạng Drip Irrigation:
Hệ thống tưới nhỏ giọt sử dụng ống nhỏ và đầu phun để cung cấp nước và chất dinh dưỡng trực tiếp đến gốc cây Phương pháp này đảm bảo nước và dinh dưỡng được cung cấp một cách chính xác và tiết kiệm, giúp nâng cao hiệu quả tưới tiêu cho cây trồng.
Hình 2.4 Hình minh họa hệ thống trồng cây thủy canh dạng drip irrigation
Hệ thống này mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm khả năng điều chỉnh nồng độ chất dinh dưỡng một cách dễ dàng, tiết kiệm nước và dinh dưỡng, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của rễ cây và quá trình hấp thụ chất dinh dưỡng hiệu quả.
- Hạn chế: Yêu cầu hệ thống phân phối nước và cấp chất dinh dưỡng phức tạp hơn so với các hệ thống khác
Hệ thống tạo ra một môi trường không khí giàu hạt nước sương nhỏ, cung cấp chất dinh dưỡng thiết yếu cho cây trồng Rễ cây được treo lơ lửng trong không gian, tiếp xúc trực tiếp với các hạt nước sương, giúp tối ưu hóa quá trình hấp thụ dinh dưỡng.
Hình 2.5 Hình minh họa hệ thống trồng cây thủy canh dạng khí canh
- Ưu điểm: Tối ưu hóa hấp thụ chất dinh dưỡng, tăng cường phân giải oxy, tăng tốc độ sinh trưởng cây trồng
- Hạn chế: Đòi hỏi hệ thống phun sương và bơm khí phức tạp, đòi hỏi kiểm soát độ ẩm và nhiệt độ cao
- Thủy canh dạng bấc:
Hệ thống được thiết kế với bấc nối giữa phần nước bên dưới giá đỡ và rễ cây, cho phép dung dịch nước và dưỡng chất được truyền lên rễ cây một cách hiệu quả Bấc hút giúp điều chỉnh lượng nước cung cấp cho cây, đảm bảo sự phát triển hợp lý.
Hình 2.6 Hình minh họa hệ thống trồng cây thủy canh dạng bấc
Hệ thống tưới tự động mang lại nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm khả năng triển khai và thực hiện dễ dàng Nó cho phép điều chỉnh lượng nước cung cấp cho cây một cách linh hoạt, đồng thời cung cấp oxy cho rễ cây Nhờ đó, hệ thống này cải thiện hiệu quả kiểm soát độ ẩm và dinh dưỡng, giúp cây phát triển khỏe mạnh hơn.
Hệ thống tưới qua bấc hút có nhược điểm là cần một lượng nước lớn để duy trì nguồn cung cấp nước cho cây Ngoài ra, nó có thể gặp rủi ro về việc nước chảy ngược và nguy cơ nhiễm phèn cũng có thể xảy ra.
- Ngập và rút nước(Ebb và Flow Hydroponics):
Kỹ thuật trồng rau thuỷ canh và giải pháp
Sau khi nghiên cứu tài liệu về thủy canh từ internet và sách vở, cùng với việc tham khảo các mô hình thực tế, nhóm đã phân tích và chọn lọc kỹ lưỡng để đưa ra những kỹ thuật nông nghiệp cần thiết cho cây trồng Nhóm đã xác định giải pháp tối ưu và quan trọng nhất cho hệ thống thủy canh mini.
2.2.1 Kỹ thuật trồng rau thuỷ canh
Giám sát pH là việc đo lường độ axit hoặc bazơ của dung dịch, đóng vai trò quan trọng trong hệ thống trồng cây thủy canh pH ảnh hưởng đến hoạt động của vi sinh vật có lợi, sự tan và phân bố các ion dinh dưỡng trong dung dịch nuôi trồng, cũng như sự thay đổi màu sắc và hương thơm của cây trồng.
Giá trị pH tối ưu cho hệ thống trồng cây thủy canh là từ 5,5 đến 6,5 Nếu pH nằm ngoài khoảng này, cây có thể gặp phải các vấn đề như rụng lá, suy yếu và ảnh hưởng đến sự phát triển của hệ thống trồng.
Do đó, cần phải kiểm tra và điều chỉnh pH trong dung dịch nuôi trồng một cách thường xuyên
Nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của cây trồng trong hệ thống thủy canh, với mỗi loại cây có mức nhiệt độ lý tưởng riêng Nếu nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp, cây trồng sẽ bị suy yếu và gặp thiệt hại.
Ví dụ, nhiệt độ cao có thể gây ra sự mất nước qua lá của cây trồng, làm giảm khả năng
Nhiệt độ là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và kháng bệnh của cây trồng trong mô hình thủy canh Nhiệt độ thấp có thể làm chậm quá trình sinh sản của các vi sinh vật có lợi trong dung dịch nuôi trồng, dẫn đến giảm hiệu suất chuyển hóa chất dinh dưỡng Để đảm bảo sự phát triển tối ưu, nhiệt độ lý tưởng cho cây trồng nên duy trì trong khoảng 70 đến 75 độ F (21 đến 24ᵒC).
- Nồng độ dinh dưỡng áp dụng
Trong quá trình trồng cây thủy canh, nồng độ dung dịch dinh dưỡng có thể tăng lên do sự hấp thụ và thoát hơi nước của cây Vì vậy, mỗi 4 ngày, bạn nên kiểm tra nồng độ dinh dưỡng để đảm bảo đạt chuẩn Đặc biệt, sau mỗi cơn mưa, cần kiểm tra lại nồng độ dinh dưỡng vì nước mưa có thể làm loãng dung dịch thủy canh.
❖ Theo dõi nồng độ dinh dương trong dunh dịch
Bảng 2.1 Nồng độ ppm cho từng cây
STT TÊN RAU PH PPM
28 Bí mùa hè 5.8 1260 - 1680 Đối với rau ăn lá:
• Rau xà lách + rau muống: ≥ 700 ppm
• Rau cải ăn bông, Cải bẹ xanh, Rau Thơm, Rau Dền, Rau Đay, các loại rau khác:
• Trong trường hợp trồng nhiều loại rau: để mức dinh dưỡng 800ppm – 1000ppm Đối với cây leo ăn quả, củ:
• Thời gian đầu mới phát triển: 900ppm – 1000ppm
• Thời gian ra hoa – nuôi trái: 2100 ppm
• ( 1ppm = 1/1.000.000 mg/kg 1g phân pha vào 1 lít nước sẽ được nồng độ 1000 ppm) Ươm giống
- Nên ươm giống 5 – 10 ngày trước đợt thu hoạch để đảm bảo thời gian gối đầu cho lứa rau tiếp theo
- Trong thời gian ươm: sử dụng dinh dưỡng thủy canh tưới cho cây là 400ppm – 600ppm
- Thời điểm tỉa cây: vào ngày thứ 7 – 10 Tỉa cây vào thời điểm trước khi cho lên giàn hoặc lúc anh chị có nhu cầu ăn rau mầm
- Lưu ý: chỉ tỉa rau bằng cách cắt gốc, không nhổ bật gốc lên khiến động rễ những cây khác
- Mật độ rau thích hợp khi lên giàn là từ 1 – 2 cây/rọ (riêng Xà
Lách 1 cây/rọ, rau Muống 4 – 5 cây/rọ)
- Rau ăn lá: thay mới dung dịch 1 tháng/lần
- Rau leo ăn trái: thay mới dung dịch tại thời điểm cây bắt đầu ra hoa (đồng thời tăng nồng độ dung dịch lên 2100 ppm)
Theo thời gian, cây sẽ hấp thụ dinh dưỡng từ phân bón dựa trên nhu cầu và điều kiện môi trường Cần tránh việc pha thêm nước cốt để tăng nồng độ dinh dưỡng cho cây trong các lứa tiếp theo, vì điều này có thể làm gia tăng nguy cơ thừa phân và ảnh hưởng xấu đến sức khỏe cây trồng.
- Ươm rau ăn lá với giá thể mút xốp
Công nghệ nông nghiệp đang phát triển nhanh chóng, với việc sử dụng mút xốp trong ươm cây ngày càng trở nên phổ biến Nhiều trang trại thủy canh lớn đã áp dụng giá thể này vào quy trình sản xuất Mút xốp có nhiều ưu điểm như sạch sẽ, gọn gàng và vô trùng, đồng thời được cắt thành miếng và đục lỗ sẵn, rất tiện lợi cho việc gieo hạt và tách cây Hơn nữa, giá thành của mút xốp rẻ hơn nhiều so với viên nén sơ dừa, giúp tiết kiệm chi phí cho người trồng.
Cấu tạo của mỗi đơn vị ươm là: 30mm x 30mm x 25mm
Việc ươm hạt bằng giá thể mút xốp rất dễ dàng và tiện lợi, nhưng cũng có những đặc điểm riêng so với các loại giá thể khác Dưới đây là quy trình chi tiết để ươm hạt bằng giá thể mút xốp.
❖ Tạo môi trường ẩm cho giá thế
- Để tạo môi trường ẩm cho mút xốp, cần “ nhồi” mút xốp vào thùng nước, chậu nước cho đến khi mút xốp ngậm đầy nước
❖ Đặt tấm mút xốp vào khây nhựa chuẩn bị sẵn
- Cho nước ngập ẵ tấm mỳt xốp
❖ Gieo hạt vào lỗ đục sẵn
- Gieo 2 – 3 hạt vào mỗi lỗ được đục sẵn
- Sử dụng nước ấm 50°C tưới phun sương lên bề mặt giá thể từ 2 – 5 phút
- Dùng tấm che che kín khay ươm trong vòng 48h để kích thích nảy mầm
❖ Đưa cây ra khu vực nhiều ánh sáng
- Sau khi cây nảy mầm, cất tấm che, đưa khay ươm ra khu vực nhiều ánh sáng trực tiếp
- Giữ mực nước trong khay bằng dinh dưỡng nồng độ 400 ppm – 600 ppm
- Lọc những bỏ những cây kém phát triển
- Cho những cây phát triển tốt lên giàn để tiếp tục quá trình phát triển của cây [6]
Những giải pháp được đưa ra:
Đầu tiên, chúng ta cần đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về rau sạch và tươi của người dân thành phố, từ đó xây dựng niềm tin vững chắc vào sản phẩm mà chúng ta cung cấp.
Mô hình nhỏ gọn và dễ di chuyển này có thể áp dụng rộng rãi cho mọi hộ gia đình, công ty và văn phòng trống tại thành phố, giúp tận dụng tối đa không gian trống.
- Mặt khác cũng phù hợp với việc trang trí làm không gian xung quanh thêm sinh động vì có màu xanh của cây trồng
- Giảm thiểu đến mức nhỏ nhất công chăm sóc cho cây trồng khi áp dụng hệ thống tự động hóa hoàn toàn vào mô hình
- Đơn giản hóa khâu vận hành, lắp đặt và vận chuyển
Mô hình thủy canh mini tự động cần được áp dụng rộng rãi với giá thành hợp lý và hệ thống vận hành ổn định để đảm bảo hiệu quả.
- Dễ dàng giám sát, theo dõi, điều khiển các hoạt động của hệ thống trồng cây ở mọi nơi, mọi lúc
- Thống kê chi tiết cả quá trình đã nuôi trồng của hệ thống thông qua các chỉ số pH, TDS, nhiệt độ một cách liên tục
Sau khi nghiên cứu kỹ các kỹ thuật nông nghiệp và tham khảo nhiều mô hình thực tế, nhóm đã đề xuất giải pháp cho mô hình của mình Đồng thời, nhóm cũng áp dụng kiến thức về kỹ thuật điện và tự động hóa để xây dựng luật điều khiển cho mô hình này.
Hệ thống sẽ liên tục đo và cập nhật nhiệt độ lên mạng internet, giúp người dùng dễ dàng cài đặt khoảng nhiệt độ tối ưu cho cây Nếu nhiệt độ vượt ra ngoài khoảng này, hệ thống sẽ ngay lập tức cảnh báo và dừng hoạt động bơm nước để bảo vệ cây trồng.
❖ Điều khiển mật độ khoáng chất trong nước
Sử dụng 2 bơm nhu động cho 2 lọ dung dịch A và B, cảm biến TDS
Người dùng sẽ chủ động thay đổi được khoảng giá trị TDS phù hợp cho cây đang trồng từ web từ xa
Hệ thống điều khiển hai máy bơm dung dịch dinh dưỡng dựa trên giá trị TDS đã được cài đặt, nhằm duy trì mức TDS phù hợp cho bể nước.
❖ Điều khiển hồi lưu dung dịch dinh dưỡng cho rau
Cho phép người dùng cài đặt các thông số điều khiển: Thời gian bật, thời gian tắt
- Điều khiển bằng thời gian thực trên MCU.
Dung dịch dinh dưỡng thủy canh
Trong hệ thống trồng cây thủy canh, dung dịch thủy canh là yếu tố then chốt cung cấp các chất dinh dưỡng thiết yếu cho cây Nó thay thế đất và tạo ra môi trường lý tưởng cho sự phát triển của cây trồng.
2.3.1 Dung dịch dinh dưỡng thủy canh là gì?
Dung dịch thủy canh, hay còn gọi là dung dịch dinh dưỡng, là hỗn hợp các loại phân bón và chất dinh dưỡng, cung cấp đầy đủ các nguyên tố thiết yếu cho sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng.
Các chất dinh dưỡng đa lượng là những yếu tố thiết yếu mà thực vật cần với số lượng lớn để phát triển, bao gồm Carbon, Phốt pho, Hydro, Nitơ, Oxy, Lưu huỳnh, Kali, Magie và Canxi.
⮚ Các vi chất dinh dưỡng với số lượng nhỏ nhưng rất cần thiết bao gồm: Kẽm,
Niken, Noron, Đồng, Sắt, Mangan, Molybdenum, Boron và Clo
Nước dinh dưỡng thủy canh cho phép các chất dinh dưỡng thấm trực tiếp vào hệ thống
Hình 2.11 Dung dịch dinh dưỡng thủy canh
2.3.2 Một số loại dinh dưỡng thủy canh phổ biến
Dinh dưỡng thủy canh dạng bột thường được cung cấp dưới dạng bột hoặc hạt nhỏ, và được pha chế với nước để tạo thành dung dịch dinh dưỡng Các loại dinh dưỡng phổ biến bao gồm dinh dưỡng hữu cơ, như guano, phân bò và phân chim, là nguồn dinh dưỡng tự nhiên từ các chất hữu cơ, cùng với dinh dưỡng khoáng, bao gồm các muối khoáng như nitrat, photphat, kali, canxi và magiê, cung cấp các chất khoáng thiết yếu cho cây trồng.
Dinh dưỡng thủy canh dạng nước là các loại dung dịch dinh dưỡng đã được pha chế sẵn, thường đóng gói trong chai hoặc bình Những dung dịch này chứa các chất dinh dưỡng thiết yếu như nitơ, photpho, kali, canxi, và magiê, được cân đúng tỷ lệ để đảm bảo cung cấp đầy đủ dinh dưỡng cho cây trồng Ngoài ra, còn có dung dịch chứa chất kích thích tăng trưởng và bổ sung dinh dưỡng, giúp tăng cường sự phát triển, cải thiện chất lượng và năng suất cây trồng.
Hình 2.12 Dinh dưỡng thủy canh dạng nước và dạng bôt
Hình 2.13 So sánh ưu nhược điểm, đổi tượng phù hợp của dạng nước và dạng bột
Khi chọn loại dinh dưỡng thủy canh, cần nắm rõ yêu cầu dinh dưỡng của cây trồng và điều chỉnh tỷ lệ pha chế cho phù hợp Đồng thời, hãy tuân thủ hướng dẫn sử dụng từ nhà sản xuất và thường xuyên kiểm tra mức pH của dung dịch dinh dưỡng để đảm bảo môi trường tối ưu cho cây trồng.
Trong đề tài này nhóm nhận thấy sử dụng dinh dưỡng thủy canh dạng nước là phù hợp nhất
2.3.3 Dung dịch thủy canh Grow Master
Dung dịch thủy canh Grow Master được sản xuất từ nguyên liệu cao cấp, giúp giảm thời gian chăm sóc so với các sản phẩm khác Đối với rau ăn lá, nồng độ TDS thường được kiểm soát trong khoảng 800 - 1000 ppm, và cần đặc biệt chú ý đến nồng độ pH trong dung dịch.
Nồng độ pH trong dung dịch là yếu tố quan trọng giúp cây hấp thụ khoáng chất cần thiết cho sự phát triển Dung dịch Grow Master chứa Sắt EDDHA nhập khẩu từ Italia, giúp cây tránh tình trạng thiếu sắt và hiện tượng lá vàng Điểm khác biệt của sản phẩm này là Sắt EDDHA, tạo ra màu đỏ tươi khi pha loãng, nổi bật hơn so với màu vàng của các dung dịch sử dụng Sắt EDTA.
Hình 2.14 Dung dịch thủy canh Grow Master
Việc sử dụng nguyên liệu cao cấp giúp duy trì môi trường pH dễ dàng hơn, giảm thiểu công việc giám sát dinh dưỡng và tạo thêm thời gian cho các hoạt động như tập thể dục, mua sắm và gặp gỡ bạn bè Điều này mang lại sự thoải mái cho người trồng thủy canh trong quá trình chăm sóc cây trồng.
❖ Cách sử dụng, pha chế dung dịch:
Dung dịch thủy canh chất lượng thường được đóng gói thành hai chai riêng biệt, được phân loại rõ ràng thành nhóm A và B Điều này là do tính chất của các khoáng chất, khiến các nhà sản xuất không thể kết hợp chúng trong cùng một chai khi nồng độ cao.
✔ Trung bình một cặp dung dịch A và B có thể pha được từ 300 – 350L dung dịch sử dụng với nồng độ từ 800 – 1000 ppm
Để pha chế dung dịch dinh dưỡng thủy canh Grow Master cho quy mô gia đình, khi trồng nhiều loại rau trên cùng một giàn, nồng độ dinh dưỡng cho các loại rau ăn lá nên được điều chỉnh từ 800 đến 1000 ppm.
Bảng 2.2 Nồng độ ppm cho từng cây
Loại rau Nồng độ TDS(ppm) Nồng độ pH
Tổng Quan Về Internet Of Things
Internet of Things, hoặc IoT, là một khái niệm mô tả sự kết nối của các thiết bị điện
35 thiết bị thông minh kết nối với nhau qua mạng internet, bao gồm máy tính, điện thoại, máy in, xe hơi, máy lạnh, đèn chiếu sáng và cả các thiết bị y tế.
Mục tiêu chính của IoT là mang đến cho người dùng trải nghiệm mới mẻ trong việc quản lý và sử dụng thiết bị thông minh Người dùng có thể điều khiển các thiết bị này từ xa và theo dõi hoạt động của chúng thông qua các ứng dụng và phần mềm.
❖ Các thành phần chính trong một hệ thống IoT:
• Mỗi thiết bị IoT được trang bị một hoặc nhiều cảm biến để phát hiện các thông số của ứng dụng
• Đây là một phần mềm được lưu trữ trực tuyến (được gọi là điện toán đám mây)
• Nền tảng thu thập dữ liệu từ các thiết bị, sau đó phân tích, xử lý và phát hiện lỗi nếu có trong quá trình vận hành
• Để giao tiếp trong mạng IoT, kết nối Internet của các thiết bị là bắt buộc
• Wifi là một trong những phương thức kết nối Internet phổ biến
• Ứng dụng là giao diện cho người dùng để điều khiển các thiết bị IoT [8]
Hình 2.17 Ứng dụng của IoT
Nhà thông minh cho phép người dùng điều khiển ánh sáng, thiết bị điện và điều hòa từ xa thông qua ứng dụng trên điện thoại Công nghệ này mang lại sự tiện lợi và linh hoạt trong việc quản lý không gian sống.
❖ Giao thông vận tải o Điều khiển ánh sáng, thiết bị điện, điều hòa từ xa qua ứng dụng trên điện thoại
37 o Tối ưu hóa lịch trình vận chuyển hàng hóa, giám sát tốc độ và tiêu thụ nhiên liệu
Hình 2.19 IoT trong giao thông vận tải
❖ Chăm sóc sức khỏe o Theo dõi sức khỏe từ xa qua cảm biến o Dự đoán nguy cơ mắc bệnh và phòng ngừa kịp thời
❖ Nông nghiệp (Smart Farming) o Sử dụng cảm biến để theo dõi độ ẩm, nhiệt độ, chất dinh dưỡng trong đất
Hình 2.21 IoT trong nông nghiệp
Thành phố thông minh là một hệ thống tích hợp tất cả các ứng dụng IoT, được nhiều quốc gia áp dụng để giải quyết các vấn đề như kẹt xe, gia tăng dân số, ô nhiễm môi trường và ngập lụt Tại đây, mọi thứ được kết nối và dữ liệu được giám sát tự động bởi các máy tính, giúp tối ưu hóa quản lý và nâng cao chất lượng cuộc sống cho cư dân.
Công nghệ Wifi
Wifi (Wireless Fidelity) là công nghệ thay thế mạng có dây truyền thống, cho phép kết nối các thiết bị không dây thông qua sóng vô tuyến Dữ liệu được truyền qua sóng này, giúp các thiết bị giao tiếp và truyền nhận thông tin với tốc độ cao trong phạm vi mạng Wifi Kết nối Wifi không chỉ giúp máy tính giao tiếp với nhau mà còn cho phép truy cập Internet và kết nối với các mạng có dây.
Wifi là công nghệ truyền nhận dữ liệu phổ biến, được sử dụng rộng rãi tại nhà và các địa điểm công cộng như công viên, quán café và sân bay.
2.5.2 Công nghệ truyền nhận dữ liệu
❖ IEEE 802.11b o Xuất hiện năm 1999 o Sóng vô tuyến với tần số 2.4GHz
Tốc độ lý thuyết của mạng là 11Mbps, nhưng thực tế chỉ đạt từ 4 đến 6Mbps Đây là loại mạng phổ biến nhất nhưng ít khả năng mở rộng Ngoài ra, tốc độ truyền có thể bị ảnh hưởng bởi các thiết bị Bluetooth và điện thoại di động.
❖ IEEE 802.11a o Giới thiệu năm 2001 o Sóng vô tuyến với tần số 5.0GHz o Tốc độ 54Mbps (lý thuyết), 15 – 20Mbps (thực tế) Có khả năng mở rộng o Không tương thích với chuẩn 802.11b
❖ IEEE 802.11g o Giới thiệu năm 2003 o Sóng vô tuyến với tần số 2.4GHz o Kết hợp tính năng của hai tiêu chuẩn a và b Tốc độ 54Mbps o Tương thích với chuẩn 802.11b [8]
2.5.3 Thành phần của mạng Wifi
Nó hoạt động như một trạm cơ sở, kết nối đồng thời một hoặc nhiều thiết bị không dây với Internet
Wifi Card cho phép chấp nhận tín hiệu không dây và thông tin chuyển tiếp
Các biện pháp bảo vệ như tường lửa và phần mềm chống virus đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ thông tin cá nhân và đảm bảo an toàn cho người dùng khi truy cập mạng Wifi.
Là cấu trúc liên kết ngang hàng, không bắt buộc AP, các thiết bị bên trong có thể giao tiếp trực tiếp với nhau
Phù hợp để thiết lập mạng không dây một cách nhanh chóng và dễ dàng
Hình 2.24 Cấu trúc liên kết ngang hàng
Các thiết bị kết nối với nhau thông qua điểm truy cập, nơi mà tất cả dữ liệu truy cập phải đi qua Khi một thiết bị di động như máy tính hoặc điện thoại muốn giao tiếp với thiết bị di động khác, nó cần gửi thông tin đến điểm truy cập trước Điểm truy cập sau đó sẽ truyền lại thông tin đó đến thiết bị di động cần kết nối.
Hình 2.25 Cấu trúc liên kết dựa trên AP
Hotspot là một khu vực mà người dùng có thể dễ dàng truy cập mạng không dây
Mạng không dây được thiết lập với kết nối Internet băng thông rộng, thường bao gồm một hoặc nhiều điểm truy cập (Access Point - AP), giúp người dùng dễ dàng kết nối và truy cập Internet một cách thuận tiện.
2.5.6 Cách thức hoạt động Để tạo ra một Wifi Hotspot, người ta thường cài đặt một điểm truy cập để kết nối với Internet Điểm truy cập này hoạt động như một trạm cơ sở, cung cấp khả năng truy cập không dây cho các thiết bị trong phạm vi tần số sóng radio của nó
Khi thiết bị hỗ trợ Wifi phát hiện điểm truy cập, nó có thể kết nối không dây với mạng đó Mỗi điểm truy cập có khả năng phục vụ một số lượng người dùng nhất định Để mở rộng khả năng phục vụ, nhiều điểm truy cập có thể kết nối qua cáp Ethernet, tạo ra mạng lưới Wifi lớn hơn, từ đó cung cấp dịch vụ Internet không dây cho nhiều người dùng trong khu vực cụ thể.
Hình 2.26 Cách thức hoạt động của mạng Wifi
Trao đổi dữ liệu trong Wifi được chia làm 3 giai đoạn:
Khi chuẩn bị dữ liệu cho việc truyền không dây, thông tin sẽ được mã hóa và chuyển đổi thành tín hiệu số Tần số truyền tải được lựa chọn dựa trên kỹ thuật sử dụng để gửi tín hiệu.
43 đảm bảo hiệu suất tốt trong điều kiện truyền tải cụ thể
Dữ liệu được truyền thông qua sóng vô tuyến
Dữ liệu được nhận sau đó tiến hành giải mã tín hiệu số, xác nhận và cuối cùng là sử dụng [8]
Hình 2.27 Cách thức giao tiếp trong mạng Wifi
Quá trình cài đặt dễ dàng và không cần nhiều kiến thức kỹ thuật, giúp người dùng nhanh chóng thiết lập Hơn nữa, thiết bị cung cấp tốc độ truyền dữ liệu lớn, đáp ứng tốt nhu cầu thông tin của người sử dụng.
Có thể gặp hạn chế về khoảng cách hoạt động, đặc biệt trong môi trường có nhiều cản trở
Kể từ khi ra đời, Wifi đã mang lại sự tiện lợi nhưng cũng gây ra lo ngại về an ninh thông tin, khi dữ liệu truyền qua mạng Wifi có thể dễ dàng bị đánh cắp, ảnh hưởng đến quyền riêng tư của người dùng Để đối phó với vấn đề này, các biện pháp bảo mật đã trở thành yếu tố quan trọng nhằm đảm bảo an toàn và yên tâm cho người sử dụng, trong đó hai tiêu chuẩn bảo mật phổ biến nhất là Wireless Equivalent Privacy (WEP) và Wifi Protected Access (WPA).
Giao thức MQTT
MQTT là giao thức truyền tin tiêu chuẩn của OASIS dành cho Internet of Things (IoT), được thiết kế như một phương tiện truyền tin đăng ký/xuất bản nhẹ, lý tưởng cho việc kết nối các thiết bị từ xa với mã nguồn nhỏ gọn và băng thông mạng tối thiểu Hiện nay, MQTT được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như ô tô, sản xuất, viễn thông, và dầu khí.
Client (khách hàng) đăng ký một chủ đề để gửi và nhận message:
- Khi một client muốn gửi dữ liệu cho Broker: đây là hoạt động Publisher
- Khi một client muốn nhận dữ liệu từ Broker: đây là hoạt động Subscriber Vì vậy Publisher và Subscriber đóng vai trò đặc biệt của client
Hình 2.29 Hoạt động của client
Broker trong hệ thống MQTT hoạt động như một "trí não", tạo ra môi trường truyền thông linh hoạt và an toàn giữa các client Nó quản lý hiệu quả các tác vụ như đăng ký, chủ đề và xử lý tin nhắn Ngoài ra, Broker còn có nhiệm vụ phụ là cung cấp một số tính năng liên quan đến truyền thông như bảo mật và lưu trữ tin nhắn.
Là nơi mà message được phát sóng và nhận diện Các subscriber đăng ký cho một topic sẽ nhận được các message được gửi đến topic đó
Hình 2.30 Hoạt động của Topic
Là một đơn vị trao đổi dữ liệu, thông tin được nhận khi một thiết bị đăng ký (subscribe) vào một chủ đề (topic) hoặc được gửi đi khi một thiết bị phát sóng (publish) một chủ đề.
Quality of Service (QoS) in MQTT ensures reliable data transmission between clients and brokers MQTT offers three distinct levels of QoS to accommodate varying requirements for message delivery assurance.
• QoS0 Đảm bảo mức thấp nhất, dữ liệu được gửi đi đúng một lần và sẽ không được kiểm tra đã đến các Broker hay chưa
• QoS1 Đảm bảo đã đến nơi nhận, ít nhất một lần được xác nhận
Broker/client đảm bảo khi gửi dữ liệu thì phía nhận chỉ nhận được đúng một lần, quá trình này phải trải qua 4 bước bắt tay
Trong hệ thống IoT, nền tảng (Platform) đóng vai trò quan trọng, thường được triển khai trên mô hình điện toán đám mây Nền tảng này có nhiệm vụ kết nối các thiết bị, cung cấp khả năng kiểm soát và giám sát hiệu quả cho người dùng.
Broker đóng vai trò là một phần của Platform, giúp quản lý truyền thông giữa các thiết bị
Có hai cách tạo ra một Broker:
• Cài đặt và triển khai một Broker MQTT trực tiếp trên các thiết bị như máy tính, Raspberry Pi, server, vv
• Sử dụng các dịch vụ MQTT Broker được cung cấp trên điện toán đám mây, ví dụ như CloudMQTT
Hình 2.31 Thành phần của một MQTT trong hệ thống IoT
Cài đặt và triển khai một Broker MQTT trên server mang lại sự linh hoạt và kiểm soát tối ưu, giúp quản lý và tùy chỉnh Broker theo nhu cầu cụ thể của người dùng.
Giao thức này được thiết kế nhẹ và linh hoạt, giúp đơn giản hóa việc triển khai trong phần mềm và tăng tốc độ truyền nhận dữ liệu, ít bị ảnh hưởng bởi tốc độ mạng Đặc biệt, giao thức sử dụng kỹ thuật tin nhắn để cải thiện hiệu suất truyền thông.
Gói dữ liệu mạng được tối ưu hóa giúp giảm độ trễ và nâng cao hiệu suất truyền thông, đồng thời tăng tốc độ truyền và giảm áp lực lên mạng.
Giao thức này sử dụng nguồn điện năng thấp, giúp tiết kiệm năng lượng cho các thiết bị kết nối, trở thành lựa chọn lý tưởng cho các dự án IoT, nơi tiết kiệm năng lượng rất quan trọng Khả năng hoạt động hiệu quả của nó càng làm tăng giá trị trong các ứng dụng IoT hiện nay.
47 trong thời gian thực là một ưu điểm đặc biệt quan trọng, đáp ứng hiệu suất thời gian thực được yêu cầu trong nhiều ứng dụng IoT
MQTT được phát triển với tính nhẹ nhàng và linh hoạt, chỉ triển khai một lớp bảo mật ở tầng ứng dụng Điều này chủ yếu tập trung vào bảo mật xác thực, đảm bảo rằng các client chỉ có quyền truy cập vào Broker khi được xác thực đúng cách.
Mặc dù MQTT chủ yếu tập trung vào bảo mật ứng dụng, nhưng nó vẫn có khả năng tích hợp với các giải pháp bảo mật đa tầng khác Việc kết hợp MQTT với VNP ở tầng mạng hoặc sử dụng SSL/TLS ở tầng transport có thể cung cấp lớp bảo mật bổ sung cho quá trình truyền thông.
Giới Thiệu Node – Red
Node-RED là công cụ lập trình đơn giản, giúp kết nối các thiết bị phần cứng, API và dịch vụ trực tuyến Mặc dù chủ yếu được phát triển để hỗ trợ IoT (Internet of Things), Node-RED còn có khả năng áp dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau, cho phép người dùng nhanh chóng liên kết các luồng dịch vụ đa dạng.
Node-RED là một dự án mã nguồn mở do Emerging Technology Services của IBM phát triển, tích hợp trong gói ứng dụng khởi động IoT Bluemix của IBM, một nền tảng PasS (Platform-as-a-Service) Nổi bật với giao diện kéo thả trực quan, Node-RED giúp quá trình lập trình trở nên dễ dàng và thân thiện với người dùng.
Hình 2.32 Một Node - RED cơ bản
Trước đây, lập trình viên cần có kiến thức sâu rộng về ngôn ngữ lập trình cấp thấp để kết nối và tương tác với dịch vụ và phần cứng Tuy nhiên, Node-RED đã làm cho quy trình này trở nên đơn giản hơn, cho phép lập trình viên kết hợp dịch vụ web và phần cứng một cách linh hoạt thông qua giao diện kéo thả trực quan Điều này không chỉ giảm độ phức tạp mà còn tiết kiệm thời gian triển khai, đặc biệt trong lĩnh vực IoT và các ứng dụng liên quan.
Node-RED được phát triển đặc biệt cho lĩnh vực Internet of Things (IoT), nhằm kết nối và xử lý dữ liệu giữa các thiết bị Đây là một công cụ mạnh mẽ, linh hoạt và cho phép phát triển nhanh chóng, dựa trên hai yếu tố chính.
• Node-RED sử dụng một mô hình lập trình dựa trên luồng, trong đó các sự kiện được biểu thị bằng các luồng sự kiện giữa các nút
Node-RED cung cấp một bộ nút xây dựng sẵn, giúp nhà phát triển dễ dàng kết nối các luồng một cách nhanh chóng Những nút này giảm bớt độ phức tạp trong lập trình và kết nối, cho phép người dùng không cần phải hiểu sâu về chi tiết lập trình bên trong.
Node-RED là một công cụ mạnh mẽ trong phát triển ứng dụng IoT, giúp đơn giản hóa và nâng cao hiệu suất quá trình phát triển trong lĩnh vực này Nhờ vào khả năng của mình, Node-RED đã trở thành một phần quan trọng trong danh sách các công cụ hỗ trợ phát triển IoT.
Hình 2.33 Node – RED và IoT
Node-RED, nhờ vào nền tảng Node.js, tận dụng hiệu suất và tính nhẹ nhàng của môi trường thời gian chạy này Sự tích hợp với trình duyệt web mang đến một giao diện trực quan, giúp người dùng dễ dàng tương tác với hệ thống.
Người dùng có thể dễ dàng tạo ra luồng làm việc cá nhân hóa bằng cách kéo và thả các nút từ thư viện phong phú Mỗi nút được thiết kế để thực hiện các nhiệm vụ cụ thể, bao gồm xử lý dữ liệu, kết nối và tương tác với dịch vụ web, cơ sở dữ liệu, thiết bị IoT và nhiều tính năng khác.
Node-RED là công cụ mạnh mẽ cho phát triển ứng dụng IoT, giúp đơn giản hóa việc kết nối các thành phần trong hệ thống Sự tích hợp với Node.js mang lại môi trường linh hoạt và hiệu suất cao cho các dự án IoT đa dạng.
Hình 2.34 Giao diện Node – RED
Giao diện lập trình gồm 3 thành phần:
• Bên trái: tập hợp các nút có sẳn để xây dựng ứng dụng
• Trung tâm: nơi thực hiện ứng dụng, kết nối các nút
• Bên phải: thuộc tính và cài đặt cấu hình cho các nút [8]
Kết luận chương 2
Chương 2 tập trung vào cơ sở lý thuyết của đồ án, bao gồm trồng cây thủy canh, ứng dụng IoT, kỹ thuật trồng rau, dung dịch dinh dưỡng, Wifi, MQTT, và Node-Red Điểm chính bao gồm ứng dụng IoT trong trồng cây, kỹ thuật trồng rau thuỷ canh, công nghệ Wifi, giao thức MQTT, và giới thiệu về Node-Red Chương này cung cấp nền tảng lý thuyết cho việc thực hiện đồ án, tạo cơ sở cho chương 3 về phương pháp thực hiện nghiên cứu và triển khai hệ thống.
TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ
Mô hình tổng quan của hệ thống
Trong chương này, nhóm sẽ giới thiệu mô hình thiết kế tổng quan của hệ thống trồng cây thủy canh, bao gồm các thành phần cơ bản và sự tương tác giữa chúng, nhằm tạo ra môi trường lý tưởng cho sự phát triển của cây trồng.
Hệ thống trồng cây thủy canh của nhóm được thiết kế dựa trên nguyên lý sử dụng nước và chất dinh dưỡng để nuôi cây mà không cần đến đất.
Mô hình bao gồm các thành phần sau:
1 Hồ chứa nước: Nơi chứa nước để nuôi cây trồng, thường được làm từ vật liệu không thấm nước như nhựa PVC hoặc sợi thủy tinh để ngăn rò rỉ nước
2 Bơm nước: Sử dụng để cung cấp nước từ nguồn ngoài vào hồ chứa nước, đảm bảo hồ luôn có đủ nước cho hệ thống trồng cây
3 Bồn trồng cây: Nơi trồng và nuôi cây, thường được làm từ nhựa PVC hoặc vật liệu không thấm nước, bên trong có vật liệu nền để ổn định cây và hỗ trợ dưỡng chất thẩm thấu vào rễ
4 Hệ thống cấp nước và chất dinh dưỡng: Bao gồm ống nước và ống dẫn chất dinh dưỡng để cung cấp nước và chất dinh dưỡng cho cây trồng
5 Cảm biến và Bộ điều khiển: Cảm biến nhiệt độ, pH, TDS và các thông số môi trường khác gửi thông tin đến Bộ điều khiển để điều chỉnh môi trường tốt nhất cho cây trồng
6 Web Server: Đóng vai trò trong việc truyền nhận dữ liệu, đồng bộ điều khiển giữa các thiết bị và giao diện Web với giao diện trực quan, thân thiện với người dùng
❖ Yêu cầu chức năng sử dụng của hệ thống trồng cây thủy canh của đề tài bao gồm:
1 Tự động điều khiển cấp nước theo lịch trình: Hệ thống được lập trình để tự động cấp nước cho cây trồng theo lịch trình đã định sẵn Điều này đảm bảo rằng cây trồng luôn nhận được đủ lượng nước cần thiết cho sự phát triển và sinh trưởng
2 Tự động điều chỉnh dinh dưỡng: Hệ thống được thiết kế để tự động điều chỉnh lượng dinh dưỡng cần thiết cho cây trồng Các thông số dinh dưỡng như pH, EC/TDS được giám sát và điều chỉnh một cách tự động để đảm bảo môi trường trồng cây luôn ở mức lý tưởng
3 Giám sát và điều khiển từ xa qua Internet theo thời gian thực: Hệ thống có khả năng kết nối với Internet, cho phép bạn giám sát và điều khiển từ xa các thông số quan trọng của hệ thống Bạn có thể theo dõi và điều chỉnh các thông số như pH, TDS, nhiệt độ, trạng thái bơm và quá trình hoạt động của hệ thống từ bất kỳ đâu thông qua kết nối Internet
4 Lưu trữ sự thay đổi các giá trị pH, TDS, nhiệt độ, trạng thái bơm và quá trình hoạt động của hệ thống: Hệ thống có khả năng lưu trữ và ghi nhận các thay đổi về pH, TDS, nhiệt độ, trạng thái bơm và các hoạt động của hệ thống Điều này giúp bạn theo dõi và phân tích các thông số quan trọng để điều chỉnh và cải thiện hoạt động của hệ thống trồng cây
Hệ thống trồng cây thủy canh của bạn sẽ được tự động hóa, mang lại sự tiện lợi và giúp bạn quản lý cũng như chăm sóc cây trồng một cách hiệu quả hơn.
Hệ thống yêu cầu có khả năng thu thập dữ liệu hiệu quả từ các cảm biến và cập nhật thông tin để duy trì độ chính xác Nó cho phép giám sát toàn bộ hệ thống qua trang web, giúp quản lý dễ dàng hơn Hệ thống cũng có khả năng phát hiện khi dung dịch dinh dưỡng hoặc nước cạn kiệt và điều khiển các thiết bị từ xa, mang lại sự tiện lợi trong quản lý Người dùng có thể quan sát hình ảnh trực tiếp từ xa để theo dõi tình trạng một cách linh hoạt Thiết bị trong hệ thống được chế tạo để chịu đựng tốt các yếu tố oxy hóa từ môi trường, đồng thời hệ thống dễ di chuyển, tháo lắp và kết nối thiết bị thuận tiện Cuối cùng, hệ thống đảm bảo an toàn khi người dùng tương tác và điều khiển.
Sơ đồ khối hệ thống
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống
Khối cảm biến thực hiện việc đo lường các thông số quan trọng như nhiệt độ, TDS, pH và chiều cao mực nước của bồn nước, sau đó gửi tín hiệu đến khối xử lý để phân tích và xử lý thông tin.
Khối xử lý trung tâm ESP32 tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến và module thời gian thực, xử lý tín hiệu này, nhận tin nhắn từ MQTT Broker, và gửi tín hiệu điều khiển đến các khối hiển thị, lưu dữ liệu, và công suất Khối hiển thị sẽ trình bày các thông số môi trường thu thập từ cảm biến và trạng thái thiết bị cho người dùng, tất cả dưới sự điều khiển của ESP32.
Khối lưu trữ sẽ nhận lệnh từ ESP32 lưu trữ lịch sử hoạt động của thiết bị liên tục và trong thẻ nhớ
Khối công suất có nhiệm vụ vận hành trực tiếp các máy bơm
Khối Node-Red là giao diện điều khiển website, cho phép người dùng giám sát và điều khiển thông qua việc nhận và gửi dữ liệu từ MQTT Broker, đồng thời nhận hình ảnh từ ESP CAM.
ESP CAM sẽ được sử dụng để quay lại hình ảnh của hệ thống đang vận hành
Khối nguồn cung cấp nguồn cho các khối hoạt động
Ngoài ra nhóm ESP8266 sẽ là một vi xử lý đập lập sẽ có chức năng bơm dung dịch
53 dinh dưỡng vào bồn nước để đảm bảo giá trị TDS của nước đúng theo thiết lập của người dùng
ESP8266 sẽ nhận giá trị TDS hiện tại cùng với thông số cài đặt TDS tối thiểu và tối đa từ ESP32 và người dùng qua MQTT Broker Dựa trên các giá trị này, ESP8266 sẽ thực hiện tính toán để điều khiển bơm dung dịch một cách phù hợp.
Khối điều khiển
Trong hệ thống trồng cây thủy canh, khối điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc đo lường và điều chỉnh các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trồng cây Nó cũng đảm nhận nhiệm vụ kết nối và giao tiếp với các thiết bị và cảm biến khác trong hệ thống Do đó, việc lựa chọn vi điều khiển phù hợp là yếu tố then chốt để đảm bảo khối điều khiển hoạt động hiệu quả và ổn định.
Trong quá trình xem xét và so sánh các vi điều khiển khác nhau như:
1 Arduino Uno: Arduino Uno là một vi điều khiển rất phổ biến trong các dự án nhúng nhỏ và đơn giản Nó có hiệu suất tốt, dễ sử dụng và có một cộng đồng lớn hỗ trợ Tuy nhiên, Arduino Uno có hạn chế về kết nối mạng tích hợp, chức năng giao tiếp và khả năng xử lý so với ESP32
2 Raspberry Pi: Raspberry Pi là một vi điều khiển mạnh mẽ với khả năng xử lý cao và tích hợp các kết nối mạng như Wi-Fi và Ethernet Nó cũng hỗ trợ hệ điều hành Linux, cho phép triển khai các ứng dụng phức tạp Tuy nhiên, Raspberry Pi có kích thước lớn hơn, tiêu thụ năng lượng cao hơn và phức tạp hơn trong việc cấu hình và sử dụng so với ESP32
Từ đó nhóm đã chọn sử dụng ESP32 vì những lý do sau:
ESP32 sở hữu vi xử lý mạnh mẽ với tốc độ xử lý cao, cho phép thực hiện các tác vụ phức tạp một cách nhanh chóng và chính xác Nhờ đó, khối điều khiển có khả năng xử lý tín hiệu từ cảm biến hiệu quả, thực hiện các tính toán và điều khiển một cách tối ưu.
ESP32 là một giải pháp linh hoạt cho kết nối và giao tiếp, hỗ trợ nhiều giao thức như Wi-Fi và Bluetooth Nhờ đó, khối điều khiển có thể dễ dàng kết nối với mạng và giao tiếp với các thiết bị khác, bao gồm máy tính và điện thoại thông minh thông qua ứng dụng di động.
● Sẵn có và hỗ trợ cộng đồng: ESP32 là một vi điều khiển rất phổ biến và có sẵn trên
Thị trường phát triển mạnh mẽ với nhiều tài liệu, mã nguồn mở và thư viện hỗ trợ từ cộng đồng lập trình Điều này giúp tiết kiệm thời gian và công sức trong quá trình triển khai và phát triển hệ thống.
ESP32 là một giải pháp nhỏ gọn và linh hoạt, với các chân giao tiếp đa chức năng, giúp dễ dàng kết nối và tích hợp nhiều thiết bị và cảm biến khác nhau.
Với khả năng xử lý mạnh mẽ, kết nối linh hoạt và dễ dàng tích hợp, ESP32 là sự lựa chọn lý tưởng cho khối điều khiển trong hệ thống trồng cây thủy canh, đồng thời nhận được sự hỗ trợ đáng tin cậy từ cộng đồng lập trình.
ESP32 là vi xử lý dựa trên kiến trúc Xtensa LX6, nổi bật với khả năng kết nối Wi-Fi và Bluetooth tích hợp Với nhiều ưu điểm và tính năng vượt trội, ESP32 rất phù hợp cho các dự án IoT.
- Khả năng xử lý cao: ESP32 có hai nhân CPU có tốc độ lên đến 240 MHz, cho phép xử lý các tác vụ phức tạp và đa nhiệm
ESP32 được thiết kế với khả năng tiêu thụ năng lượng thấp nhờ vào các chế độ tiết kiệm năng lượng như Deep Sleep Mode và Light Sleep Mode, giúp giảm thiểu mức tiêu thụ năng lượng khi thiết bị không hoạt động hoặc chỉ hoạt động ở mức tối thiểu.
ESP32 sở hữu khả năng kết nối mạng linh hoạt với hỗ trợ cho nhiều giao thức như Wi-Fi, Bluetooth, Ethernet, LoRa và Sigfox Điều này cho phép thiết bị dễ dàng kết nối và truyền dữ liệu với các thiết bị khác trong hệ thống hoặc qua Internet.
ESP32 hỗ trợ FreeRTOS, cho phép thực hiện đa nhiệm hiệu quả bằng cách chia các tác vụ thành các task riêng biệt và quản lý thời gian hoạt động của chúng.
3.3.2 Giới thiệu về ESP32 DevBoard
ESP32 DevBoard là một phiên bản phổ biến của ESP32, thường được sử dụng trong các dự án IoT Nó cung cấp môi trường phát triển thuận tiện cùng với các tiện ích tích hợp, giúp lập trình và thử nghiệm ứng dụng dễ dàng hơn.
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật ESP32 DevBoard
Thông số Giá trị Điện áp hoạt động 5VDC
Dòng tiêu thụ tối đa 300mA
Hình 3.2 Hình minh họa ESP32 DevBoard và các kết nối
Các kết nối quan trọng của ESP32 DevBoard bao gồm:
- Cổng USB: Dùng để kết nối với máy tính để nạp chương trình và cung cấp nguồn điện cho bo mạch
- Cổng pin: Dùng để kết nối với pin để cung cấp nguồn điện cho bo mạch khi không sử dụng cổng USB
- Chân GPIO: Dùng để kết nối với các thiết bị và cảm biến khác trong hệ thống thông qua các giao tiếp như UART, SPI, I2C, GPIO
- Nút Boot: Dùng để khởi động lại bo mạch hoặc vào chế độ Flash Mode để nạp chương trình
- Nút EN: Dùng để reset bo mạch
56 Để kết nối và cấu hình ESP32 DevBoard cho hệ thống trồng cây thủy canh của chúng ta, chúng ta cần làm theo các bước sau:
- Bước 1: Cài đặt driver CP210x USB to UART Bridge VCP Driver để máy tính nhận diện được bo mạch qua cổng USB
- Bước 2: Cài đặt Arduino IDE làm môi trường lập trình cho bo mạch
- Bước 3: Thêm URL https://dl.espressif.com/dl/package_esp32_index.json vào File
> Preferences > Additional Boards Manager URLs để Arduino IDE có thể tải được board ESP32
- Bước 4: Chọn Tools > Board > Boards Manager > Tìm kiếm "ESP32" > Chọn
"ESP32 by Espressif Systems" > Install để cài đặt board ESP32 vào Arduino IDE
- Bước 5: Chọn Tools > Board > DOIT ESP32 DEVKIT V1 để chọn board ESP32 DevBoard
- Bước 6: Chọn Tools > Port > COMx (x là số cổng USB) để chọn cổng kết nối với bo mạch
- Bước 7: Kết nối các thiết bị và cảm biến khác với bo mạch thông qua các chân GPIO theo sơ đồ kết nối [9]
3.3.3 Môi trường lập trình ESP32 và nền tảng Arduino IDE
Arduino IDE là môi trường phát triển tích hợp (IDE) lý tưởng cho việc lập trình và nạp chương trình vào các bo mạch Arduino và ESP32 Với giao diện thân thiện và dễ sử dụng, Arduino IDE hỗ trợ ngôn ngữ lập trình C/C++ và cung cấp nhiều thư viện cùng tài liệu hữu ích cho người dùng.
Hình 3.3 Hình minh họa cho giao diện của Arduino IDE
Các tính năng và công cụ của Arduino IDE bao gồm:
Menu Bar là thanh công cụ chứa các menu như File, Edit, Sketch, Tools, cho phép người dùng thực hiện các chức năng quan trọng như tạo mới, lưu, mở file, kiểm tra lỗi, biên dịch và nạp chương trình.
Khối cảm biến
Cảm biến đo giá trị TDS (Total Dissolved Solids), pH và nhiệt độ là thiết bị quan trọng trong hệ thống trồng cây thủy canh, giúp đảm bảo chất lượng dinh dưỡng và môi trường tối ưu cho cây trồng Các loại cảm biến phổ biến bao gồm DFRobot Gravity: Analog TDS Sensor/Meter, DFRobot Gravity: Analog pH Sensor/Meter Pro Kit V2 và DS18B20.
Sau đây là thông tin chi tiết về từng cảm biến:
3.4.1 DFRobot Gravity: Analog TDS Sensor/Meter:
Cảm biến này đo lường chất lượng nước thông qua độ dẫn điện, giúp kiểm soát dinh dưỡng trong hệ thống thủy canh Với độ chính xác cao và dễ dàng kết nối với ESP32 Dev Board, cảm biến này được lựa chọn Theo các nguồn tham khảo, nó vượt trội hơn các cảm biến TDS khác nhờ khả năng chống ăn mòn và tuổi thọ dài.
Hình 3.4 Hình thực tế của cảm biến Analog TDS Sensor/Meter
Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật Analog TDS Sensor/Meter
Thông số Giá trị Điện áp hoạt động DC 3.3 ~ 5.5V Điện áp ra 0 ~ 2.3V
Dòng điện hoạt động 3 ~ 6mA
Khoảng đo TDS 0 ~ 1000 ppm (parts per million) Độ chính xác ±10% F.S (25 ℃)
Tín hiệu ngõ ra Analog
Hệ số chuyển đổi 0.64 (độ dẫn điện x 0.64 = giá trị TDS)
+ Cách hiệu chỉnh: Sử dụng các dung dịch chuẩn có độ dẫn điện biết trước để điều chỉnh giá trị đọc được từ cảm biến
Để điều chỉnh giá trị TDS ở nhiệt độ khác 25°C, bạn có thể sử dụng công thức TDS = TDS25 x (1 + α x (T - 25)), trong đó TDS25 là giá trị TDS đo được từ cảm biến, α là hệ số nhiệt độ (0.02), và T là nhiệt độ hiện tại.
Hình 3.5 Chân kết nối của Analog TDS Sensor/Meter 3.4.2 DFRobot Gravity: Analog pH Sensor/Meter Pro Kit V2:
Cảm biến này đo mức độ axit và kiềm của nước, giúp duy trì môi trường tối ưu cho cây trồng trong hệ thống Với độ chính xác cao và khả năng kết nối dễ dàng với ESP32 Dev Board, cảm biến này được ưa chuộng Theo các nguồn tham khảo, nó có ưu điểm nổi bật so với các cảm biến pH khác nhờ vào khả năng tự hiệu chỉnh và bù nhiệt độ.
Hình 3.6 Hình ảnh thực tế của Analog pH Sensor/Meter Pro Kit V2
Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật Analog pH Sensor/Meter Pro Kit V2
Thông số Giá trị Điện áp hoạt động DC 3.3 ~ 5V Điện áp ra 0 ~ 5V
Khoảng đo pH 0 ~ 14 Độ chính xác ±0.1 pH
Tín hiệu ngõ ra Analog
+ Cách tự hiệu chỉnh: Sử dụng các dung dịch chuẩn có giá trị pH biết trước để điều chỉnh giá trị đọc được từ cảm biến
Để tính toán giá trị pH thực tế khi nhiệt độ khác 25°C, bạn có thể sử dụng công thức pH = pH25 - (T - 25) x S Trong đó, pH25 là giá trị pH đo được từ cảm biến, T là nhiệt độ hiện tại, và S là hệ số nhiệt độ, có giá trị là 0.000198.
Hình 2 8: Hình ảnh các chân kết nối của Analog pH Sensor/Meter Pro Kit V2 3.4.3 Cảm biến nhiệt độ DS18B20:
Cảm biến này có khả năng đo nhiệt độ nước, hỗ trợ việc theo dõi và điều chỉnh môi trường nuôi trồng hiệu quả Được lựa chọn nhờ độ chính xác cao, cảm biến giao tiếp qua giao thức 1-Wire với ESP32 Dev Board, mang lại sự tiện lợi trong việc thu thập dữ liệu Theo các nguồn tham khảo, cảm biến này sở hữu nhiều ưu điểm nổi bật.
62 hơn các cảm biến nhiệt độ khác về khả năng hoạt động trong khoảng rộng và tiết kiệm điện năng
Hình 3.7 Hình thực tế và chân kết nối của DS18B20
Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật DS18B20
Thông số Giá trị Điện áp hoạt động DC 3.0 ~ 5.5V
Khoảng đo nhiệt độ -55°C ~ +125°C Độ chính xác ±0.5°C
Tín hiệu ngõ ra 1-Wire
+ Loại chip: DS18B20 có mã nhận dạng duy nhất gồm 64 bit và bộ nhớ EEPROM để lưu trữ các thông số cấu hình
Để kết nối chip, bạn cần nối chân VDD với nguồn điện, chân GND với mặt đất, và chân DQ với chân GPIO của ESP32 Dev Board thông qua một điện trở kéo lên có giá trị khoảng 4.7kΩ.
Để địa chỉ hóa các chip kết nối với cùng một chân GPIO của ESP32 Dev Board, cần sử dụng mã nhận dạng duy nhất của từng chip Điều này giúp giao tiếp hiệu quả với chip mong muốn trong môi trường có nhiều chip kết nối.
3.4.4 Cảm biến siêu âm HC-SR04
Cảm biến siêu âm HC-SR04 là thiết bị phổ biến dùng để đo khoảng cách dựa trên nguyên lý phản xạ sóng siêu âm Nó xác định khoảng cách đến vật cản bằng cách đo thời gian giữa việc phát và nhận sóng Khi ứng dụng để đo mực nước trong bồn, cảm biến này cung cấp dữ liệu quan trọng cho việc quản lý lượng nước, kiểm soát cấp nước, và hệ thống tưới cây tự động Công thức tính khoảng cách là: Khoảng cách = (thời gian * vận tốc âm thanh (340 m/s)) / 2.
Cảm biến siêu âm SR04 được lắp đặt ở vị trí cao trong bồn nước để đo mực nước bằng cách phát ra sóng siêu âm và xác định khoảng cách đến mực nước Dữ liệu từ cảm biến này hỗ trợ theo dõi và quản lý mực nước, cũng như kiểm soát việc cấp nước trong hệ thống tưới cây tự động.
Hình 3.8 Hình ảnh cảm biến siêu âm HC-SR04
Bảng 3.5 Bảng thông số kỹ thuật HC-SR04
Thông số Giá trị Điện áp 5V DC
Khoảng cách 2cm – 450cm (4.5m) Độ chính xác 3mm
Module chuyển đổi ADC ADS1115 là thiết bị chính xác cao, chuyển đổi tín hiệu analog thành dữ liệu kỹ thuật số với độ phân giải 16-bit, mang lại khả năng đo chính xác và chi tiết vượt trội so với các loại ADC độ phân giải thấp Thiết bị hoạt động trong dải điện áp từ 2.0V đến 5.5V, tạo điều kiện linh hoạt cho việc tích hợp vào các mạch điện tử khác.
ADS1115 là một giải pháp lý tưởng cho việc đo lường chính xác các cảm biến nhạy cảm như TDS và pH, cung cấp dữ liệu môi trường đáng tin cậy Thiết bị này giao tiếp với vi điều khiển qua giao thức I2C, giúp đơn giản hóa quá trình kết nối và truyền thông, chẳng hạn như với ESP32.
Module này cho phép tùy chỉnh bộ khuếch đại để điều chỉnh độ nhạy của cảm biến, mang lại sự linh hoạt và tối ưu hóa cho các ứng dụng cụ thể Việc này giúp tối ưu hóa thu thập dữ liệu từ cảm biến và nâng cao hiệu suất của hệ thống trồng cây thủy canh.
Hình 3.9 Hình ảnh ADS1115 Bảng 3.6 Thông số kỹ thuật ADS1115
Dải điện áp cấp từ 2-5.5V
Tiêu thụ dòng điện liên tục 150uA
Hỗ trợ giao thức truyền thông I2C
Tốc độ dữ liệu 8SPS đến 860SPS (Sample/second)
Tốc độ lấy mẫu tín hiệu 860 (mẫu/giây)
Khối lưu trữ
Module microSD card adapter là thiết bị nhỏ gọn, tiện lợi cho việc lưu trữ dữ liệu từ cảm biến và thiết bị điều khiển trong hệ thống thủy canh Thiết bị này cho phép lưu trữ thông tin đo được từ các cảm biến như pH, TDS, nhiệt độ và các thông số khác vào thẻ nhớ microSD, giúp dễ dàng theo dõi và quản lý dữ liệu quan trọng cũng như lịch sử hoạt động của hệ thống.
Hình 3.10 Hình các chân kết nối của Module microSD card adapter
Bảng 3.7 Thông số kỹ thuật Module microSD card adapter
Thông số Giá trị Điện áp hoạt động DC 3.0 ~ 5.5V
Hỗ trợ thẻ nhớ microSD, microSDHC, microSDXC
Tốc độ truyền dữ liệu 10 MHz
Module thời gian thực RTC1307 và EEPROM AT24C32
Trong hệ thống của chúng ta, việc lưu trữ thời gian thực và cài đặt của người dùng là rất quan trọng Để thực hiện điều này, chúng ta sẽ sử dụng module RTC1307 để đảm bảo tính chính xác và ổn định trong việc quản lý thời gian.
EEPROM AT24C32 để lưu trữ các cài đặt của người dùng
Module RTC1307 là một thiết bị thời gian thực chính xác và đáng tin cậy, chuyên lưu trữ và cung cấp thông tin thời gian cho hệ thống Nó còn có khả năng tích hợp với khối xử lý, giúp theo dõi thời gian thực và thực hiện các tác vụ liên quan đến thời gian.
Module RTC EEPROM AT24C32 là một giải pháp lưu trữ dữ liệu không bay hơi, cho phép lưu giữ các cài đặt của người dùng như thông tin về nước, chất dinh dưỡng và các thông số khác của hệ thống Đặc biệt, dữ liệu trong EEPROM AT24C32 được bảo toàn ngay cả khi mất điện, giúp bảo đảm rằng các cài đặt của người dùng sẽ được khôi phục một cách dễ dàng sau khi nguồn điện trở lại.
Hình 3.11 Hình ảnh thực tế của Module RTC1307
Bảng 3.8 Thông số kỹ thuật Module RTC1307
Thông số Giá trị Điện áp sử dụng 5VDC
Dung lượng EEPROM AT24C32 32Kb
Hệ thống của chúng ta sử dụng sự kết hợp giữa module RTC1307 và EEPROM AT24C32, cho phép lưu trữ thông tin quan trọng như thời gian thực và cài đặt người dùng Nhờ đó, hệ thống hoạt động liên tục và đáng tin cậy, ngay cả khi xảy ra mất điện tạm thời.
Lựa chọn máy bơm cây, máy bơm dung dịch, động cơ máy khoáy
Trong hệ thống thủy canh, nhóm đã lựa chọn các thiết bị bao gồm máy bơm cây, máy khoáy và máy bơm dung dịch để thực hiện các chức năng cần thiết.
3.7.1 Máy bơm cây: Lifetech AP3100
- Loại máy bơm: Máy bơm chìm
Máy bơm chìm Lifetech AP3100 được thiết kế chuyên dụng để bơm nước từ bồn chứa lên các cây trong hệ thống thủy canh Với công suất và hiệu suất vượt trội, sản phẩm này đảm bảo cung cấp nước đầy đủ và kịp thời cho cây trồng.
Bảng 3.9 Thông số kỹ thuật bơm Lifetech AP3100
Thông số Giá trị Điện áp sử dụng 220-240VAC 50Hz Đẩy cao max 2.5m
Hình 3.12 Hình ảnh thực tế của bơm Lifetech AP3100
- Loại động cơ: Động cơ DC 12VDC
Máy bơm nước mini 12DC là thiết bị vận chuyển nước hiệu quả, hoạt động dựa trên động cơ DC 12VDC Với thiết kế nhỏ gọn và tiết kiệm năng lượng, máy bơm này rất lý tưởng cho các ứng dụng cần nguồn nước nhỏ.
68 hoặc cần di động như trong hệ thống thủy canh hoặc các thiết bị cần bơm nước nhỏ khác
Nó có khả năng hoạt động ổn định và đáng tin cậy với nguồn điện 12VDC, dễ dàng lắp đặt và sử dụng
Bảng 3.10 Thông số kỹ thuật máy bơm
Thông số Giá trị Điện áp sử dụng 12VDC
Lưu lượng bơm 1.8L/min Đầu hút cách nước < 2m Đẩy nước cao < 3m
Hình 3.13 Hình ảnh thực tế máy bơm
3.7.3 Máy bơm dung dịch: Bơm nhu động Động cơ bước 42
- Loại bơm: Bơm nhu động
Máy bơm nhu động sử dụng động cơ bước có khả năng kiểm soát chính xác lượng dung dịch bơm ra, đảm bảo sự đồng nhất và chính xác trong việc cung cấp chất dinh dưỡng cho hệ thống thủy canh.
Bảng 3.11 Thông số kỹ thuật của động cơ bước 42
Thông số Giá trị Điện áp sử dụng 4-5.5VDC
Dòng định mức 1.3A Độ phân giải 12W
Loại động cơ bước 2 pha
Hình 3.14 Hình ảnh thực tế của máy bơm nhu động
Các thiết bị này được lựa chọn nhờ vào tính ổn định, độ tin cậy và hiệu suất cao, giúp tích hợp vào hệ thống thủy canh Chúng đảm bảo cung cấp nước, khoáy nước và chất dinh dưỡng một cách chính xác và hiệu quả cho cây trồng, đồng thời tối ưu hóa hoạt động của hệ thống.
Khối hiển thị
Nhóm lựa chọn sử dụng màn hình LCD 2004 cho khối hiển thị trong hệ thống thủy canh
Màn hình LCD 2004 được thiết kế để hiển thị thông tin rõ ràng và dễ đọc cho hệ thống thủy canh, hoạt động với điện áp 5VDC và giao tiếp I2C, tương thích với nhiều mạch điều khiển phổ biến Đèn nền LED giúp cải thiện khả năng hiển thị trong mọi điều kiện ánh sáng, trong khi dòng tiêu thụ thấp của màn hình này góp phần tiết kiệm năng lượng, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng trong hệ thống thủy canh.
Bảng 3.12 Thông số kỹ thuật của LCD 2004
Thông số Giá trị Điện áp sử dụng 5VDC
Dòng điện tiêu thụ ~1mA
Chuẩn giao tiếp I2C Đèn nền LED
Số ký tự hiển thị 20 cột, 4 dòng
Hình 3.15 Hình ảnh thực tế của LCD 2004
Khối công suất
Trong hệ thống của chúng ta, các linh kiện công suất sẽ được sử dụng để điều khiển các thiết bị như bơm cây, bơm dung dịch và động cơ máy khoáy Cụ thể, Relay 12V sẽ được lựa chọn để điều khiển bơm cây, trong khi MOSFET 4N60 sẽ được sử dụng cho bơm dung dịch và động cơ máy khoáy.
3.9.1 Mạch Điều Khiển Động Cơ Bước A4988
Mạch điều khiển động cơ bước A4988 mang lại sự linh hoạt trong việc điều khiển động cơ bơm nhu động, cho phép điều chỉnh dòng ra để tối ưu hóa hiệu suất động cơ Điều này rất quan trọng khi cần thay đổi lưu lượng hoặc áp suất nước Ngoài ra, chế độ hoạt động có thể được lựa chọn theo yêu cầu cụ thể của ứng dụng, đồng thời tích hợp chế độ bước lưỡng cực giúp kiểm soát chính xác hơn quá trình hoạt động của động cơ bơm.
A4988 với thiết kế nhỏ gọn và tích hợp là giải pháp hoàn hảo cho việc điều khiển động cơ bơm nhu động, đặc biệt trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác và linh hoạt cao.
Bảng 3.13 Thông số kỹ thuật A4988
- Điện áp cấp tối thiểu 8 V
- Điện áp cấp cực đại 35 V
- Dòng cấp liên tục cho mỗi pha 1 A (không cần tản nhiệt, làm mát)
- Dòng cấp liên tục cho mỗi pha 2 A (khi có làm mát, tản nhiệt)
- Điện áp logic 1 tối thiểu 3 V
- Điện áp logic 1 tối đa 5.5 V
- Độ phân giải full, 1/2, 1/4, 1/8, và 1/16
Hình 3.16 Hình ảnh thực tế Module A4988
3.9.2 Relay 12V10A 5 Chân SRD-12VDC-SL-C Đây là một linh kiện công suất được sử dụng để chuyển đổi và điều khiển nguồn điện cho bơm cây Relay có khả năng chịu được dòng điện lớn và có tính năng cách ly điện, giúp bảo vệ các linh kiện khác trong hệ thống
Bảng 3.14 Thông số kỹ thuật Relay SRD-12VDC-SL-C
Thông số Giá trị Điện áp điều khiển cuộn 12VDC
Thời gian tác động 10ms
Thời gian nhã hãm 5ms
Kiểu kết nối Normally Open (NO), Normally
Hình 3.17 Hình ảnh thực tế của Relay SRD-12VDC-SL-C
MOSFET 4N60 là một loại transistor có khả năng điều khiển dòng điện lớn thông qua tín hiệu điều khiển nhỏ, được sử dụng để điều khiển bơm nước Với khả năng chịu đựng dòng điện và điện áp cao, MOSFET này còn được trang bị tính năng bảo vệ quá dòng, giúp đảm bảo an toàn cho hệ thống.
Bảng 3.15 Thông số kỹ thuật Mosfet 4N60
Thông số Giá trị Điện áp đánh thủng 600V
Dòng tải chịu được
