Đề tài thiết kế, nghiên cứu, chế tạo kệ cây Đa năng – kết nối công nghệ với môi trường xanh trong trường học

ỦY BAN NHÂN DÂN QUẬN LONG BIÊNTRƯỜNG THCS LONG BIÊN *** BÁO CÁO KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC KĨ THUẬT ĐỀ TÀI THIẾT KẾ, NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO KỆ CÂY ĐA NĂNG – KẾT NỐI CÔNG NGHỆ VỚI MÔI TRƯỜN

ỦY BAN NHÂN DÂN QUẬN LONG BIÊN

TRƯỜNG THCS LONG BIÊN

***

BÁO CÁO KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC KĨ THUẬT

ĐỀ TÀI THIẾT KẾ, NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO

KỆ CÂY ĐA NĂNG – KẾT NỐI CÔNG NGHỆ VỚI MÔI TRƯỜNG XANH

TRONG TRƯỜNG HỌC

Lĩnh vực: Khoa học trái đất và môi trường

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN:

HỌC SINH NGHIÊN CỨU:

1.

2.

Lớp – Trường THCS Long Biên

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành dự án này, ngoài sự cố gắng, nỗ lực không ngừng của bản thân, chúng em đã nhận được sự giúp đữo nhiệt tình của nhiều cơ quan, tổ chức và cá nhân Vì vậy, chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn và kính trọng sâu sắc tới:

Ban Giám hiệu trường THCS Long Biên và toàn thể các thầy giáo, cô giáo Đặc biệt là cô giáo hướng dẫn đã tận tâm, tận lực hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để chúng em thực hiện thành công dự án

Cuối chùng, chúng em xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bố mẹ đã luôn động viên về tinh thần và ủng hộ về vật chất để chúng em có thể hoàn thành dự án này

Một lần nữa chúng em xin được gửi tới các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè lời cảm ơn sâu sắc, lời chúc sức khỏe cùng những điều tốt đẹp nhất

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

,ngày tháng năm

Nhóm nghiên cứu

1 HIện trạng chăm sóc cây xanh trong trường học 7

2 Độ ẩm đất trong tác động tới cây trồng 7

3 Nghiên cứu nguồn năng lượng dùng cho hệ thống 9

4 Nghiên cứu nguyên lý thiết bị điện dùng cho hệ thống 9

2 Giai đoạn 2: Tìm kiếm, lựa chọn vật liệu 12

6 Nguyên lý hoạt động của kệ cây đa năng 18

PHẦN I: TÍNH CẤP THIẾT CỦA VẤN ĐỀ

Trong những năm gần đây, vấn đề môi trường đang trở thành mối quan tâm hàng đầu trên toàn cầu khi chúng ta phải đối mặt với hàng loạt thách thức nghiêm trọng như biến đổi khí hậu, ô nhiễm không khí, cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên và suy giảm diện tích xanh Những vấn đề này không chỉ ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người mà còn tác động sâu sắc đến hệ sinh thái, làm suy giảm chất lượng cuộc sống của cả hiện tại và tương lai Trước thực trạng này, việc nâng cao ý thức bảo vệ môi trường là nhiệm vụ cấp thiết, đặc biệt trong giáo dục – nơi định hình nhân cách và tư duy của thế hệ trẻ.

Song song đó, sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ hiện đại đã và đang mở ra những hướng đi mới trong việc giải quyết các vấn đề môi trường một cách hiệu quả và sáng tạo Từ các thiết bị cảm biến, hệ thống tự động hóa đến các giải pháp thông minh tích hợp công nghệ vào đời sống thường ngày, tất cả đều đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy một

xã hội bền vững Điều này đặt ra câu hỏi: Làm thế nào để tích hợp công nghệ với bảo vệ môi trường một cách thiết thực trong giáo dục? Làm thế nào để các em học sinh không chỉ hiểu

lý thuyết mà còn được thực hành, trải nghiệm thực tế, từ đó hình thành ý thức bảo vệ môi trường một cách sâu sắc và bền vững?

Thêm vào đó, môi trường học đường hiện nay không chỉ là nơi diễn ra các hoạt động dạy và học, mà còn là không gian để học sinh phát triển toàn diện cả về tri thức, kỹ năng và thái độ sống Tuy nhiên, nhiều trường học vẫn gặp khó khăn trong việc tạo dựng một môi trường học tập thân thiện, gần gũi với thiên nhiên do hạn chế về không gian hoặc kinh phí Điều này đòi hỏi sự sáng tạo trong việc thiết kế các giải pháp vừa tiết kiệm, hiệu quả vừa mang tính giáo dục cao.

Trong quá trình tìm hiểu thực tế và nghiên cứu các sản phẩm lọc không khí trên thị trường, chúng em đã hội ý và thống nhất quyết định lựa chọn dự án: “Kệ cây đa năng: Kết nối công nghệ với môi trường xanh trong trường học”.

Đây là một giải pháp tích hợp giữa bảo vệ môi trường và ứng dụng công nghệ, góp phần xây dựng không gian xanh trong trường học một cách sáng tạo Kệ cây không chỉ giúp tối ưu hóa không gian, làm đẹp cảnh quan mà còn tích hợp các công nghệ hiện đại như cảm biến độ ẩm, hệ thống tưới tự động, giúp học sinh tiếp cận và thực hành các giải pháp công nghệ liên quan đến môi trường Đề tài này không chỉ mang tính thực tiễn cao mà còn góp phần nâng cao ý thức, trách nhiệm của học sinh đối với môi trường, đồng thời khuyến khích các bạn học sinh tham gia vào các hoạt động STEM, khám phá và sáng tạo.

Với mong muốn kết hợp giáo dục, công nghệ và bảo vệ môi trường một cách hài hòa,

đề tài này hướng đến việc tạo ra sự thay đổi tích cực trong nhận thức và hành động của thế

hệ trẻ Qua đó, không chỉ xây dựng một môi trường học đường xanh, hiện đại mà còn góp phần truyền cảm hứng cho cộng đồng trong việc chung tay bảo vệ hành tinh xanh của chúng ta.

PHẦN II: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU

1 Mục đích nghiên cứu

Mục đích của đề tài là tối ưu hóa việc chăm sóc cây xanh bằng cách tự động hóa quá trình tưới tiêu, đảm bảo cây luôn được cung cấp đủ nước dựa trên điều kiện thực tế Đồng thời, hệ thống giúp tiết kiệm tài nguyên nước, giảm công sức lao động, và duy trì cảnh quan xanh – sạch – đẹp cho khuôn viên trường Bên cạnh đó,

đề tài còn hướng tới việc ứng dụng công nghệ hiện đại vào thực tiễn, tạo cơ hội nâng cao nhận thức về bảo vệ môi trường và khuyến khích sự sáng tạo trong cộng đồng học sinh và giáo viên

2 Nhiệm vụ nghiên cứu

 Nghiên cứu lý thuyết và công nghệ liên quan:

 Nghiên cứu tài liệu và thực trạng không gian xanh, ý thức môi trường và ứngdụng công nghệ trong trường học

 Tìm hiểu các nguyên lý hoạt động của cảm biến độ ẩm đất, hệ thống bơm nước tự động và các thiết bị IoT

 Phân tích các giải pháp công nghệ tương tự để rút ra ưu điểm và hạn chế

 Thiết kế và xây dựng mô hình hệ thống:

 Lên ý tưởng thiết kế, lựa chọn linh kiện phù hợp và xây dựng kệ cây đa năngđáp ứng các yêu cầu sử dụng trong thực tế

 Kết hợp các thành phần như cảm biến, mạch điều khiển, bơm nước và khunggiàn để tạo ra một hệ thống hoàn chỉnh

 Kiểm tra và tối ưu hóa hệ thống:

 Tiến hành thử nghiệm hệ thống để đảm bảo hoạt động ổn định, đo lường chính xác độ ẩm đất và tự động tưới tiêu hiệu quả

 Điều chỉnh các thông số để tối ưu hóa khả năng tiết kiệm nước và năng lượng

 Đánh giá hiệu quả ứng dụng:

 Phân tích tính khả thi và hiệu quả của hệ thống trong điều kiện thực tế tại khuôn viên trường học

 Đưa ra các đề xuất cải tiến nhằm nâng cao hiệu suất và tính ứng dụng rộng rãi

 Truyền tải ý nghĩa giáo dục và môi trường:

 Tích hợp hệ thống như một công cụ giảng dạy thực tiễn về khoa học công nghệ và bảo vệ môi trường

 Xây dựng tài liệu hướng dẫn sử dụng để nâng cao nhận thức và khuyến khích sử dụng công nghệ trong cộng đồng

3 Ý nghĩa của dự án

Đề tài có ý nghĩa thực tiễn, nếu chế tạo thành công kệ cây đa năng sẽ nâng cao ýthức bảo vệ môi trường cho học sinh, khuyến khích các em áp dụng công nghệ đểphát triển kỹ năng STEM thông qua việc chăm sóc cây Dự án cũng thúc đẩy sựsáng tạo và hợp tác giữa học sinh, giáo viên và phụ huynh, tạo ra một cộng đồnghọc tập tích cực Mô hình này có thể được nhân rộng tại nhiều trường học, gópphần xây dựng môi trường học tập xanh và bền vững

4 Tính mới của sản phẩm

Tính mới của sản phẩm “Kệ cây đa năng” nằm ở việc kết hợp công nghệ cảm biến

và tự động hóa vào việc chăm sóc cây xanh trong môi trường trường học Sảnphẩm này không chỉ giúp quản lý việc tưới tiêu hiệu quả, mà còn tối ưu hóa việc

sử dụng nước, giảm thiểu lãng phí Điều đặc biệt là hệ thống này được thiết kế phùhợp với không gian trường học, dễ dàng triển khai và bảo trì, đồng thời mang lạigiá trị giáo dục cao, giúp học sinh hiểu rõ hơn về ứng dụng công nghệ trong thựctiễn và bảo vệ môi trường Sự kết hợp giữa công nghệ IoT, cảm biến và bơm nước

tự động là điểm mới mẻ, tạo ra một giải pháp thông minh cho việc chăm sóc câyxanh trong khuôn viên trường học

5 Phương pháp nghiên cứu

- Phát hiện vấn đề nghiên cứu và xây dựng giả thuyết, luận chứng

- Phương pháp thực hành thí nghiệm quan sát

- Phân tích, xử lý thông tin

- Phân tích, tổng hợp kết quả, thống kê số liệu rồi rút ra kết luận cần thiết về kếtquả thực hiện

PHẦN III: CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA DỰ ÁN

1 Hiện trạng chăm sóc cây xanh trong trường học

Hiện nay, cây xanh trong trường học không chỉ đóng vai trò làm đẹp cảnh quan mà còn là yếu tố quan trọng trong việc cải thiện môi trường sống, nâng cao chất lượng không khí và tạo không gian học tập thân thiện Nhiều trường đã triển khai các chương trình trồng cây xanh tại sân trường, hành lang và các khu vực sinh hoạt chung, mang lại nhiều lợi ích thiết thực Tuy nhiên, việc chăm sóc và bảo vệ cây xanh vẫn còn gặp nhiều bất cập Ở một số trường, diện tích hạn chế khiến việc trồng cây gặp khó khăn, đặc biệt là ở khu vực

đô thị nơi không gian xanh thường bị thu hẹp Ngoài ra, việc phân bổ nguồn lực và nhân

sự để chăm sóc cây xanh chưa thực sự hiệu quả, dẫn đến tình trạng cây trồng không phát triển tốt, khô héo hoặc bị bỏ bê nhất là vào dịp nghỉ lễ, nghỉ hè kéo dài.

Bên cạnh đó, ý thức của một bộ phận học sinh trong việc bảo vệ cây xanh chưa cao, vẫn xảy ra tình trạng bẻ cành, giẫm đạp lên cây non hoặc vứt rác vào gốc cây Nhà trường cũng thiếu các giải pháp sáng tạo và tiện lợi để tối ưu hóa việc chăm sóc cây xanh, nhất là khi cây được trồng rải rác hoặc không có khu vực chuyên biệt cho cây trồng.Các trường học thường thiếu mô hình cụ thể để dạy học sinh về ứng dụng khoa học kỹ thuật vào đời sống.

Trước những thực trạng đó, nhu cầu nghiên cứu và ứng dụng các giải pháp trồng cây linh hoạt, tối ưu diện tích và dễ chăm sóc trở nên cấp thiết Một giải pháp đáng chú ý là phát triển các kệ đa năng trồng cây xanh, vừa tiết kiệm không gian, vừa tạo môi trường học tập xanh và gọn gàng Kệ đa năng không chỉ đáp ứng được yêu cầu thẩm mỹ mà còn giúp

tổ chức cây xanh thành các khu vực dễ quản lý, tăng hiệu quả chăm sóc và bảo vệ cây Đây hứa hẹn là hướng đi khả thi nhằm khắc phục những hạn chế hiện tại và thúc đẩy phong trào xây dựng trường học xanh - sạch - đẹp trong tương lai.

2.Độ ẩm đất trong tác động tới cây trồng

2.1 Độ ẩm đất là gì?

Độ ẩm đất là tỷ lệ phần trăm của nước có trong đất so với tổng trọng lượng của đất đó

Nó phản ánh khả năng giữ nước của đất và ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển củacây trồng Độ ẩm đất quan trọng vì cây cần nước để sinh trưởng và phát triển, nhưngnếu quá ít hoặc quá nhiều nước đều có thể ảnh hưởng tiêu cực đến sự sống của cây

Độ ẩm đất được đo bằng các công cụ như cảm biến độ ẩm hoặc dụng cụ đo độ ẩm đểxác định mức độ nước hiện có trong đất Các yếu tố như loại đất, thời tiết và phươngpháp tưới tiêu có thể tác động đến độ ẩm đất Quản lý độ ẩm đất đúng mức giúp câytrồng phát triển khỏe mạnh, tránh tình trạng khô hạn hoặc ngập úng

Thiết bị kiểm tra độ ẩm đất 2.2 Tác động của độ ẩm đất tới cây trồng.

Độ ẩm đất có tác động trực tiếp và mạnh mẽ đến sự phát triển và sinh trưởng của câytrồng

Mức độ độ ẩm lý tưởng cho các loại cây:

 Cây cần đất khô hoặc chịu hạn: Xương rồng, sen đá, cây nha đam, cây lưỡi hổ, cây bonsai Độ ẩm đất cần duy trì trong khoảng 15%-30%.

 Cây cần đất ẩm vừa phải: Hoa hồng, hoa cúc, cây ăn quả như táo, cam, quýt Độ

Mức độ ẩm trong đất quyết định khả năng cung cấp nước cho cây, ảnh hưởng đến cácquá trình sinh lý và hóa học trong cây Dưới đây là những tác động chính của độ ẩmđất đến cây trồng:

1 Đủ độ ẩm: Khi đất có độ ẩm phù hợp (không quá khô cũng không quá ướt), câytrồng sẽ hấp thụ đủ nước cần thiết để thực hiện các quá trình sinh lý như quanghợp, hô hấp, và vận chuyển chất dinh dưỡng

2 Thiếu độ ẩm (Khô hạn): Khi đất thiếu độ ẩm, cây sẽ không thể hấp thụ đủ nước

để duy trì các chức năng sống cơ bản

3 Quá nhiều độ ẩm (Ngập úng): Ngược lại, khi đất quá ẩm, rễ cây sẽ thiếu oxy,gây ra tình trạng ngập úng

4 Ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ chất dinh dưỡng: Độ ẩm đất ảnh hưởng đến

sự di chuyển của chất dinh dưỡng trong đất

5 Ảnh hưởng đến sự phát triển của rễ cây: Rễ cây có xu hướng phát triển tốttrong môi trường có độ ẩm đất ổn định

Các nghiên cứu về bản đồ độ ẩm đất

3 Nghiên cứu các nguồn năng lượng dùng cho hệ thống

3.1 Năng lượng mặt trời

2.1.1 Cách hoạt động của năng lượng mặt trời:

 Năng lượng mặt trời được chuyển hóa thành điện năng thông qua tấm pin mặt trời

 Năng lượng điện sẽ thông qua một mạch điện để sạc tích điện cho hệ thống pin sử dụng cho hệ thống

2.1.2 Tính bền vững và lợi ích môi trường:

 Bảo vệ môi trường

 Giảm phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch

3.2 Nguồn nước dùng cho hệ thống

3.2.1 Tận dụng các nguồn nước tự nhiên

Nguồn nước dùng cho hệ thống sẽ được tối ưu, tận dụng nước mưa, dựa trên mái nghiêng và ống dẫn để tích trữ nước mưa vào bình chứa, từ bình chứa sẽ cung cấp nước cho cây trên giàn.

3.2.2 Lợi ích của việc tận dụng nước mưa

 Tiết kiệm tài nguyên nước

 Giảm chi phí: Tiết kiệm chi phí cung cấp và truyền tải nước

 Bảo vệ môi trường

 Tính bền vững

4 Nghiên cứu nguyên lý thiết bị điện dùng cho hệ thống

4.1 Cảm biến độ ẩm đất

Cấu tạo: Cảm biến độ ẩm đất cấu tạo gồm 2 phần:

 Đầu dò: là 2 bản cực kim loại như tụ điện

 Chuyển đổi tín hiệu: Bộ IC chuyển đổi tín hiệu số

Nguyên lý hoạt động: Khi có nước và không có nước trong đất là thành phần dung môi giữa hai bản cực thay đổi đẫn đến sự thay đổi điện áp và tín hiệu điện vào vi điều khiển

4.2 Động cơ bơm nước

Động cơ bơm nước cấu tạo gồm 2 phần là động cơ DC và phần tạo chênh lệch áp suất:

 Động cơ DC gồm Stato và Roto: Khi có điện 1 chiều thì sẽ chuyển động tròn

 Phần tạo chênh lệch áp suất là một lá cao su dao động tạo vùng chênh lệch

áp suất để hút và đẩy nước

4.3 Vi điều khiển ESP32

Vi điều khiển được coi là bộ não của toàn hệ thống, xử lí tín hiệu đầu vào và đầu racủa hệ thống

ESP32 còn là thiết bị truy cập kết nối WIFI cho hệ thống và chi phối toàn bộ hoạt động của hệ thống

4.4 Transitor

Là một linh kiện bán dẫn sử dụng trong mạch điện có tác dụng đóng cắt các thiết

bị, ở đây là bơm nước với tín hiệu điều khiển từ vi điều khiển

4.5 IC nguồn

Là các IC ổn áp để ổn định điện áp về dải điện áp mong muốn nuôi các linh kiện

và thiết bị sử dụng các điện áp đó

4.6 Mạch cân bằng pin 18650

Mạch cân bằng pin để đảm bảo hệ thống pin được sạc ổn định, các cell pin được nạp với các điện áp bằng nhau vì vốn các pin không có điện trở trong bằng nhau nên khi mắc nối tiếp các điện áp sạc rơi trên mỗi pin khác nhau, điều này dẫn tới giảm tuổi thọ pin

4.7 Tấm pin năng lượng mặt trời

Để lấy ánh sáng mặt trời chuyển đổi thành tín hiệu điện nạp cho hệ thống pin

5.Tác dụng của kệ cây đa năng

 Trang trí

 Trạm cứu hộ cây lớp nào héo, sắp chết, mang tới, chăm sóc, xong trả,

 Sử dụng trong 1 số môn học:

o Môn công nghệ: Giâm cành, quan sát sự phảt triển của cây

o Môn KHTN: Quan sát sự nảy mầm

 Triển lãm cây

Phần IV QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ

1 Giai đoạn 1: Hình thành ý tưởng

Theo những quan sát của chúng em về tình trạng của những cây xanh trong khuôn viên trường học nói riêng và các khu vui chơi giải trí, công viên, nơi công cộng,nôn gnghieepj nói chung, các cây xanh đều được chăm sóc khá tốt bởi đội ngũ môi trường, các tập thể địa phương, thôn, xóm Tuy nhiên, không phải mọi câyxanh đều được lớn lên trong điều kiện tốt nhất, số lượng cây xanh lớn, việc kiểm soát tưới tiêu cũng không thể triệt để với sự quan sát của con người, vẫn còn tồn tạinhững cây xanh chưa tiếp xúc đủ với nguồn nước cũng như tưới cây với lượng nước chưa phù hợp để nuôi sống cây một cách xanh tươi nhất Vậy nên, nhóm hai thành viên chúng em đã ngồi lại với nhau để cùng bàn về vấn đề này, với các ý tưởng và câu hỏi nghiên cứu được đề ra như sau:

 Làm sao để cây xanh được cung cấp lượng nước kịp thời, đúng và đủ nhất?

 Chúng ta sẽ lấy nguồn nước từ đâu? Làm sao để tối ưu nhất nguồn nước, vừađảm bảo tiết kiệm, vừa đủ để cho cây phát triển?

 Hệ thống thiết kế cần phải tối ưu việc sử dụng năng lượng tái tạo từ tự nhiên,xanh, sạch

 Đã có mô hình nào cho việc kiểm soát độ ẩm đất cho cây xanh này chưa? Cónhững công nghệ gì cho hệ thống đó?

 Làm sao để kiểm soát được hệ thống từ xa?

Giai đoạn 2: Tìm kiếm, lựa chọn vật liệu

Sau một thời gian bàn thảo,với những điều kiện và vật liệu cho phép, phù hợp với ý tưởng và câu hỏi nghiên cứu, chúng em quyết định xây dựng một hệ thống giàn cây hai tầng với những thiết bị như sau:

a)Về phần cơ khí

 Một giàn cây bằng kim loại 2 tầng

 Các vỏ nhựa, chai nhựa tận dụng từ các can nước giặt, nước rửa chét, bỏ đi

 Một hộp bể chứa nước tích trữ

 Ống nước PVC

 Ống cao su

b) Về phần điện