TỔNG QUAN
Tình hình nông nghiệp Việt Nam
Nông nghiệp đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an ninh lương thực và là một trong hai ngành sản xuất chính của nền kinh tế Đây là khu vực sản xuất chủ yếu, không chỉ đảm bảo đời sống cho xã hội mà còn tạo ra một thị trường rộng lớn cung cấp nguyên liệu và tiêu thụ sản phẩm, đồng thời góp phần tích lũy cho ngành công nghiệp.
Việt Nam, một quốc gia đang phát triển với hơn 67% dân số sống ở nông thôn và 42% lực lượng lao động trong ngành nông nghiệp, vẫn giữ vai trò quan trọng trong nền kinh tế Tuy nhiên, ngành nông nghiệp đang đối mặt với nhiều thách thức như: dân số gia tăng làm tăng nhu cầu lương thực, diện tích đất nông nghiệp bị thu hẹp do đô thị hóa, biến đổi khí hậu gây sức ép lớn và yêu cầu chất lượng nông sản ngày càng cao trong bối cảnh hội nhập quốc tế.
Việt Nam đang nỗ lực phát triển một nền công nghiệp mạnh mẽ, điều này mang lại nhiều lợi ích cho đất nước nhưng cũng tạo ra các hệ lụy, đặc biệt là ô nhiễm môi trường Ngành nông nghiệp là một trong những lĩnh vực chịu ảnh hưởng nặng nề từ vấn đề này.
Lý do chọn đề tài
Nông nghiệp công nghệ cao đang trở thành một giải pháp thiết yếu trong bối cảnh thời tiết cực đoan và biến đổi khí hậu ngày càng phức tạp Diện tích đất nông nghiệp ngày càng giảm, trong khi dịch bệnh lây lan nhanh chóng, gây ảnh hưởng lớn đến năng suất và chất lượng sản phẩm nông nghiệp.
Nông nghiệp CNC đang dần cách mạng hóa ngành nông nghiệp toàn cầu nhờ vào những lợi thế vượt trội Việc áp dụng mô hình này không chỉ nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn tối ưu hóa quy trình sản xuất, mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn cho nông dân.
Nhóm chúng tôi đã chọn đề tài “Điều khiển và giám sát hệ thống chăm sóc vườn rau dùng IoT” nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm nông nghiệp, đồng thời đảm bảo hiệu quả kinh tế ổn định cho người nông dân Qua đó, chúng tôi cũng nghiên cứu các ứng dụng công nghệ điện tử trong lĩnh vực trồng trọt và nông nghiệp, hướng tới quy trình trồng trọt và chăn nuôi có chất lượng cao hơn.
Mục tiêu nghiên cứu
Hệ thống điều khiển và giám sát trang trại được thiết kế để theo dõi nhiệt độ, độ ẩm và quản lý tiểu khí hậu, đồng thời tự động hóa các chức năng như bật tắt đèn khi ánh sáng yếu và quản lý hệ thống cấp nước Người dùng có thể thực hiện các thao tác giám sát và điều khiển tự động hoặc thủ công thông qua một trang web, mang lại sự tiện lợi và hiệu quả trong quản lý trang trại.
WiFi có thể được sử dụng trên cả smartphone và máy tính, cho phép người dùng dễ dàng kết nối internet Ngoài ra, người dùng cũng có thể bật hoặc tắt các thiết bị một cách thủ công thông qua bảng điều khiển.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Trồng trọt đóng vai trò chiến lược trong sự phát triển nông nghiệp Việt Nam, với việc áp dụng công nghệ cao nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm và tăng năng suất Điều này không chỉ giúp đáp ứng nhu cầu thị trường mà còn thúc đẩy sự phát triển bền vững của ngành nông nghiệp.
Vì thế đối tượng nghiên cứu đề tài là tập trung nghiên cứu, thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển vườn rau nhà kính
Hình 1.3: Vườn rau nhà kính 1.4.2 Phạm vi: Để đạt được mục tiêu nghiên cứu như trên, nhóm tiến hành khảo sát thực tế:
- Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến việc trồng rau để có thể thiết kế mô hình vườn rau và các cảm biến, thiết bị cần thiết
- Nghiên cứu về các thiết bị có trong vườn rau cần điều khiển như quạt hút, bơm nước, đèn chiếu sáng,…
Nghiên cứu các cảm biến thiết yếu cho vườn rau bao gồm cảm biến nhiệt độ và độ ẩm không khí, cảm biến chất lượng không khí và cảm biến độ ẩm đất Những cảm biến này giúp theo dõi và cải thiện điều kiện môi trường, đảm bảo cây trồng phát triển khỏe mạnh Việc sử dụng công nghệ cảm biến không chỉ tối ưu hóa quá trình tưới tiêu mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm nông nghiệp.
- Nghiên cứu giao tiếp giữa các client và server điều khiển trung tâm
- Nghiên cứu tạo giao diện hiển thị các thông số cảm biến và giao diện điều khiển
+ Về phạm vi không gian:
Khảo sát các vườn rau tại quận 9, thành phố Hồ Chí Minh, nhằm đánh giá các thông số quan trọng cần giám sát trong quá trình trồng rau Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng xem xét các thiết bị cần thiết để tối ưu hóa quy trình trồng rau tại vườn, góp phần nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.
- Khảo sát một vài hệ thống giám sát và điều khiển bằng Internet
Tình hình ứng dụng công nghệ cao vào nông nghiệp
Nghề trồng trọt đã xuất hiện từ cách đây 11.000 năm, với sự phát triển của canh tác quy mô lớn để đáp ứng nhu cầu lương thực ngày càng tăng của dân số Qua các thời kỳ, từ việc phát minh máy cày ở châu Âu thời trung cổ đến cuộc cách mạng công nghiệp thế kỷ 19 với những tiến bộ kỹ thuật như động cơ hơi nước và công thức xử lý phân bón, ngành trồng trọt đã không ngừng phát triển Hiện nay, nhờ vào công nghệ hiện đại và sự hỗ trợ của Internet, IoT và các thiết bị cảm biến, việc trồng trọt trở nên hiệu quả và thân thiện với môi trường hơn Các hệ thống giám sát và điều khiển trang trại hiện đại, bao gồm cảm biến IoT để giám sát khí hậu, tự động hóa nhà kính và quản lý độ ẩm đất, đã góp phần nâng cao chất lượng cây trồng và tối ưu hóa quy trình sản xuất.
Việc vận chuyển và trao đổi dữ liệu của các thiết bị này có thể sử dụng các công nghệ truyền thông tầm gần và xa bao gồm: [ iv ]
Công nghệ mạng diện rộng công suất thấp (LPWAN): Sigfox, LoRa, NB-IOT
Các công nghệ di động: 2G, 3G, 4G, 5G
Các công nghệ không dây tầm ngắn: Wifi, Bluetooth, Zigbee và nhiều công nghệ khác
Các công nghệ vệ tinh: VSAT, BGAN và LPWAN dựa trên vệ tinh
Các trang trại nước ngoài thường hoạt động theo mô hình công nghiệp với quy mô lớn, dẫn đến khoảng cách xa giữa cảm biến và trung tâm xử lý dữ liệu Để giải quyết vấn đề này, cần áp dụng công nghệ cảm biến từ xa, sử dụng các mạng diện rộng như Sigfox và LoRa, phù hợp với các trang trại lớn.
6 trồng trọt theo hướng công nghiệp, sử dụng các thiết bị có độ chính xác cao nhưng giá thành đầu tư rất lớn
Hình 1.4: Mô hình trồng cây tưới công nghệ nhỏ giọt ở Israel
Việt Nam có bề dày lịch sử trong sản xuất nông nghiệp, bắt đầu từ khoảng 10.000 năm trước, tạo nền tảng vững chắc cho việc ứng dụng công nghệ và IoT trong lĩnh vực này Nhiều công ty và dự án nông nghiệp đã được triển khai, trong đó có dự án Next Farm của Công ty Cổ phần HOSCO Giải pháp của HOSCO ứng dụng CNTT vào nông nghiệp với các sản phẩm thương mại hóa thành công Next Farm cho phép người dùng vận hành hệ thống tưới từ xa, dựa trên phân tích dữ liệu về môi trường, loại cây và giai đoạn sinh trưởng, đồng thời theo dõi các thông số này theo thời gian thực.
Tại Việt Nam, các hoạt động hỗ trợ đào tạo và cải tiến công nghệ trong nông nghiệp đang ngày càng được chú trọng Cụ thể, theo Nghị quyết 30/NQ-CP ngày 07/3/2017, Chính phủ đã chỉ đạo Ngân hàng Nhà nước yêu cầu các ngân hàng thương mại, đặc biệt là ngân hàng thương mại nhà nước, dành ít nhất 100.000 tỷ đồng từ nguồn vốn huy động để thực hiện chương trình cho vay khuyến khích phát triển nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao (CNC) và nông nghiệp sạch với lãi suất hợp lý.
Việc ứng dụng khoa học kỹ thuật trong sản xuất nông nghiệp đang ngày càng trở nên phổ biến, đặc biệt trong ngành trồng trọt Tuy nhiên, các thành tựu này chủ yếu được áp dụng tại những trang trại lớn với vốn đầu tư nước ngoài, trong khi đó, việc áp dụng ở quy mô nhỏ hộ gia đình vẫn còn hạn chế.
Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu tìm hiểu các hệ thống giám sát và điều khiển ở trong và ngoài nước trong trồng trọt
Tìm hiểu các tiêu chuẩn trồng trọt trong nước VIETGAP[vii] và nước ngoài GlobalGAP[viii],
Tiến hành đánh giá phân tích lại các phương án phù hợp và cần thiết, ít chi phí và đem lại hiệu quả cao
Xác định vấn đề cần nghiên cứu, thiết kế từ vườn rau thực tế tại việt nam
Nghiên cứu tổng quan trong và ngoài nước cũng như khảo sát các phương án thiết kế mô hình điều khiển các thiết bị, lấy dữ lệu cảm biến
Liệt kê, đánh giá các phương án, cảm biến và thiết bị có tính hiệu quả và khả thi để thực hiện làm mô hình
Nghiên cứu các quy định quy trình thực hành trồng trọt tốt cho việc trồng rau sạch tại việt nam (VIETGAP) để thiết kế ra mô hình
Xây dựng các thuật toán, phương pháp tính toán về các yêu cầu thực tế như lưu lượng lưu thông gió, nhiệt độ độ ẩm ,
Bắt đầu thực hiện thiết kế mô hình, lắp đặt các thiết bị
Các yếu tố quan trọng trong trồng rau sạch
1.7.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng của rau:
Quản lý khí hậu trong trồng trọt, đặc biệt là trong trồng rau sạch, đóng vai trò quan trọng quyết định hiệu quả sản xuất Để đạt được thành công trong quản lý khí hậu, cần chú ý đến tốc độ lưu thông không khí, nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng trong vườn.
Nguyên tắc cơ bản trong việc thông gió khi trồng rau trong nhà kính là cung cấp không khí mới, sạch và mát cho vườn rau Điều này giúp kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm không khí và nồng độ khí CO2, tất cả đều đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của cây trồng.
Trong quá trình phát triển của cây trồng đặc biệt là rau xanh nhiệt độ, độ ẩm, cường độ ánh sáng ảnh hưởng lớn tới năng suất của chúng
Ánh sáng là yếu tố thiết yếu trong quá trình quang hợp của cây, giúp chúng sử dụng CO2 và nước để tạo ra hợp chất hữu cơ nuôi sống bản thân Dựa vào cường độ ánh sáng, rau có thể được phân loại thành hai nhóm: nhóm thích nghi với cường độ ánh sáng mạnh, chủ yếu là các loại rau phát triển trong vụ Xuân Hè như dưa hấu, dưa gang, bí đỏ, đậu, cà tím và cà chua; và nhóm thích nghi với cường độ ánh sáng trung bình, bao gồm các loại cải củ, rau ăn lá, cải bắp, hành tỏi và su hào, thường phát triển trong vụ Đông Xuân.
Nhóm rau thích nghi với cường độ ánh sáng yếu bao gồm các loại rau có hình thái thấp và bộ rễ phát triển ở tầng đất mặt nông, thích hợp để trồng xen Một số loại rau tiêu biểu trong nhóm này là xà lách, rau diếp, cải thìa, tần ô và gừng.
Nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng, đặc biệt là rau xanh, khi nó thúc đẩy các phản ứng sinh hóa và ảnh hưởng đến hô hấp cũng như thoát hơi nước Nhiệt độ lý tưởng cho rau phát triển nằm trong khoảng 15 – 40 độ C Rau được chia thành ba nhóm theo khả năng chịu nhiệt: nhóm rau chịu lạnh như hành, tỏi, cải bông có thể sống ở nhiệt độ từ -1 đến -10 độ C; nhóm rau chịu lạnh trung bình như cải bắp, cà rốt, xà lách phát triển tốt ở 15 – 20 độ C nhưng sẽ ngừng sinh trưởng khi nhiệt độ vượt quá 30 độ C và chết khi trên 40 độ C; nhóm rau ưa nhiệt độ cao như dưa hấu, rau muống, bí đỏ phát triển tốt trong khoảng 30 – 35 độ C.
Nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong sự sinh trưởng và phát triển của các loại rau, với mỗi loại rau có nhu cầu nhiệt độ đặc trưng riêng.
Độ ẩm là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của cây, bao gồm nảy mầm, ra hoa, kết hạt, thời gian chín quả, chất lượng rau, sản lượng, và sự phát sinh sâu bệnh Để cây phát triển tốt, đất trồng cần có độ ẩm phù hợp, với sức giữ nước thấp hơn sức hút nước của cây và khả năng thấm nước tốt, giúp ẩm nhanh chóng đến rễ Mức độ ẩm đất trong vùng rễ cần thay đổi theo yêu cầu sinh lý của từng loại cây trong các giai đoạn phát triển khác nhau.
Độ ẩm thích hợp cho sự sinh trưởng của cây trồng thường trùng với độ chứa ẩm tối đa của đất, với giới hạn nằm trong khoảng từ 70% đến 85% Giới hạn dưới thích hợp dao động từ 60% đến 70% độ chứa ẩm tối đa, phụ thuộc chủ yếu vào thành phần cơ giới và kết cấu của đất.
Với tầm quan trọng của những yếu tố kể trên đối với sự phát triển của rau trồng
Để tối ưu hóa việc trồng rau, cần thiết kế một vườn rau có khả năng kiểm soát hiệu quả tốc độ lưu thông không khí, đồng thời quản lý nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng trong khu vực trồng.
Hình 1.5: Trồng rau đảm bảo chất lượng theo tiêu chuẩn VietGap
1.7.2 Đảm bảo vệ sinh môi trường: Đảm bảo vệ sinh môi trường cũng là một vấn đề tất yếu của ngành trồng trọt nói riêng và cả ngành nông nghiệp nói chung Tình trạng ô nhiễm khi trồng trọt không chỉ ảnh hưởng môi trường mà còn ảnh hưởng tới sức khỏe con người
Hình 1.6: Các cơ quan chức năng cần lập những địa điểm thu gom và đưa đi xử lý rác theo đúng quy định và trình tự
Việt Nam là một trong những quốc gia có nền nông nghiệp phát triển, sản xuất hơn 47 triệu tấn lương thực mỗi năm, nhưng đồng thời cũng phát sinh đến 84,5 triệu tấn chất thải từ hoạt động trồng trọt Trong số đó, 70% lượng chất thải chưa được xử lý, bao gồm rơm rạ, thân cây bắp, lá mía và bao bì, chai lọ từ phân bón, thuốc bảo vệ thực vật Ước tính có khoảng 11.000 tấn bao bì và chai lọ khó tái chế, chứa độc tố cao nếu không được xử lý đúng cách Việc sử dụng phân bón và thuốc bảo vệ thực vật quá mức chỉ cho phép cây trồng hấp thụ khoảng 30%, phần còn lại gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và tiềm ẩn nguy cơ gây ra các bệnh nguy hiểm như ung thư.
Các cơ quan chức năng cần lập những địa điểm thu gom và đưa đi xử lý theo đúng quy định và trình tự
+ Đối với rơm rạ, thân lá cây và chất thải sau canh tác:
Sản xuất/ ủ phân bón hữu cơ
Người dân thường đốt rơm rạ và lá cây, dẫn đến ô nhiễm khói bụi và các vấn đề về sức khỏe như bệnh hô hấp Thay vì đốt, hãy ủ chất thải để tạo ra phân bón hữu cơ, giúp bảo vệ môi trường và cải thiện sức khỏe cộng đồng.
+ Sản xuất than sinh học:
Một giải pháp hiệu quả để xử lý chất thải là sản xuất than sinh học, giúp cải tạo đất trồng Phương pháp này không chỉ giảm thiểu lượng rơm rạ thải ra môi trường mà còn bảo vệ môi trường và giữ lại hàm lượng cacbon lớn từ rơm.
+ Mô hình nông nghiệp công nghệ cao
Một trong các giải pháp bảo vệ môi trường trong nông nghiệp hàng đầu hiện nay Với khả năng thực hiện các nhiệm vụ:
+ Chọn và nhân giống cây trồng, vật nuôi cho năng suất và chất lượng cao + Tạo ra các máy móc, vật tư, thiết bị sử dụng trong nông nghiệp
+ Trồng trọt, chăn nuôi đạt hiệu quả
+ Bảo vệ chất lượng cây trồng vật nuôi cũng như bảo vệ môi trường
+ Phát triển doanh nghiệp nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao
Phát triển dịch vụ nông nghiệp công nghệ cao phục vụ nông nghiệp[10]
Mô hình thiết kế vườn rau nhà kính ứng dụng công nghệ cao mà chúng tôi hướng tới không chỉ nâng cao năng suất cây trồng mà còn đảm bảo bảo vệ môi trường.
Hình 1.7: Mô hình giải pháp nông nghiệp công nghệ cao của HiFarm
Nội dung nghiên cứu
Nội dung 1: Tìm hiểu về các công nghệ kết nối không dây
Nội dung 2: Tìm hiểu về giao thức kết nối
Nội dung 3: Tìm hiểu cách điều khiển các thiết bị ngoại vi với ESP8266
Nội dung 4: Tìm hiểu cách Arduino Mega 2560 giao tiếp với NodeMCU ESP8266 qua giao thức MQTT
Nội dung 5: Thiết kế – thi công mô hình
Nội dung 6: Thiết kế – thi công mạch điều khiển
Nội dung 7: Xây dựng luồng nhận, xử lý, gửi tín hiệu cho ESP8266 trên nền tảng Node-RED
Nội dung 8: Thiết kế giao diện người dùng dựa trên nền tảng Node-RED
Nội dung 9: Triển khai thực nghiệm và phân tích kết quả thực nghiệm mô hình
Nội dung 10: Đưa ra nhận xét – đánh giá kết quả thực hiện
Nội dung 11: Hoàn thành đồ án
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tổng quan IoT
IoT là khái niệm mô tả sự kết nối của mọi vật thông qua Internet, cho phép người dùng dễ dàng kiểm soát các thiết bị của mình chỉ bằng một thiết bị thông minh như smartphone, tablet, PC, hoặc smartwatch.
Gần đây, Internet vạn vật (IoT) đã mở rộng để bao gồm giao tiếp giữa các máy (M2M), giảm thiểu sự can thiệp của con người, chủ yếu trong lĩnh vực sản xuất năng lượng và các ngành công nghiệp nặng.
Viễn cảnh công nghệ như trong phim đã trở thành hiện thực với sự phát triển của nhà thông minh, TV thông minh và tủ lạnh thông minh Đồng thời, việc mở rộng không gian địa chỉ lên IPv6 thay vì IPv4 cũng đóng vai trò quan trọng trong xu hướng này.
+ Quản lí và lập kế hoạch quản lí đô thị
+ Phản hồi trong các tinh huống khẩn cấp
+ Quản lí các thiết bị cá nhân
+ Đồng hồ đo thông minh
+ Tự động hóa ngôi nhà
IoT có tác động lớn đến nhiều lĩnh vực như quản lý hạ tầng, y tế, xây dựng, tự động hóa và giao thông Trong lĩnh vực y tế, thiết bị IoT cho phép theo dõi sức khỏe từ xa và cung cấp hệ thống thông báo khẩn cấp Các thiết bị theo dõi sức khỏe này có thể bao gồm từ máy đo huyết áp, nhịp tim đến các thiết bị tiên tiến hơn, giúp cải thiện chất lượng chăm sóc sức khỏe.
15 khả năng giám sát cấy ghép đặc biệt, như máy điều hòa nhịp và trợ thính tiên tiến, giúp nâng cao chất lượng cuộc sống Ngoài ra, cảm biến cũng có thể được lắp đặt trong không gian sống để theo dõi sức khỏe và sự thịnh vượng của người già.
Tại Việt Nam, Internet of Things (IoT) đã trở thành một phần quan trọng trong cuộc sống hàng ngày thông qua các thiết bị như SmartTV, SmartHome và SmartWatch Việc điều khiển và kiểm soát các thiết bị trong nhà qua Internet mang lại trải nghiệm thực tế và giúp quản lý công việc hiệu quả hơn Nhờ vào IoT, con người có thể giảm bớt gánh nặng hàng ngày, dành nhiều thời gian hơn cho thư giãn và giải trí, từ đó nâng cao chất lượng cuộc sống.
Cisco - nhà cung cấp giải pháp và thiết bị mạng hàng đầu hiện nay dự báo đến năm
Năm 2020, dự đoán sẽ có khoảng 50 tỷ thiết bị kết nối với Internet, bao gồm hàng tỷ điện thoại di động, tivi, máy giặt và nhiều thiết bị thông minh khác Intel, một công ty mới tham gia vào thị trường sản xuất chip cho các thiết bị IoT, đã ghi nhận doanh thu hơn 2 tỷ USD trong năm 2014, tăng trưởng 19% so với năm trước.
Internet of Things đến năm 2020:
+ 4 tỷ người kết nối với nhau
+ 4 ngàn tỷ USD doanh thu
+ Hơn 25 tỷ hệ thống nhúng và hệ thống thông minh
+ 50 ngàn tỷ Gigabytes dữ liệu
2.2 Định nghĩa vườn rau thông minh:
Vườn rau thông minh là hệ thống vườn được thiết kế với các điều kiện kỹ thuật tối ưu, giúp cây trồng phát triển trong môi trường lý tưởng Hệ thống này tự động điều chỉnh các chỉ tiêu kỹ thuật theo nhu cầu của người sử dụng, đảm bảo hiệu suất và chất lượng cây trồng.
Vườn rau thông minh khác biệt so với nhà tắm truyền thống nhờ vào việc tích hợp các hệ thống điều khiển và giám sát Hệ thống điều khiển này giúp duy trì nhiệt độ và ánh sáng, tạo thành một mạng lưới thống nhất cho việc chăm sóc cây trồng.
2.2.1 Tổng quan về vườn rau - thiết kế vườn rau:
Thiết kế vườn nhà kính là bước quan trọng trong mô hình trồng rau thông minh, giúp bảo vệ và quản lý cây trồng hiệu quả Một vườn được xây dựng hợp lý không chỉ dễ dàng trong việc chăm sóc rau mà còn giúp các hộ gia đình tiết kiệm nhân lực trong quá trình trồng trọt.
Nhóm nghiên cứu tập trung vào các loại rau, đặc biệt là rau sống như xà lách, cải và mui tàu, do chúng mang lại hiệu quả kinh tế cao Vì vậy, chúng em quyết định chọn rau cải để nghiên cứu và thiết kế một vườn trồng rau cải trong nhà kính.
Sau khi khảo sát và nghiên cứu qua các phương tiện truyền thông, nhóm chúng tôi đã quyết định chọn kiểu nhà kính mini, phù hợp với khí hậu và thời tiết, đặc biệt là cho những hộ gia đình có quỹ đất nhỏ tại thành phố Hồ Chí Minh Nhà kính mini có thể được đặt trong các khu vực đất hạn chế hoặc trên sân thượng, giúp tận dụng tối đa diện tích sống, tạo không gian xanh mát, cung cấp thực phẩm sạch cho gia đình, đồng thời làm cho ngôi nhà trở nên trong lành hơn.
Hình 2.1: Mô hình thực tế nhà kính trồng rau sạch mini đơn giản, đẹp
+ Vườn thiết kế 1 lớp mái
+ Chiều cao đến nóc mái cao nhất 3 - 3,5m
+ Chiều cao từ nền vườn bên trong đến nóc mái dưới khoảng 2 - 2,5m
2.2.2 Ưu điểm của trồng cây rau sạch, hoa trong nhà kính trên sân thượng
Thiết kế nhà kính mini trên sân thượng để trồng rau không chỉ tiết kiệm thời gian chăm sóc mà còn có chi phí thấp và dễ dàng thực hiện.
Tận dụng được tối đa diện tích nhà ở nhằm tạo ra một môi trường xanh mát cho ngôi nhà thêm thoáng mát và gần gũi với thiên nhiên
Nhà kính hiện đại không chỉ có tuổi thọ cao mà còn dễ dàng lắp đặt và sử dụng Thiết kế này cho phép trồng rau ở dưới và chăm sóc hoa cũng như giàn hoa treo ở phía trên, tối ưu hóa không gian sử dụng.
Thiết kế thêm giàn leo để tận dụng chăm sóc thêm các loại rau củ dạng thân leo như dưa chuột, bầu, bí,
Qua tìm hiểu và khảo sát các mô hình nhà kính các phương pháp làm mát vườn cũng được áp dụng
2.3 Các chuẩn truyền dữ liệu, chuẩn kết nối:
UART, viết tắt của Universal Asynchronous Receiver – Transmitter, là công nghệ truyền dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ Hệ thống này gồm một đường phát dữ liệu và một đường nhận dữ liệu, không sử dụng tín hiệu xung clock, do đó được gọi là bất đồng bộ Để đảm bảo truyền tải dữ liệu thành công, cả bên phát và bên nhận cần tự tạo ra xung clock với tần số giống nhau, thường được gọi là tốc độ baud, ví dụ như 2400 baud, 4800 baud, hay 9600 baud.
Hình 2.2: Hệ thống truyền dữ liệu bất đồng bộ
Các chuẩn truyền dữ liệu, chuẩn kết nối
UART, viết tắt của Universal Asynchronous Receiver-Transmitter, là phương thức truyền dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ Trong hệ thống này, có một đường phát dữ liệu và một đường nhận dữ liệu mà không cần tín hiệu xung clock, do đó được gọi là bất đồng bộ Để đảm bảo việc truyền dữ liệu thành công, cả hai bên phát và nhận phải tự tạo ra xung clock với tần số giống nhau, thường được gọi là tốc độ baud, ví dụ như 2400 baud, 4800 baud, hay 9600 baud.
Hình 2.2: Hệ thống truyền dữ liệu bất đồng bộ
Giao tiếp UART chế độ bất đồng bộ sử dụng một dây kết nối cho mỗi chiều truyền dữ liệu, do đó việc tuân thủ các tiêu chuẩn truyền là rất quan trọng để đảm bảo quá trình truyền nhận dữ liệu thành công Dưới đây là các khái niệm quan trọng trong chế độ truyền thông này.
Tốc độ Baud (baudrate) là một yếu tố quan trọng trong việc đảm bảo quá trình truyền và nhận dữ liệu bất đồng bộ diễn ra thành công Để các thiết bị có thể giao tiếp hiệu quả, chúng phải thống nhất về thời gian truyền một bit dữ liệu, tức là tốc độ truyền cần được cài đặt giống nhau trước khi bắt đầu quá trình truyền nhận Tốc độ Baud được định nghĩa là số bit được truyền trong một giây Chẳng hạn, nếu tốc độ Baud được thiết lập là 9600 bit/giây, thì thời gian cho một bit truyền sẽ là khoảng 104.167 micro giây (1/9600 giây).
Khung truyền là yếu tố quan trọng trong quá trình truyền thông nối tiếp, đặc biệt là nối tiếp bất đồng bộ, vì nó giúp giảm thiểu nguy cơ mất mát hoặc sai lệch dữ liệu Để đảm bảo truyền thông hiệu quả, khung truyền phải tuân theo các quy cách nhất định, bao gồm tốc độ Baud và các quy định về số bit trong mỗi lần truyền Nó cũng quy định các bit báo hiệu như bit Start và bit Stop, cùng với các bit kiểm tra như Parity, đảm bảo tính chính xác trong quá trình truyền dữ liệu.
Để bắt đầu quá trình truyền dữ liệu qua UART, trước tiên sẽ gửi một bit START, tiếp theo là các bit dữ liệu, và cuối cùng là một bit STOP để kết thúc quá trình truyền.
2.3.2 Truyền dữ liệu theo chuẩn I2C:
I2C, viết tắt của Inter-Integrated Circuit, là một bus giao tiếp giữa các IC Mặc dù được phát triển bởi Philips, I2C đã được nhiều nhà sản xuất IC trên toàn thế giới áp dụng, trở thành tiêu chuẩn công nghiệp cho giao tiếp điều khiển Một số tên tuổi nổi bật ngoài Philips bao gồm Texas Instruments, Maxim Dallas, Analog Devices và National Semiconductor Bus I2C được sử dụng làm giao tiếp ngoại vi cho nhiều loại IC khác nhau.
Vi điều khiển 8051, PIC, AVR và ARM thường được sử dụng kết hợp với các loại chip nhớ như RAM tĩnh (Static RAM) và EEPROM Ngoài ra, các thiết bị này còn tích hợp bộ chuyển đổi tương tự số (ADC) và số tương tự (DAC), cùng với các IC điều khiển LCD và LED để thực hiện các chức năng điều khiển và hiển thị hiệu quả.
Hình 2.3: Sơ đồ giao tiếp chuẩn I2C Đặc điểm và nguyên lý hoạt động
I2C sử dụng hai đường truyền tín hiệu:
+ Một đường xung nhịp đồng hồ(SCL) chỉ do Master phát đi (thông thường ở 100kHz và 400kHz Mức cao nhất là 1Mhz và 3.4MHz)
+ Một đường dữ liệu(SDA) theo 2 hướng
Bus I2C cho phép kết nối nhiều thiết bị mà không gây nhầm lẫn, nhờ vào việc mỗi thiết bị được xác định bằng một địa chỉ duy nhất Mối quan hệ chủ - tớ giữa các thiết bị này tồn tại trong suốt thời gian kết nối, cho phép mỗi thiết bị hoạt động linh hoạt như là thiết bị nhận, truyền dữ liệu, hoặc cả hai.
20 nhận Hoạt động truyền hay nhận còn tùy thuộc vào việc thiết bị đó là chủ (master) hay tớ (slave)
Khi kết nối với bus I2C, mỗi thiết bị hoặc IC cần có một địa chỉ duy nhất để phân biệt và được cấu hình là thiết bị chủ hoặc tớ Trong bus I2C, thiết bị chủ nắm quyền điều khiển, tạo xung đồng hồ cho toàn hệ thống và quản lý địa chỉ của thiết bị tớ trong quá trình giao tiếp Thiết bị chủ đóng vai trò chủ động, trong khi thiết bị tớ giữ vai trò bị động trong quá trình này.
Giao thức I2C sử dụng địa chỉ 7 bit, cho phép tối đa 128 thiết bị trên một bus, nhưng chỉ 112 thiết bị có thể kết nối do 16 địa chỉ dành cho mục đích riêng Bit còn lại xác định chế độ truyền dữ liệu: 1 cho ghi và 0 cho đọc I2C nổi bật với hiệu suất cao và tính đơn giản, cho phép một khối điều khiển trung tâm quản lý toàn bộ mạng thiết bị chỉ với hai đường tín hiệu.
Phương thức giám sát, điều khiển
Việc lựa chọn hình thức kết nối phù hợp cho giải pháp IoT phụ thuộc vào quy mô và yêu cầu cụ thể của dự án Chẳng hạn, trong một thành phố thông minh, kết nối 5G là lựa chọn tối ưu cho việc giám sát video giao thông nhờ vào tốc độ nhanh và phạm vi rộng, trong khi đó, kết nối Wifi không phù hợp cho tàu ngầm do sóng điện từ không truyền qua nước Các tùy chọn kết nối khác nhau về tiêu thụ điện năng, phạm vi, độ tin cậy, băng thông, chi phí và khả năng mở rộng, đồng thời một số tùy chọn yêu cầu môi trường cụ thể, như không gian kín với ít nhiễu điện từ Đối với mô hình vườn rau nhà kính, kết nối Wifi và truy xuất dữ liệu qua mạng nội bộ là giải pháp khả thi.
Hình 2.4: Khoảng cách truyền nhận của các loại công nghệ kết nối
Tiêu thụ năng lượng của các thiết bị cảm biến là một yếu tố quan trọng, đặc biệt là những thiết bị hoạt động liên tục và sử dụng pin hoặc cắm trực tiếp vào nguồn điện Các cảm biến, như cảm biến đất trên đồng ruộng, thường được phân bố rải rác trong một khu vực rộng lớn Để đảm bảo khả năng gửi dữ liệu liên tục mà không cần thay pin, cần có giải pháp cung cấp nguồn điện ổn định cho các cảm biến này.
Băng thông là khối lượng dữ liệu có thể truyền giữa các mô-đun như cảm biến và lưu trữ đám mây Các tùy chọn kết nối như WiFi cung cấp băng thông cao, trong khi các giải pháp như Lora cho phép gửi một phần nhỏ dữ liệu định kỳ, thường là vài giờ một lần.
Bảng 2.1: Thông số tốc độ và khoảng cách truyền dữ liệu
Giá cả dịch vụ phụ thuộc vào nhiều yếu tố, chủ yếu bao gồm khối lượng dữ liệu, nhà cung cấp dịch vụ, và số lượng thiết bị hoặc khu vực được phục vụ.
Khi triển khai hệ thống giao tiếp giữa các module không dây từ xa, điều kiện môi trường đóng vai trò quan trọng Một số tùy chọn kết nối hoạt động ổn định mà không bị ảnh hưởng bởi nhiễu từ trường hoặc các yếu tố khác, trong khi những tùy chọn khác có thể gặp phải sự cố Do đó, việc xem xét môi trường hoạt động của hệ thống là điều cần thiết để đảm bảo tính ổn định và hiệu suất cao.
Khi thiết kế hệ thống nhiều mô-đun để truyền nhận dữ liệu từ xa, cần xem xét kỹ lưỡng cơ sở hạ tầng hiện có nơi lắp đặt Việc điều chỉnh lựa chọn giải pháp kết nối cho phù hợp với cơ sở hạ tầng sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất và tính khả thi của hệ thống.
Khi xem xét nhu cầu lắp đặt thực tế cùng với các yếu tố như khoảng cách truyền nhận, khả năng tiêu thụ năng lượng, giá cả và điều kiện hạ tầng, Wifi nổi bật như một giải pháp tối ưu nhất cho người dùng.
Tại Việt Nam, hầu hết các trang trại có kích thước vừa và nhỏ, do đó khoảng cách truyền nhận wifi thường dao động từ 100m đến vài km, đặc biệt khi sử dụng bộ khuyếch đại tín hiệu, điều này hoàn toàn đáp ứng nhu cầu kết nối của các trang trại.
Mức tiêu thụ năng lượng của hệ thống ở mức trung bình, tuy cao hơn so với các hình thức kết nối khác Tuy nhiên, do đối tượng cơ sở hạ tầng lắp ráp là trang trại, việc cấp nguồn điện trực tiếp cho mô-đun trở nên dễ dàng hơn.
Về giá cả: việc lắp đặt hệ thống mạng internet cũng như modem Wifi ở việt nam rất dễ dàng với giá thành thấp nên rất dễ thực hiện
2.4.2 Giao tiếp thông qua giao thức MQTT:
MQTT là một giao thức truyền thông theo mô hình publish/subscribe, nổi bật với khả năng sử dụng băng thông thấp và độ tin cậy cao, thích hợp cho các điều kiện đường truyền không ổn định Giao thức này được thiết kế để giao tiếp nhẹ nhàng giữa các thiết bị và hệ thống máy tính, ban đầu phục vụ cho các mạng SCADA và các kịch bản sản xuất Gần đây, MQTT đã trở nên phổ biến nhờ sự phát triển mạnh mẽ của Internet-of-Things (IoT).
+ Chuyển thông tin hiệu quả hơn
+ Tăng khả năng mở rộng
+ Giảm đáng kể tiêu thụ băng thông mạng
+ Giảm tốc độ cập nhật xuống giây
+ Rất phù hợp cho điều khiển và do thám
+ Tối đa hóa băng thông có sẵn
+ Rất an toàn với bảo mật dựa trên sự cho phép
+ Được sử dụng bởi ngành công nghiệp dầu khí, Amazon, Facebook và các doanh nghiệp lớn khác
+ Tiết kiệm thời gian phát triển
+ Giao thức publish/subscribe thu thập nhiều dữ liệu hơn với ít băng thông hơn so với giao thức cũ
+ Không có kiểm soát luồng tích hợp: Điều đó có nghĩa là thiết bị có thể bị quá nhiều thông báo
Kiến trúc mức cao (high-level) của MQTT gồm 2 phần chính là Broker và Clients
Hình 2.5: Kết nối giữa Broker và Client
Broker đóng vai trò trung tâm trong hệ thống, là điểm giao nhận tất cả các kết nối từ client Nhiệm vụ chính của broker là nhận tin nhắn từ publisher, xếp chúng theo hàng đợi và chuyển đến địa chỉ cụ thể Ngoài ra, broker còn đảm nhận một số tính năng phụ liên quan đến quá trình truyền thông như bảo mật tin nhắn, lưu trữ và ghi log.
Clients are categorized into two groups: publishers and subscribers These clients are software components that operate on edge devices, designed for lightweight and flexible functionality They perform at least one of two key tasks: publishing messages to a specific topic or subscribing to a topic to receive messages from it.
MQTT Clients tương thích với hầu hết các nền tảng hệ điều hành hiện có: MAC
OS, Windows, LInux, Androids, iOS…
Broker có thể được ví như một sạp báo, trong khi các tòa soạn báo đóng vai trò là publisher Tòa soạn in ấn và cung cấp báo cho sạp, nơi người đọc (subscriber) đến để chọn tờ báo mà họ muốn Giao thức này rất hiệu quả vì nó sử dụng băng thông thấp.
25 môi trường có độ trễ cao nên nó là một giao thức lý tưởng cho các ứng dụng M2M (Machine to machine)
Các khái niệm trong phương thức MQTT:
Trong hệ thống sử dụng giao thức MQTT, nhiều node trạm (MQTT client) kết nối tới một MQTT server (broker) Mỗi client đăng ký một số kênh (topic) như “/client1/channel1” và “/client1/channel2” thông qua quá trình gọi là “subscribe”, tương tự như việc đăng ký nhận tin trên kênh Youtube Khi có dữ liệu được gửi từ bất kỳ trạm nào khác tới kênh đã đăng ký, các client sẽ nhận được thông tin đó.
Trong giao thức MQTT, message hay còn gọi là "message payload" thường có định dạng mặc định là plain-text, tức là dạng chữ viết dễ đọc Tuy nhiên, người dùng có khả năng tùy chỉnh để chuyển đổi sang các định dạng khác theo nhu cầu sử dụng.