(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế chế tạo robot đặt rọ thủy canh tự động

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ - CHẾ TẠO
ROBOT ĐẶT RỌ THỦY CANH TỰ ĐỘNG
SVTH: NGUYỄN QUỐC HUY
MSSV: 16146107
SVTH: ĐỖ PHÚC MINH
MSSV: 16142146
SVTH: THÁI HOÀNG ĐĂNG
MSSV: 16146084
Khóa : 2016- 2020
Ngành : Cơ điện tử
GVHD: PhD.VŨ QUANG HUY

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2020
1


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp thuộc khoa chất lượng cao tại trường Đại Học
Sư Phạm Kĩ Tḥt Thành Phố Hồ Chí Minh, nhóm đã thực hiện đề tài “THIẾT KẾ,
CHẾ TẠO ROBOT ĐẶT RỌ THỦY CANH TỰ ĐỘNG”. Với lịng kính trọng và
biết ơn sâu sắc nhóm xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Vũ Quang Huy
người đã trực tiếp hướng dẫn nhóm thực hiện đề tài. Trong quá trình thực hiện đề tài,
thầy đã tận tình chỉ bảo, theo dõi cũng như hỗ trợ nhóm hồn thiện đề tài theo cách
tốt nhất.
Nhóm cũng xin được gửi lời cảm ơn đến các thầy cơ giáo và các anh chị khóa
trên trong trường ĐH SỰ PHẠM KĨ THUẬT TPHCM nói chung, các thầy cơ trong

Bộ mơn Cơ Điện Tử nói riêng đã hướng dẫn, đưa ra những ý kiến về các môn đại
cương cũng như các mơn chun ngành, giúp chúng em có được cơ sở lý thuyết vững
vàng và tạo điều kiện giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình học tập. Bên cạnh đó,
nhóm cũng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, nhà trường và bạn bè đã tạo điều kiện,
hỗ trợ, động viên nhóm trong suốt q trình học cũng như làm đề tài đồ án này.
Tuy nhiên, do kiến thức của nhóm cịn hạn chế nên chắc chắn sẽ cịn những
thiếu sót trong đề tài. Kính mong nhận được sự góp ý của q Thầy/Cơ để nhóm có
thể hồn thiện hơn.
Xin trân trọng cảm ơn.
Nhóm Thực Hiện
Đỗ Phúc Minh -Nguyễn Quốc Huy
Thái Hoàng Đăng

iv


TÓM TẮT ĐỒ ÁN
THIẾT KẾ - CHẾ TẠO ROBOT ĐẶT RỌ THỦY CANH
TỰ ĐỘNG
Đề tài này trình bày mơ hình máy đặt rọ thủy canh tự động ứng dụng trong
môi trường nông nghiệp. Nhằm phát triển nền nông nghiệp nước nhà lên một bước
tiến mới để có thể tối ưu được thời gian, công sức và tiền bạc mà vẫn giữ được chất
lượng và số lượng sản phẩm làm ra trong ngành thủy canh nói riêng và nền nơng
nghiệp nói chung. Qua quá trình nghiên cứu và chế tạo máy đặt rọ thủy canh tự động,
nhóm đã khơng ngừng cải tiến qua từng phiên bản, tính đến thời điểm hiện tại nhóm
đã thực hiện được đến phiên bản thứ 3 với nhiều cải tiến tối ưu hơn cho robot của
nhóm. Trong đó dề tài này bao gồm: bản vẽ thiết kế 2D, thiết kế 3D phần cơ khí máy
đặt rọ thủy canh, sơ đồ kết nối dây điện của hệ thống điều khiển, các linh kiện được
sử dụng để chế tạo máy, lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển. Ngồi ra đề tài
cịn có những hình ảnh sản phẩm, mơ hình thực tế được nhóm xây dựng trong q

trình nghiên cứu. Kết quả cho thấy nhóm nghiên cứu đã cơ bản chế tạo thành cơng
mơ hình máy đặt rọ thủy canh tự động và mơ hình đã hoạt động cơ bản ổn định.

SUMMARY OF THE PROJECT
DESIGN, CONSTRUCT AUTOMATIC NET POTS PLACING
FOR HYDROPONIC SYSTEM
This topic presents a model of automatic hydroponic gabion machines applied
in agricultural environments. These include: 2D drawing design, 3D design
mechanical part of hydroponic gabion machine, wiring diagram of control system,
components used to make machine, save algorithm diagram of the control program.
In addition, the topic also has product images and actual models developed by the
group during the research process. The results show that the research team has
successfully contructed the automatic hydroponic gabion model and the model has
been running basically stable.

v


MỤC LỤC
Trang phụ bìa

TRANG

Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp.......................................................................................i
Trang phiếu nhận xét của giáo viên hướng dẫn ...................................................... ii
Trang phiếu nhận xét của giáo viên phản biện ...................................................... iii
Lời cảm ơn ............................................................................................................. iv
Tóm tắt .....................................................................................................................v
Mục lục ................................................................................................................. vii
Danh mục các chữ viết tắt .......................................................................................x

Danh mục các hình ảnh.......................................................................................... xi
Danh mục các bảng biểu ………………………...……………...........................xiii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .......................................................................................1
1.1Giới thiệu đề tài ..................................................................................................1
1.1.1 Lý do chọn đề tài .........................................................................................1
1.1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu đề tài .....................................................1
1.2 Các công trình nghiên cứu có liên quan ............................................................1
1.2.1 Nước ngồi ..................................................................................................1
1.2.2 Trong nước ..................................................................................................2
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...........................................................................4
2.1 Tổng quan về hệ thống thủy canh tự động ........................................................4
2.2 Tổng quan về robot đặt rọ thủy canh .................................................................5
2.2.1 Nguyên lý hoạt động: ..................................................................................5
2.2.1.1 Database – MariaDB: ...............................................................................5
2.2.1.2 Web Server – Apache: ..............................................................................7
2.2.1.3 LAMP server ............................................................................................8
2.2.1.4 LORA – giao tiếp không dây: ................................................................10
2.2.1.5 Nguyên lí hoạt động chung của xe: ........................................................10
vi


2.2.2 Nguyên lý điều khiển ................................................................................10
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ ĐIỆN VÀ ĐIỀU KHIỂN ..........................................12
3.1 Mô tả hoạt động ...............................................................................................12
3.2 Chọn cơ cấu .....................................................................................................12
3.2.1 Chọn cơ cấu tịnh tiến cho robot ................................................................12
3.2.2 Chọn cơ cấu tịnh tiến ngang của tay gắp (Trục X) ...................................13
3.2.3 Chọn cơ cấu tịnh tiến dọc của tay gắp (Trục Y) .......................................14
3.2.4 Chọn cơ cấu tịnh tiến thẳng đứng của tay gắp (Trục Z)............................15

3.2.5 Chọn cơ cấu bám mặt phẳng di chuyển cho bánh xe ................................17
3.2.6 Thiết kế mơ hình........................................................................................19
3.3 Tính tốn và thiết kế cơ khí .............................................................................20
3.3.1 Tính tốn chọn động cơ và dây đai cho tay gắp chuyển động dọc ...........20
3.3.1.1 Tính tốn chọn động cơ ..........................................................................20
3.3.1.2 Tính tốn chọn dây đai răng ...................................................................20
3.3.2 Tính tốn chọn động cơ và dây đai cho tay gắp chuyển động ngang .......22
3.3.3 Tính tốn chọn động cơ và dây đai cho bánh xe .......................................24
3.3.4 Tính tốn chọn xy lanh điện ......................................................................25
3.3.5 Tính bền trục của khớp lắc ........................................................................26
3.3.6 Chọn linh kiện cơ khí ................................................................................29
3.4 Tính tốn thiết kế điều khiển ...........................................................................37
3.4.1 Tính tốn điều khiển ..................................................................................37
3.4.2 Lựa chọn điều khiển ..................................................................................38
3.4.3 Linh kiện điều khiển ..................................................................................39
3.5 Hệ thống điều khiển .........................................................................................45
3.5.1 Arduino ......................................................................................................45
3.5.2 Raspberry...................................................................................................49
3.5.3 Sơ đồ khối liên kết điều khiển ...................................................................54
3.5.4 Sơ đồ kết nối dây .......................................................................................55
3.5.4.1 Các khối điều khiển ................................................................................55
3.5.4.2 Sơ đồ kết nối dây mạch điều khiển ........................................................56
3.5.4.3 Sơ đồ kết nối dây mạch động lực ...........................................................57
vii


3.6 Giải thuật điều khiển ........................................................................................59
3.6.1 Giải thuật set home ....................................................................................59
3.6.2 Giải thuật Arduino .....................................................................................59
3.6.3 Giải thuật Rasperry Pi 3 ............................................................................63

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ SO SÁNH, THỰC NGHIỆM, PHÂN ..............................65
TÍCH, TỔNG HỢP ...................................................................................................65
4.1 Kết quả thi cơng mơ hình.................................................................................65
4.2 Phân tích thi cơng mơ hình ..............................................................................71
4.2.1 Sự cần thiết ................................................................................................71
4.2.2 Hệ đơn vị đo lường ....................................................................................72
4.2.3 Thông số Kỹ thuật của máy. ......................................................................73
4.3 Kết quả điều khiển và thực nghiệm .................................................................75
4.3.1 Các bước điều khiển ..................................................................................75
4.3.2.1 Kết quả thực nghiệm tốc độ của máy .....................................................79
4.3.2.2 Kết quả thực nghiệm độ chính xác của máy ..........................................84
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ......................................88
5.1 Kết luận ............................................................................................................88
5.2 Hướng phát triển ..............................................................................................88
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................90

viii


DANH MỤC VIẾT TẮT
CTHT: cơng tắc hành trình.
PID: Proportional Integral Derivative.
LAMP: là viết tắt của L – linux, A-apache, M-mariadb/mysql, P-php/python .
HTTP: HyperText Transfer Protocol .
OS: Operating system.
PHP: Personal Home Page.
PWM: Pulse-width modulation.
TX: Transmitter.
RX: Receiver.
SPI: Serial Peripheral Interface.

I2C: Inter-Integrated Circuit.
TTL: Time to live.
SCK: Serial Peripheral Bus.
HĐH: Hệ điều hành.
CBDV: Cảm biến định vị.
CBTU: Cảm biến từ.
CBX, CBY, CBZ: Cảm biến trục X, Y, Z.

ix


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1 Mơ hình robot đặt rọ thủy canh tự động phiên bản 1 ..................................2
Hình 1. 2 Mơ hình robot đặt rọ thủy canh tự động phiên bản 2 ..................................3
Hình 2. 1: Hệ thống thủy canh tự động của Viscon Hydroponics ..............................4
Hình 2. 2: Database .....................................................................................................6
Hình 2. 3: Wedserver ..................................................................................................7
Hình 2. 4: Hình mơ tả hoạt động chung của LAMP server ........................................9
Hình 2. 5: ví dụ về OUTPUT – digitalWrite() ..........................................................47
Hình 2. 6: ví dụ về INPUT ........................................................................................47
Hình 2. 7: Hình ví dụ về INPUT_PULLUP ..............................................................48
Hình 2. 8: Dao động ..................................................................................................48
Hình 2. 9: Xung PWM ..............................................................................................49
Hình 2. 10: Các chân GPIO của Raspberry ..............................................................50
Hình 2. 11: Truy cập vào database ............................................................................51
Hình 2. 12: Truy cập vào database 1 và in tồn bộ bảng trong database ..................52
Hình 2. 13: In ra màn hình tồn bộ bảng mode.........................................................52
Hình 2. 14: Đoạn code truy cập và lấy dữ liệu từ database ......................................53
Hình 3. 1: Cơ cấu bánh xe có rãnh chạy trên ray ......................................................13
Hình 3. 2: cơ cấu thanh trượt ....................................................................................14

Hình 3. 3: Cơ cấu ray trượt truyền động bằng dây đai..............................................15
Hình 3. 4: cơ cấu bàn nâng ........................................................................................16
Hình 3. 5: Cơ cấu kẹp sử dụng 2 động cơ đóng mở độc lập .....................................17
Hình 3. 6: Cơ cấu khớp lắc........................................................................................18
Hình 3. 7:Thiết kế 3D................................................................................................19
Hình 3. 8:Bản vẽ 2D..................................................................................................19
Hình 3. 9: phân tích lực lên động cơ tịnh tiến. ..........................................................26
Hình 3. 10: Biểu đồ phân bố lực thanh lắc ................................................................26
Hình 3. 11: Biểu đồ phản lực liên kết .......................................................................27
Hình 3. 12: Biểu đồ ứng suất ....................................................................................27
Hình 3. 13: biểu đồ nội lực mặt cắt ...........................................................................28
Hình 3. 14: Inox ống .................................................................................................29
Hình 3. 15: Ray trượt và con trượt vng MGN12H ................................................30
Hình 3. 16: Ray trượt và con trượt trịn ....................................................................31
Hình 3. 17: Bánh xe rãnh V ......................................................................................32
Hình 3. 18: Dây đai gt2 .............................................................................................33
Hình 3. 19: Puly gt2 ..................................................................................................33
x


Hình 3. 20: Puly đai trịn ...........................................................................................34
Hình 3. 21: Dây đai trịn ............................................................................................34
Hình 3. 22: Động cơ DC planet 24VDC ...................................................................35
Hình 3. 23: động cơ Mabuchi RS-555VC-5524 .......................................................36
Hình 3. 24: Xy lanh điện JYVX ................................................................................36
Hình 3. 25: Khóa điện từ ...........................................................................................37
Hình 3. 26: bộ điều khiển trung tâm Kit Adruino Mega ...........................................39
Hình 3. 27: Driver PID động cơ DC .........................................................................40
Hình 3. 28: Module driver điều khiển động cơ BTS7960 43A.................................41
Hình 3. 29: Module driver điều khiển động cơ XY-160D ........................................42

Hình 3. 30: Cảm Biến Phát Hiện Kim Loại Tiệm Cận LJ12A3 ...............................43
Hình 3. 31: Mạch điều khiển Rasperry Pi 3 model B+ .............................................44
Hình 3. 32: Sơ đồ khối liên kết điều khiển ...............................................................54
Hình 3. 33: Sơ đồ kết nối dây mạch điều khiển ........................................................56
Hình 3. 34: Sơ đồ kết nối dây mạch động lực ...........................................................58
Hình 3. 35: Giải thuật set home ................................................................................59
Hình 3. 36 Lưu đồ xử lý tín hiệu nhận lệnh từ Wedserver .......................................60
Hình 3. 37: Giải thuật hoạt dộng robot .....................................................................61
Hình 3. 38: Giải thuật Rasperry Pi 3 .........................................................................63
Hình 4. 1: Mơ hình hồn chỉnh sau gia cơng ............................................................65
Hình 4. 2: Bảng mạch điều khiển ..............................................................................66
Hình 4. 3 : Lắp động cơ và cơ cấu truyền động cho bánh xe ....................................66
Hình 4. 4: Hệ trượt trục dọc ......................................................................................67
Hình 4. 5: Lắp đặt động cơ kéo trục dọc ...................................................................67
Hình 4. 6: bàn nâng tay gắp ......................................................................................68
Hình 4. 7: Lắp đặt động cơ kéo trục ngang tay gắp ..................................................68
Hình 4. 8: Hệ trượt ngang .........................................................................................69
Hình 4. 9: Cơ cấu tay gắp ..........................................................................................69
Hình 4. 10: Khởi động robot .....................................................................................75
Hình 4. 11 Tay gắp đi ra hết chạm cảm biến dừng lại và mở ra ...............................75
Hình 4. 12: Bàn nâng tiến về trước chạm cảm cơng tắc hành trình dừng lại ............76
Hình 4. 13: Robot chạy về trước chạm cảm biến từ và dừng lại ..............................76
Hình 4. 14: Tay gắp chạy vào vị trí lấy rọ ................................................................77
Hình 4. 15: Tay gắp tiến vào gắp rọ ..........................................................................77
Hình 4. 16: Gắp rọ và kéo lên ...................................................................................78
Hình 4. 17: Di chuyển rọ ra vị trí cần đặt .................................................................78
xi


Hình 4. 18: Hạ xuống và mở tay kẹp, rọ được đặt ....................................................79

Hình 4. 19: Biểu đồ thời gian robot chạy khơng tải ..................................................80
Hình 4. 20: Biểu đồ thời gian robot chạy với rọ trống ..............................................81
Hình 4. 21: Biểu đồ thời gian robot chạy với rọ có sơ dừa .......................................82
Hình 4. 22: Biểu đồ thời gian hoạt hết một chu trình của robot ...............................83
Hình 4. 23: Biểu đồ kết quả số rọ vào luống qua mỗi lần đặt ...................................85
Hình 4. 24: Biều đồ độ lệch tâm của rọ và lỗ của luống thủy canh so với trục X ....86
Hình 4. 25: Biều đồ độ lệch tâm của rọ và lỗ của luống thủy canh so với trục Y ....87

xii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2. 1: Bảng hướng dẫn dùng chân input/output Arduino ..................................45
Bảng 2. 2 bảng hướng dẫn sử dụng chân input/output raspberry .............................50
Bảng 3. 1: Thơng số tính toán đai răng GT2 cho chuyển động dọc .........................21
Bảng 3.2: Thơng số tính tốn đai răng GT2 cho chuyển động thẳng đứng ..............23
Bảng 3. 3: Thông số kỹ thuật inox ống .....................................................................29
Bảng 3. 4: Thông số kỹ thuật Thanh trượt vuông MGN12H ....................................30
Bảng 3. 5: Thông số kỹ thuật Thanh trượt vuông MGN15H ....................................30
Bảng 3. 6: Thông số kỹ thuật ray trượt trịn ..............................................................31
Bảng 3. 7: Thơng số kỹ tḥt con trượt trịn .............................................................32
Bảng 3. 8: Thơng số kỹ tḥtbánh xe rãnh V............................................................32
Bảng 3. 9: Thông số Kỹ thuật dây đai gt2 ................................................................33
Bảng 3. 10: Thông số Kỹ thuật dây đai gt2 ..............................................................33
Bảng 3. 11: Thông số kỹ thuật puly đai trịn .............................................................34
Bảng 3. 12: Thơng số kỹ tḥt dây đai trịn ..............................................................34
Bảng 3. 13: Thơng số kỹ tḥt động cơ DC planet 24VDC .....................................35
Bảng 3. 14: Thông số kỹ thuật động cơ Mabuchi RS-555VC-5524 .........................36
Bảng 3. 15: thông số kỹ thuật xy lanh điện JYVX ...................................................36
Bảng 3. 16: Thông số kỹ thuật của Kit Adruino Mega .............................................39

Bảng 3. 17: Thông số driver PID động cơ DC ..........................................................40
Bảng 3. 18: Thông số kỹ thuật driver điều khiển động cơ BTS7960 43A................41
Bảng 3. 19: Thông số kỹ thuật Module driver điều khiển động cơ XY-160D .........42
Bảng 3. 20: Thông số kỹ thuật cảm biến từ tiệm cậnLJ12A3 ...................................43
Bảng 3. 21: Thông số kỹ thuật mạch Rasperry Pi 3 model B+ .................................44
Bảng 4. 1: Bảng khảo sát...........................................................................................71
Bảng 4. 2 : Bảng thông số đo lường ..........................................................................72
Bảng 4. 3 : Thông số kỹ thuật của máy .....................................................................73
Bảng 4. 4: Kết quả thời gian thực nghiệm 1 chu trình khi khơng có tải ...................80
Bảng 4. 5: Kết quả thời gian thực nghiệm 1 chu trình khi có rọ trống .....................81
Bảng 4. 6: Kết quả thời gian thực nghiệm 1 chu trình khi rọ có sơ dừa ...................82
Bảng 4. 7: Kết quả thực nghiệm tỉ lệ thành công khi đặt rọ vào luống ....................84
Bảng 4. 8 Kết quả độ lệch tâm của rọ so với lỗ trong luống thủy canh ....................86

xiii


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu đề tài
1.1.1 Lý do chọn đề tài
Với xu hướng hiện nay khi con người chúng ta đang nâng cao mức sống của
mình qua từng ngày, trong đó nguồn thức phẩm sạch ln là một trong những vấn đề
được đặt lên hàng đầu đặc biệt là rau sạch thì kỹ thuật thủy canh sẽ dần trở thành xu
hướng tất yếu thay thế phương pháp trồng trọt truyền thống, vì nó sẽ được áp dụng
trong nhà màng, nơi mà thực phẩm hạn chế tối đa việc tiếp xúc với những chất độc
hại từ môi trường bên ngoài .Tuy nhiên với phương pháp trồng rau thủy canh hiện
tại yêu cầu phải đặt từng rọ thủy canh vào lỗ trên luống nhựa thủy canh. Điều đó rất
tốn thời gian và sức lạo động của người trồng.Ở mức độ cá nhân có thể khơng tốn
nhiều sức nhưng ở mức độ nơng nghiệp cơng nghệ cao thì số lượng rau trồng là rất
nhiều và cần rất nhiều lao động để có thể đặt hàng nghìn rọ rau trên diện tích hàng

chục hecta.Thêm vào đó với cuộc cách mạng cơng nghiệp 4.0 đang diễn ra địi hỏi
những hệ thống nơng nghiệp được tự động hóa cao. Từ đó địi hỏi phải có giải pháp
xử lý hiệu quả hơn.Với mong muốn giải quyết vấn đề trên, nhóm quyết định thực
hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài máy đặt rọ thủy canh tự động
1.1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu đề tài
-Nghiên cứu phương án thiết kế hệ thống
-Xây dựng bản vẽ 2D và 3D
-Gia cơng mơ hình cơ khí
-Thiết kế và xây dựng mạch điều khiển
-Thử nghiệm, đánh giá và sửa lại những sai sót trong bản thiết kế
-Lập bản báo cáo đề tài
-Hoàn thiện đề tài được giao
1.2 Các cơng trình nghiên cứu có liên quan
1.2.1 Nước ngồi

1


Theo tìm hiều của nhóm, hiện trong nước chưa có loại máy nào phục vụ mục
đích như trên nhưng ở một số nước phát triển họ đã áp dụng một số mơ hình trồng
rau thủy canh tự động. Đa phần các hệ thống thủy canh tự động họ sẽ đưa ống nhựa
thủy canh vào máy đặt rọ rồi sau đó sẽ đưa ống nhựa ra khu trồng. Lấy ví dụ hệ thống
trồng cây thủy canh Viscon Hydroponics của công ty Viscon. Viscon Hydroponics
chuyên về hệ thống thủy canh hoàn toàn tự động đầu tiên trên thế giới. Chuyên môn
của công ty là về công nghệ trồng cây giống làm tăng thêm hiệu quả và thành công
của hệ thống thủy canh. Hệ thống thủy canh Viscon tập trung vào sản xuất những sản
phẩm tươi và an toàn. Hệ thống Viscon là một hệ thống phát triển khép kín trên vùng
nước sâu. Viscon Hyroponics tập trung vào các loại cây trồng chu kỳ ngắn có thể
trồng được trên vùng nước sâu, như thảo mộc, bắp cải và cải salad.
1.2.2 Trong nước

Hiện tại nhóm đã nghiên cứu và phát triển lên được 3 phiên bản với nhứng cải
tiến để giúp robot có thể trở nên đa nhiệm hơn, đồng thời rút ngắn khoảng thời gian
đặt rọ, tăng năng suất làm việc một cách tối ưu nhất. với phiên bản đầu tiên nhóm sử
dụng cơ cấu đơn giản khi dung dây đai GT2 để kéo tất cả q trình điều khiển.

Hình 1. 1 Mơ hình robot đặt rọ thủy canh tự động phiên bản 1
2


Với phiên bản thứ 2 tay gắp được cải tiến để có thể lấy rọ theo 2 dãy và
linh hoạt hơn phiên bản thứ nhất , ở phiên bản này robot được trang bị them động cơ
kéo tay gắp ngang để có thể dễ dàng di chuyển 1 cách linh hoạt hơn.

Hình 1. 2 Mơ hình robot đặt rọ thủy canh tự động phiên bản 2
Trải qua 2 phiên bản, dù hoạt động tương đối tốt nhưng vẫn khơng thốt khỏi
những thiếu xót và một số mặt hạn chế, nên chúng e quyết định nghiên cứu tiếp
phiên bản thứ 3 để có thể tối ưu hết khả năng robot có thể hoạt động được .

3


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Tổng quan về hệ thống thủy canh tự động
Trồng rau thủy canh đã và đang trở thành một trong những giải pháp xanh cho
tương lai. Mơ hình này ngày càng được áp dụng tại nhiều nước trên thế giới. Tại Mỹ
và Châu Âu, các quốc gia đi đầu về khoa học kỹ thuật đã áp dụng hệ thống thủy canh
tự động vô cùng hiện đại. Mơ hình thủy canh này hạn chế được tối đa sức lao động
của con người. Sử dụng chủ yếu hệ thống máy móc, robot và dây chuyền tự động là
điểm nổi bật trong mơ hình thủy canh tại các nước phát triển. Thông thường các hệ
thống thủy canh tự động sẽ trải qua 5 công đoạn:

1. Gieo hạt vào rọ thủy canh
2. Đặt rọ thủy canh vào luống nhựa
3. Cung cấp dưỡng chất qua hệ thống bơm
4. Thu hoạch
5. Bảo quản

Hình 2. 1: Hệ thống thủy canh tự động của Viscon Hydroponics

4


2.2 Tổng quan về robot đặt rọ thủy canh
Ở Việt Nam những năm gần đây mơ hình trồng rau sạch cũng đang rất được
ưa chuộng, đặc biệt là mơ hình trồng rau thủy canh, do nó có nhiều ưu điểm như: Tốn
ít cơng chăm sóc, thời gian thu hoach được rút ngắn, cây trồng được cách ly khỏi
mầm bệnh bằng việc cách li với đất và nguồn nước được kiểm sốt. Nắm bắt được
xu hướng đó nhóm chúng tơi đã thực hiện nghiên cứu và chế tạo máy đặt rọ thủy canh
tự động nhằm đáp nhu cầu tự động hóa từng công đoạn của hệ thống thủy canh hiện
đại.
Robot đặt rọ thủy canh của chúng tơi có cấu tạo gồm 3 phần chính đó là:
+ Đế di chuyển gồm: 4 bánh xe di chuyển đến các vị trí cần đạt rọ và 1
khớp lắc giúp 4 bánh luôn đảm bảo bám trên mặt phẳng cần di chuyển
+ Tay gắp rọ thủy canh gồm: 1 cơ cấu tay gắp và 2 trục trượt giúp tay
gắp di chuyển linh hoạt
+ Khung robot: để gá các động cơ và các cơ cấu trượt của cánh tay
2.2.1 Nguyên lý hoạt động:
2.2.1.1 Database – MariaDB:
Database hay cơ sở dữ liệu là một tập hợp những data (dữ liệu) có liên quan với nhau,
được tổ chức và sắp xếp hợp lý. Database tồn tại dưới dạng các tập tin trong hệ điều
hành máy tính hoặc các hệ quản trị cơ sở dữ liệu. Chúng được lưu trữ trên thiết bị có

chức năng ghi nhớ như ổ cứng, USB, đĩa CD,... Một database được thiết kế để dễ
dàng trong việc tạo lập, lưu trữ , cập nhật và khai thác thơng tin. Dữ liệu có thể được
cập nhật thường xun mà hồn tồn khơng trùng lặp. Sử dụng database giúp tạo ra
các sản phẩm chuyên nghiệp hơn, lưu trữ có hệ thống, dễ dàng trong cơng tác quản
lí. Bạn có thể linh hoạt thay đổi kích cỡ và độ phức tạp của một database. Có những
database chỉ gồm vài trăm bản ghi (danh sách học sinh của một lớp) và có những
database có dung lượng rất lớn (như database quản lí hàng hố của một hệ thống siêu
thị). Nhiều người có thể sử dụng database cùng lúc mà không phải qua các khâu rườm
rà phức tạp nhờ vào việc truy xuất từ nhiều cách khác nhau. Do đó, bạn sẽ gặp nhiều
thuận lợi trong việc việc sử dụng, quản lý, truy cập dữ liệu. Đảm bảo toàn vẹn và an
toàn dữ liệu là điểm quan trọng hàng đầu trong công tác lưu trữ dữ liệu. Và database
xứng đáng nhận “điểm 10” về độ an toàn dữ liệu.
5


Với ưu điểm đó, database ngày càng phổ biến trong lĩnh vực lập trình ứng dụng nói
riêng và cơng nghệ thơng tin nói chung.
Ví dụ: Hệ thống đặt vé máy bay của Vietnam Airlines: ứng dụng database được phát
huy tính năng khá tốt. Trong trường hợp nhiều hành khách đặt vé cùng lúc, database
sẽ giúp doanh nghiệp tránh khỏi những sai sót khơng mong muốn. Điển hình như:
khách hàng mua phải vé đã bán cho người khác, một vé nhưng nhiều khách hàng đặt,
….

Hình 2. 2: Database
Trong hệ thống này sử dụng database MariaDB với nhiều ưu điểm:
+Hoàn toàn miễn phí
+Khắc phục những hạn chế của MySQL – một database khá phổ biến, tăng 3-5%
tốc độ so với MySQL
+Bổ sung thêm nhiều Engine hơn
6

+Kết hợp cả SQL và NoSQL, hỗ trợ với việc không giới hạn cột, cũng như loại dữ
liệu
+Hỗ trợ tiếng Việt
2.2.1.2 Web Server – Apache:
Web server - tiếng việt gọi là máy chủ web là từ được dùng để chỉ phần mềm máy
chủ, hoặc phần cứng dành riêng để chạy các phần mềm trên máy chủ, để từ đó có thể
cung cấp các dịch vụ World Wide Web. Một máy chủ web xử lí các yêu cầu (request)
từ các client (trong mơ hình server - client) thơng qua giao thức HTTP và một số giao
thức liên quan khác.
Nhiệm vụ cơ bản của web server là đưa website lên internet. Để làm được điều đó,
nó hoạt động giống như là một người đứng giữa server và máy khách (client). Nó sẽ
kéo nội dung từ server về cho mỗi một yêu cầu truy vấn xuất phát từ máy khách để
hiển thị kết quả tương ứng dưới hình thức là một website. Nói chung chức năng cơ
bản nhất của máy chủ web là lưu trữ, xử lí và phân phối nội dung các trang web đến
khách hàng, cụ thể ở đây là máy tính người dùng…

Hình 2. 3: Wedserver
Trong hệ thống này sử dụng web server Apache. Apache là một web server phổ biến
nhất thế giới cho phép bạn thiết lập một website an tồn mà khơng tốn nhiều cơng
sức. Nó thường được chọn bởi những người kinh doanh tự thân và một doanh nghiệp
7


nhỏ, để tạo thương hiệu trên mạng. Mặc dù chúng ta gọi Apache là web server, nhưng
nó lại khơng phải là server vật lý, nó là một phần mềm chạy trên server đó. Cơng việc
của nó là thiết lập kết nối giữa server và trình duyệt người dùng (Firefox, Google
Chrome, Safari ...) rồi chuyển file tới và lui giữa chúng (cấu trúc 2 chiều dạng clientserver). Apache là một phần mềm đa nền tảng, nó hoạt động tốt với cả server Unix
và Windows.

Khi một khách truy cập tải một trang web trên website nào đó, trình duyệt người dùng
sẽ gửi yêu cầu tải trang web đó lên server và Apache sẽ trả kết quả với tất cả đầy đủ
các file cấu thành nên trang đó (hình ảnh, chữ, …). Server và client giao tiếp với nhau
qua giao thức HTTP và Apache chịu trách nhiệm cho việc đảm bảo tiến trình này diễn
ra mượt mà và bảo mật giữa 2 máy.
2.2.1.3 LAMP server
+ Cụm từ LAMP là viết tắt của L – linux, A-apache, M-mariadb/mysql, P-php/python.
Cùng nhau, chúng tạo nên một bộ phần mềm mà mỗi phần mềm thực hiện một chức
năng riêng trong hệ thống:

- Linux: hệ điều hành. Linux là một hệ điều hành (OS) mã nguồn mở và
miễn phí ra đời từ giữa những năm 1990. Ngày nay, nó có một lượng lớn
người dùng rộng khắp trên tồn thế giới, cung cấp nhiều tùy chọn cấu hình
và linh hoạt hơn so với một số hệ điều hành khác. Raspberry OS (hay trước
đó được gọi là Raspbian) được tạo nên từ nền Linux.

- Apache: Web server. Máy chủ web Apache xử lý các yêu cầu và phục vụ
thông qua giao thức HTTP, qua một URL web đơn giản, mọi người có thể
truy cập, sử dụng nội dung từ server.

- MariaDB: cơ sở dữ liệu, nơi dữ liệu tạo lập, lưu trữ, cập nhật và khai thác
một cách có hệ thống.

- PHP: ngơn ngữ lập trình. Bạn khơng thể sử dụng HTML để thực hiện các
quy trình động như rút dữ liệu ra khỏi cơ sở dữ liệu. Để cung cấp loại chức
năng này, bạn chỉ cần thả mã PHP vào các phần của trang mà bạn muốn.
Có thể thay đổi bằng các ngôn ngữ khác như Perl hay Python.
+ Cách thức hoạt động của LAMP server
Quá trình bắt đầu khi máy chủ web Apache nhận được yêu cầu cho các trang web từ
trình duyệt của người dùng. Người dùng tương tác với web qua các nút nhấn, biểu

8


mẫu, khung đăng nhâp, mật khẩu,…. Nếu yêu cầu dành cho tệp PHP, Apache chuyển
yêu cầu tới PHP, tải tệp và thực thi mã có trong tệp. PHP cũng giao tiếp với MariaDB,
thay đổi chèn dữ liệu được tham chiếu trong mã vào database hoặc lấy dữ liệu từ
database để đưa lên web. PHP sau đó sử dụng mã trong tệp và dữ liệu từ cơ sở dữ liệu
để tạo file HTML đầy đủ, hiển thị các trang web động, nơi nội dung có thể thay đổi
mỗi khi được tải tùy thuộc vào ngày, giờ, danh tính người dùng và database. Tất cả
các hoạt động này đều được kích hoạt bởi hệ điều hành Linux chạy nền.
Vì LAMP là tất cả nguồn mở và khơng độc quyền, bạn có thể tránh bị khóa. Bạn có
thể linh hoạt để chọn các thành phần phù hợp cho các dự án cụ thể hoặc yêu cầu kinh
doanh. LAMP có thể hoạt động tố ở nhiều cách khác nhau. Apache là mô-đun trong
thiết kế và bạn sẽ thấy có các mơ-đun có thể tùy chỉnh cho nhiều tiện ích mở rộng
khác nhau. Một ưu điểm khác của LAMP là kiến trúc an toàn và các hoạt động mã
hóa tốt đã được chứng minh trong doanh nghiệp.

Hình 2. 4: Hình mơ tả hoạt động chung của LAMP server

9


2.2.1.4 LORA – giao tiếp không dây:
LoRa là viết tắt của Long Range Radio. Với công nghệ này, chúng ta có thể truyền
dữ liệu với khoảng cách lên hàng km mà khơng cần các mạch khuếch đại cơng suất;
từ đó giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ khi truyền/nhận dữ liệu. Do đó, LoRa có thể
được áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng thu thập dữ liệu như sensor network trong
đó các sensor node có thể gửi giá trị đo đạc về trung tâm cách xa hàng km và có thể
hoạt động với battery trong thời gian dài trước khi cần thay pin.LoRa sử dụng kỹ
thuật điều chế gọi là Chirp Spread Spectrum. Có thể hiểu nơm na ngun lý này là

dữ liệu sẽ được băm bằng các xung cao tần để tạo ra tín hiệu có dãy tần số cao hơn
tần số của dữ liệu gốc (cái này gọi là chipped); sau đó tín hiệu cao tần này tiếp tục
được mã hoá theo các chuỗi chirp signal (là các tín hiệu hình sin có tần số thay đổi
theo thời gian; có 2 loại chirp signal là up-chirp có tần số tăng theo thời gian và downchirp có tần số giảm theo thời gian; và việc mã hoá theo nguyên tắc bit 1 sẽ sử dụng
up-chirp, và bit 0 sẽ sử dụng down-chirp) trước khi truyền ra anten để gửi đi, nguyên
lý này giúp giảm độ phức tạp và độ chính xác cần thiết của mạch nhận để có thể giải
mã và điều chế lại dữ liệu; hơn nữa LoRa khơng cần cơng suất phát lớn mà vẫn có
thể truyền xa vì tín hiệu Lora có thể được nhận ở khoảng cách xa ngay cả độ mạnh
tín hiệu thấp hơn cả nhiễu môi trường xung quanh.Băng tần làm việc của LoRa từ
430MHz đến 915MHz cho từng khu vực khác nhau trên thế giới:430MHz cho châu
Á, 780MHz cho Trung Quốc, 433MHz hoặc 866MHz cho châu Âu, 915MHz cho
USA.Nhờ sử dụng chirp signal mà các tín hiệu LoRa với các chirp rate khác nhau có
thể hoạt động trong cùng 1 khu vực mà không gây nhiễu cho nhau. Điều này cho phép
nhiều thiết bị LoRa có thể trao đổi dữ liệu trên nhiều kênh đồng thời (mỗi kênh cho
1 chirprate).
2.2.1.5 Nguyên lí hoạt động chung của xe:
Khi bắt đầu, rọ thủy canh được đặt sẵn trên robot với rọ được sắp xếp ở những vị trí
sau đó robot di chuyển đến các ô trống nằm trên luống thủy canh cần đặt rọ và dừng
lại, tiếp theo đó tay gắp sẽ di chuyển đến vị trí lấy rọ và gắp rọ,tiếp theo tay gắp di
chuyển ra vị trí cần đặt rọ trên luống thủy canh và thả rọ vào, kết thúc quá trình đầu
tiên. Sau khi thả rọ thành cơng robot sẽ di chuyển tiếp tục đến những ô tiếp theo và
lặp lại quá trình trước cho đến khi rọ trên robot được đặt hết vào luống.
2.2.2 Nguyên lý điều khiển

10


Web Server đóng vai trị quản lí cấp cao. Trên trang web html, nhấn nút điều chỉnh,
file.PHP sẽ đưa thông tin lệnh vào database của Web Server, Raspberry lấy data từ
database sau đó gửi chuỗi lệnh qua giao tiếp LORA UART xuống Arduino, Arduino

nhận lệnh và thực thi nhiệm vụ, xuất dòng, xuất xung qua các chân định sẵn điều
khiển các thiết bị ngoại vi (cảm biến, công tắc hành trình và các board mạch driver).
Các driver được kết nối với vi điều khiển trung tâm Kit Adruino Mega bởi hai chân
xung và chiều để điều khiển được vận tốc và chiều quay của động cơ DC. Các động
cơ DC được điều khiển bởi các driver riêng biệt (mỗi động cơ điều khiển bởi một
driver) để thuận tiện cho việc điều khiển. Robot bắt vị trí cần đặt rọ bằng cảm biến
từ, các lỗ cần đặt rọ sẽ được đặt 1 tấm kim loại mỏng để robot có thể nhận biết vị trí
đồng thời trên robot sẽ được trang bị 1 số cơng tắc hành trình và cảm biến để có thể
điều khiển vị trí tay gắp chính xác nhất có thể.

11


CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ ĐIỆN VÀ ĐIỀU KHIỂN
3.1 Mô tả hoạt động
Robot đặt rọ thủy canh có 5 cơ cấu truyền động chính gồm:
1. Bánh xe: giúp robot di chuyển trên ray đến các lỗ cần đặt.
2. Tay gắp rọ: giúp robot kẹp - thả rọ
3. Cơ cấu trượt dọc: giúp cánh tay thay đổi vị trí lấy rọ
4. Cơ cấu trượt ngang: giúp cánh tay thay đổi vị trí lấy và thả
5. Cơ cấu nâng hạ bằng xy lanh điện: giúp cánh tay được hạ thấp và
nâng cao tay gắp khi lấy rọ và thả rọ vào lỗ
Khi robot hoạt động, robot sẽ thực hiện 4 bước (rọ thủy canh được đặt sẵn theo vị trí
cố định trên robot)
1. Tay gắp sẽ tìm vị trí xuất phát ban đầu (set home): Tay gắp mở ra,
cánh tay trượt ngang đến khi chạm cơng tắc hành trình để tránh va
chạm với rọ đặt trong robot sau đó cánh tay di chuyển đến vị trí tầng
một và trượt dọc về sau đến khi chạm cơng tắc hành trình thì dừng
để chuẩn bị bước 2.
2. Vào vị trí đặt rọ: Bánh xe quay đẩy robot tiến tới trước, khi cảm

biến tiệm cận bắt được vị trí đặt rọ thì dừng
3. Lấy rọ: từ vị trí set home, tay gắp trượt ngang vào phía trong với
khoảng cách cố định (vì rọ được đặt cố định), sau đó tay gắp kẹp
lấy rọ và nâng lên
4. Đặt rọ: khi lấy xong tay gắp sẽ di chuyển ra ngồi đến khi chạm
cơng tắc hành trình thì dừng, sau đó tạy gắp hạ xuống và mở ra để
rọ rơi vào lỗ
3.2 Chọn cơ cấu
3.2.1 Chọn cơ cấu tịnh tiến cho robot
Trên thực tế có các cơ cấu tịnh tiến sau: Bánh xe cao su điều khiển đi thẳng, ray trượt
kéo vật trượt bằng dây hoặc đai, bánh xe kim loại có rãnh chạy trên đường
ray,…Nhóm chúng tơi chọn cơ cấu bánh xe kim loại có rãnh chạy trên ray vì nó có
các ưu điểm sau:

12


1. Robot sẽ di chuyển ổn định, thẳng hướng với ray mà không cần can
thiệp đến điều khiển bẻ lái
2. Đa số các dàn thủy canh đền nằm trên khung sắt cách mặt đất một
khoảng cố định, nên khó có thể chọn bánh cao su, đồng thời là lợi thế giúp cho việc
gá đặt đường ray.
3. Robot có thể đổi hàng tự động bằng một cơ cấu chuyển hướng mà
không cần tháo lắp dây hoặc đai như cơ cấu ray trượt

Hình 3. 1: Cơ cấu bánh xe có rãnh chạy trên ray
Cơ cấu nhóm chúng tơi chọn là bánh xe có rãnh chữ V chạy trên ray V, giúp
xe khử đi các sai số nhỏ như: hai bánh không đồng tốc, bánh bị đảo trục,… Qua đó
giúp xe di chuyển sonng song với các ống thủy canh một cách ổn định. Đồng thời cơ
cấu này cũng đáp ứng được yêu cầu di chuyển của robot là tới và lùi, khi cần chuyển

sang một ray khác nhóm sẽ thiết kế một bộ chuyển, robot di chuyển lên trên bộ chuyển
và bộ chuyển sẽ di chuyển đến ray cần hoạt động.
3.2.2 Chọn cơ cấu tịnh tiến ngang của tay gắp (Trục X)
Trên thực tế có các cơ cấu tịnh tiến sau: xylanh khí nén, vít-me, ray trượt kéo
bằng động cơ truyền động qua dây đai,… Nhóm chúng tơi chọn cơ cấu ray trượt kéo
bằng động cơ truyền động qua dây đai vì nó có các ưu điểm sau:
1. Dễ gá đặt bộ trượt, dây đai và động cơ hơn cơ cấu vít-me

13


2. Có thể hoạt động liên tục nhiều giờ mà khơng cần nạp năng lượng
như khí nén
3. Có thể điều khiển dừng theo nhiều vị trí cách đơn giản một

Hình 3. 2: cơ cấu thanh trượt
Cơ cấu trượt sử dụng 4 ray trượt tròn cho 2 trục tịnh tiến song song ngược hướng
nhưng chỉ với 1 động cơ, nhờ vào tính chất chuyển động của đai kéo. Một trục cố
định với nửa đai phía trên pulley, một trục cố định với nửa đai phía dưới pulley. Hai
ray trượt của mỗi trục được đặt cách nhau trên 50mm để tăng độ vững và chống rơ
cho tay gắp, giảm rung lắc khi cơ cấu vận hành.
3.2.3 Chọn cơ cấu tịnh tiến dọc của tay gắp (Trục Y)
Trên thực tế có các cơ cấu tịnh tiến sau: xylanh khí nén, ray trượt kéo bằng
vít-me, ray trượt kéo bằng động cơ truyền động qua dây đai,…Nhóm chúng tơi chọn
cơ cấu ray trượt kéo bằng động cơ truyền động qua dây đai vì nó có các ưu điểm sau:
1. Dễ gá đặt bộ trượt, dây đai và động cơ hơn cơ cấu vít-me
2. Có thể hoạt động liên tục nhiều giờ mà không cần nạp năng lượng
như khí nén
3. Có thể điều khiển dừng theo nhiều vị trí một cách đơn giản.
14