Nghiên cứu thiết kế vườn thông minh giám sát tự động cho vườn trồng rau an toàn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

Nghiên cứu thiết kế vườn thông minh giám sát tự
động cho vườn trồng rau an toàn.

Giáo viên hướng dẫn: T.S Nguyễn Hoàng Dũng
Sinh viên thực hiện : Lê Văn Hữu
Trần Văn Phóng
Trần Văn Đông
Đỗ Văn Lợi

Hà Nội, tháng 5 năm 2016
1


THÔNG TIN CHUNG VỀ ĐỀ TÀI
1. Tên đề tài
- Nghiên cứu thiết kế vườn thông minh giám sát tự động cho vườn trồng rau an
toàn.

- Lĩnh vực: Kỹ thuật.
- Hướng: Ứng dụng.
2. Giáo viên hướng dẫn
TS. Nguyễn Hoàng Dũng
3. Danh sinh viên tham gia
STT
1
2

3
4

Họ và tên

Phân công công việc
Thiết kế web, lập trình điều khiển

Tiến độ
Đã hoàn thành

Lớp
K15B

Lê Văn Hữu
TrầnVăn Phóng
Trần Văn Đông
Đỗ Văn Lợi

Thiết lập server
Thiết kế phần cứng của mạch
Thiết kế thi công mô hình vườn

Đã hoàn thành
Đã hoàn thành
Đã hoàn thành

K15C
K15B
K15C

4. Thời gian thực hiện
Từ 01 tháng 01 năm 2015 đến 14 tháng 5 năm 2016

5. Thời gian kết thúc thực tế (thời điểm nộp báo cáo kết quả)
Tháng 05 năm 2016

2


MỤC LỤC

3


Lời cảm ơn
Trong thời gian làm đề tài nghiên cứu, chúng em đã nhận được nhiều sự giúp
đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn bè.
Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS.Nguyễn Hoàng Dũng, đã tận
tình hướng dẫn, chỉ bảo chúng em trong suốt quá trình làm đề tài. Em cũng xin
chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trường Viện Đại Học Mở nói chung,
các thầy cô trong Khoa Công Nghệ Điện Tử, Viễn Thông nói riêng đã dạy dỗ
cho em kiến thức về các môn đại cương cũng như các môn chuyên ngành, giúp
em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt
quá trình học tập.
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều
kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên chúng em trong suốt quá trình học tập và
hoàn thành đề tài nghiên cứu.

TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

4


Sau một thời gian nghiên cứu thiết kế, nhóm nghiên cứu đã tạo ra được hệ thống có
thể giám sát vườn theo yêu cầu sau:
• Chăm sóc việc trồng rau xanh tự động.
• Giám sát, điều khiển hệ thống qua web.
• Thu thập mọi thông tin về môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, nhiệt độ … từ đó
có những điều chỉnh phù hợp với điều kiện phát triển của cây.
Các kết quả trên rất phù hợp với những yêu cầu đặt ra ngày từ lúc thuyết minh ban
đầu. Các kết quả này về:
• Kỹ thuật: Xây dựng cấu hình hoàn chỉnh hệ thống có khả năng tự động chăm sóc rau
an toàn bằng cách khống chế nhiệt độ, độ ẩm, cường độa ánh sáng,… thông qua các
thiết bị (máy bơm nước, đèn chiếu sáng, mái che,…) sử dụng điện lưới có điện áp
xoay chiều 220V tần số 50Hz với việc đóng mở rơ le. Đồng thời thu thập thông tin và
chuyền tải lên web thuận tiện cho việc giám sát vườn trồng. Qua đó góp phần ứng
dụng vào ngành nông nghiệp hiện đại, phục vụ nhu cầu cung cấp rau an toàn cho
người sử dụng.
• Thực tiễn: Sản phẩm giúp giảm công sức lao động, thời gian cho người trồng và cho ra
chất lượng sản phẩm vượt trội. Trong nông nghiệp có thể triển khai cho các dự án
trồng cây trong nhà kính, mô hình sản xuất rau an toàn với quy mô lớn. Giúp kiểm
soát tốt các khâu trung gian trong hệ thống, đồng thời vận hành hệ thống dễ dàng,
quản lý và bảo dưỡng hệ thống nhanh, thuận tiện.

5


PHẦN I: PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết
Rau xanh là loại thực phẩm thiết yếu của cuộc sống con người, cung cấp phần lớn

khoáng chất và vitamin, góp phần cân bằng dinh dưỡng trong bữa ăn hàng ngày.
Hiện nay ở Việt Nam, một trong những vấn đề cần được giải quyết là ô nhiễm môi
trường và an toàn thực phẩm. Có nhiều nguyên nhân dẫn đến thực trạng trên, trong
đó việc lạm dụng hoá chất độc hại, thuốc bảo vệ thực vật, chất kích thích sinh
trưởng, sử dụng nguồn đất và nước ô nhiễm để trồng rau đang ngoài tầm kiểm
soát... Đa phần người tiêu dùng chủ yếu tiêu thụ các sản phẩm nông nghiệp như rau
xanh, hoa quả không rõ nguồn gốc.
Theo một số liệu thống kê, trong một năm, cả nước xảy ra hơn 170 vụ ngộ độc
thực phẩm với gần 5.000 người mắc. Vấn đề an toàn thực phẩm (ATTP) trong nông
nghiệp đang diễn biến rất phức tạp, người tiêu dùng, kể cả người tiêu dùng làm
nghề quản lý an toàn thực phẩm cũng không thể biết được mớ rau, đang bày bán có
an toàn cho sức khỏe hay không? Nếu như không có thông tin về việc chúng được
kiểm soát an toàn thực phẩm trong suốt quá trình trồng, thu hoạch, chế biến, bảo
quản đến khi bày bán như thế nào?
Số liệu thống kê từ UBND Thành phố Hà Nội cho thấy, đến tháng 10/2015, Hà
Nội mới chỉ có khoảng 5000 ha rau an toàn, chỉ đáp ứng 30% nhu cầu của người
dân. Những người dân thành thị như Hà Nội, TP HCM hay các địa phương khác
đang rất “ngán” gặp phải thực phẩm bẩn. Qua diễn đàn trực tuyến Vườn Rau Xanh,
gần đây, số lượng thành viên của diễn đàn đã tăng mạnh mẽ, từ hơn 2.000 người
trong năm 2015, đến nay đã xấp xỉ 19.000 thành viên. Thành viên của diễn đàn chủ
yếu là người dân thành thị vì nhiều nguyên nhân khác nhau mà đến với việc trồng
rau xanh.
Chính vì vậy nhóm đã phát triển hệ thống trồng cây tự động theo quy trình khép
kín có khả năng tự điều chỉnh độ ẩm, nhiệt độ, ánh sáng theo tiêu chuẩn của cây
trồng. Phương thức chăm bón được điều kiển từ xa và hoàn toàn tự động trong môi
trường khép kín, tránh được sâu bệnh, nhờ vậy giảm được công sức, thời gian cho
người trồng và cho sản phẩm chất lượng vượt trội. Đặc biệt, vì không sử dụng chất
hóa học nông nghiệp nên rau an toàn với người sử dụng, đáp ứng đối tương cư dân
đô thị, những người có không gian lại không có thời gian trồng nhưng vẫn muốn và
có thể trồng rau sạch phục vụ nhu cầu của gia đình.

6


Hệ thống bao gồm các module được kết nối với nhau qua một khối xử lý trung
tâm được xây dựng trên nền tảng máy tính Mini OrangePi One của hãng sản xuất
Raspberry Pi Foundation. Các module này lần lượt như sau:
- Module điều khiển cường độ ánh sáng.
- Module cảm biến độ ẩm.
- Module cảm biến nhiệt độ.

2. Mục tiêu của đề tài
Đề tài nghiên cứu thiết kế vườn thông minh giám sát tự động cho vườn rau an
toàn do nhóm nghiên cứu khoa học đề xuất nhằm đạt được các mục đích sau:
- Giảm được công sức, thời gian cho người trồng và cho sản phẩm chất lượng
vượt trội.
- Hệ thống cảm biến sẽ thu thập mọi thông tin về môi trường như nhiệt độ, độ
ẩm, nhiệt độ … từ đó có những điều chỉnh phù hợp với điều kiện phát triển của cây
- Nâng cao khả năng nghiên cứu và tự nghiên cứu của sinh viên.

3. Phương pháp tiếp cận và phương pháp nghiên cứu của đề tài
3.1 Phương pháp tiếp cận
Dựa vào các cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng v..v) có sẵn của các hãng, nhóm
nghiên cứu đã bắt đầu bắt tay vào việc thiết kế phần cứng theo các yêu cầu của đề
tài. Ngoài ra nhóm nghiên cứu không ngừng nghiên cứu, tìm hiểu các tài liệu phần
cứng liên quan đến việc thiết kế cũng như các tính năng nhiệm vụ của các cảm biển,
điều khiển để có một nền tảng hiểu biết vững chắc phục vụ cho việc thiết kế hệ
thống.
Nhóm nghiên cứu tích cực tìm hiểu, tiếp cận với các công nghệ tiên tiến trên thế
giới về chế tạo, lắp ráp mạch . Bên cạnh đó, nhóm cũng tích cực tìm kiếm các cơ

hội tiếp cận với các nghiên cứu công nghệ trên thế giới.
Để có được sản phẩm công nghệ cao, tối ưu hóa về nhiều mặt và có khả năng kết
nối với các hệ thống có sẵn, nhóm nghiên cứu tích cực nắm bắt các tiến bộ về mặt
học thuật từ cộng đồng nghiên cứu, phát triển hệ thống nhúng sử dụng máy tính
mini OrangePi One.

3.2 Phương pháp nghiên cứu
Kiểm tra hoạt động của các kit nhúng OrangePi One. Thông qua đó tích lũy
những kinh nghiệm quý báu cho việc thiết kế, lập trình cho hệ thống.
Xây dựng từng phần các module phần cứng kết hợp với các phương pháp, kỹ
thuật mô phỏng (Simulation). Đánh giá tính khả thi và điều chỉnh các chỉ tiêu hệ
thống để hệ thống đạt được chất lượng cao, giảm thiểu nhiễu tối đa.
7


Dựa trên các kỹ thuật đo thử, kiểm tra nên ở cuối mỗi quá trình đều thực hiện
việc kiểm tra, đánh giá (test and verification) để giảm thiểu các rủi ro đáng tiếc có
thể xảy ra, tiết kiệm về mặt thời gian và chi phí.

4. Phạm vi nghiên cứu
Để xây dựng được nội dung nghiên cứu chính của đề tài, nhóm nghiên cứu đã lên
kế hoạch cụ thể để thực hiện. Các nội dung này được phân chia theo một trật tự nhất
định và xây dựng dựa trên các nền tảng kiến thức cơ bản đi từ mức độ đơn giản và
nâng dần sự phức tạp trong việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống.
- Các nội dung nghiên cứu chính của đề tài có thể được phân chia như sau:
+ Nghiên cứu máy tính mini OrangePi One
Vi xử lý trên Orange Pi One là Allwinner H3 có tốc độ 1.2 GHz sử dụng 4
nhân ARM Cortex-A7, chip đồ họa Mali-400MP2, RAM 512MB và một khe cắm
thẻ nhớ microSD phục vụ lưu trữ mở rộng.
Orange Pi One được tích hợp khá nhiều cổng kết nối trong đó có một cổng

HDMI, cổng Ethernet 10/100, USB 2.0, microUSB, cổng kết nối camera, màn hình
và đầy đủ chân cắm GPIO như một vi mạch điều khiển thông thường. Máy hỗ trợ
sạc thông qua bộ nguồn 5V 2A và không hỗ trợ sạc qua cổng microUSB.
+ Nghiên cứu các loại cảm biến phục vụ cho mục đích của đề tài
Trong đề tài này, nhóm nghiên cứu sử dụng cảm biến cường độ ánh sáng để đo
và nhận biết được ánh sáng của môi trường và cảm biến nhiệt độ để đo và nhận biết
được nhiệt độ môi trường.
+ Xây dựng các module thành phần của hệ thống
Sau khi đã quyết định lựa chọn loại cảm biến và hãng sản xuất, nhóm nghiên
cứu chuyển sang nghiên cứu thiết kế và xây dựng các module thành phần của hệ
thống. Dựa trên các loại cảm biến cũng như mục đích của đề tài, nhóm sẽ chia các
module thành phần như sau:
+ Module thông tin đầu vào là thông tin từ cảm biến cường độ ánh sáng, cảm
biến độ ầm và cảm biến nhiệt độ.
+ Module thông tin đầu ra điều khiển các thiết bị bật tắt theo các chức năng
định trước.
- Module điều khiển trung tâm của hệ thống là máy tính mini OrangePi One.

8


PHẦN II: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1. Đặt vấn đề
Ứng dụng web server ngày nay rất phát triển, đặc biệt trong các lĩnh vực đời
sống: y tế, khoa học, giao thông,… hơn hết trong các hoạt động giám sát từ xa phục
vụ cho nhu cầu của con người, điều khiển các thiết bị. Có thể nói như hệ thống nhà
thông minh, nhưng áp dụng vào nông nghiệp vẫn còn rất hạn chế trong khi thế
mạnh của nước ta là nông nghiệp. Mô hình này mới chỉ phát triển ở một số nước.
Với những điều kiện, thuận lợi của công nghệ, với những kiến thức được học nhóm

muốn nghiên cứu xây dựng mô hình web phục vụ cho hoạt động trồng cây, giúp cho
người nông dân giảm sức lao động nhưng vẫn đem lại năng xuất lao động cao.
Hệ thống quản lý trồng cây tự động theo quy trình khép kín có khả năng tự điều
chỉnh độ ẩm, nhiệt độ, ánh sáng theo tiêu chuẩn của cây trồng. Sau đó qua rơ le để
điều khiển đóng ngắt các thiết bị điện xoay chiều.

2. Các nghiên cứu trong và ngoài nước
Có thể nói Israel, Singapore và Nhật Bản là những quốc gia đi tiên phong trong
phát triển nông nghiệp cao với những công nghệ chăm sóc cây trồng vô cùng độc
đáo như hệ thống tưới nhỏ giọt, hệ thống tưới phun xương, hệ thống tưới phun mưa,
hệ thống tưới cảnh quan và ngay cả hệ thống thủy canh trồng cây không dùng đất.
Và gần đây nhất hướng đến nhu cầu trồng cây trên những diện tích nhỏ hẹp có thêm
giải pháp Trồng rau xanh trên những "nông trại thẳng đứng" (vertical farm) đang là
xu hướng được quan tâm tại nhiều nơi hiện nay bởi vừa tận dụng tối đa diện tích
canh tác, vừa cho rau sạch với sản lượng lớn, phục vụ nhu cầu cho nhiều hộ gia
đình.
Nước ta hiện nay thuật ngữ nông nghiệp cao không còn xa lạ gì với nhiều người
nhưng do chi phí đầu tư hệ thống chăm sóc cây tự động khá cao do phải nhập chủ
yếu từ nước ngoài, dẫn đến việc nhân rộng mô hình chưa phổ biến, và hạn chế
những hệ thống chăm sóc cây tự động chủ yếu hướng tới đối tượng người dùng phải
có diện tích trồng cây rộng lớn, chưa chú trọng đến thị trường người dùng có diện
tích trồng eo hẹp.
Trong nước cũng có rất nhiều nghiên cứu như hệ thống tưới cây tự động của kỹ
sư Vi Toàn Nghĩa (2013) , sau đó là hàng loạt công trình nghiên cứu hệ thống trồng
cây điều khiển từ xa, hệ thống trồng cây tự động hướng đến cả phân khúc người sử
9


dụng có quỹ diện tích eo hẹp. Nhưng hạn chế những nghiên cứu chưa tận dụng hạ
tầng internet hiện có để mở rộng người dùng với những hệ thống tròng cây có giám

sát tự động từ xa, hướng đến cả người dùng không những có diện tích trồng cây eo
hẹp, không có thời gian chăm sóc nhưng vẫn muốn có khu vườn trồng rau an toàn
riêng của mình.

3. Đề xuất các giải pháp
3.1 Giám sát tự động hệ thống trồng thủy canh
3.1.1 Ưu điểm
- Kiểm soát dinh dưỡng cây trồng là ưu điểm nhất trong thủy canh vì môi trường
dinh dưỡng đã được nghiên cứu kỹ trước khi trồng. Mọi chất dinh dưỡng trong thủy
cần thiết cho sự phát triển và phát sinh cây trồng đều nhất thiết phải được kiểm soát
ở nồng độ thích hợp cho từng loại cây trồng và từng lọai môi trường hơn nữa một
số nguyên tố gây hại cho cây khui ở mức dư lượng được khống chế ở giới hạn an
toàn hoặc dùng nguyên tố khác lọai bỏ.
- Không cần đất, chỉ cần không gian đặt hộp dụng cụ trồng, do vậy có thể triển khai
ở những vùng đất cằn cỗi như hải đảo, vùng núi xa xôi, cũng như tại gia đình trên
sân thượng, balcon.
- Trồng được nhiều vụ, có thể trồng trái vụ.
- Không phải sử dụng thuốc trừ sâu bệnh và các hóa chất độc hại khác.
- Năng suất cao vì có thể trồng liên tục.
- Sản phẩm hoàn toàn sạch, giàu dinh dưỡng, đồng nhất và hoàn toàn tươi ngon.
- Không tích lũy chất độc và gây ô nhiễm môi trường.
- Không đòi hỏi lao động nặng nhọc, người già, trẻ em điều có thể tham gia hiệu
quả do không phải làm đất, không có cỏ dại, không cần tuới.
- Dễ dàng khử trùng vì các giá thể có tính trơ về mặt hóa học nên việc lưu dữ chất
dinh dưỡng trong khi trồng không có nên khử trùng bằng formandehyt hoặc thuốc
tẩy và rửa lại bằng nước sạch còn nếu giá thể là than bùn và các thì khử trùng bằng
xông hơi và cho tái sử dụng.
- Dễ dàng tưới tiêu là ưu điểm lớn nhất so với phương pháp trròng trọt truyền thống
được áp dụng trong kỹ thuật màng dinh dưỡng và trồng cây trong nước nhờ sử dụng
hệ thống ống phun và ống đục lỗ.

3.1.2 Nhược điểm
- Chỉ trồng các loại cây rau, quả ngắn ngày.
- Giá thành sản xuất còn cao.
10


- Vốn đầu tư ban đầu cao do chi phí về trang thiết bị. Tuy nhiên, chi phí này không
cao so với nhữngchi phí về thuốc trừ sâu bệnh và côn trùng, thêu công nhân. Hơn
nữa các máy móc được tái sử dụng nhiều lần nên chỉ tốn chi phí đầu tư ban đầu.
- Đòi hỏi trình độ chuyên môn kỹ thuật cao để sản xuất có hiệu quả. Điều này gây
cản trở cho việc mở rộng phương pháp thủy canh đại trà.
- Trong quá trình hấp thu chất dinh dưỡng thực vật làm thay đổi pH trong dịch thủy
canh. Do đó cần phải điều chỉnh pH 2-3 lần/tuần. Giá trị pH thích hợp 5,8-6,5. Giá
trị pH lệch khỏi khoảng này thì mức độ ảnh hưởng lớn đến sự hấp thu chất dinh
dưỡng.
- Khi cây hấp thu chất dinh dưỡng và nước từ dung dịch, độ dẫn điện (EC) thay
đổi. Độ dẫn điện thể hiện độ đậm đặc của dung dịch dinh dưỡng. Gía trị EC tốt nhất
khoảng 1,5-2,5 dS/m. Giá trị EC cao sẽ ngăn cản sự hấp thu dung dịch dinh dưỡng
do áp suất thẩm thấu thấp. Giá trị EC thấp sẽ ảnh hưởng đến sức khỏe và sản lượng
của cây.

3.2 Giám sát tự động hệ thống tưới nhỏ giọt
3.2.1 Ưu điểm
- Tưới nhỏ giọt đảm bảo phân bố độ ẩm đều trong tầng đất nông nghiệp canh tác,
tạo điều kiện thuận lợi về chế độ không khí, nhiệt độ, độ ẩm, thức ăn, quang hợp..
cho cây trồng.
- Tưới nhỏ giọt cung cấp một cách đều đặn lượng nước tưới cần thiết nhưng tránh
được hiện tượng tập trung muối trong nước tưới và trong đất, khắc phục hiện tượng
bạc màu, rửa trôi đất trên đồng ruộng.
- Tưới nhỏ giọt tiết kiệm nước đến mức tối đa, giảm đến mức tối thiểu các tổn thất

lượng nước tưới do bốc hơi, thấm...
- Tưới nhỏ giọt không gây ra hiện tượng xói mòn đất, không tạo nên váng đất đọng
trên bề mặt và không phá vỡ cấu tượng đất.
- Tưới nhỏ giọt đảm bảo năng suất tưới, năng suất lao động được nâng cao không
ngừng vì có khả năng cơ khí hóa, tự động hóa nông nghiệp ở khâu nước tưới. Tưới
nhỏ giọt tạo điều kiện cho cơ giới hóa, tự động hóa thực hiện tốt một số khâu như
phun thuốc trừ sâu, bón phân hóa học kết hợp với tưới nước.
- Tưới nhỏ giọt phụ thuộc rất ít vào các yếu tố thiên nhiên như độ đốc của địa hình,
thành phần và cấu trúc đất tưới, mực nước ngầm nông hay sâu, ảnh hưởng của sức
gió... Tưới nhỏ giọt phù hợp với mọi địa hình nông nghiệp Việt Nam
- Tưới nhỏ giọt sử dụng cột nước áp lực làm việc thấp, lưu lượng nhỏ nên tiết kiệm
năng lượng, giãm chi phí vận hành.

11


- Tưới nhỏ giọt góp phần ngăn chặn sự phát triển của cỏ dại quanh gốc cây và sâu
bệnh vì lượng nước chỉ cung cấp làm ẩm gốc cây.
- Tưới nhỏ giọt cung cấp nước thường xuyên, duy trì chế độ ẩm thích hợp theo nhu
cầu sinh trưởng và phát triển của các loại cây trồng công nghiệp, cây trồng công
nghiệp. Nhờ đó, cây sinh trưởng tốt, phát triển nhanh, đạt năng suất cao.

3.2.2 Nhược điểm
- Hệ thống ống tưới nhỏ giọt hay bị tắt nghẽn do bùn cát, rong, tảo, tạp chất hữu cơ,
các chất dinh dưỡng không hòa tan... Chính vì vậy, nguồn nước tưới của hệ thống
tưới nhỏ giọt cần phải được xử lý qua bộ lọc.
- Tưới nhỏ giọt không có khả năng làm mát cây và cải tạo vi khí hậu như tưới phun
mưa, không có khả năng rửa lá giúp cây quang học tốt.
- Tưới nhỏ giọt cần phải có vốn đầu tư ban đầu, người đầu tư phải có trình độ tiếp
cận kỹ thuật tưới.

- Khi tưới nhỏ giọt bị gián đoạn, cây trồng sẽ xấu đi nhiều so với các phương pháp
tưới khác.

3.3 Giám sát tự động kết hệ thống tưới phun sương
3.3.1 Ưu điểm
- Năng suất lao động cao do quá trình tưới được tự động hoá, có thể tăng gấp chục
lần so với tưới thông thường.
- Cho phép dùng phân hoá học, các chất khử trùng đã hoà tan trong nước để rải
xuống mặt ruộng một cách đều và hiệu quả hơn.
- Tiết kiệm nước rất nhiều. Hệ số sử dụng nước đạt từ 90-95% và rất có ý nghĩa với
vùng hiếm nước hay lấy nước khó khăn. Tưới phun có thể cho phép tưới chính xác
diện tích cần tưới với đúng lưu lượng yêu cầu, và đảm bảo tính hiệu quả của lượng
nước tưới.
- Thoả mãn yêu cầu sinh lý của cây trồng về nước cũng như lớp đất có bộ rễ cây
hoạt động, và bề mặt lá đều được tưới và làm sạch bụi bám trên lá rất hữu ích cho
sinh trưởng phát triển của cây. Điều hoà tiểu khí hậu (chống nóng, lạnh, sương
muối cho cây trồng).
- Cho phép dùng phân hoá học, các chất khử trùng đã hoà tan trong nước để rải
xuống mặt ruộng một cách đều và hiệu quả hơn.
- Có thể thực hiện trên vùng đất dốc, địa hình phức tạp. Chiếm ít diện tích đất, và có
thể áp dụng với cChi phí đầu tư ban đầu để xây dựng hệ thống tưới tương đối lớn,
người sử dụng cũng phải có hiểu biết nhất định về kỹ thuật và quản lý.

12


- Chất lượng tưới phun mưa (sự phân bố hạt trên diện tích tưới) phụ thuộc vào điều
kiện thời tiết (vận tốc và hướng gió).Với vận tốc gió V > 5,6m/ giây phải ngừng
phun tưới để tránh sự phân bố không đều.
- Năng suất lao động cao do quá trình tưới được tự động hoá, có thể tăng gấp chục

lần so với tưới thông thường.

3.3.2 Nhược điểm
- Có thể thực hiện trên vùng đất dốc, địa hình phức tạp. Chiếm ít diện tích đất, và có
thể áp dụng với chi phí đầu tư ban đầu để xây dựng hệ thống tưới tương đối lớn,
người sử dụng cũng phải có hiểu biết nhất định về kỹ thuật và quản lý.

3.4 Phương pháp vườn đứng
3.4.1 Ưu điểm
- Linh hoạt theo phong cách hay cách thức bố cục sắp đặt của từng loại cây.
- Sạch sẽ, không quá mất công chăm sóc.

3.4.2 Nhược điểm
- Một số loại cây rễ bè, đâm sâu cần nhiều đất không dùng được.
- Có 2 loại là sử dụng modul nhựa và loại sử dụng vải nỉ.
- Ở Việt Nam loại modul nhựa không được sử dụng rộng rãi vì chất lượng của loại
nhựa không tốt – sau 1 mùa hè bị giòn và dễ vỡ. Nếu nhập nhựa từ nước ngoài sẽ
rất tốn kém.
- Phương pháp sử dụng vải nỉ.

4. Xác định phạm vi ứng dụng
Sản phẩm của đề tài bao gồm:
- 01 hệ thống giám sát trồng cây tự động cho người dùng.
- Tài liệu nghiên cứu và thiết kế các modules cảm biến, modules relay điều khiển.
- Tài liệu hướng dẫn sử dụng sản phẩm
Phạm vi triển khai:
Địa chỉ có thể ứng dụng của sản phẩm: cư dân đô thị, những người có không gian
lại không có thời gian trồng nhưng vẫn muốn và có thể trồng rau sạch phục vụ nhu
cầu của gia đình.

5. Máy tính mini OrangePi One
5.1 Giới thiệu chung
Orange Pi One, đây là thế hệ mini-PC thứ 3 của Raspberry với giá gấp đôi mẫu
Zero, nhưng bù lại thì cấu hình cũng được nâng cấp đáng kể. Cụ thể, Orange Pi
One chạy trên vi xử lý lõi tứ Allwinner H3 tốc độ 1,2Ghz, nhân Cortex A7, GPU
13


Mali-400MP2, RAM 512MB, có kèm khe cắm thẻ nhớ mở rộng cùng nhiều cổng
kết nối quan trọng như ethernet, HDMI, USB OTG và USB 2.0.
Với OrangePi One ta có thể làm:
Xây dựng…
•
Một máy tính
•
Một máy chủ không dây
•
Âm nhạc và âm thanh
•
video HD
•
Một loa
•
Android
•
Khá nhiều thứ khác, bởi vì Orange Pi One là mã nguồn mở.

Hinh 1.1. Mạch OrangePi One

5.2 Các thông số cơ bản của OrangePi One

14


- CPU: H3 Quad-core Cortex-A7 H.265/HEVC
- GPU:Mali400MP2 GPU @600MHZ
- Hỗ trợ OpenGL ES 2.0
- Bộ nhớ (SDRAM): 512MB DDR3 (chia sẻ với GPU)
- Onboard Storge : TF thẻ (Max.64GB)/MMC khe cắm thẻ nhớ
- Onboard Network: 10/100M Ethernrt Rj45
- Video Input: Một CSI kết nối đầu vào Camera:
Hỗ trợ 8-bit YUV422 CMOS cảm biến giao diện
Hỗ trợ giao thức CCIR656 cho NTSC và PAL
Hỗ trợ SM cảm biến pixel camera
Hỗ trợ quay video lên đến 1080p@30fps
- Video Outputs: Hỗ trợ đầu ra với HDCP HDMI
Hỗ trợ HDMI CEC
Hỗ trợ HDMI 30 chức năng
Hỗ trợ đầu ra đồng thời của HDMI
- Power Source: DC đầu vào có thể cung cấp năng lượng, nhưng USB OTG đầu vào
không cung cấp năng lượng.
- USB 2.0: Ports Chỉ một USB 2.0 Host, một cổng USB 2.0 OTG
- Buttons: Power Button(SW4)
- Supported OS: Android Ubuntu, Debian, Rasberry Pi Image.

5.3 Xây dựng máy chủ

Hình 1.2: Sơ đồ web server
1: Trình duyệt gửi yêu cầu tới trang PHP.
2: Web server gửi các yêu cầu đó tới trình thông dịch PHP.
3-4: Trình thông dịch PHP thực thi các đoạn mã PHP. Quá trình này có thể liên

quan đến nhiều tài nguyên như filesytem, database....
5: Kết quả của quá trình thông dịch là các mã HTML được trả về cho server.
6: server gửi mã kết quả HTML về lại trình duyệt.
Phần mềm, công cụ hỗ trợ lập trình website.
• Giới thiệu lập trính PHP
15


+ Thiết kế giao diện (PS, HTML, CSS)
+ Lập trình: sử dụng ngôn ngữ PHP; tạo database trên Mysql.
• Công cụ lập trình
+ Phần mềm phpDesigner 8
+ Chương trình tạo máy chủ web server: XAMPP.

5.4 Tạo một orangepi server
5.4.1 Thiết lập cơ bản orangepi
1. Cấu hình thiết lập cơ bản
Điều đầu tiên ta chạy lệnh cấu hình hệ thống để thiết lập múi giờ, đổi mật khẩu
và mở rộng thẻ nhớ để phục vụ cho hệ điều hành.
Ta có thể tự chỉnh các thông số vừa đề cập ở trên bằng cách chạy dòng lệnh
raspi-config.
2. Sửa hostname
Mặc định chiếc Pi của bạn sẽ có hostname là raspberrypi. Bạn có thể đổi nó thành
một hostname khác thân thiện với bạn hơn.
Ta chỉ cần chạy dòng lệnh: sudo nano /etc/hostname.
Sau đó đổi hostname theo ý muốn của mình.
3. Cấu hình IP
Có thể sửa file interfaces để thiết lập địa chỉ IP của máy Pi. Tại đây bạn có thể để
IP tự động hoặc fix chọn IP của mình (ví dụ làm web server, NAS, …)
Lệnh:

sudo nano /etc/network/interfaces
Kết quả hiện ra:
#/etc/network/interfaces:
auto lo
iface lo inet loopback
auto eth0
iface eth0 inet static
address 10.0.0.31
gateway 10.0.0.1
16


netmask 255.255.255.0
network 10.0.0.0
broadcast 10.0.0.255
Khởi động lại Pi để có hiệu lực với lệnh

sudo shutdown -r now
5.4.2 Thiết lập server
1. Cài đặt Cài đặt Apache và PHP
Khởi động SSH session truy cập vào orangepi one.
Gõ lệnh: “sudo apt-get update”.
Sau khi lệnh này chạy xong, sẽ có một vài lỗi nhỏ xuất hiện, khi đó chạy lại lênh
này một lần nữa.
Sau đó gõ lệnh: “sudo apt-get install apache2 php5 libapache2-mod-php5”.

Nó sẽ hỏi bạn có muốn tiếp tục không, hãy gõ tiếp “Y” và enter. Đợi một vài phút
để lệnh chạy xong.
Khi chạy xong có thể sẽ xuất hiển một lỗi, hãy gõ tiếp lệnh “sudo groupadd wwwdata”, và “sudo usermod –g www-data www-data” để xử lý lỗi.

Bây giờ hãy restart apache bằng lệnh “sudo service apache2 restart”. Lần này sẽ
không còn lỗi nữa.
Nếu bạn mở 1 trình duyệt web trên PC, và gõ hostname vào trong thanh địa chỉ, sẽ
hiện ra trang thông báo apache đã cài đặt.
17


Để enable htaccess files, bạn phải thay đổi file config như sau :
Gõ lệnh “sudo nano /etc/apache2/sites-enabled/000-default” và Enter.
Nhìn vào dòng sau :
“AllowOverride None”, Hãy đổi nó thành “AllowOverride All” (xem hình
để thấy chi tiết).

Sau đó save file lại bằng tổ hợp phím Ctrl-x, gõ phím y và Enter.
Bây giờ hãy restart apach
bằng lệnh “sudo service apache2 restart”.

2. Cài đặt Mysql
Truy cập vào orangepi, và gõ lệnh sau
18


“sudo apt-get install mysql-server mysql-client php5-mysql” và Enter
Nó sẽ hỏi bạn có muốn tiếp tục không, hãy gõ “y” và Enter.
Sẽ mất một lúc để download và cài đặt, và trong lúc đó màn hình sẽ hiện thông báo
yêu cầu “New password for the MySQL “root” user”, hãy gõ password bạn muốn,
và gõ lại 1 lần nữa để confirm.

3. Cài đặt FTP server
Có nhiều ftp, ta có thể chọn 1 loại đơn giản như vsftp.

Truy cập vào orangepi và gõ lệnh sau :
19


“sudo chown –R pi/var/ww” ß IMPORTANT (trừ khi ta không muốn upload thứ
gì lên webserver)
Gõ các lệnh
“sudo apt-gets install vsftpd”
“sudo nano /etc/vsftpd.conf”

Sau đó tìm kiếm trong file các dòng sau và thay đổi chúng như bên dưới :
Anonymous_enable=YES thay đổi thành anonymous_enable=NO
#local_enable=YES thay đổi thành local_enable=YES
#write_enable=YES thay đổi thành write_enables=YES
Đồng thời thêm một dòng sau vào cuối file
force_dot_files=YES

Sau đó save lại file bằng tổ hợp phím Ctrl-X.
Bây giờ restart FTP server bằng lệnh “sudo service vsftpd restart”
20


Lúc này ta thấy sẽ cần thay đổi thư mục mỗi lần login bởi FTP, hãy giải quyết như
sau :
Gõ
“sudo -i”
“passwd root”
Gõ một password mới (bên dưới là ví dụ)
“exit”
Sau đó bật SSH session,

Username : root
Password : giống như bạn đã set ở trên.
“nano /etc/passed”
Tìm dòng “pi:x;1000:1000:Raspberry Pi User,,,:home/pi:/bin/bash” và đổi nó
thành “#pi:x;1000:1000:Raspberry Pi User,,,:home/pi:/bin/bash”.
Sau đó save lại file, và gõ lệnh sau :
“usermod –d /var/www pi”

Bây giờ hãy tắt SSH session hiện tại, và bật một cái mới với username :pi và
password của bạn, sau đó gõ các lệnh :
“sudo -i”
“usermod –L root”
“exit”
Giờ ta có thể kết nối orangepi của bạn với một FTP client, sử dụng thông tin dưới
đây:
Host: (Hostname mà bạn set ở các step trước)
21


Username : pi
Password: (Password bạn đã set trước đó)
Port : 21
4. Cài đặt phpmyadmin
Bắt đầu cài đặt phpmyadmin
Gõ lệnh: “sudo apt-get install phpmyadmin”
Các gói phần mềm sẽ bắt đầu cài đặt. Ta sẽ được yêu cầu mà máy chủ web được
cài đặt, chọn apache2.

Cấu hình cho dbconfig-common:

Ta chọn “yes” nhấn enter.
5. Tổng kết
Bây giờ ta đã có một orangepi server với công suất tiêu thụ khoảng 5Watts (rất tiết
kiệm.
22


Cài đặt trên server của ta có:
• SSH
• Apache web server
• PHP5
• MySQL server
• VSFTP FTP server
• phpMyAdmin
6. Kết luận
Qua cơ sở lý thuyết nhóm đã đưa ra được vấn đề cần phải thiết kế hệ thống chăm
sóc vườn cây giám sát tự động phục vụ nhu cầu cho đối tượng dân cư đô thị muốn
có khu vườn riêng của mình nhưng do điều kiện quỹ diện tích hạn hẹp, không có
nhiều thời gian chăm sóc. Nêu ra được các giải pháp giải quyết vấn đề và thấy hệ
thống vườn thông minh giám sát tự động kết hợp hệ thống tưới phun sương là phù
hợp và khả thi nhất với tình hình đặt ra. Đưa ra được quy mô dự án triển khai, hiểu
về máy tính mini Orangepi One là phần xử lý trung tâm của toàn hệ thống.

23


CHƯƠNG 2. SƠ ĐỒ KHỐI, CHỨC NĂNG, PHÂN TÍCH
THIẾT KẾ CÁC KHỐI TRONG HỆ THỐNG
1. Sơ đồ khối hệ thống

Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống
Hình 3 biểu diễn sơ đồ khối của hệ thống điều khiển thiết kế vườn thông minh
giám sát tự động cho vườn trồng rau an toàn. Qua hình vẽ trên ta thấy hệ thống bao
gồm các khối sau:
• Khối nguồn
• Khối nhập dữ liệu (web server)
• Khối chấp hành (module relay)
• Khối xử lý trung tâm (OrangePi One)
Nhiệm vụ của từng khối trong hệ thống sẽ được trình bày cụ thể trong phần tiếp
theo.

2. Chức năng các khối và lựa chọn giải pháp cho các khối chính
2.1 Khối nguồn
- Chức năng: cung cấp điện áp làm việc cho các khối khác trong mạch. Có 3 loại
điện áp được sử dụng trong hệ thống điều khiển máy bơm, đèn chiếu sáng, quạt
thông gió, mái che : 220VAC, 12VDC và 5VDC. Trong đó, nguồn xoay chiều được
chọn là nguồn điện dân dụng 220VAC – 50Hz, dùng để cấp nguồn cho thiết bị.
24


Mạch sử dụng loại nguồn một chiều 5V - 2A để nuôi các mạch logic, module Rơ-le,
bao gồm cả khối điều khiển trung tâm sử dụng OrangePi One.
- Giải pháp: nguồn xoay chiều được lựa chọn là mạng điện lưới trong nhà 220V
rất tiện lợi. Trong khi đó, để tạo ra được mức điện áp 1 chiều là 5V mà vẫn có thể
đảm bảo được tính nhỏ gọn, tiện lợi, dễ sử dụng cũng như an toàn cho người dùng,
giải pháp được đưa ra là sử dụng 1 adapter 5VDC – 2A, để biến đổi trực tiếp nguồn
xoay chiều 220V thành nguồn 1 chiều 5V. Có thể lựa chọn rất nhiều cách ổn áp cho
mạch, trong đó có thể kể đến các IC ổn áp thông dụng: 7805, LM317, LM2575,
LM2576 v..v. Trong khuôn khổ đề tài, nhóm nghiên cứu lựa chon IC ổn áp 7805
cho linh hoạt. IC 7805 có các thông số cơ bản sau:

• Dòng cực đại có thể duy trì 1A
• Dòng đỉnh 2.2 A
• Công suất tiêu tán cực đại nếu không dung tản nhiệt là : 2W
• Công suất tiêu tán nếu dùng cảm nhiệt đủ lớn : 15W
Lưu ý: LM7805 có bảo vệ chập tải, nên nếu ta nỡ làm chập thì chưa hẳn 7805 đã
hỏng.

2.2 Khối giám sát
- Chức năng: cho phép người sử dụng thao tác trực tiếp lên hệ thống, qua đó
điều khiển, cài đặt, chỉnh sửa hệ thống theo mong muốn của mình. Các thao tác
như: nhập dữ liệu về chăm sóc cây trồng sẽ được người dùng thực hiện thông qua
khối này. Từ đó khối xử lý trung tâm có thể điều khiển hệ thống theo đúng như
mong muốn của người dùng.
- Giải pháp: người sử dụng có thể thao tác 1 cách dễ dàng để đưa ra các cài đặt
theo mong muốn của mình thông qua giao diện web.

2.3 Khối chấp hành điều khiển
- Chức năng: thực hiện nhiệm vụ bật/tắt máy bơm, đèn sưởi, mái che, quạt thông
gió với yêu cầu phải cách ly được nguồn xoay chiều với nguồn logic 1 chiều (5V
nuôi các IC, MCU).
- Giải pháp: với chức năng rất đơn giản, chỉ bật/tắt thiết bị thông qua tín hiệu
điều khiển từ MCU ở tần số rất thấp thì lựa chọn Rơ-le để đóng cắt mạch là 1 giải
pháp khá =hợp lý. Phương án này cho giá thành rẻ, cách ly nguồn tốt (cách ly hoàn
toàn giữa nguồn logic đóng cuộn dây, và nguồn chạy qua các tiếp điểm), kích thước
nhỏ gọn, khả năng chịu dòng tốt, có thể làm việc ở môi trường nhiệt độ cao v..v phù
hợp với yêu cầu của hệ thống.
25