CHĂM sóc vườn RAU tự ĐỘNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ IOT (có code)

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

CHĂM SÓC VƯỜN RAU TỰ ĐỘNG
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ IOT


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AC

Alternating Current

ADC

Analog to Digital Converter

App

Application

DC

Direct Current

GND

Ground

I2C

Inter-Intergrated Circuit

ID

Identity

IoT

Internet of Things

MCU

Multipoint Control Unit

PHP

Hypertext Preprocessor

RAM

Random Access Memory

RF

Radio Frequency

SPI

Serial Peripheral Interface

UART

Universal Asynchronous Receiver – Transmitter

VCC

Voltage colector to colector

Wifi

Wireless Fidelity


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 3/71

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU
1.1 Tên đề tài
Chăm sóc vườn rau tự động ứng dụng công nghệ IoT là đề tài được em lựa chọn để
tiến hành làm đồ án tốt nghiệp. Đề tài được tiến hành nghiên cứu dựa trên ứng dụng
của IoT trong lĩnh vực điện, điện tử đối với nông nghiệp. Việc tự động hóa quy trình
tưới nước, chiếu sáng cần thiết cho cây trồng ứng dụng công nghệ IoT với mục tiêu
làm tăng năng suất trồng trọt trên quy mô diện tích nhỏ, góp phần hình thành vườn
rau sạch từ đó đem lại hiệu quả kinh tế so với những mô hình bán tự động hay thủ
công có sẵn trên thị trường.
1.2 Lý do chọn đề tài
Việc chọn đề tài xuất phát từ nhu cầu có được một vườn rau sạch với quy mô hộ gia
đình để đáp ứng nhu cầu thực phẩm hàng ngày thay cho các loại rau kém chất
lượng, sử dụng nhiều thuốc bảo vệ thực vật vẫn tồn tại trên thị trường. Tuy nhiên,
do mặt bằng chung của đô thị, diện tích vườn cây thường được trồng trong các giàn,
chậu với quy mô nhỏ trên sân thượng nên thường không được chăm sóc để mang lại

năng suất mong muốn. Ngoài ra, do đặc thù công việc, người trồng rau ít có thời giờ
chăm sóc, tưới nước dẫn đến việc vườn rau thường không duy trì được lâu, dễ bị bỏ
quên sau một thời gian sử dụng. Để giúp việc trồng rau được thuận lợi và góp phần
tăng năng suất, giảm công sức tiêu tốn để chăm sóc nhưng vẫn mang lại kết quả
đáng mong đợi, em tìm cách tự động hóa một số công việc như chiếu sáng, tưới
nước... để tối ưu quy trình sản xuất. Việc theo dõi nhiệt độ, độ ẩm, tình trạng thời
tiết của vườn rau sẽ giúp người trồng có thể chủ động quyết định việc chăm sóc
vườn một cách hợp lý từ xa mà vẫn đảm bảo hiệu quả sản xuất. Cách làm này sẽ tiết
kiệm công sức, thời gian lao động đồng thời tăng tính hiệu quả kinh tế vì có thể tưới
theo một lưu lượng nhất định, phù hợp với chu trình sinh trưởng của cây và tránh
gây lãng phí không cần thiết trong suốt quá trình chăm sóc cây trồng.
1.3 Đối tượng nghiên cứu

Chăm sóc vườn rau tự động
ứng dụng công nghệ IoT


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 4/71

Đối tượng nghiên cứu được hướng đến trong đồ án tốt nghiệp là công nghệ IoT.
Việc ứng dụng công nghệ IoT trong nông nghiệp, cụ thể như trong đồ án tốt nghiệp
phù hợp với xu hướng hiện nay của thị trường. Trong bối cảnh Việt Nam đang
chuyển đổi sang kinh tế số và sự bùng nổ của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 thì
ứng dụng IoT là rất quan trọng, đặc biệt trong lĩnh vực thế mạnh của Việt Nam là
nông nghiệp. Việc làm ra các mô hình thực tế với quy mô vừa và nhỏ phù hợp với
thực tế nhu cầu của người dân hiện nay, nhất là người dân sống tại các khu đô thị
muốn sở hữu một vườn rau sạch nho nhỏ cho riêng gia đình, mang lại hiệu quả cao
nhưng vẫn không tiêu tốn nhiều thời gian chăm sóc.
1.4 Mục đích nghiên cứu

Đề tài chăm sóc vườn rau tự động ứng dụng công nghệ IoT được em chọn làm đồ
án tốt nghiệp nhằm đạt các mục đích sau:
-

Giảm được công sức, thời gian chăm sóc và cho năng suất vượt trội.
Hệ thống cảm biến sẽ thu thập thông tin về môi trường như nhiệt độ, độ ẩm
không khí, độ ẩm đất.... từ đó có những điều chỉnh phù hợp với sự phát triển

-

của cây trồng dựa vào chu kỳ sinh trưởng của cây.
Dữ liệu thu thập được sẽ được quản lý bằng hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu
để tiện cho việc truy/xuất. Từ những dữ liệu thu được, người ta dễ dàng đánh
giá được hiệu quả của hệ thống và những ưu điểm của hệ thống so với cách
trồng thủ công hay những mô hình tự động khác có sẵn trên thị trường.

1.5 Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu được tiến hành như sau:
-

Tìm hiểu cách thức hoạt động của board mạch Arduino. Thông qua đó tích
lũy những kinh nghiệm cho việc thiết kế, lập trình hệ thống.

Chăm sóc vườn rau tự động
ứng dụng công nghệ IoT


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 5/71

-

Tìm hiểu về các cảm biến cần thiết và cách kết nối các cảm biến với board
mạch chính để thu thập dữ liệu. Tìm hiểu về phương thức truyền wifi, cách

-

hiển thị, điều khiển và truy xuất dữ liệu từ xa.
Xây dựng sơ đồ giải thuật, nguyên lý hoạt động của hệ thống dựa vào chu kỳ
sinh trưởng của cây trồng cùng các yếu tố môi trường thu thập được. Đánh
giá tính khả thi, điều chỉnh số liệu phù hợp để hệ thống hoạt động đạt được

-

chất lượng tối đa.
Tiến hành xây dựng cơ sở dữ liệu của các loại cây trồng khác nhau để người
sử dụng dễ dàng tìm kiếm và điều chỉnh quá trình tự động chăm sóc cho phù

-

hợp với từng loại cây trồng.
Xây dựng mô hình thực tế. Tiến hành chạy thử và đánh giá tính hiệu quả của
mô hình. Kiểm tra, đánh giá, sửa lỗi trong quá trình hoạt động của hệ thống
để giảm thiểu các rủi ro đáng tiếc có thể xảy ra.

1.6 Đóng góp mới của đồ án
So với những hệ thống chăm sóc rau tự động/ bán tự động có sẵn trên thị trường. Hệ
thống có những đóng góp mới như sau:
-

Tích hợp việc điều khiển tưới nước tự động từ xa thông qua giao thức wifi so

-

với cách bật/tắt thủ công thông thường.
Xây dựng cơ sở dữ liệu với nhiều loại cây trồng khác nhau để người dùng có
thể dễ dàng truy cập và thay đổi cách chăm sóc tự động cho phù hợp với mục

-

đích trồng trọt.
Quyết định việc tưới nước, bật đèn chăm sóc vườn cây được thực hiện một
cách hiệu quả dựa vào thông số môi trường mà hệ thống thu thập được.

Chăm sóc vườn rau tự động
ứng dụng công nghệ IoT


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 6/71

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ VẤN ĐỀ ĐẶT RA
1.7 Công nghệ IoT (Internet of Things)
1.1.1 Khái niệm
Internet of Things được hiểu là mạng lưới vạn vật kết nối với nhau thông qua
môi trường Internet. Ở môi trường này, mỗi một đồ dùng, thiết bị hay con người đều
được gắn với một mã số định danh của riêng mình và có thể truyền tải, trao đổi
thông tin giữa hai hay nhiều thiết bị với nhau thông qua mã số định danh này mà
không cần đến sự tác động của con người hay là sự tương tác giữa người với máy
tính. Hiểu một cách đơn giản, Internet of Things là một môi trường mà ở đó, mọi

vật đều được kết nối với Internet và “giao tiếp” với nhau. Ở đó, con người có thể
theo dõi, giám sát và điều khiển các thiết bị khác thông qua các thiết bị thông minh
như điện thoại di động, máy tính bảng, máy tính xách tay... được kết nối với
Internet.

Hình 2-1: Tổng quan về Internet of Things [9]

Internet of Things là một khái niệm được đưa ra bởi Kenvin Ashton vào năm
1999 dùng để chỉ các thiết bị có thể được nhận biết cũng như chỉ ra sự tồn tại của
chúng trong một khối kiến trúc mang tính kết nối. Một hệ thống IoT cơ bản phải có
được hai thuộc tính là phải có một ứng dụng Internet và phải lấy được thông tin từ
vật chủ. IoT là xu hướng tất yếu của tương lai, nơi mà con người không phải trực

Chăm sóc vườn rau tự động
ứng dụng công nghệ IoT


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 7/71

tiếp tác động đến mọi thứ nhưng vẫn thu được chất lượng cao cho mọi nhu cầu
trong cuộc sống hằng ngày.

-

1.1.2 Xu hướng và tính chất của Internet of Thing
Thông minh: Mục tiêu khi thực hiện hệ thống IoT là xây dựng được mạng
lưới các thực thể có khả năng tự tổ chức và hoạt động theo từng tình huống,
môi trường khác nhau. Đồng thời giữa các thực thể cũng có sự kết nối, chia

-

sẻ dữ liệu qua lại lẫn nhau.
Kiến trúc dựa trên sự kiện: Các thiết bị hoạt động trong hệ thống IoT sẽ
phản hồi các sự kiện diễn ra trong lúc chúng hoạt động theo thời gian thực.

-

Một mạng lưới các sensor chính là một thành phần cơ bản của hệ thống IoT.
Phức tạp: IoT là một hệ thống cực kỳ phức tạp khi đòi hỏi rất nhiều thiết bị
kết nối với nhau. Mạng lưới IoT có thể chứa từ 50 đến 100 nghìn tỉ đối
tượng được kết nối mạng và mạng lưới này sẽ theo dõi hoạt động của từng
đối tượng cụ thể. Một cư dân sống trong thành phố có thể bị bao bọc xung

-

quanh từ 1000 – 5000 thiết bị có khả năng theo dõi.
Vấn đề không gian, thời gian: Về lý thuyết, IoT sẽ là hệ thống thu thập rất
nhiều dữ liệu, trong đó có dữ liệu về vị trí chính xác của một vật nào đó. So
với Internet được quản lý và xử lý thông tin bởi con người, hệ thống IoT sẽ
thu thập thêm rất nhiều dữ liệu thừa không cần thiết trong quá trình xử lý
thông tin. Ngoài ra, việc xử lý một khối lượng dữ liệu lớn trong một khoảng
thời gian ngắn để đáp ứng nhu cầu của các đối tượng cũng là thách thức

-

không nhỏ hiện nay khi áp dụng hệ thống IoT với quy mô lớn.
Các hệ thống phụ trong IoT: Không phải tất cả mọi thứ nằm trong hệ thống
IoT đều phải kết nối với mạng lưới Internet toàn cầu mà chúng có thể hoạt
động đơn lẻ, tương tác với nhau không cần Internet giống như mạng nội bộ

WAN, LAN hiện nay.

1.1.3 Sự phát triển của Internet of Things
Trên thế giới hiện nay, tác động của IoT rất đa dạng ở nhiều lĩnh vực như kinh
tế, giáo dục, dịch vụ y tế, kỹ thuật, giao thông, xây dựng, quản lý cơ sở hạ tầng...
Theo dự báo, đến năm 2024 sẽ có 500 tỉ thiết bị được kết nối với nhau. Đây là một

Chăm sóc vườn rau tự động
ứng dụng công nghệ IoT


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 8/71

con số khổng lồ dự báo sự phát triển nhảy vọt theo cấp số nhân của những ứng dụng
IoT trong tương lai. IoT được coi là chìa khóa của sự thành công, là bước ngoặt và
cơ hội lớn của tương lai để tối ưu hóa mọi vấn đề đang hiện hữu, phục vụ để nâng
cao giá trị cuộc sống của người dùng.
Hình 2-2: Sự phát triển của IoT dự đoán đến năm 2020 [5]

Là một nước đi lên từ nông nghiệp, việc áp dụng công nghệ IoT vào sản xuất sẽ

làm thay đổi hoàn toàn bộ mặt kinh tế của nước ta khi chuyển từ hình thức sản xuất
thủ công sang hình thức sản xuất tự động. Đây là phương pháp để giảm thời gian,
công sức chăm sóc nhưng vẫn đem lại hiệu quả kinh tế cao.
Đối với đề tài đồ án là chăm sóc vườn rau tự động ứng dụng công nghệ IoT, để
có thể xây dựng được một hệ thống hiệu quả, ổn định và mang lợi ích kinh tế cao,
chúng ta cần phải tìm hiểu về chu trình sinh trưởng của cây rau, cụ thể trong đề tài
hướng đến là cây rau cải để từ đó xây dựng chương trình chăm sóc tự động.
1.8 Ảnh hưởng của các yếu tố ngoại cảnh đến cây trồng

Đề tài được xây dựng và phát triển, thiết lập sơ đồ khối điều khiển dựa trên chu
trình sinh trưởng của cây rau cải. Các biện pháp kỹ thuật canh tác trồng rau chỉ có
thể mang lại những kết quả tốt khi được xây dựng trên cơ sở các yêu cầu của cây

Chăm sóc vườn rau tự động
ứng dụng công nghệ IoT


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 9/71

rau đối với các yếu tố thời tiết và điều kiện ngoại cảnh. Đối với các loại rau màu
khác, chúng ta sẽ có các phương pháp khác nhau tùy vào yêu cầu của từng loại cây
đối với các yếu tố môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng...).
Có rất nhiều các yếu tố ngoại cảnh tác động lên cây trồng, trong số đó các yếu tố
chủ yếu là:
-

Nhiệt độ: Gồm có nhiệt độ không khí và nhiệt độ đất. Nhiệt độ tác động lên
cây trồng bằng nhiều cách: Bằng số lượng, trị số nhiệt; bằng biến động của
trị số nhiệt độ; bằng tần suất xuất hiện các trị số nhiệt; bằng thời gian tác

-

động; bằng thời kỳ tác động; bằng độ chênh lệch nhiệt độ theo thời gian.
Ánh sáng: Gồm có thành phần ánh sáng, cường độ ánh sáng, thời gian chiếu

-

sáng.

Nước: Gồm có độ ẩm không khí, độ ẩm đất. Nước tác động lên cây trồng
thông qua khối lượng và chất lượng.

Ngoài ra, cây rau còn chịu những yếu tố tác động khác như đất trồng, không khí,
các loài vi sinh vật... .
1.1.4 Yêu cầu của rau cải đối với nhiệt độ
Nhiệt độ là một trong những yếu tố có ý nghĩa quyết định đối với sự sinh trưởng
và phát triển của cây. Tác động của nhiệt độ lên cây trồng là một chuỗi các tác động
với những ý nghĩa khác nhau, thay đổi tuần tự và liên tục từ những trị số ở miền
thích hợp đến không thích hợp rồi chuyển sang miền gây hại. Miền nhiệt độ thích
hợp để trồng cây rau cải là 20-28 oC. Từ miền nhiệt độ thích hợp đi về 2 phía hình
thành các miền nhiệt độ ít thích hợp, gây hại và gây chết.

Chăm sóc vườn rau tự động
ứng dụng công nghệ IoT


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 10/71

Hình 2-3: Phân bố các miền ảnh hưởng của nhiệt độ đối với cây [7]

Yêu cầu của cây cải đối với nhiệt độ thay đổi theo từng giai đoạn sinh trưởng. Ở
thời kỳ nảy mầm, hạt có yêu cầu đối với nhiệt độ tương đối cao. Những loại rau cải
nảy mầm nhanh ở nhiệt độ 25-30oC. Nhiệt độ cao hay thấp trong giai đoạn này
không những ảnh hưởng tới tốc độ nảy mầm nhanh hay chậm mà còn ảnh hưởng tới
tốc độ sinh trưởng và phát triển của cây.
Ở thời kỳ cây con, bộ rễ cây mới hình thành nên còn ít và yếu, cây sinh trưởng
chủ yếu dựa vào chất dự trữ trong hạt. Nếu gặp nhiệt độ cao, hô hấp tăng, chất dinh
dưỡng bị tiêu hao nhiều trong khi chất dự trữ trong hạt chỉ có rất ít thì cây nhanh

chóng bị mất sức, thân cây vàng vọt. Vì vậy, cần tạo điều kiện nhiệt độ tương đối
thấp để tránh hiện tượng cây vống. Khi cây lớn hơn khoảng 3-4 ngày tuổi, ta lại để
cho cây sinh trưởng trong điều kiện nhiệt độ bình thường.
Ở thời kỳ dinh dưỡng, cây phát triển với tốc độ nhanh, quang hợp tăng lên nhiều
so với thời kỳ trước. Ở giai đoạn này, nhiệt độ cao hơn sẽ có lợi cho quang hợp. Tuy

Chăm sóc vườn rau tự động
ứng dụng công nghệ IoT


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 11/71

nhiên, vào giai đoạn chất dinh dưỡng bắt đầu được dự trữ thì cây rau lại cần nhiệt
độ thấp. Ở giai đoạn này nếu nhiệt độ cao trên 28°C thì cải sinh trưởng chậm, nếu
nhiệt độ cao hơn 30°C lá bắt đầu héo và cây không phát triển được.
Ở thời kỳ sinh thực, đối với các loại rau cải cần có nhiệt độ cao 20- 30 oC. Nhiệt
độ ban đêm cao quá 22oC hoặc thấp hơn 15oC đều làm cho cây sinh trưởng kém.
1.1.5 Yêu cầu của rau đối với ánh sáng
Đối với rau cải, ánh sáng tác động thông qua cường độ ánh sáng, thời gian chiếu
sáng và thành phần ánh sáng. Cường độ ánh sáng thay đổi theo vĩ độ, theo thời vụ,
theo mùa. Cường độ ánh sáng mạnh nhất vào mùa hè, rồi đến mùa xuân và mùa thu,
yếu nhất vào mùa đông. Trên vườn rau, cường độ ánh sáng thay đổi phụ thuộc vào
mật độ cây trên ruộng, hướng của luống, cách bố trí cây, tình hình trồng xen, hình
dáng cây.
Dựa trên yêu cầu của rau đối với ánh sáng, người ta sắp xếp rau cải thành nhóm
rau có yêu cầu thời gian chiếu sáng dài. Các loài rau thuộc nhóm này phát triển
nhanh trong điều kiện ánh sáng dài 12-14h/ngày. Nếu thời gian chiếu sáng ngắn hơn
thì cây phát triển chậm. Thời gian chiếu sáng dài hơn thì cây ra hoa sớm. Cường độ
ánh sáng thích hợp để cây rau cải quang hợp tốt nhất là trên 2000 lux.

1.1.6 Yêu cầu của rau đối với nước
Rau cải cần nhiều nước và có nhu cầu cao đối với nước trong suốt quá trình sinh
trưởng và phát triển. Trong cây rau có chứa 75 – 85% nước. Thiếu nước ảnh hưởng
rất lớn đến chất lượng rau. Thiếu nước rau chóng bị già cỗi, nhiều xơ, đắng, chất
lượng kém, ăn không ngon, rau bị cứng, héo úa.
Tuy vậy, thừa nước cũng làm giảm chất lượng cây rau: Hàm lượng đường, muối
hoà tan trong rau giảm, rau ăn nhạt. Nước nhiều làm cho mô bào mềm yếu, sức
chống chịu của rau đối với sâu bệnh và các yếu tố thời tiết giảm sút. Rau cải là loài
rau có diện tích lá lớn, tán cây rậm, các mô tế bào non mềm nên có khả năng chống
hạn yếu.
Yêu cầu của rau đối với nước ở các thời kỳ sinh trường khác nhau không giống
nhau:
Chăm sóc vườn rau tự động
ứng dụng công nghệ IoT


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 12/71

-

Ở thời kỳ nảy mầm,cây rau cần rất nhiều nước. Để cho hạt trương lên mà nảy
mầm, hạt cải cần 50% nước so với trọng lượng hạt. Vì vậy, sau khi gieo cần

-

tưới nước, giữ ẩm và che, đậy cho hạt.
Ở thời kỳ cây con, bộ rễ cây còn yếu và chưa ăn sâu vào đất cho nên cây cần
được cung cấp nước đầy đủ. Cây con thường phát triển nhanh nên tiêu hao
nhiều nước. Cần tưới đều đặn cho cây trong thời kỳ này nhưng chỉ nên tưới

-

nhẹ, vì tưới quá nhiều cây dễ bị vống và yếu.
Ở thời kỳ sinh trưởng, cây cải có thân lá phát triển mạnh, bốc thoát hơi nước
nhiều do hoạt động hút và đồng hoá chất dinh dưỡng diễn ra mạnh, do đó rau
cần rất nhiều nước. Thiếu nước trong thời gian này sẽ làm giảm đáng kể đến
năng suất cây trồng.

Trên cơ sở yêu cầu của rau đối với nước, người ta xếp loại rau cải thành nhóm
tiêu hao nhiều nước nhưng khả năng hút nước kém. Nhóm này có diện tích lá tương
đối lớn, bốc thoát hơi nước mạnh, nhưng bộ rễ lại kém phát triển. Độ ẩm thích hợp
cho nhóm cây này là 80% độ ẩm đất và 90% độ ẩm không khí.
Căn cứ vào yêu cầu của rau cải đối với độ ẩm tương đối của đất và không khí,
người ta sắp xếp loài rau cải vào nhóm rau thích nghi với độ ẩm cao: Khoảng 85 –
90%.
1.9 Đề xuất các giải pháp
Đối với đề tài nghiên cứu là thực hiện việc chăm sóc vườn rau tự động ứng dụng
công nghệ IoT, giải pháp tưới nhỏ giọt và thực hiện chiếu sáng cho vườn cây được
chọn làm phương pháp chăm sóc cây trồng theo cách sau:
-

Tưới nước: Thực hiện việc tưới nhỏ giọt hàng ngày vào chiều tối. Ngoài ra,

-

chủ động làm ẩm đất nếu độ ẩm đất <70%.
Chiếu sáng: Tiến hành bật đèn bổ sung ánh sáng giúp cây quang hợp tốt hơn
trong khung giờ từ 6h – 18h nếu cường độ ánh sáng nhỏ hơn 2000 lux.

Ưu điểm của giải pháp đề ra:
-

Tiết kiệm nước, tránh gây hiện tượng ứ đọng không cần thiết. Tưới nhỏ giọt
tiết kiệm 40-50% nước so với phương pháp tưới mặt.

Chăm sóc vườn rau tự động
ứng dụng công nghệ IoT


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 13/71

-

Tiết kiệm điện, tránh hiện tượng dư sáng. Đảm bảo cây trồng có thời gian

-

nghỉ ngơi, hô hấp bên cạnh quá trình quang hợp.
Không gây xói mòn, trôi màu, không phá vỡ kết cấu đất trong chậu cây.
Tăng diện tích trồng trọt, mật độ trồng được dày hơn.
Đảm bảo phân bố độ ẩm đều trong toàn bộ chậu cây, tạo điều kiện thuận lợi

-

về không khí, nhiệt độ, độ ẩm... cho cây trồng.
Hạn chế cỏ dại xung quanh gốc cây và sâu bệnh vì chỉ tập trung tưới vào cây.
Có thể kết hợp tưới với bón phân hữu cơ bổ sung dưỡng chất cần thiết cho

-

cây trồng.
Sử dụng những ống nước áp lực thấp, lưu lượng nhỏ nên tiết kiệm năng
lượng, giảm chi phí vận hành.

Nhược điểm:
-

Giá thành đầu tư ban đầu cao do phải đầu tư, lắp đặt những trang, thiết bị

-

chuyên dụng.
Đòi hỏi người sử dụng phải có hiểu biết nhất định về kỹ thuật và quản lý.

1.10 Phạm vi ứng dụng
Phạm vi triển khai: Sản phẩm có thể được ứng dụng ở những mô hình quy mô
vừa và nhỏ, có thể áp dụng với nhiều loại cây trồng khác nhau tùy vào nhu cầu
sinh trưởng của cây mà thiết lập chế độ chăm sóc khác nhau. Phù hợp áp dụng
trong mô hình trồng cây hộ gia đình, mô hình trồng cây trong đô thị... hướng đến
người sử dụng không có thời gian chăm sóc nhưng vẫn đảm bảo vườn cây phát
triển an toàn, hiệu quả.

CHƯƠNG 3. Ý TƯỞNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1.11

Sơ đồ giải thuật của hệ thống

Chăm sóc vườn rau tự động

ứng dụng công nghệ IoT


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 14/71

Hình 3-4: Sơ đồ giải thuật của hệ thống

Sơ đồ giải thuật được xây dựng dựa trên cơ sở lý thuyết là ứng dụng công nghệ IoT
vào sản xuất nông nghiệp và phù hợp với chu trình sinh trưởng của cây rau cải.
1.12

Sơ đồ khối hệ thống tưới tự động dựa vào độ ẩm đất

Hình 3-5: Sơ đồ khối tưới tự động của hệ thống dựa vào độ ẩm đất

Chăm sóc vườn rau tự động
ứng dụng công nghệ IoT


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 15/71

1.13 Sơ đồ khối hệ thống tưới tự động

Hình 3-6: Sơ đồ khối hệ thống tưới tự động dựa vào thời gian thực

1.14 Sơ đồ khối hệ thống chiếu sáng tự động

Hình 3-7: Sơ đồ khối chiếu sáng tự động của hệ thống

1.15 Nội dung nghiên cứu
Chăm sóc vườn rau tự động
ứng dụng công nghệ IoT


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 16/71

Nội dung thực hiện đồ án tốt nghiệp 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 đồ án có thể được phân chia như sau:
-

Nghiên cứu board mạch Arduino và những chức năng liên quan.
Nghiên cứu về phương thức truyền wifi thông qua ESP8266 .
Nghiên cứu các loại cảm biến cần thiết phục vụ cho nội dung đề tài.
Xây dựng cơ sở dữ liệu của các loại cây trồng khác nhau.
Xây dựng việc hiển thị, điều khiển hệ thống từ xa qua app, web.
Tiến hành xây dựng mô hình thực tế dựa vào các nội dung đã nghiên cứu,

-

xây dựng và phát triển.
Thi công phần cứng, đánh giá hiệu quả, tính khả thi và hiệu quả kinh tế của
mô hình khi được tiến hành trên thực tế.

1.16 Xây dựng các module thành phần của hệ thống
Dựa trên các loại cảm biến cũng như mục đích của đề tài, đồ án sẽ được chia thành

các module thành phần như sau:
-

Module thông tin đầu vào là thông tin từ các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, ánh

-

sáng...
Module thông tin đầu ra là bật/ tắt van nước điện từ; bật/ tắt đèn... dựa vào

-

các thông số thu thập được cho phù hợp với mục đích sản xuất.
Module điều khiển trung tâm của hệ thống là Arduino.
Website hiển thị thông tin cơ sở dữ liệu của nhiều loại cây trồng khác nhau
để phù hợp với mục đích sản xuất.

Chăm sóc vườn rau tự động
ứng dụng công nghệ IoT


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 17/71

CHƯƠNG 4.

TÌM HIỂU LINH KIỆN

1.17 Arduino
Arduino là một board mạch vi xử lý được sinh ra ở thị trấn Ivrea, Italia. Được

giới thiệu lần đầu vào năm 2005, Arduino được nghiên cứu nhằm xây dựng các ứng
dụng tương tác một cách hiệu quả và dễ dàng phổ biến. Phần cứng của Arduino bao
gồm một board mạch mã nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel
8bit hoặc ARM Atmel 32-bit. Những Model Arduino hiện tại được trang bị gồm 1
cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào Analog, 14 chân I/O Digital tương thích với
nhiều board mở rộng khác nhau. Arduino sử dụng ngôn ngữ lập trình giống C/C++
nên có thể được tiếp nhận dễ dàng đối với những người có kiến thức cơ bản về lập
trình. Ngoài ra, đối với Arduino, các thiết bị ngoại vi trên board mạch đều đã được
chuẩn hóa nên không cần biết nhiều về điện tử chúng ta cũng có thể lập trình được
những ứng dụng thú vị.
Arduino là một platform đã được chuẩn hóa nên có rất nhiều các board mạch mở
rộng (shield) để cắm chồng lên board mạch Arduino. Arduino được chọn làm vi
điều khiển chính trong đề tài đồ án vì nó được viết trên nền tảng mã nguồn mở, dễ
dàng thay đổi, phát triển cho phù hợp với từng yêu cầu cụ thể và có một cộng đồng
người dùng rất lớn, có khả năng hỗ trợ lẫn nhau. So với lập trình lập trình trực tiếp
với vi điều khiển, lập trình với Arduino đơn giản hơn nhiều vì bạn chỉ phải giao tiếp
với phần cứng thông qua các thư viện. Trên website chính thức và các diễn đàn
công nghệ hiện nay, có khá nhiều các library viết sẵn để điều khiển các thiết bị
ngoại vi: LCD, sensor, motor… nên công việc chúng ta cần làm chỉ là kết hợp
chúng với nhau để tạo ứng dụng cho riêng mình.
Khi làm việc với Arduino board, một số thuật ngữ sau cần được lưu ý:
-

Bộ nhớ Flash: Bộ nhớ có thể ghi được, dữ liệu không bị mất ngay cả khi tắt
điện. Ta có thể hình dung bộ nhớ này như ổ cứng để chứa dữ liệu trên board.
Chương trình được viết cho Arduino sẽ được lưu ở đây. Kích thước của vùng
nhớ này thông thường dựa vào vi điều khiển được sử dụng.

Chăm sóc vườn rau tự động
ứng dụng công nghệ IoT

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 18/71

-

RAM: Tương tự như RAM của máy tính, RAM trên board mạch Arduino sẽ

-

bị mất dữ liệu khi ngắt điện nhưng bù lại tốc độ đọc ghi xoá rất nhanh.
EEPROM: Tương tự như Flash Memory nhưng có chu kì ghi/xoá cao hơn khoảng 100.000 lần và có kích thước rất nhỏ. Để đọc/ghi dữ liệu ta có thể
dùng thư viện EEPROM của Arduino.

1.1.7 Arduino Uno R3
Arduino Uno R3 là dòng sản phẩm thông dụng nhất trong họ Arduino. Arduino
Uno R3 được xây dựng với vi điều khiển trung tâm là chip ATMega328 phù hợp với
hầu hết các ứng dụng điện tử hiện nay và được hỗ trợ toàn bộ thư viện lập trình của
Arduino.

Hình 4-8: Board mạch Arduino Uno [1]

Arduino Uno R3 có những thông số kỹ thuật cơ bản như sau:
Bảng 4-1: Thông số kỹ thuật của board Arduino Uno R3

Vi điều khiển
Điện áp hoạt động
Chăm sóc vườn rau tự động
ứng dụng công nghệ IoT

ATMega328
5V DC


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 19/71

Xung clock
Dòng tiêu thụ
Số chân Analog
Số chân Digital
Bộ nhớ Flash
SRAM
EEPROM

16 Mhz
30 mA
6
14
32KB
2KB
1KB

1.1.8 Arduino Mega2560
Arduino Mega2560 là board mạch Arduino được xây dựng với vi điều khiển
trung tâm là chip ATMega2560. Với số lượng chân nhiều hơn và cấu hình được
nâng cấp mạnh mẽ hơn, Arduino Mega2560 thích hợp với những ứng dụng yêu cầu
cao hơn và cũng được hỗ trợ toàn bộ các thư viện lập trình của Arduino như board
mạch Arduino Uno R3.

Hình 4-9: Board Arduino Mega2560 [1]

Arduino Mega2560 có thông số kỹ thuật cơ bản như sau:
Bảng 4-2: Thông số kỹ thuật của board Arduino Mega2560

Vi điều khiển
Điện áp hoạt động
Xung clock
Số chân Analog
Số chân Digital
Bộ nhớ Flash
SRAM
Chăm sóc vườn rau tự động
ứng dụng công nghệ IoT

ATMega2560
5V DC
16 Mhz
16
54
256 KB
8 KB


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 20/71

EEPROM

4 KB

1.18 ESP8266
1.1.9 Giới thiệu chung
ESP8266 là dòng chip tích hợp wifi 2.4 Ghz có thể lập trình được. Là một vi xử lý
được thiết kế bởi Espressif System, đặc điểm nổi bật của ESP8266 làcó thể kết nối
với mạng wifi một cách nhanh chóng, dễ dàng. Đây là một board mạch rất hữu dụng
để mọi người có thể tiếp cận với Internet of Things. Được phát hành lần đầu tiên
vào tháng 8 năm 2014, ESP8266 có một cộng đồng các nhà phát triển trên thế giới
rất lớn. ESP8266 cung cấp mã nguồn mở giúp người dùng có thể dễ dàng tiếp cận
và xây dựng ứng dụng.

Hình 4-10: ESP8266 [6]

1.1.10 Thông số kỹ thuật
ESP8266 là một chip tích hợp cao và có thông số phần cứng khá ấn tượng so với giá
cả của nó trên thị trường. Các thông số cụ thể như sau:
-

Có hỗ trợ Flash ngoài
64 Kb RAM thực thi lệnh
96 Kb RAM dữ liệu
64 Kb boot ROM
Hỗ trợ WPA/WPA2, Open Netwwork
Chuẩn IEEE 802.11 b/g/n , Wifi 2.4 Ghz
Tích hợp sẵn giao thức TCP/IP
Hỗ trợ kết nối nhiều loại angten
Hỗ trợ nhiều giao thức khác nhau: UART, SPI, I2C, PWM...
Dải nhiệt rộng: -40 oC ~125oC

Chăm sóc vườn rau tự động
ứng dụng công nghệ IoT


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 21/71

Hình 4-11: Sơ đồ chân ESP8266 [6]

1.19 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm SHT10
Để thu thập nhiệt độ, độ ẩm không khí tại vườn cây, ta sử dụng cảm biến nhiệt độ,
độ ẩm SHT10. Đây là cảm biến có giá thành rẻ, dải đo rộng, độ chính xác cao cùng
khả năng hoạt động liên tục trong thời gian dài. Ngoài ra, cảm biến được thiết kế có
lớp vỏ chống thấm nước nên phù hợp với những ứng dụng trong nông nghiệp đòi
hỏi phải đặt cảm biến ngoài trời.
1.1.11 Giới thiệu chung
SHT10 là cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm. Đây là dòng cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm
của Sensirion. Cảm biến này được tích hợp các bộ cảm biến và bộ xử lý cung cấp
đầu ra kỹ thuật số được hiệu chỉnh đầy đủ. Cảm biến điện dung duy nhất được sử
dụng để đo độ ẩm tương đối, trong khi nhiệt độ được đo bằng cảm biến band-gap.
Cảm biến SHT10 được áp dụng dựa trên công nghệ CMOS đem lại độ chính xác
cao và ổn định lâu dài. Hai cảm biến được kết nối với bộ chuyển đổi ADC 14 bit,
điều này dẫn đến SHT10 cho chất lượng tín hiệu vượt trội, thời gian đáp ứng nhanh
và không bị ảnh hưởng bởi nhiễu bên ngoài. SHT10 giao tiếp với vi điều khiển
thông qua giao thức truyền SHT1x.
Chăm sóc vườn rau tự động
ứng dụng công nghệ IoT


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 22/71

Hình 4-12: Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm SHT10 [6]

Chức năng các chân của cảm biến:
-

Màu đỏ: Nối nguồn 3 - 5 VDC.
Màu đen: GND.
Vàng: Clock.
Xanh dương: Data.

1.1.12 Thông số kỹ thuật
SHT10 có các thông số kỹ thuật cơ bản như sau:
Bảng 4-3: Thông số kỹ thuật của SHT10

Nguồn

2.4 – 5.5V DC

Dòng sử dụng

2.5 mA

Khoảng nhiệt độ đo

-40-120 oC với sai số 0.5%

Khoảng độ ẩm đo

0-100% RH với sai số 4.5%

Kích thước

Đường kính: 14mm; dài 50mm

1.1.13 Nguyên lý hoạt động
Quá trình gửi dữ liệu xuống SHT1x gồm 5 bước:
-

Bước 1: Chân DATA ở mức cao; chân SCK có xung (chuyển trạng thái từ
mức thấp lên mức cao). Sau đó vi điều khiển kéo chân DATA từ mức cao

-

xuống mức thấp.
Bước 2: Chân SCK có xung tiếp theo, vi điều khiển giữ chân DATA ở mức
thấp. Khi đó SHT1x biết là vi điều khiển muốn giao tiếp với nó. Sau đó, chân
DATA được đưa lên mức 1 để chuẩn bị quá trình gửi lệnh xuống SHT.

Chăm sóc vườn rau tự động
ứng dụng công nghệ IoT


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 23/71

-

Bước 3, gửi lệnh xuống SHT: Gửi bit 0 bằng cách cho chân DATA xuống

mức 0, sau đó kích xung SCK từ thấp lên cao; gửi bit 1 bằng cách cho chân

-

DATA lên mức 1, sau đó kích xung SCK từ thấp lên cao.
Bước 4: Vi điều khiển gửi một lệnh gồm 8 bit xuống SHT1x với 3 bit đầu là

-

bit 0, 5 bit sau là các bit xác định yêu cầu của vi điều khiển với SHT1x.
Bước 5, kiểm tra lỗi: Sau khi gửi lệnh xuống SHT1x thì bắt đầu tiến hành
kiểm tra lỗi, nếu không có lỗi thì bắt đầu quá trình truyền tín hiệu.

Hình 4-13: Quá trình giao tiếp giữa SHT10 với vi điều khiển [1]

Bảng 4-4: Bit xác định yêu cầu của vi điều khiển với SHT10 [1]

4.1 Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750
BH1750 được dùng để đo cường độ ánh sáng tại vườn rau để giám sát tình hình
chiếu sáng tại vườn. Từ những thông số này, người dùng có thể quyết định điều
chỉnh ánh sáng để thích hợp với điều kiện sinh trưởng của cây trồng.
4.1.1 Giới thiệu chung
BH1750 là cảm biến kỹ thuật số gồm một IC điện tử cảm biến ánh sáng sử dụng
giao tiếp I2C. Cảm biến tích hợp bộ chuyển đổi ADC 16 bit trong chip và cho phép
xuất ra dữ liệu trực tiếp theo dạng số và không cần phải tính toán gì thêm. BH1750
Chăm sóc vườn rau tự động
ứng dụng công nghệ IoT


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 24/71

sử dụng đơn giản, chính xác hơn nhiều lần so với việc dùng cảm biến quang trở để
đo cường độ ánh sáng. Với cảm biến BH1750, dữ liệu dược xuất ra trực tiếp với
đơn vị LUX thông qua chuẩn giao tiếp I2C.

Hình 4-14 : Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750 [6]

4.1.2 Thông số kỹ thuật
BH1750 có các thông số kỹ thuật như sau:
-

Chuẩn kết nối I2C.
Có độ phân giải cao (1-65535lux).
Sự biến đổi về ánh sáng thấp (~20%), ít bị ảnh hưởng bởi ánh sáng hồng

-

ngoại, tiêu hao nguồn ít.
Khả năng chống nhiễu tốt ở tần số 50-60Hz.
Nguồn cung cấp từ 3.3-5V DC.
Kích thước: 21*16*3.3 mm

Một số ví dụ về độ rọi của ánh sáng:
-

Buổi tối: 0.001 – 0.02 lux.
Ánh trăng: 0.02 – 0.3 lux.
Trời nhiều mây trong nhà: 5 -50 lux.
Nhiều mây ngoài trời: 50 – 500 lux.

Trời nắng trong nhà: 100 – 1000 lux.
Ánh sáng để đọc sách: 50 -60 lux.

1.1.14 Nguyên lý hoạt động
BH1750 hoạt động theo chuẩn truyền I2C, nó sử dụng hai đường truyền tín hiệu
gồm một đường xung nhịp đồng hồ (SCL) do thiết bị chủ (Master) phát đi và một
đường truyền dữ liệu (SDA) theo 2 hướng. Chân SCL là chân Clock, có tác dụng
Chăm sóc vườn rau tự động
ứng dụng công nghệ IoT


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 25/71

đồng bộ hóa việc truyền dữ liệu giữa các thiết bị do Master tạo ra. Chân SDA là
chân truyền dữ liệu (DATA). Hai chân này luôn hoạt động ở chế độ mở, vì vậy để
sử dụng được, ta cần nối nguồn với điện trở kéo với bus I2C.
BH1750 có thể cùng được kết nối vào một bus I2C cùng với nhiều thiết bị khác
mà không xảy ra chuyện nhầm lẫn giữa các thiết bị vì mỗi thiết bị khi kết nối được
định danh bởi một địa chỉ riêng biệt với quan hệ chủ/tớ tồn tại trong suốt thời gian
kết nối. Điểm mạnh của giao thức I2C chính là hiệu suất và sự đơn giản. Chỉ với
một vi điều khiển trung tâm, ta có thể điều khiển cả một mạng lưới các thiết bị mà
chỉ cần sử dụng hai lối ra.

Hình 4-15: Giao thức truyền/ nhận dữ liệu theo chuẩn I2C [1]

1.20 Cảm biến độ ẩm đất
Cảm biến độ ẩm đất được dùng để đo độ ẩm trực tiếp tại vườn cây. Thông qua
độ ẩm thu được, người dùng có thể giám sát, điều chỉnh việc tưới vườn cây để đảm
bảo độ ẩm cần thiết phù hợp với nhu cầu sinh trưởng của cây. Độ nhạy của cảm

biến độ ẩm đất có thể được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh biến trở màu xanh trên
board mạch. Phần đầu dò của cảm biến được cắm trực tiếp vào đất để đo giá trị.

Chăm sóc vườn rau tự động
ứng dụng công nghệ IoT