Thiết kế và thi công mô hình thủy canh thông minh

ĐẠI HỌC LẠC HỒNG
KHOA CƠ ĐIỆN ĐIỆN TỬ
---

BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

Đề tài:

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH THỦY
CANH THÔNG MINH
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện - Điện tử

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. LÊ PHƯƠNG TRƯỜNG

Đồng Nai, 11/2019


LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian học tập và rèn luyện tại Trường Đại học Lạc Hồng bằng sự tôn
trọng và biết ơn, chúng em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trường Đại học Lạc
Hồng, quý thầy cô khoa Cơ Điện - Điện Tử đã truyền dạy tận tình cho chúng em những
kiến thức quý báu trong những năm học vừa qua.
Đặc biệt chúng em xin giành lời cảm ơn chân thành đến thầy Lê Phương Trường
đã tận tình truyền đạt kiến thức và chia sẽ kinh nghiệm cũng như hướng dẫn và đồng
hành cùng chúng em trong suốt quá trình học cũng như hoàn thành đồ án này.
Chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè, những người đã luôn
quan tâm và giúp đỡ để chúng em hoàn thành đồ án một cách tốt nhất.
Tuy nhiên do sự hạn chế của bản thân chúng em, đề tài nghiên cứu khoa học
không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô giáo
và mọi người để đề tài nghiên cứu của chúng em được hoàn thiện hơn.

Đồng Nai, ngày 15 tháng 11 năm 2019
Sinh viên thực hiện
Lê Đức Hoàng
Đào Trung Hiếu
Nguyễn Bá Huy Hoàng

Trang 2


LỜI CAM ĐOAN
Với đề tài “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH THỦY CANH THÔNG
MINH” với mong muốn là tìm ra các giải pháp tối ưu để nâng cao năng suất cây trồng
và giải phóng sức lao động, đồng thời áp dụng những kiến thức đã học vào thực tế giúp
cải thiện năng suất, nâng cao chất lượng nông nghiệp.
Chúng tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu là của tôi, các số liệu, kết quả
nêu ra trong đồ án tốt nghiệp là trung thực và chính xác.
Chúng tôi xin cam đoan mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện đồ án tốt nghiệp này
đã được xin phép, tất cả các thông tin trích dẫn trong luận văn đều được ghi rõ nguồn
gốc.
Chúng tôi cam đoan công trình nghiên cứu tuyệt đối không có sự gian lận, sao
chép dữ liệu từ người khác và sẵn sàng chịu mọi trách nhiệm nếu như công trình nghiên
cứu của chúng tôi bị phát hiện gian lận.

Đồng Nai, ngày 15 tháng 11 năm 2019
Nhóm thực hiện đề tài

Lê Đức Hoàng

Nguyễn Bá Huy Hoàng

Trang 3

Đào Trung Hiếu


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................2
LỜI CAM ĐOAN ..........................................................................................................3
MỤC LỤC......................................................................................................................4
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...........................................................................................7
DANH MỤC HÌNH ẢNH .............................................................................................8
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................10
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN .........................................................................................11
1.1 Đặt vấn đề ..........................................................................................................11
1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước........................................................11
1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới .............................................................11
1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước ...............................................................12
1.3 Mục đích và phạm vi nghiên cứu ......................................................................13
1.4 Đối tượng nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu ..........................................14
1.5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài ..............................................14
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................15
2.1 Kỹ thuật trồng rau thủy canh .............................................................................15
2.1.1 Giới thiệu ....................................................................................................15
2.1.2 Giá thể trồng cây ........................................................................................16
2.1.3 Chất dinh dưỡng cần thiết cho cây trồng....................................................17
2.1.4 Yếu tố môi trường ......................................................................................18
2.2 Các hệ thống canh tác thủy canh cơ bản............................................................21
2.3 Internet of Things ..............................................................................................24

2.3.1 IoT trong nông nghiệp ................................................................................24
Trang 4


2.3.2 Hệ thống sever và ứng dụng Blynk ............................................................25
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ....................................................................26
3.1 Hệ thống thủy canh ............................................................................................26
3.1.1 Kích thước tổng quan .................................................................................27
3.1.2 Vật liệu .......................................................................................................27
3.1.3 Thi công mô hình .......................................................................................28
3.2 Hệ thống điện .....................................................................................................29
3.2.1 Thiết kế hệ thống ........................................................................................29
3.2.2 Khối truyền dữ liệu và tín hiệu ...................................................................30
3.2.3 Khối xử lý và điều khiển trung tâm ............................................................31
3.2.4 Khối cảm biến ............................................................................................36
3.2.5 Khối thiết bị chấp hành ..............................................................................42
3.2.6 Khối nguồn động lực ..................................................................................46
3.2.7 Khối nguồn điều khiển ...............................................................................46
3.3 Giải thuật lập trình .............................................................................................47
3.3.1 Giải thuật kết nối truyền dữ liệu .................................................................47
3.3.2 Giải thuật điều khiển máy bơm ..................................................................48
3.3.3 Giải thuật điều khiển hệ thống chiếu sáng .................................................48
3.3.4 Giải thuật điều khiển hệ thống phun sương................................................49
3.3.5 Giải thuật điều khiển hệ thống van điện độ pH ..........................................49
3.3.6 Giải thuật điều khiển hệ thống van điện TDS ............................................50
3.4 Thiết kế giao diện trên ứng dụng Blynk ............................................................51
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ ...............................................................................................55
4.1 Trồng rau trên mô hình thủy canh .....................................................................55
4.2 Đánh giá về phần điện .......................................................................................56

Trang 5


4.3 Đánh giá về mô hình thủy canh .........................................................................57
4.4 Lợi ích về kinh tế ...............................................................................................57
4.5 Kết quả trên ứng dụng Blynk.............................................................................57
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN ............................................................................................58
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................60
PHỤ LỤC ........................................................................................................................i

Trang 6


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2. 1 So sánh thủy canh và thổ canh [2] .................................................... 16
Bảng 2. 2 Chất dinh dưỡng cần thiết cho cây trồng [3] .................................... 17

Bảng 3. 1 Vật liệu hệ thống thủy canh .............................................................. 28
Bảng 3. 2 Thông số kỹ thuật Module NodeMCU ESP8266 [7] ....................... 31
Bảng 3. 3 Thông số kỹ thuật Arduino Mega 2560 [8] ...................................... 32
Bảng 3. 4 Các cổng Serial trên board Arduino Mega 2560 [8] ........................ 33
Bảng 3. 5 Thông số kỹ thuật Module RTC DS1307 [9] ................................... 35
Bảng 3. 6 Thông số kỹ thuật Module L298N [10] ............................................ 35
Bảng 3. 7 Thông số kỹ thuật của module TDS Meter [11] ............................... 36
Bảng 3. 8 Bảng thông số kỹ thuật của module cảm biến độ pH [12] ............... 37
Bảng 3. 9 Sơ đồ chân của module DFRobot pH [12] ....................................... 38
Bảng 3. 10 Bảng quy đổi điện áp đầu ra với giá trị pH tương ứng [12] ........... 38
Bảng 3. 11 Thông số kỹ thuật của cảm biến DS18B20 [13] ............................. 39
Bảng 3. 12 Thông số kỹ thuật module cảm biến DHT22 [14] .......................... 40
Bảng 3. 13 Thông số kỹ thuật cảm biến quang trở CDS [15] ........................... 40

Bảng 3. 14 Thông số kỹ thuật cảm biến XKC-Y25-V [16] .............................. 41
Bảng 3. 15 Thông số kỹ thuật............................................................................ 42
Bảng 3. 16 Bảng thông số kỹ thuật của Module 6 relay 5V ............................. 43
Bảng 3. 17 Bảng thông số kỹ thuật máy bơm DP-521...................................... 44
Bảng 3. 18 Thông số kỹ thuật AP3100 ............................................................. 45
Bảng 3. 19 Thông số kỹ thuật của Thanh led 5WA1RD-500 ........................... 46

Bảng 4. 1 Một số loại rau đã trồng được ........................................................... 56

Trang 7


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1 Một số sản phẩm trên thế giới ........................................................... 12
Hình 1. 2 Một số hệ thống thủy canh trong nhà................................................ 12
Hình 1. 3 Một số hệ thống thủy canh ngoài trời ............................................... 13
Hình 2. 1 Cây được trồng trong nước .........................................................................15
Hình 2. 2 Bút đo nồng độ dinh dưỡng .........................................................................17
Hình 2. 3 Dung dịch thủy canh....................................................................................18
Hình 2. 4 Thang đo pH ................................................................................................20
Hình 2. 5 Bút đo độ pH ...............................................................................................20
Hình 2. 6 Nguyên lý dạng bấc [4] ...............................................................................21
Hình 2. 7 Nguyên lý thủy canh tĩnh[4]........................................................................22
Hình 2. 8 Nguyên lý ngập rút định kỳ[4] ....................................................................22
Hình 2. 9 Nguyên lý màng dinh dưỡng[4] ..................................................................23
Hình 2. 10 Nguyên lý khí canh[4] ...............................................................................23
Hình 2. 11 Internet kết nối vạn vật ..............................................................................24
Hình 2. 12 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống với Blynk .................................25

Hình 3. 1 Mô hình thủy canh 3D trên Solidworks ......................................................26

Hình 3. 2 Sơ đồ khối tổng quan hệ thống điện ............................................................29
Hình 3. 3 Module Wi-Fi NodeMCU ...........................................................................31
Hình 3. 4 Board Arduino Mega 2560 ..........................................................................32
Hình 3. 5 Giao diện phần mềm lập trình IDE .............................................................33
Hình 3. 6 Module RTC DS1307 ..................................................................................34
Hình 3. 7 Module L298N ............................................................................................35
Hình 3. 8 Module đo TDS ...........................................................................................36
Hình 3. 9 Cảm biến pH hãng DFRobot .......................................................................37
Hình 3. 10 Cảm biến DS18B20 ...................................................................................39
Hình 3. 11 Module cảm biến DHT22 ..........................................................................39
Hình 3. 12 Cảm biến quang trở CDS ..........................................................................40
Trang 8


Hình 3. 13 Cảm biến XKC-Y25-V..............................................................................41
Hình 3. 14 Phao điện từ ...............................................................................................42
Hình 3. 15 Module 6 relay...........................................................................................43
Hình 3. 16 Van nước điện từ 10mm 12VDC .............................................................43
Hình 3. 17 Hộp đựng dung dịch cân bằng pH và nồng độ dinh dưỡng ......................44
Hình 3. 18 Máy bơm phun sương................................................................................44
Hình 3. 19 Máy bơm Lifetech AP3100 .......................................................................45
Hình 3. 20 Thanh led cho rau – 5WA1RD – 500 ........................................................46
Hình 3. 21 Bộ adapter chuyển đổi nguồn 220VAC sang 12VDC ..............................46
Hình 3. 22 Bộ adapter chuyển đồi nguồn 220VAC sang 5VDC ................................47
Hình 3. 23 Lưu đồ giải thuật kết nối truyền dữ liệu ....................................................47
Hình 3. 24 Lưu đồ giải thuật lập trình máy bơm .........................................................48
Hình 3. 25 Lưu đồ giải thuật lập trình đèn ..................................................................48
Hình 3. 26 Lưu đồ giải thuật hệ thống phun sương ....................................................49
Hình 3. 27 Lưu đồ giải thuật hệ thống van điện pH ....................................................50
Hình 3. 28 Lưu đồ giải thuật hệ thống van điện TDS .................................................50

Hình 3. 29 Tạo dự án mới trên Blynk .........................................................................51
Hình 3. 30 Chọn thiết bị kết nối với trong mạch điện .................................................52
Hình 3. 31 Chọn giao thức kết nối ..............................................................................52
Hình 3. 32 Khởi tạo các màn hình hiển thị thông số ...................................................53
Hình 3. 33 Tùy chọn chân kết nối và thời gian làm mới thông số ..............................53
Hình 3. 34 Giao diện sau khi tạo xong ........................................................................54
Hình 4. 1 Biểu đồ nhiệt độ, độ ẩm không khí và nhiệt độ nước trong 3 ngày ............55
Hình 4. 2 Mô hình trong thực tế ..................................................................................55
Hình 4. 3 Tủ điện sau khi hoàn thành .........................................................................56
Hình 4. 4 Thông số môi trường báo về ứng dụng Blynk ............................................57

Trang 9


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
DC

Direct Current

AC

Alternating Current

GND

Gemeinsame Normdatei

IoT

Internet of Things

TDS

Total Dissolved Solids USB Universal Serial Bus

UART

Universal Asynchronous Receiver / Transmitter

LED

Light Emitting Diode

I2C

Inter-Integrated

LCD

Liquid Crystal Display

OLED

Organic light-emitting diode

SRAM

Static Random Access Memory

EEPROM

Electrically Erasable Programmable Read Only Memory

PPM

Parts per million

Ca

Cansium

K2O

Potassium Oxide

P2O5

Phosphorus Nitrogen

NH4

Ammonium Nitrogen

Mg

Magnesium

Zn

Zincum

Cu

Cuprum

Trang 10


Chương 1 Tổng quan

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề
Trong thời đại ngày nay, với sự phát triển như vũ bão của khoa học kỹ thuật và
đặc biệt là công nghệ thông tin. Việc thiết kế, chế tạo ra các hệ thống có khả năng tự
vận hành và có thể được điều khiển, giám sát từ xa đang dần trở thành xu hướng. Các
hệ thống này đã chứng minh được sự hữu ích thông qua rất nhiều các ứng dụng như:
hệ thống nhà thông minh, hệ thống đỗ xe thông minh, …
Từ sự hữu ích mà các hệ thống trên đem lại cho con người, nhóm đã quyết định
nghiên cứu đề tài thiết kế và thi công mô hình thủy canh thông minh nhằm áp dụng
khoa học kỹ thuật vào nông nghiệp. Khi mô hình hoàn thành có thể tự vận hành và
người dùng ở bất cứ nơi nào có mạng internet đều có thể điều khiển, giám sát mô hình
từ xa thông qua các thiết bị cầm tay như điện thoại di động, máy tính bảng, máy tính
cá nhân. Thuận tiện cho việc theo dõi và kiểm soát trạng thái của mô hình cũng như
các thông số môi trường xung quanh mô hình như: nhiệt độ, độ ẩm, mức nước, độ pH,...
Với các vấn đề được đặt ra như trên, hướng nghiên cứu đề tài của nhóm là nghiên
cứu, xây dựng mạch điều khiển và giám sát mô hình thông qua mạng internet (IoT). Từ
hướng nghiên cứu như vậy nên tên đề tài được chọn là: “Thiết kế và thi công hệ thống

thủy canh thông minh”. Và nhóm chúng em đã làm một mô hình cụ thể đó là mô hình
trồng rau thủy canh trong nhà.

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Kỹ thuật trồng cây thủy canh (Hydroponics) đã được nghiên cứu từ thế kỷ XVII
cho đến nay [1]. Tiếp nối kỹ thuật trồng rau thủy canh, các công ty lớn trên thế giới đã
sản xuất ra các hệ thống là các sản phẩm trồng rau thủy canh tại gia để cung cấp cho
những gia đình có nhu cầu về rau sạch. Các sản phẩm hiện đại hiện nay đã có mặt trên
thị trường như: Herbert đến từ công ty Ponix Systems (Mỹ), Click & Grow Smart Herb
Garden, Calla – Smart Indoor Garden, GrowChef, Nutri Tower, Grass Lamp, …

Trang 11


Chương 1 Tổng quan

Hình 1. 1 Một số sản phẩm trên thế giới

Các sản phẩm trên thế giới có thiết kế đẹp mắt nhưng hiện tại chỉ truyền được
dữ liệu không dây về cho người dùng để người dùng kịp thời bổ sung các chất dinh
dưỡng, bật tắt máy bơm thông qua ứng dụng chứ chưa tự động hóa hoàn toàn khâu đảm
bảo các yếu tố cần thiết cho cây trồng.
1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
Tại Việt Nam, một số cá nhân và tổ chức đã cập nhật kịp thời kỹ thuật trồng cây
thủy canh, một xu hướng mới trong phát triển nông nghiệp của thế giới. Họ đã bắt đầu
nhập và tự sản xuất được một số mô hình thủy canh cho hộ gia đình để cung cấp cho
số lượng lớn người dân tại các khu đô thị.

Hình 1. 2 Một số hệ thống thủy canh trong nhà

Trang 12


Chương 1 Tổng quan

Hình 1. 3 Một số hệ thống thủy canh ngoài trời

Các hệ thống tại Việt Nam hầu như còn phụ thuộc vào sự chăm sóc thủ công
của con người. Các yếu tố nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ dinh dưỡng trong nước hay độ pH
của nước vẫn được đo bằng tay và người ta điều chỉnh các yếu tố trên một cách thủ
công. Tốn khá nhiều thời gian để chăm sóc cho cây trồng.

1.3 Mục đích và phạm vi nghiên cứu
 Mục đích nghiên cứu:
- Thiết kế hệ thống trồng rau thủy canh trong nhà.
- Hệ thống tự vận hành và điều chỉnh độ pH, TDS và ánh sáng, mực nước.
- Thực hiện giao tiếp mạch điện tử với mạng internet.
- Điều khiển các thiết bị thông qua internet.
- Giám sát hoạt động của mô hình qua internet.
- Theo dõi các thông số nhiệt độ, độ ẩm, độ pH, nồng độ chất dinh dưỡng TDS,
ánh sáng thông qua internet.
- Thông báo cho người dùng để kịp thời khắc phục sự cố.
 Phạm vi nghiên cứu:
- Nghiên cứu tổng quan về các sản phẩm và hệ thống trồng rau thủy canh

tại Việt Nam và trên thế giới.
- Nghiên cứu tổng quát về kỹ thuật thủy canh.
- Thiết kế và thi công hệ thống điện, hệ thống cơ phù hợp cho mô hình để

có thể cải tiến cho phù hợp với yêu cầu: Tự vận hành, giá thành rẻ, năng
suất ổn định.

Trang 13


Chương 1 Tổng quan

1.4 Đối tượng nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu
 Đối tượng nghiên cứu:
- Bo mạch Arduino.
- Bo mạch kết nối wifi.
- Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm.
- Cảm biến nhiệt độ nước.
- Cảm biến ánh sáng.
- Module cảm biến độ pH.
- Module cảm biến nồng độ dinh dưỡng trong nước.
 Phương pháp nghiên cứu:
- Tìm hiểu tổng quan về IoT.
- Xây dựng lưu đồ thuật toán và lập trình thuật toán cho Arduino.
- Tìm hiểu cách điều chỉnh các thông số môi trường phù hợp với mô hình.
- Tính toán, thiết kế mô hình.
- Tìm hiểu về cách kết nối mạch điện với internet.

1.5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
 Ý nghĩa khoa học: Đề tài có thể là tài liệu hữu ích cho những ai quan tâm đến
lĩnh vực IoT trong nông nghiệp.
 Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần giải quyết vấn đề
điều khiển và giám sát các hệ thống nông nghiệp thông qua internet.

Trang 14


Chương 2 Cơ sở lý thuyết

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Kỹ thuật trồng rau thủy canh
2.1.1 Giới thiệu

Hình 2. 1 Cây được trồng trong nước

Thủy canh là kỹ thuật trồng cây không dùng đất mà trồng trực tiếp vào môi
trường nước hoặc giá thể. Nguyên lý của kỹ thuật này là ngâm rễ cây vào hỗn hợp nước
có pha thêm dinh dưỡng thủy canh (bao gồm các khoáng chất và các chất dinh dưỡng
cần thiết cho cây trồng như Ca, K2O, P2O5, NH4, Mg, Zn, Cu…[2]) vì trồng trong nước
không có sẵn các khoáng chất này như trong đất nên chúng ta phải pha nước cùng dung
dịch dinh dưỡng, đồng thời chúng ta có thể dễ dàng điều chỉnh các yếu tố cần để cho
cây phát triển một cách tốt nhất.
Bí quyết của kỹ thuật này là cung cấp đủ và đúng lúc cho cây trồng các nguyên
tố khoáng cần thiết. Cung cấp đầy đủ chất dinh dưỡng, bảo đảm đủ ánh sáng, CO2 cho
quá trình quang hợp, O2 cho quá trình hô hấp, từ đó cây trồng có thể phát triển khỏe
mạnh theo ý muốn của người trồng.
Cây trồng dựa vào kỹ thuật này hoàn toàn có bộ rễ nằm trong hỗn hợp nước và
chất dinh dưỡng nên theo tính toán, kỹ thuật trồng rau thủy canh có thể giảm 90% chi
phí về nước, 95% phân bón và 99% thuốc bảo vệ thực vật [2].
Trong hệ thống thủy canh, nhiệt độ ở vùng rễ luôn thấp hơn nhiệt độ ngoài trời
khoảng 10% - 15%, con số này có thể tăng thêm nếu ta áp dụng thêm một số cách như:

mua loại ống cách nhiệt chuyên biệt được sản xuất cho việc trồng rau thủy canh hoặc
bọc thêm giấy chống nhiệt cho ống chứa nước. [3]
Trang 15


Chương 2 Cơ sở lý thuyết

Và nhờ vào việc không sử dụng đất nên môi trường có độ sạch cao, cây trồng
sạch bệnh, trong trường hợp có cây bị nhiễm bệnh thì chúng ta có thể di chuyển cây ra
khỏi hệ thống để tránh ảnh hưởng đến các cây khác.
Bảng 2. 1 So sánh thủy canh và thổ canh [2]

PHƯƠNG PHÁP THỦY CANH

PHƯƠNG PHÁP THỔ CANH

Dễ dàng điều chỉnh dinh dưỡng

Khó có thể điều chỉnh dinh dưỡng

Tối ưu hóa diện tích trồng

Không tối ưu diện tích đất trồng

Tốc độ phát triển nhanh hơn 30-50%

Tốc độ phát triển chậm hơn

Ít sâu bệnh

Nhiều sâu bệnh

Không sử dụng thuốc bảo vệ thực vật

Cần sử dụng thuốc bảo vệ thực vật

Trồng được quanh năm

Phụ thuộc vào thời tiết

Năng suất cao

Năng suất thấp

Chăm sóc ít hơn

Chăm sóc thường xuyên

Chi phí cao

Chi phí thấp

Không đa dạng chủng loại

Đa dạng nhiều loại cây trồng

Cần cập nhật kiến thức

Kiến thức cơ bản

2.1.2 Giá thể trồng cây
Giá thể rất là quan trọng đối với việc trồng rau thủy canh và đặc biệt quan trọng
nhất trong giai đoạn hạt giống nảy mầm, giai đoạn khi đem cây con đi trồng trồng các
rọ. Lượng giá thể sử dụng trong mỗi rọ cũng vừa phải, bởi khi dùng quá nhiều giá thể
sẽ làm tốn kém nguyên liệu, công sức xử lý nguyên liệu.
 Đặc điểm:
-

Giá thể dùng trong thủy canh phải đảm bảo có khả năng giữ được độ ẩm và đảm
bảo thoáng khí tốt.

-

Đảm bảo giá thể của rau thủy canh có độ pH trung tính và độ pH phải ổn định
để không làm ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của rau.

-

Các giá thể này phải thấm nước để cây có thể sử dụng dễ dàng.

-

Các giá thể này dễ dàng phân hủy trong môi trường hoặc có thể tái sử dụng lại.

-

Giá thể phải đảm bảo dễ kiếm, nhẹ và có giá thành thấp.

Các giá thể có thể là cát, trấu, vỏ sơ dừa, than bùn, đất tổ ong, đất sét nung, mút xốp,…
Trang 16

Chương 2 Cơ sở lý thuyết

2.1.3 Chất dinh dưỡng cần thiết cho cây trồng
Bảng 2. 2 Chất dinh dưỡng cần thiết cho cây trồng [3]

Các nguyên tố đa

Các nguyên tố trung

Các nguyên tố vi

lượng

lượng

lượng

Đạm(N)

Canxi(Ca)

Sắt(Fe),

Lân(P)

Magiê(Mg)

Kẽm(Zn)

Kali(K)

Lưu Huỳnh(S)

Mangan(Mn)
Đồng(Cu)
Bo(B)
Molypđen(Mo)

Trong kỹ thuật canh tác thủy canh, các chất dinh dưỡng cần thiết cho cây trồng
đã được tổng hợp vào dung dịch thủy canh. Chúng ta có thể dễ dàng hòa vào nguồn
nước cung cấp cho cây trồng theo tỷ lệ mong muốn để cây trồng có thể phát triển một
cách tốt nhất trong từng giai đoạn phát triển của cây.
Ta có thể dùng thiết bị đo dinh dưỡng để biết được nồng độ dinh dưỡng của
dung dịch thủy canh sau khi pha, kiểm tra chất lượng của nước, đo nồng độ các chất
hòa tan hữu cơ và vô cơ, i-on có chứa trong dung dịch.

Hình 2. 2 Bút đo nồng độ dinh dưỡng

Có rất nhiều các loại dung dịch thủy canh trên thị trường hiện nay như: TCMobi, Bio-Life, Gwall, General Hydoponics Flora Grow, Bloom, Micro Combo Fertilizer set, Fox Farm FX14050 Big Bloom, Grow Big & Tiger Bloom Liquid Fertilizer
Nutrient Trio Hydro-Formula, 3/32-Ounce Bottles, Hydro Umat V…

Trang 17


Chương 2 Cơ sở lý thuyết

Hình 2. 3 Dung dịch thủy canh

2.1.4 Yếu tố môi trường
Các yếu tố môi trường luôn ảnh hưởng rất nhiều đến quá trình sinh trưởng và
phát triển của các loại cây trồng thủy canh từ lúc nảy mầm đến khi thu hoạch. Vì thế
để đảm bảo cây có thể phát triển tốt ta cần lưu ý những thông số sau.
 Nhiệt độ nước
Nhiệt độ nước hay nhiệt độ của dung dịch thủy canh nếu quá cao sẽ gây mất cân
bằng nồng độ axit, bazo và làm thay đổi nồng độ pH trong dung dịch. Từ đó khiến rễ
cây bị khô không thể hút được các chất dinh dưỡng, lá bị héo làm cây không thể quang
hợp và còn có thể gây bệnh cho cây trồng. Ngưỡng nhiệt độ dung dịch thủy canh cho
hầu hết các loại rau cơ bản hiện tại là 18-32°C.[3]
 Nhiệt độ môi trường
Ngoài yếu tố nhiệt độ nước thì nhiệt độ môi trường cũng góp phần quan trọng
không kém vào sự phát triển của cây. Nếu nhiệt độ quá cao lá cây sẽ nhanh bị héo khiến
cây khó có thể hô hấp, quang hợp với môi trường xung quanh. Từ đó việc hấp thu nước
và chất dinh dưỡng của cây cũng bị ảnh hưởng làm cây phát triển bất thường, giảm
năng suất. Các loại cây trồng sẽ có các ngưỡng nhiệt độ khác nhau, thông thường là từ
24-27°C và ngưỡng nhiệt độ này có thể dao động lớn nhất trong khoảng 15-40°C tùy
theo chất lượng hạt giống, khả năng chịu nhiệt của từng loại cây, khí hậu của vùng
trồng.[3]
 Độ Ẩm môi trường
Độ ẩm là lượng hơi nước có trong không khí, nó ảnh hưởng đến từng thời kỳ
phát triển của cây. Từ lúc ươm mầm, hạt giống cần độ ẩm cao để có thể nảy mầm cho
Trang 18


Chương 2 Cơ sở lý thuyết

đến lúc cây phát triển cần độ ẩm vừa phải. Nếu độ ẩm quá cao sự hô hấp, quang hợp
của cây sẽ bị ảnh hưởng, ngoài ra độ ẩm cao còn tạo điều kiện cho các vi khuẩn, vi sinh
vật phát triển gây bệnh cho cây. Ngược lại nếu độ ẩm quá thấp cây sẽ nhanh bị héo do

mất nước. Độ ẩm phù hợp cho cây trồng trong khoảng 50-80% nhưng thông thường thì
khoảng 60-65% [3].
 Ánh Sáng
Ánh sáng là một trong những điều kiện không thể thiếu để cây phát triển với hai
quá trình chính là quang hợp và hô hấp. Hai quá trình này thể hiện thông qua thời gian
chiếu sáng mỗi ngày của cây trồng, từ đây ta phân ra được ba nhóm cây chính.
Cây quang kỳ dài (cây dài ngày): Chúng cần từ 12-18 giờ ánh sáng mặt trời mỗi
ngày. Ví dụ như lúa mì, dâu tây, xà lách, cà rốt, táo, khoai tây, rau bina và củ cải, …
Cây quang kỳ ngắn (cây ngắn ngày): Chúng không cần quá nhiều ánh
sáng vẫn có thể ra hoa, kết trái và phát triển mạnh, thông thường là dưới 12 giờ ánh
sáng mặt trời mỗi ngày. Các loại cây này gồm đu đủ, cà tím, bắp, dừa, cao su, đậu nành,
mè, lúa mùa, …
Cây trung gian (cây không có quang kỳ): Là nhóm cây có thể ra hoa và phát
triển trong cả điều kiện ngắn ngày và dài ngày. Một số ví dụ bao gồm hoa hồng, ngô, ớt,
cà chua, dưa, bầu, bí, dưa hấu, đậu phộng, cam quít, …
Thông thường cây trồng thủy canh cần từ 8-10 giờ chiếu sáng để quang hợp,
trong điều kiện trồng cây trong nhà không tiếp xúc với ánh sáng mặt trời thì cần thời
gian chiếu sáng từ 12-16 giờ.
Với cây trồng thủy canh thì theo các nghiên cứu trong và ngoài nước, cây sẽ hấp
thụ hai dải ánh sáng chính gồm dải ánh sáng màu xanh dương (425nm-475nm) và dải
ánh sáng màu đỏ (620nm-730nm) là thích hợp cho việc quang hợp. Vì vậy nếu lựa chọn
đèn led để thay thế cho ánh sáng mặt trời chúng ta nên lựa chọn loại đèn có bước sóng
từ 350-800nm.[1]
 Độ pH
Độ pH cho ta biết mức độ hòa tan các chất dinh dưỡng trong hỗn hợp nước và
do đó cho ta biết khả năng hấp thụ các chất dinh dưỡng của cây.

Trang 19

Chương 2 Cơ sở lý thuyết

Hình 2. 4 Thang đo pH

Các nguyên tố đa lượng và trung lượng (các chất dinh dưỡng cần thiết với số
lượng lớn) khó bị hòa tan nếu độ pH quá cao hoặc quá thấp. Điều này làm cây trồng
khó có thể hấp thụ các chất dinh dưỡng này ảnh hưởng đến sự phát triển của cây. Đối
với các nguyên tố vi lượng (các chất dinh dưỡng cần thiết với số lượng nhỏ) thường dễ
bị ảnh hưởng tại các độ pH nằm ở phần cuối của thang đo pH. Nếu độ pH quá thấp các
nguyên tố vi lượng sẽ bị hòa tan quá mức làm cây không thể hấp thụ hết được gây độc
cho cây, còn khi độ pH quá cao thì các nguyên tố vi lượng này lại khó bị hòa tan khiến
việc hấp thụ các chất dinh dưỡng này của cây bị giảm đi.
Vì vậy, điểm lý tưởng mà cây trồng có thể hấp thụ được nhiều chất dinh dưỡng
nhất là từ 5.5 đến 6.5.
Ta có thể dùng thiết bị đo độ pH cầm tay để đo được chỉ số pH của nước.[2]

Hình 2. 5 Bút đo độ pH

 Sâu bệnh
Các loại bệnh thường gặp ở cây trồng là bệnh vàng lá, bệnh thối nhũn, bệnh cháy
lá, bệnh xoăn lá, bệnh đốm lá do cây không hấp thu đủ chất dinh dưỡng, các yếu tố môi
trường như ánh sáng, nhiệt độ không phù hợp, các loại nấm và vi khuẩn phá hoại.
Các loại sâu phổ biến có thể kể đến như sâu tơ, rệp rau cải, sâu xanh…

Trang 20


Chương 2 Cơ sở lý thuyết

Vì trồng cây thủy canh ta không dùng các loại hóa chất phòng trừ sâu bệnh. Do

đó ta sẽ có các biện pháp phòng tránh sâu bệnh cho cây như cung cấp đầy đủ chất dinh
dưỡng và các yếu tố môi trường cho cây, loại bỏ các cây nhiễm bệnh để tránh lây lan
cho các cây còn lại, sử dụng các loại giấy bẫy côn trùng, lưới chống côn trùng.

2.2 Các hệ thống canh tác thủy canh cơ bản
Hiện nay hầu hết các máng trồng đa số được làm bằng nhựa, nhưng vẫn có thể
làm bằng các vật liệu khác như bê tông, thủy tinh, kim loại và gỗ. Các máng trồng nên
được che nắng để không cho tảo hay rong rêu phát triển trong dung dịch thủy canh.
Dưới đây là cá mô hình thủy canh cơ bản, có thể biến tấu thành các kiểu khác
nhau phù hợp với điều kiện từng nơi.
 Hệ thống dạng bấc (Wick system)
Hệ thống dạng bấc cho đến nay là dạng hệ thống thủy canh đơn giản nhất. Đúng
như tên gọi, nguyên lý của hệ thống này là đặt một đầu của sợi bấc hút sao cho chạm
vào phần rễ cây. Đầu kia của bấc chìm trong dung dịch dinh dưỡng. Sợi bấc này sẽ làm
nhiệm vụ hút nước và dung dịch dinh dưỡng lên cung cấp cho rễ cây (tương tự như sợi
bấc trong đèn dầu, hút dầu lên để duy trì sự cháy). Như vậy cây sẽ có đủ nước và chất
dinh dưỡng để phát triển.

Hình 2. 6 Nguyên lý dạng bấc [4]

 Hệ Thống thủy canh tĩnh (Deep Water Culture)
Hệ thống thường dùng thùng chứa nước và dung dịch thủy canh, phần bệ giữ
các cây thường làm bằng chất dẻo nhẹ như xốp và đặt nổi ngay trên dung dịch dinh
dưỡng, rễ cây ngập trong nước có chứa dung dịch dinh dưỡng. Vì môi trường thiếu khí
oxy nên cần có 1 máy bơm bơm sục khí để cung cấp oxy cho rễ. Hệ thống thủy canh
Trang 21


Chương 2 Cơ sở lý thuyết

dạng này thường dùng phổ biến trong dạy học. Hệ thống ít tốn kém, có thể tận dụng bể
chứa nước hay những bình chứa không rỉ khác.

Hình 2. 7 Nguyên lý thủy canh tĩnh[4]

 Hệ thống ngập và rút định kỳ (Ebb and Flow)
Không giống như hệ thống thủy canh tĩnh ở trên, phần rễ cây luôn chìm trong
nước chỉ thích hợp cho một số ít cây trồng. Hệ thống ngập và rút định kỳ có một máy
bơm điều khiển để có thể bơm dung dịch dinh dưỡng vào khay trồng và rút ra theo chu
kỳ đã được định sẵn. Như vậy rễ cây sẽ có những lúc không ngập trong nước để “thở”
một cách tự nhiên, tránh bị ngập, úng.

Hình 2. 8 Nguyên lý ngập rút định kỳ[4]

 Hệ thống màng dinh dưỡng (Nutrient Film Technique)
Trong hệ thống màng dinh dưỡng (Nutrient Film Technique), dung dịch dinh
dưỡng được bơm liên tục vào các ống thủy canh chuyên dụng và chảy qua rễ của cây,
Trang 22


Chương 2 Cơ sở lý thuyết

sau đó chúng chảy về bồn chứa và tiếp tục được bơm lên như một hệ tuần hoàn khép
kín. Hệ thống này còn có thể gọi là hệ thống thủy canh hồi lưu, nhằm ám chỉ sự hồi lưu
liên tục của dòng nước. Hệ thống này thường sử dụng trong quy mô lớn với mục đích
thương mại.

Hình 2. 9 Nguyên lý màng dinh dưỡng[4]

 Hệ thống khí canh (Aeroponics)

Khí canh là hệ thống thủy canh dạng kỹ thuật cao nhất. Giống như hệ thống
màng dinh dưỡng, chất trồng chủ yếu là không khí. Rễ nằm trong không khí và được
cách lý với môi trường bên ngoài. Dung dịch dinh dưỡng được một máy bơm phun
sương phun lên rể cây để cung cấp chất dinh dưỡng cho cây, việc phun sương thường
được thực hiện mỗi vài phút. Như vậy, cây vừa có đủ thức ăn, vừa có đủ nước uống và
luôn có không khí để thở. Hiện nay khí canh được ứng dụng trong mô hình trồng khoai
tây.

Hình 2. 10 Nguyên lý khí canh[4]
Trang 23


Chương 2 Cơ sở lý thuyết

2.3 Internet of Things
Internet of Things, hay IoT là thuật ngữ ám chỉ việc mà tất cả các thiết bị có thể
kết nối với nhau. Việc kết nối thì có thể thực hiện qua Wi-Fi, mạng viễn thông băng
rộng (3G, 4G), internet…Nhờ vào bộ xử lý giá rẻ và mạng không dây, có thể biến mọi
thứ như các thiết bị có thể là điện thoại thông minh, máy pha cafe, máy giặt, tai nghe,
bóng đèn, và nhiều thiết bị khác thành một phần của IoT. Khi mà mỗi đồ vật được cung
cấp một định danh riêng của nó và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ
liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với
người, hay người với máy tính.
IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử
và Internet. Nó đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau,
với Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện một công việc nào đó.[5]

Hình 2. 11 Internet kết nối vạn vật [6]

2.3.1 IoT trong nông nghiệp

Các nhà cung cấp công nghệ IoT tiếp tục phát triển các nền tảng có thể giao
tiếp, xử lý và cảm nhận dữ liệu môi trường được đo chính xác để giúp cải thiện hiệu
suất trong nông nghiệp. Có một loạt các công nghệ đằng sau các nền tảng IoT bao gồm:
máy bay không người lái dùng để tưới thiêu hoặc phun thuốc, đèn nuôi trồng, thu năng
lượng, máy phát, vi điều khiển, v.v.
Thông thường, ngành nông nghiệp dễ bị rủi ro. Các yếu tố tự nhiên có thể có tác
động bất lợi đến năng suất tổng thể. Nông dân có thể ngăn chặn những tình huống này
với sự giúp đỡ của IoT. Họ có thể nhận được các dữ liệu trong thời gian thực với độ

Trang 24


Chương 2 Cơ sở lý thuyết

chính xác cao bằng cách sử dụng cảm biến nông nghiệp tiên tiến tùy thuộc vào nhu cầu
(khi nào thu hoạch?, khi cần tưới?, v…v…).
Trong thủy canh hệ thống cảm biến không dây sẽ chỉ ra khi nào bạn phải bổ
sung các chất dinh dưỡng hoặc nước. Tất cả các nhiệm vụ này có thể được tự động bởi
các cảm biến thông qua các bộ truyền động không dây, cho phép giảm nỗ lực của con
người đồng thời đảm bảo một sản phẩm an toàn về hương vị và chất lượng.
2.3.2 Hệ thống sever và ứng dụng Blynk
Blynk là một ứng dụng chạy trên nền tảng IOS và Android để điều khiển và
giám sát thiết bị thông qua internet. Blynk không bị ràng buộc với những phần cứng cụ
thể nào. Thay vào đó, nó hỗ trợ rất nhiều phần cứng cho bạn lựa chọn như Arduino,
Raspberry Pi, ESP8266 và nhiều module phần cứng phổ biến khác.
 Những lý do nên sử dụng Blynk:
- Dễ sử dụng: việc cài đặt ứng dụng và đăng ký tài khoản trên điện thoại rất đơn
giản cho cả IOS và Android
- Chức năng phong phú: Blynk hỗ trợ rất nhiều chức năng với giao diện đẹp và
thân thiện, bạn chỉ việc kéo thả đối tượng và sử dụng nó.

- Không phải lập trình ứng dụng: nếu không có kiến thức về lập trình app cho
Android cũng như IOS thì Blynk là một ứng dụng tuyệt vời để giúp bạn khám
phá thế giới IoT.

- Điều khiển, giám sát thiết bị ở bất kì đâu thông qua internet với khả năng đồng
bộ hóa trạng thái và thiết bị.

Hình 2. 12 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống với Blynk [6]

Trang 25