Thiết kế và chế tạo tháp trồng rau thông minh

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THÁP TRỒNG
RAU THÔNG MINH
Người hướng dẫn : TS. NGUYỄN DANH NGỌC
Sinh viên thực hiện : HUỲNH TẤN BẢO
NGUYỄN HỮU THỌ
Số thẻ sinh viên

: 101140174
101140201

Lớp

: 14CDT2

Đà Nẵng, 2019


TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THÁP TRỒNG RAU THÔNG MINH
Sinh viên thực hiện:
1. Huỳnh Tấn Bảo
2. Nguyễn Hữu Thọ

Tóm tắt đề tài:

MSSV: 101140174
MSSV: 101140201

Lớp 14CDT2
Lớp 14CDT2

Tháp trồng rau thông minh là một hệ thống tự động hóa được tạo ra để trợ giúp con
người trong việc làm nông nghiệp. Mô hình sẽ là một vườn rau được thiết kế dưới dạng
tháp hình trụ nhiều tầng, số tầng có thể thay đổi, cho phép lắp đặt ở trong một căn phòng,
giải quyết được bài toán không gian. Mỗi tầng của tháp có một chậu đất lớn được ghép từ
các chậu đất nhỏ hình quạt cho phép người dùng có thể dễ dàng tháo rời các chậu đất. Ngoài
ra tháp có thể quay theo trục đứng giúp người dùng thu hoạch rau thuận tiện. Việc sử dụng
mô hình trồng rau thông qua phần mềm trên máy tính vô cùng đơn giản. Người dùng chỉ
cần nhập thông số chăm sóc cho từng loại cây (thời gian tưới nước, độ ẩm tối thiểu, …) rồi
nạp dữ liệu xuống mô hình, việc còn lại thì hệ thống sẽ từ động chăm sóc. Người dùng cũng
có thể điều khiển hệ thống một cách thủ công bằng cách kéo thả điểm làm việc tới vị trí cây
xác định, hệ thống sẽ di chuyển đầu công tác tới vị trí tương ứng rồi thực hiện các thao tác
như tưới nước hay đo độ ẩm tùy thuộc vào yêu cầu của người sử dụng. Người dùng vẫn có
thể can thiệp đến hệ thống khi muốn điều khiển trực tiếp hoặc cập nhật lại dữ liệu chăm
sóc. Nhược điểm của tháp trồng rau thông minh là khi áp dụng vào mô hình nông nghiệp
nhỏ sẽ tiêu tốn nhiều điện năng. Vấn đề này sẽ được khắc phục trong tương lai.


CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
TT

Họ tên sinh viên

Số thẻ SV

Lớp

Khoa

Ngành

1

Huỳnh Tấn Bảo

101140174

14CDT2

Cơ khí

Cơ điện tử

2

Nguyễn Hữu Thọ

101140201

14CDT2

Cơ khí

Cơ điện tử

1. Tên đề tài: “THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THÁP TRỒNG RAU THÔNG MINH”
2. Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện
3. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
4. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
a. Phần chung:
TT

Họ tên sinh viên

1

Huỳnh Tấn Bảo

Nội dung
-

lựa chọn hệ thống phù hợp để thiết kế.

-

2

Tìm hiểu một số loại hệ thống trồng rau ngoài thực tế và

Nguyễn Hữu Thọ
-

Đưa ra nguyên lí, lựa chọn các phương án phù hợp để
thiết kế.
Thi công hệ thống thực tế.

b. Phần riêng
TT

Họ tên sinh viên

Nội dung

1

Huỳnh Tấn Bảo

Tìm hiểu code điều khiển

2

Nguyễn Hữu Thọ

Hoàn thành thuyết minh

5. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):
a. Phần chung:
TT

Họ tên sinh viên

Nội dung


1

Huỳnh Tấn Bảo

Bản vẽ mạch điện

1A0

2

Nguyễn Hữu Thọ

Bản vẽ sơ đồ khối

1A0

b. Phần riêng:
TT

Họ tên sinh viên

1

Huỳnh Tấn Bảo

2

Nguyễn Hữu Thọ

Nội dung
Bản vẽ tổng thể

1A0

Bản vẽ từng lắp

1A0

Bản vẽ sơ đồ động

1A0

Bản vẽ lưu đồ thuật toán

1A0

6. Họ và tên người hướng dẫn: TS. Nguyễn Danh Ngọc
7. Ngày giao nhiệm vụ đồ án:
8. Ngày hoàn thành đồ án:

01 /02 /2019
01 /06 /2019
Đà Nẵng, ngày

Trưởng Bộ môn Cơ điện tử

tháng

năm 2019

Người hướng dẫn

TS. Nguyễn Danh Ngọc


LỜI NÓI ĐẦU
Để hoàn thành đồ án này, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo đã
tận tình hướng dẫn, giảng dạy em trong suốt qua trình học tập và rèn luyện tại trường Đại
học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng. Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy giáo hướng
dẫn TS Nguyễn Danh Ngọc người đã trực tiếp hướng dẫn tận tình, chu đáo để em hoàn
thành tốt đồ án tốt nghiệp này.
Mặc dù đã có rất nhiều cố gắng để thực hiện đồ án tốt nghiệp một cách hoàn chỉnh
nhất nhưng do thời gian đầu làm quen với thực tế cũng như hạn chế về kiến thức và kinh
nghiệm làm việc nên không thể tránh khỏi những sai sót nhất định.Em rất mong được sự
giúp đỡ và chỉ dẫn của quý các Thầy giáo để đồ án chúng em có thể được hoàn thiện hơn
nữa. Em xin chân thành cảm ơn!
Đà Nẵng, ngày 01 tháng 06 năm 2019
Sinh viên thực hiện đồ án

Huỳnh Tấn Bảo

i

Nguyễn Hữu Thọ


CAM ĐOAN
Kính gửi:

- Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng
- Khoa Cơ khí

Chúng tôi xin cam đoan đồ án tốt nghiệp “Thiết kế và chế tạo tháp trồng rau thông
minh” là công trình nghiên cứu của chúng tôi. Các tài liệu sử chúng tôi sử dụng trong đồ
án đã được nêu rõ trong phần tài liệu tham khảo. Các số liệu, kết quả được tính toán là hoàn
toàn trung thực, nếu sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm và chịu mọi kỷ luật của khoa và
nhà trường.
Sinh viện thực hiện

Huỳnh Tấn Bảo

ii

Nguyễn Hữu Thọ


MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ................................................................................

LỜI NÓI ĐẦU..................................................................................................................i
CAM ĐOAN ................................................................................................................... ii
DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ .......................................................................... v
DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT .......................................................vii
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ...................................................................... 2
1.1.

Giới thiệu về các hệ thống trồng rau sạch thông minh tại nhà ........................ 2

1.2.

Mô hình tháp trồng rau thông minh ................................................................. 4

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ GIA CÔNG CƠ KHÍ ..................................................... 5
2.1.

Ý đồ thiết kế ....................................................................................................... 5

2.2.

Thiết kế............................................................................................................... 5

2.2.1.

Tháp xoay ..................................................................................................... 5

2.2.2.

Cơ cấu cánh tay............................................................................................. 9

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ............................................... 21
3.1.

Sơ đồ khối hệ thống ......................................................................................... 21

3.2.

Linh kiện, thiết bị sử dụng .............................................................................. 22

3.2.1.

Arduino Mega (điều khiển trung tâm) ......................................................... 22

3.2.2.

Cảm biến độ ẩm .......................................................................................... 23

3.2.3.

Động cơ bước.............................................................................................. 25

3.2.5.

Động cơ Servo ............................................................................................ 29

3.2.6.

RTC DS1307 .............................................................................................. 30

3.3.

Sơ đồ mạch nguyên lý ...................................................................................... 32

3.4.

Giao tiếp I2C .................................................................................................... 34

3.5.

Giao diện điều khiển với máy tính .................................................................. 35

3.5.1.

Giới thiệu về Visual Studio ......................................................................... 35

3.5.2.

Giao diện SAGT ......................................................................................... 36

3.6.

Khối hiển thị .................................................................................................... 38

3.6.1.

Chức năng ................................................................................................... 39
iii

3.6.2.
3.7.

Cách điều khiển .......................................................................................... 39

Lưu đồ thuật toán ............................................................................................ 41

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN ............................................................................................ 43
4.1.

Kết quả đạt được ............................................................................................. 44

4.2.

Hướng phát triển đề tài ................................................................................... 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 48
PHỤ LỤC I: CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN THÁP TRỒNG RAU ..................... 49
PHỤ LỤC II: CHƯƠNG TRÌNH GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN .................................. 63

iv


DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ
Bảng 3. 1 Thông số 3 động cơ bước ................................................................................ 26
Hình 1. 1. Hệ thống trồng rau sạch theo công nghệ AKISAI ............................................ 3
Hình 1. 2. Mô hình trồng rau Greenbot ............................................................................ 3
Hình 1. 3. Sơ đồ khối sơ bộ của mô hình.......................................................................... 4
Hình 2. 1. Tháp chứa rau................................................................................................... 6
Hình 2. 2. Mâm xoay ........................................................................................................ 6

Hình 2. 3. Đế tháp rau ....................................................................................................... 7
Hình 2. 4. Bánh răng nhỏ .................................................................................................. 8
Hình 2. 5. Bánh răng lớn ................................................................................................... 8
Hình 2. 6. Phương pháp truyền động cho tháp rau............................................................. 9
Hình 2. 7. Nhôm định hình 20 × 40................................................................................. 10
Hình 2. 8. Con lăn bi....................................................................................................... 10
Hình 2. 9. Mặt trước bàn trượt ........................................................................................ 11
Hình 2. 10. Bàn trượt và nhôm định hình ........................................................................ 11
Hình 2. 11. Bộ dây đai và pulley GT2 ............................................................................. 12
Hình 2. 12. Mặt sau bàn trượt ......................................................................................... 13
Hình 2. 13. Pulley căng đai ............................................................................................. 13
Hình 2. 14. Nhôm định hình 20 × 20 mm ........................................................................ 14
Hình 2. 15. Một phần nhỏ của thanh răng ....................................................................... 15
Hình 2. 16. Thanh răng hoàn chỉnh ................................................................................. 15
Hình 2. 17. Miếng đỡ thanh răng .................................................................................... 16
Hình 2. 18. Cơ cấu bánh răng thanh răng của cánh tay .................................................... 16
Hình 2. 19. Gá đỡ cánh tay ............................................................................................. 17
Hình 2. 20. Đồ gá động cơ servo ..................................................................................... 18
Hình 2. 21. Đồ gá cảm biến đất và vòi tưới nước ............................................................ 18
Hình 2. 22. Đầu công tác ................................................................................................ 18
Hình 2. 23. Cơ cấu cánh tay ............................................................................................ 19
Hình 2. 24. Khung đế ...................................................................................................... 19
Hình 2. 25. Mô hình tổng quát hệ thống trồng rau thông minh ........................................ 20
v


Hình 3. 1. Sơ đồ khối ...................................................................................................... 21
Hình 3. 2 Cấu tạo trên Arduino Mega ............................................................................. 23
Hình 3. 3. Cảm biến độ ẩm ............................................................................................. 23
Hình 3. 4. Sơ đồ nguyên lý cảm biến độ ẩm đất .............................................................. 24

Hình 3. 5. Kết nối cảm biến độ ẩm với Arduino .............................................................. 25
Hình 3. 6. Động cơ bước ................................................................................................. 25
Hình 3. 7. Driver TB6560 ............................................................................................... 26
Hình 3. 8. Module A4988 ............................................................................................... 28
Hình 3. 9. Động cơ servo ................................................................................................ 29
Hình 3. 10. Module thời gian thực DS1307 ..................................................................... 30
Hình 3. 11. Module I2C với LCD ................................................................................... 31
Hình 3. 12. Sơ đồ mạch điều khiển ................................................................................. 33
Hình 3. 13. Sơ đồ nguồn và tín hiệu đầu vào ................................................................... 33
Hình 3. 14. Sơ đồ mạch cho hộp điều khiển .................................................................... 34
Hình 3. 15. Đường truyền I2C và các thiết bị ngoại vi .................................................... 35
Hình 3. 16. Giao diện điều khiển hệ thống ...................................................................... 36
Hình 3. 17. Kết nối với cổng COM ................................................................................. 37
Hình 3. 18. Điều khiển đầu công tác ............................................................................... 37
Hình 3. 19. Khu vực cài đặt mùa vụ ................................................................................ 38
Hình 3. 20. Khu vực cài đặt thời gian tưới nước.............................................................. 38
Hình 3. 21. Bảng điều khiển............................................................................................ 39
Hình 3. 22. Menu hiển thị thời gian ................................................................................ 39
Hình 3. 23. Menu các loại cây của mùa vụ ...................................................................... 40
Hình 3. 24. Menu cài đặt thông số cho từng loại cây ....................................................... 40
Hình 3. 25. Menu thao tác thủ công với hệ thống ............................................................ 40
Hình 3. 26. Lưu đồ thuật toán cho chương trình chính .................................................... 42
Hình 3. 27. Lưu đồ thuật toán điều khiển ........................................................................ 43
Hình 4. 1. Toàn bộ mô hình ............................................................................................ 45
Hình 4. 2. Đế và khung ................................................................................................... 45
Hình 4. 3. Cơ cấu cánh tay .............................................................................................. 46
Hình 4. 4. Hộp chứa mạch điện ....................................................................................... 46
vi

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

1.

SAGT – Smart and Automatic Garden Tower.

2.
3.

IOT – Internet of Thing.
MQTT - Message Queuing Telemetry Transport.

4.

FTDI - Future Technology Devices International.

5.
6.

IC – Integrated Circuit.
RTC – Real Time Clock

vii


Thiết kế và chế tạo tháp trồng rau thông minh

MỞ ĐẦU

Hiện nay, trên thế giới công nghệ thông tin và điện tử ngày càng phát triển, đời sống

của con người ngày càng được hoàn thiện. Các thiết bị tự động hóa, điều khiển từ xa ngày
càng được tạo ra nhiều và ứng dụng vào cuộc sống hằng ngày của con người. Do đó, nông
nghiệp thông minh không còn là mơ ước của con người và nó đang dần trở thành hiện thực.
Có thể nói, nước ta là một nước đang phát triển và nông nghiệp vẫn là sự lựa chọn hàng
đầu. Sự canh tác nông nghiệp xưa nay ở nước ta vẫn thực hiện một cách hoàn toàn thủ công
làm tốn nhiều sức lực thậm chí là tiền bạc nhưng kết quả vẫn chưa cao.
Với sự phát triển của khoa học – kỹ thuật hiện nay thì ngành nông nghiệp trong
tương lai sẽ có sự thay đổi lớn nhờ áp dụng công nghệ mới vào sản xuất. Nó giúp mọi hoạt
động trở nên tự động hóa hơn, con người ít phải bỏ công sức chăm sóc hơn nhưng vẫn đạt
được thành quả cao trong sản xuất. Chính vì vậy, chúng tôi đã chọn đề tài “Thiết kế và chế
tạo tháp trồng rau thông minh” nhằm mong mọi người có thể tiếp cận và áp dụng khoa học
– kỹ thuật trong nhiều lĩnh vực rộng rãi hơn.
Đề tài nay gồm có 4 chương :
Chương 1: Tổng quan về đề tài
Chương 2: Thiết kế và gia công cơ khí
Chương 3: Điện tử - lập trình
Chương 4: Kết luận

SVTH: Huỳnh Tấn Bảo
Nguyễn Hữu Thọ

GVHD: TS. Nguyễn Danh Ngọc

1


Thiết kế và chế tạo tháp trồng rau thông minh

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1.

Giới thiệu về các hệ thống trồng rau sạch thông minh tại nhà
Trước kia khi khoa học kỹ thuật chưa phát triển, chưa được ứng dụng vào nông

nghiệp, người dân phải giám sát các điều kiện như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm đất của vườn
bằng thủ công như dùng nhiệt kế đã làm mất thời gian, sức lực và kinh. phí của người dân.
Bên cạnh đó, an toàn thực phẩm cũng đang là một trong những vấn đề nhức nhối tại Việt
Nam khi mà báo đài ngày nào cũng lên tiếng về vấn đề vệ sinh an toàn thực phẩm. Nhất là
vấn đề rau sạch. Do đó nhiều người dân tại các đô thị tại Việt Nam đang tự trồng rau sạch
tại nhà.
Cũng chính vì thế mà các giải pháp và hệ thống trồng cây thông minh trong nhà cũng
ngày càng được các nhà thiết kế chú trọng và đầu tư hơn. Giờ đây, trồng rau tự động đang
được mọi người tìm kiếm để giảm bớt công và thời gian chăm sóc nhờ hệ thống trồng thông
minh hoàn toàn tự động theo lập trình sẵn. Ngoài ra còn cung cấp rau sạch, an toàn để bào
vệ sức khỏe cho cả gia đình và giúp thanh lọc không khí.
Xuất phát từ nhu cầu thực tế đó cùng với những kiến thức đã được học tại trường,
nhóm tác giả mong muốn tạo ra một hệ thống tự động áp dụng trong nông nghiệp. Điểm
khác biệt của mô hình này với các cách thức sản xuất nông nghiệp hiện nay là phương thức
chăm bón và tước nước được điều kiển từ xa và hoàn toàn tự động, tránh được sâu bệnh,
nhờ vậy giảm được công sức cho người trồng và cho sản phẩm chất lượng vượt trội.
Hiện nay, theo đà phát triển của khoa học – kỹ thuật, nhiều mô hình và hệ thống
trồng rau sạch thông minh cũng đã được đưa vào sử dụng rộng rãi. Điển hình như hệ thống
nhà máy trồng rau theo công nghệ AKISAI – công nghệ sản xuất rau tự động hóa gần như
hoàn toàn đã được tập đoàn FPT (Việt Nam) và tập đoàn Fujitsu (Nhật Bản) hợp tác giới
thiệu tại Hà Nội sau hơn một năm hai bên bắt tay xây dựng mô hình. Nhà sản xuất sẽ xây
dựng nhà kính trồng rau quả với thiết bị cảm biến để đo chất lượng không khí, nhiệt độ, độ
ẩm và tự động tưới nước khi cần thiết. Mọi dữ liệu đo đạc trong nhà kính được lưu trữ, phân
tích để đưa ra giải pháp tối ưu cho việc chăm sóc cây của người nông dân, giúp tăng năng
suất lao động, giảm chi phí canh tác. Nhờ việc quản lý các dữ liệu điện tử, người nông dân

ngồi ở đâu cũng có thể giám sát, điều chỉnh và thực hiện việc chăm bón cây trồng.

SVTH: Huỳnh Tấn Bảo
Nguyễn Hữu Thọ

GVHD: TS. Nguyễn Danh Ngọc

2


Thiết kế và chế tạo tháp trồng rau thông minh

Hình 1. 1. Hệ thống trồng rau sạch theo công nghệ AKISAI
Tiếp theo cũng là một mô hình trồng rau sạch thông minh cũng khá phổ biến và tiện
lợi, mô hình Greenbot. Greenbot là một giải pháp trồng cây ứng dụng dựa trên nền tảng
công nghệ IoT (Internet of Thing) thông minh và đơn giản, luôn theo dõi và lắng nghe các
điều kiện môi trường cả bên ngoài lẫn bên trong giàn, nếu có bất kỳ thay đổi bất lợi nào sẽ
thông báo trực tiếp tới người dùng qua ứng dụng trên smartphone, đồng thời đưa ra giải
pháp giúp giải quyết các vấn đề về cây trồng, đảm bảo cây luôn phát triển tươi tốt.

Hình 1. 2. Mô hình trồng rau Greenbot
SVTH: Huỳnh Tấn Bảo
Nguyễn Hữu Thọ

GVHD: TS. Nguyễn Danh Ngọc

3


Thiết kế và chế tạo tháp trồng rau thông minh

1.2. Mô hình tháp trồng rau thông minh
Từ những lợi ích và thuận tiện mà các hệ thống trồng rau sạch mang lại cho con
người, chúng tôi quyết định thiết kế và chế tạo một mô hình trồng rau thông minh tại nhà.
Sơ đồ khối sơ bộ của mô hình được biểu diễn như hình 1.3.

Hình 1. 3. Sơ đồ khối sơ bộ của mô hình
Từ hình 1.3 cho ta cái nhìn tổng quát về cách vận hành của mô hình trồng rau thông
minh. Về ý tưởng, mô hình sẽ bao gồm một cơ cấu chứa rau và một cơ cấu chấp hành để
thực hiện các nhiệm vụ kiểm tra độ ẩm và tưới nước. Để kiểm tra độ ẩm, chúng tôi sẽ sử
dụng cảm biến đo độ ẩm đất, cảm biến sẽ gửi tín hiệu về khối điều khiển. Tùy thuộc vào độ
ẩm yêu cầu của từng loại rau, khối điều khiển sẽ ra lệnh cho cơ cấu chấp hành tiến hành
tưới nước hay là không. Ngoài ra, người sử dụng còn có thể điều khiển mô hình một cách
thủ công cũng như thiết lập thời gian cụ thể để hệ thống có thể tự động tưới nước và đo độ
ẩm của rau một cách có lịch trình bằng phần mềm trên máy tính.
Mục đích cuối cùng của mô hình trồng rau thông minh là giúp người trồng rau tiết
kiệm được thời gian và công sức chăm bón. Ngay cả khi không có người ở nhà, hệ thống
vẫn tự động chăm sóc rau theo lịch trình đã được định trước.
Sau khi có ý tưởng cũng như cái nhìn tổng quát về mô hình, tiếp theo chúng tôi sẽ
thiết kế cơ khí hệ thống.

SVTH: Huỳnh Tấn Bảo
Nguyễn Hữu Thọ

GVHD: TS. Nguyễn Danh Ngọc

4


Thiết kế và chế tạo tháp trồng rau thông minh

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ GIA CÔNG CƠ KHÍ

2.1.

Ý đồ thiết kế
Như đã nói, mô hình trồng rau sạch thông minh có thể trồng rau trong nhà, ở trong

phòng hoặc những nơi có diện tích khiêm tốn. Vì vậy, vấn đề đặt ra ở đây là phải giải quyết
được bài toán về không gian.
Để không chiếm nhiều diện tích phòng, chúng tôi quyết định làm cơ cấu trồng rau
theo dạng tháp trụ tròn. Tháp được cấu thành từ nhiều tầng xếp chồng lên nhau, từ đó sẽ
tăng được diện tích trồng trọt mà vẫn không chiếm thêm không gian của căn phòng. Như
vậy sẽ giải quyết được bài toán về không gian.
Tháp sẽ chứa nhiều tầng, mỗi tầng của tháp thực chất là một giàn chứa những ô đất
nhỏ để trồng rau. Để người sử dụng thuận tiện trong việc thu hoạch cũng như bón phân hay
thay đất, tháp sẽ được thiết kế có khả năng xoay tròn quanh trục đứng cố định.
Tiếp theo, hệ thống sẽ có cơ cấu cánh tay để thực hiện việc đo độ ẩm và tưới nước
cho rau. Để thực hiện được điều đó, cơ cấu cánh tay phải có khả năng di chuyển lên xuống
giữa các tầng và di chuyển tới lui để đến được các vị trí trồng rau. Và cuối cùng, ở đầu công
tác của cánh tay sẽ gắn cảm biến đo độ ẩm đất và vòi tưới nước.
Sau khi đã có ý tưởng, chúng tôi sẽ tiến hành chọn phương án truyền động và thiết
kế mô hình.
2.2.

Thiết kế

2.2.1. Tháp xoay
Theo ý đồ thiết kế, ở đây chúng tôi quyết định thiết kế tháp gồm hai tầng, mỗi tầng
sẽ có bốn ô đất để trồng rau như hình 2.1. Khoảng cách giữa hai tầng là 50cm. Trên mỗi

tầng, chứa bốn ô đất hình quạt có chiều cao 10cm được ghép lại với nhau thành một ô đất
lớn có đường kính 80 cm. Ở giữa mỗi ô đất lớn để khoảng không gian có đường kính 28cm
để có thể lắp thêm tầng.
Để tháp có thể quay tròn, chúng tôi chọn mâm xoay. Mâm xoay có cấu tạo gồm hai
phần, một phần sẽ bắt cố định vào khung đế (sẽ được thiết kế sau), phần còn lại gắn với đế
của tháp rau, như vậy tháp rau có thể quay quanh trục đứng cố định. Mâm xoay có hình
dạng như hình 2.2.

SVTH: Huỳnh Tấn Bảo
Nguyễn Hữu Thọ

GVHD: TS. Nguyễn Danh Ngọc

5


Thiết kế và chế tạo tháp trồng rau thông minh

Hình 2. 1. Tháp chứa rau

Hình 2. 2. Mâm xoay

SVTH: Huỳnh Tấn Bảo
Nguyễn Hữu Thọ

GVHD: TS. Nguyễn Danh Ngọc

6

Thiết kế và chế tạo tháp trồng rau thông minh

Để dễ dàng truyền động cho tháp rau quay tròn quanh trục cố định, chúng tôi quyết
định bắt một tấm gỗ vào ngay dưới giàn một làm đế của tháp (hình 2.3). Mục đích là thay
vì làm quay tháp rau, chúng tôi sẽ truyền động làm quay tấm gỗ, lúc đó tháp rau sẽ quay
theo.

Hình 2. 3. Đế tháp rau
Có nhiều phương án truyền động làm cho tháp rau quay như dùng bộ truyền xích,
đai, trục vít – bánh vít hay truyền động bằng bánh răng, ... Nhưng truyền động bằng xích
sẽ gây ồn, tỉ số truyền lại không ổn định. Truyền động bằng trục vít – bánh vít tuy có tỉ số
truyền cao và ổn định nhưng lại sinh nhiệt lớn trong quá trình truyền động, giá thành lại đắt
và khó chế tạo chính xác, … Vì vậy nên chúng tôi chọn biện pháp truyền động bằng hai
bánh răng ăn khớp với nhau. Bộ truyền bánh răng có khả năng chịu tải cao, tỉ số truyền ổn
định và khả năng làm việc chắc chắn và độ bền tin cây. Vì đây là mô hình trồng rau trong
nhà nên cơ cấu truyền động bằng bánh răng ăn khớp cũng như những cơ cấu truyền động
của các khâu khác, chúng tôi đều chế tạo bằng công nghệ in 3D với vật liệu là nhựa PLA
để giảm chi phí chế tạo mà vẫn đáp ứng được yêu cầu về độ bền.
Vì tháp rau có thể lắp thêm tầng để tăng diện tích trồng trọt nên khá nặng, vì vậy cần
momen truyền động lớn. Do đó, chúng tôi thiết kế bộ truyền bánh răng với tỉ số truyền 1:8
để tăng momen quay cho tháp rau.
Để phù hợp với kích thước của tháp rau, chúng tôi thiết kế bộ bánh răng ăn khớp với
module là 5, số răng bánh nhỏ là 15 răng, bánh lớn là 120 răng. Bánh răng nhỏ sẽ được gắn
SVTH: Huỳnh Tấn Bảo
Nguyễn Hữu Thọ

GVHD: TS. Nguyễn Danh Ngọc

7

Thiết kế và chế tạo tháp trồng rau thông minh

trực tiếp với động cơ (hình 2.4). Bánh răng còn lại do kích thước lớn nên chúng tôi chia
nhỏ ra thành 12 phần bằng nhau, mỗi phần nhỏ gồm 10 răng. Sau đó lắp 12 phần nhỏ này
lên tấm gỗ (hình 2.5).

Hình 2. 4. Bánh răng nhỏ

Hình 2. 5. Bánh răng lớn
SVTH: Huỳnh Tấn Bảo
Nguyễn Hữu Thọ

GVHD: TS. Nguyễn Danh Ngọc

8


Thiết kế và chế tạo tháp trồng rau thông minh

Như vậy, chúng tôi đã thiết kế xong phần tháp rau (hình 2.6).

Hình 2. 6. Phương pháp truyền động cho tháp rau
2.2.2. Cơ cấu cánh tay
a. Bàn trượt
Để cánh tay có thể chuyển động lên xuống giữa các tầng, chúng tôi thiết kế một cơ
cấu bàn trượt. Cánh tay sẽ được gắn lên bàn trượt, khi chuyển động lên xuống, bàn trượt sẽ
mang cánh tay di chuyển theo.
Trước tiên, cần phải có trục trượt cho cánh tay. Để phù hợp với kích thước mô hình
hai tầng, chúng tôi chọn một thanh nhôm định hình kích thước 20 x 40, dài 1,2 m (hình

2.7). Nếu lắp thêm tầng, chúng ta cũng có thể nối thêm nhôm định hình một cách dễ dàng.

SVTH: Huỳnh Tấn Bảo
Nguyễn Hữu Thọ

GVHD: TS. Nguyễn Danh Ngọc

9


Thiết kế và chế tạo tháp trồng rau thông minh

Hình 2. 7. Nhôm định hình 20 × 40
Bàn trượt sẽ trượt theo rãnh của nhôm định hình nhờ các con lăn bi có kích thước
đường kính ngoài 15,23 mm, đường kính lỗ 5mm và bề dày 8,8 mm (hình 2.8). Những con
bi lăn này được làm từ nhựa có độ cứng cao, có khả năng chịu mài mòn lớn.

Hình 2. 8. Con lăn bi
Chúng tôi thiết kế bàn trượt gồm phần trước và sau được lắp lại với nhau như hình
2.9. và được lắp vào thanh nhôm định hình như hình 2.10.

SVTH: Huỳnh Tấn Bảo
Nguyễn Hữu Thọ

GVHD: TS. Nguyễn Danh Ngọc

10


Thiết kế và chế tạo tháp trồng rau thông minh

Hình 2. 9. Mặt trước bàn trượt

Hình 2. 10. Bàn trượt và nhôm định hình

SVTH: Huỳnh Tấn Bảo
Nguyễn Hữu Thọ

GVHD: TS. Nguyễn Danh Ngọc

11


Thiết kế và chế tạo tháp trồng rau thông minh

Mặt trước bàn trượt dùng để gắn bàn đỡ cánh tay, mặt sau để kết nối với phần truyền
động. Có nhiều phương án truyền động cho bàn trượt di chuyển lên xuống như truyền động
bằng vít me, tang cuốn, … Tuy nhiên truyền động bằng vít me sẽ cho tốc độ chậm, lại tốn
kém và khó khăn trong việc lắp thêm giàn trồng cây. Còn tang cuốn thì khó chế tạo để đạt
được tỉ số truyền ổn định và độ chính xác cũng sẽ không cao.
Trong mô hình này, chúng tôi sử dụng truyền động đai răng vì cho tỉ số truyền ổn
định và chính xác. Hơn nữa dùng đai răng sẽ linh hoạt hơn trong việc lắp thêm tầng cho
tháp.
Bộ truyền động đai răng gồm một dây đai GT2 với bề rộng 6mm, dài 1,5 m và bộ
pulley GT2 – 20 răng (gồm một pulley chủ động và một pully căng đai), trục 5mm (hình
2.11).

Hình 2. 11. Bộ dây đai và pulley GT2
Để có thể liên kết bàn trượt vào bộ truyền đai răng này, chúng tôi đã thiết kế mặt sau
bàn trượt có một bộ phận dùng để gắn dây đai (hình 2.12). Pulley chủ động GT2 sẽ được

nối trược tiếp vào trục động cơ, pully căng đai sẽ được gắn với một gá đỡ trên đầu mút của
thanh nhôm định hình (hình 2.13).
Như vậy, chúng tôi đã thiết kế xong bàn trượt để mang cánh tay di chuyển lên xuống
giữa các tầng bằng cơ cấu truyền động dùng đai răng.

SVTH: Huỳnh Tấn Bảo
Nguyễn Hữu Thọ

GVHD: TS. Nguyễn Danh Ngọc

12


Thiết kế và chế tạo tháp trồng rau thông minh

Hình 2. 12. Mặt sau bàn trượt

Hình 2. 13. Pulley căng đai
SVTH: Huỳnh Tấn Bảo
Nguyễn Hữu Thọ

GVHD: TS. Nguyễn Danh Ngọc

13


Thiết kế và chế tạo tháp trồng rau thông minh

b. Cánh tay
Sau khi đã thiết kế xong bàn trượt, bước tiếp theo là thiết kế cánh tay. Theo ý tưởng

ban đầu, cánh tay sẽ di chuyển tiến tới và lui ra so với tháp trồng rau. Để thực hiện được
điều đó, cách đơn giản nhất mà vẫn đảm bảo được tính hiệu quả của cánh tay là dùng bộ
truyền động bánh răng thanh răng biến chuyển động quay của động cơ thành chuyển động
tịnh tiến của cánh tay.
Để đảm bảo cho độ cứng vững khi di chuyển, chúng tôi chọn một thanh nhôm định
hình kích thước 20 × 20 mm (hình 2.14), dài 50 cm làm cánh tay.

Hình 2. 14. Nhôm định hình 20 × 20 mm
Để phù hợp với kích thước cánh tay, cơ cấu truyền động bánh răng thanh răng cho
cánh tay được thiết kế với một bánh răng có module 5, gồm 10 răng và thanh răng gồm 30
răng. Vì thanh răng có kích thước lớn hơn so với bàn máy in 3D nên chúng tôi chia nhỏ
thanh răng ra làm ba phần bằng nhau, mỗi phần gồm 10 răng (hình 2.15). Sau khi chế tạo
xong, ta lắp ba phần của thanh răng lên nhôm định hình, ta được một thanh răng hoàn chỉnh
(hình 2.16).

SVTH: Huỳnh Tấn Bảo
Nguyễn Hữu Thọ

GVHD: TS. Nguyễn Danh Ngọc

14